双能量ct单能谱成像技术相关因素分析

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1、双能量CT单能谱成像技术相关因素定量分析,重庆医科大学附属第一医院,曾勇明,以扫描技术分为,Dual Spin CT,Dual Source CT,Fast kV Switching,目前双能量成像模式,Dual Spin CT,不同管电压旋转,双X线管模式,快速管电压切换,不同管电压旋转扫描特点,宽覆盖 两圈扫描：高和低KV mA可以自动调节，获得相同噪声 不动床扫描 双圈扫描时投影方向一致,双圈扫描双能量的优缺点,优点,缺点,KV切换延迟 双圈扫描运动伪影影响 只是图像空间的重建，不涉及到投影空间,双圈扫描时条件可分别调节（电流和滤线准直器） 不受交叉散射线的影像,双源双能量的特点,两条影

2、像链 多种扫描模式 双能量模式 双源模式 FLASH模式,双源双能量模式的优缺点,优点,缺点,投影相位始终相差90度 交叉散射线影像 小FOV（33cm）,比较好的高低能量分离 每个球管的扫描条件各自调节 辐射剂量比双倍单源剂量低,KV切换模式双能量特点,单源模式扫描 高低电压快速切换 特制球管,KV切换双能量扫描优缺点,优点,缺点,mA量固定，剂量偏高 高低能量区分度低 高低能量交替，无法同时,能量切换时间比双圈模式快 单源成本较低 没有（双源双能量模式下）交叉散射线影像,双能量CT技术要求,目前三种能量扫描限制,无法实现“三同”,无法实现“三同”,无法实现“三同”,最新能量成像：双层探测器

3、,Low Energy,High Energy,光谱探测器,双层探测器能量的主要优势,相同几何学能量成像（三同） 3D电流调节 投影空间光谱能量重建 全定量光谱数据分析 全天候光谱能量成像 常规流程不受影响（即时光谱能量）,双层探测器双能量扫描优缺点,基于双层探测器的能量成像,Raw (HE),Spectral Image,Weighted combination,Conventional,Raw (LE),目前尚处于临床应用初期阶段？,研究背景,目前应用于临床的双能量CT主要是： 快速管电压切换和双源CT两种成像技术 双能量CT（Dual Energy Computed Tomography

4、，DECT）可获得虚拟单能谱（virtual monochromatic spectral，VMS）图像 不同能量的单能谱图像描绘了在真实的单能量X线束情况下物质的特征 与常规混合能量图像相比，具有更低的噪声、更好的对比噪声比及硬化伪影修正后的更准确线性衰减系数,DECT特别的临床功能主要有三类,1、图像优化显示：包括虚拟单能谱图像、线性和非线性融合图像 2、不同物质的区分和分离：如碘/钙的区分、结石种类的鉴别、痛风结节以及软管肌腱的显示等 3、物质的定量分析：如双能量灌注成像、碘等各种元素含量的测定、以及双能病理分析 相比之下，第一类主要是基于CT值的图像灰阶的改变，而后两类常用不同色彩编码

5、不同物质或者是物质的量,虚拟单能谱图像存在的问题,各个组织器官虚拟单能谱图像与常规CT图像的等效性如何？ 影响双能量CT虚拟单能谱成像质量的因素？各种技术类型双能量CT虚拟单能谱图像是否存在差异性？ 虚拟单能谱图像CT值的量化关系，能否准确的利用单能谱图像对某些疾病（如肺癌筛查）进行定量分析？ 不同物质的分离和物质的定量分析，虽然是利用不同色彩编码分析不同物质或者物质的量，但本质上仍然与物质吸收X线的衰减有关。双能量CT成像的稳定性（差异性）对物质定量分析是否有影响？,双能量CT单能谱成像技术相关因素定量分析,第一部分,双能量CT单能谱70keV图像与常规CT 120kVp图像的CT值等效性研

6、究 研究意义： 文献报道，在相同辐射剂量下70keV左右的虚拟单能谱图像质量等效于常规120kVp图像。临床上有采用虚拟单能谱图像代替常规平扫图像进行诊断的应用。本研究全面验证虚拟单能谱图像与常规图像的等效性,实验对象,CT Torso Phantom CTU-41 由与人体组织同等X线吸收率的等效材料制成，模拟了成人男性从头部到盆腔各部位的组织和器官 体模出厂验证：常规CT 120 kVp扫描条件下，组织和器官CT值与相应人体组织和器官等效，可用于CT成像 高：100cm 重量：45 kg,(CT Torso Phantom CTU-41, Kyotokagaku,Kyoto,Japan),

7、实验设备,扫描参数,数据处理,将体模分为头、胸、腹、盆腔四个部位，于每个部位中同种组织选择3个不同层面，每个层面测量4个ROI，即于每种组织取12个ROI 为保证测量数据的完整性，测量包括软组织、液性组织、脂质组织、骨骼以及空气 ROI设置为正圆形，面积为0.12 cm2，计算CT值及其标准差（standard deviation， SD），将SD定义为CT图像的噪声,统计学方法,采用SPSS 22.0统计软件包进行统计学分析,计量资料以xs表示 将70keV/FBP、120kVp/FBP、70keV/Safire(3)、120kVp/Safire(3)四组图像的同种组织的CT值和噪声行两两配

8、对t检验 多重比较采用Bonferroni校正。P0.0083为差异有统计学意义,结果,70 keV/FBP 70 keV/SAFIRE(3) 120 kVp/FBP 120 kVp/SAFIR(3),头部,胸部,腹部,盆腔,结果,CT值 70keV与120kVp在丘脑、颅骨外空气、胆囊、肝实质、脾脏、前列腺CT值差异均无统计学意义（P均0.0083） 70keV侧脑室、小脑、胸腺、心脏、肺、胃泡和直肠肠管内空气的CT值低于120 kVp图像；下颌骨、胸椎、腰椎、股骨头中央部CT值高于120kVp图像（P0.0083）,结果,噪声 70keV与120kVp噪声的差异无统计学意义 （P均0.00

9、83） Safire(3)算法70keV、120kVp图像与其FBP算法相比较，噪声降低约25.299.39%和27.938.39% （P均0.0083）,讨论,CT值 70keV与120kVp在骨骼系统不等效，且骨质密度越高者差异较大 空气的CT值为1000HU左右，但会受到X线束硬化效应影响，除头部外，胸部、腹部、盆腔图像上空气CT值均不等效，可能是由于头部为类圆型，而胸、腹、盆腔为类椭圆形所致 小脑硬化伪影较重，而腹部以软组织为主硬化效应少；说明在硬化效应较重区域70keV可能修正了部分硬化伪影，致使两种图像CT值出现差异,讨论,注：胸部部分测量层面窗宽为90HU,窗位为-1000HU图

10、像，图像内红色圆圈代表DECT有效成像范围（FOV为33cm）；DECT红圈内放射状伪影较常规扫描图像少,70 keV/FBP 70 keV/SAFIRE(3) 120 kVp/FBP 120 kVp/SAFIR(3),讨论,噪声 70keV与120kVp噪声无统计学差异，表明双源CT在相同的辐射剂量下，二者具有相同的噪声水平 而采用快速管电压切换技术研究表明，70keV图像噪声明显低于120kVp图像，提示不同的技术在相同辐射剂量下噪声表现不同,结论,第二部分,两种双能量CT技术虚拟单能谱图像 噪声指标的对比研究 研究意义： 在相同辐射剂量下，不同双能量成像技术产生的虚拟单能谱图像质量是否存

11、在差异性？通过本研究可为临床有针对性的应用虚拟单能谱图像提供理论依据,实验对象,CT Torso Phantom CTU-41 将对比剂碘海醇（含碘300mg/ml）用生理盐水稀释至含碘15mg/ml 混匀后分别装入12只5ml的一次性注射用针筒中，另用12只5ml针筒吸入生理盐水和对比剂配成碘水对 分别放置于仿真体模头部、胸部、腹部的上、下、左、右4个方位，即每个部位4组碘水对,(CT Torso Phantom CTU-41, Kyotokagaku,Kyoto,Japan),实验设备,扫描参数,数据处理,将体模分为头部、胸部、腹部，于每个部位的4组碘水对选择12个不同层面，每个层面测量8

12、个ROI，即每个部位取48个碘ROI和48个水ROI ROI设置为正圆形，面积为0.23 cm2，计算CT值及其标准差（standard deviation， SD），将生理盐水的SD定义为CT图像的背景噪声。碘信噪比（signal to noise ratio，SNR）为碘CT值与碘噪声的比值，碘对比噪声比（contrast to noise ratio，CNR）为碘CT值与生理盐水CT值的差值与背景噪声的比值,统计学方法,采用SPSS 22.0统计软件包进行统计学分析,计量资料以xs表示 采用配对t检验比较相同能级VMS双源和VMS管电压的碘CT值、背景噪声、碘SNR和碘CNR 采用单因素

13、方差分析比较同一成像方式相同能级不同部位上述参数的差异，不同部位两两比较采用Tukey法。P0.05为差异有统计学意义,结果,VMS管电压,VMS双源,VMS管电压,VMS双源,40keV,60keV,70keV,140keV,40keV,60keV,70keV,140keV,40keV,60keV,70keV,140keV,结果,CT值 两种VMS图像碘CT值均随着能级升高逐渐下降，且VMS双源高于VMS管电压（P0.05） VMS管电压低于100keV时从头、胸、腹部依次降低，而VMS双源多数能级的CT值在胸部较高（P0.05）,结果,背景噪声 两种VMS均在40keV最高，头、胸、腹部依

14、次升高 VMS管电压随着能级增高逐渐降低，70keV达低点后，80keV有所升高，而后继续降低；VMS双源在70或80keV降至低点后，而后逐渐升高 低于100keV时VMS双源背景噪声低于VMS管电压，高于100keV时VMS双源背景噪声高于VMS管电压（P0.05）,结果,SNR 两种VMS碘SNR均在60keV最高，VMS双源高于VMS管电压（P0.05） 各能级从头、胸、腹部均依次降低,结果,CNR 两种碘CNR均在60keV最高，且VMS双源高于VMS管电压（P0.05） 各能级从头、胸、腹部均依次降低,讨论,碘CT值 VMS管电压低于100keV时，头、胸、腹部CT值依次降低；而V

15、MS双源大部分能级的碘CT值在胸部较高 由此可见，虚拟单能谱图像并非真正意义上的单能谱图像，其碘CT值不仅和能量大小有关，而且和所处的部位相关，仍会受到硬化效应的影响,讨论,图像质量 两种VMS背景噪声在各能级从头、胸、腹部均依次升高，SNR和CNR均依次降低，由于仿真体模头部径线最小，胸、腹部径线较大且胸内大部分为空腔器官，故在相同的辐射剂量且未采用管电流调制技术时，噪声、SNR、CNR依次改变。因此，VMS图像质量不仅和能级有关，而且与部位密切相关,结论,相同辐射剂量成像，两种双能CT技术VMS图像的CT值及图像 质量指标均有差异性，在不同部位表现各不相同，且部分 能级差异有显著性 两种双

16、能量CT技术的VMS图像，均在70KeV时，获得较低噪 声的图像，在60KeV时，获得最佳的SNR和CNR图像,小结,本研究解决的问题,各个组织器官虚拟单能谱图像与常规CT平扫图像的等效性？ 不是所有组织器官的单能谱图像与常规CT平扫图像均等效 影响双能量CT虚拟单能谱成像质量的因素？各种技术类型双能量CT虚拟单能谱图像的差异性？ “三同”因素肯定影响双能量CT成像质量。不同双能量CT成像技术的虚拟单能谱图像质量有所不同，其图像质量指标存在差异性 虚拟单能谱图像CT值的量化关系，能否准确的利用单能谱图像对某些疾病（如肺癌筛查）进行定量分析？ 研究结果表明，不同双能量CT成像技术的虚拟单能谱图像对病变量化存在差异性 不同物质的分离和物质的定量分析，虽然是利用不同色彩编码分析不同物质或者物质的量，但本质上仍然与物质吸收X线的衰减有关。双能量CT成像的稳定性（差异性）对物质的定量分析有影响吗？ 有待进一步研究,谢谢！ zeng