人体不同组织在宝石能谱CT各能量下的对比度分析

吴海珊　朱凤婷　徐静婷

【摘要】 目的：探究宝石能谱CT各能量下人体组织CT图像对比度的比较。方法：选取中山大学肿瘤防治中心20例患者，使用宝石能CT（GE Discovery CT750 HD）对肺、肝脏、肾脏进行增强扫描，能谱CT扫描完成后利用GSI Viewer（能谱图像分析软件）处理得到各组织在不同单能量下的最佳CNR单能量图像，分别计算各能量下不同组织的CT值，最佳单能量下的CT值图像与其他单能量下的CT值图像进行对比，使用能谱图像分析软件对图像重组后的对比度进行比较分析。结果：肺脏与心脏最佳单能量图像的能量值范围在120～140 keV，肝脏与肾脏、肌肉与肾脏最佳单能量图像的能量范围值为40～90 keV。结论：不同人体组织在各能量下存在对比度差异，利用宝石能谱CT可对其进行定性定量分析，从而获得最佳单能量下的图像对比度。

【关键词】 宝石能谱CT； 能谱成像； 最佳单能

Analysis of Contrast Ratio of Different Human Tissuesin Gemstone Energy Spectrum CT Imaging/WU Haishan，ZHU Fengting，XU Jingting.//Medical Innovation of China，2018，15（14）：079-083

【Abstract】 Objective：To explore the contrast ratio of human tissue CT images under different energy levels of gemstone energy spectrum CT.Method：20 patients from Cancer Center，Sun Yat-Sen University，were scanned with enhanced spectrum CT using GSI mode（GE Discovery CT750 HD） in the heart，lung，liver，kidney.All the scanned data were transferred to GSI Viewer （energy spectrum analysis software） to get the best monochromatic CNR images within different energies and different tissues.Meanwhile，this data were used to calculate the CT values of different organizations in different energies.The images of the best single energy were compared with other single energies.Energy spectrum analysis software was used to compare the contrast of the reconstructed image.Result：The energy value range of the best single energy image in the lung-heart was 120-140 keV，the energy value range of the best single energy image in liver-kidney and muscle-kidney were 40-90 keV.Conclusion：There is a contrast ratio difference between different human tissues under every energy，the qualitative and quantitative analysis of the gemstone CT can be used to obtain the image contrast under the best single energy.

【Key words】 Gemstone energy spectrum CT； Energy spectrum imaging； Optimum single energy

First-authors address：Xinhua College of Sun Yat-Sen University，Department of Biomedical Engineering，Guangzhou 510520，China

doi：10.3969/j.issn.1674-4985.2018.14.019

寶石能谱CT作为一款高性能CT，在早期筛查癌症具有重要的诊断价值，与普通双能成像CT最大不同在于宝石能谱CT拥有瞬间双能量切换的特点，它凭借0.5 ms（时间分辨率）瞬时切换低能量（40 keV）与高能量（140 keV）[1-2]。这就形成了宝石能谱CT特有的能谱栅成像技术，因此可对物质实现能谱分析和单能量成像的功能，并且拥有高度分辨组织成分能力，能基于水、碘、钙等不同微量元素的成像条件下，能够完成对物质的组成成分进行分析[1]；利用能谱分析可以早期发现细小病灶，在分辨肿瘤良恶性，实现肿瘤防治组织的定性、定级分析[2-9]。本研究将探索人体不同组织器官在宝石能谱CT各单能量下的对比度分析，评估各能量下人体组织的最佳单能量，以提高临床诊断质量。

1 资料与方法

1.1 一般资料 收集2015年11月-2016年4月于中山大学肿瘤防治中心行肺脏、肝脏、肾脏三期增强扫描检查的患者20例，纳入标准：患者肿瘤术后放化疗结束，定期检查人群。排除标准：心率大于65次/min、心律失常（房颤、频发室性早搏及严重的传导阻滞）、碘对比剂过敏及肾功能不全等一些具有CT扫描禁忌证的患者都不在本次数据收集实验中。所有患者在检查前都签署知情同意书。该研究已经伦理学委员会批准。患者年龄35～75岁，身高158～178 cm，体重55～75 kg。

1.2 檢查方法

1.2.1 成像设备及参数 患者检查使用GE宝石能谱CT机（GE Healthcare，Discovery CT750 HD），管电压以0.5 ms速度瞬时切换40 keV到140 keV，管电流600 mA，层厚0.5 mm，球管旋转速度0.35 s/r，采用GSI扫描模式。以仰卧位作为主要扫描体位，通过双筒高压注射器对患者的静脉注入80～100 mL剂量的碘比乐对比剂，注射速率2.5～2.7 mL/s，随后相同速率注入15 mL生理盐水；采用对比剂跟踪技术和经验延迟方法，在患者注射对比剂30、60、180 s后分别进入门脉期、静脉期以及延时期时进行CT增强扫描。患者在检查前饮水200 mL，禁止剧烈运动。

1.2.2 图像处理分析 将重建的横断面薄层图像传输至GE AW4.5工作站对图像实行后处理，选取患者胸腹部能谱扫描静脉期DATA数据载入GSI专用分析软件进行能谱软件分析，选择不同人体组织部位不同层面但大小相同的感兴趣区域（ROI），感兴趣区域大小范围为20～100 mm2，在选取区域范围时尽量选取密度均匀的组织，避开血管、钙化、坏死等成分，在选取的同时应使所选感兴趣区域大小和位置具有较高的一致性，同一数据分别选取10例患者，每次测量至少3次，并且所得数据取其平均值。使用GSI Viewer分析软件得到最佳单能量分析曲线（Optimal CNR）和感兴趣区域各能量下的CT值（Spectral HU Curve曲线），利用最佳单能量分析曲线（Optimal CNR）获得最佳单能量keV值，一是将该物质与周围背景的信号噪声比明显增加，二是在相同的辐射剂量下提高该物质的CT值，从而改善成像[10-13]，并重建出最佳单能量时keV值下的图像和其他各能量下的图像。

1.3 统计学处理 使用SPSS 17.0统计学软件对采集的能谱CT扫描数据进行数理统计，计量资料用（x±s）表示，比较采用t检验，P<0.05为差异有统计学意义。

2 结果

2.1 肺脏、心脏、肝脏、肾脏和肌肉各单能量下CT值分析 肺脏、心脏、肝脏、肾脏、肌肉都随着单能量keV值的升高，对应的CT值逐渐降低，呈曲线下降趋势，见表1。

2.2 肺脏与心脏能谱参数分析 肺脏与心脏在高能量下（100 keV以上）存在最好的信噪比，见表2、图1。

2.3 肝脏与肾脏能谱参数分析 肝脏与肾脏在高能量下（100 keV以上）的CT值大小相近，信噪比低，对比度低；在低能量范围（40～90 keV）的CT值差异明显，信噪比高，对比度高。肝脏与肾脏在不同keV下CT值进行比较，差异均有统计学意义（P<0.05）。见图2、表3。

2.4 肌肉与肾脏能谱参数分析 肌肉与肾脏在高能量下（100 keV以上）的CT值大小相近，信噪比低，对比度低；在低能量范围40～90 keV的CT值差异明显，信噪比高，对比度高。肌肉与肾脏在不同keV下CT值进行比较，差异均有统计学意义（P<0.05）。见表4、图3。

3 讨论

宝石能谱CT在探索低剂量应用方面具有广阔的前景，以宝石作为探测器的能谱CT，其性能远超常规CT。宝石能谱CT利用单一球管低高双能峰的电压（40～140 keV）瞬时切换，发射出一致性良好且含有两种能量混合的X线。透过人体组织X线被宝石探测器接收形成双能量数据，然后使用图像分析软件对能够满足临床需求的指定的数据进行图像重建，最终得到具有单能量的能谱图像，单能量图像可以减少硬化伪影，再凭借临床诊断的要求改变keV数值便可筛选出信噪比好、高对比度的图像，最后计算单能量点X线吸收衰减系数便可计算出两种组织分别对应的CT值，由此绘制出能谱曲线[14-17]。因此宝石能谱CT能扫描出传统CT设备检查不了微小病灶，采集到高清晰、高分辨率的优质图像，使其更能满足临床诊断的需要。

本研究通过对肺脏、心脏、肾脏、肝脏、肌肉在各单能量下不同keV值下，对应CT值获得的最佳信噪比进行分析，说明实质性人体组织器官在高能量下的对比度是比较相近的，选用低能量keV值X射线对于满足诊断和降低人体所受辐射剂量有很大的优势。而相对于肺来讲，由于受到胸骨的影响，宜采用高千伏X射线，提高对比度。65 keV值下的图像与120 keV值的图像相比，65 keV值下的图像噪声降低，血管对比剂显影效果强，对比度增强。

由于人体不同组织的厚度与密度不尽相同，其对X线的衰减系数也相应发生改变，因而不同物质都具有各自的能谱曲线。能量低的X射线波长较长，其穿透力较弱，因此易被含碘丰富或骨骼等物质所吸收。低能量下的X线穿透物质能力相对高能量X线弱，会致使其穿透物质后产生大量二次射线而使图像信噪比降低，从而大大降低图像清晰度，导致图像质量大大下降。X射线能量的改变直接影响物质的X线衰减系数，采集的图像信噪比以及图像对比度的高低直接与X射线能量大小相关。低能量水平组织对比度增强，但噪声高；高能量水平，硬化伪影少，但组织对比度减弱[18-19]。为此在降低X线能量时，同时要考虑图像信号噪声比在不断下降。因此，最佳单能量的探索正是解决信噪比与低能量矛盾关系的途径。本研究结果显示不同组织在各单能量下的千伏值存在最佳信噪比，说明宝石能谱成像能解决低能量和高信噪比的矛盾关系，不同的keV值组织平均CT值的变化规律，能显示不同单能量范围被检组织的CT值，根据物质衰减曲线的不同将其区分。

综上所述，利用最佳对比噪声技术选择理想单能量keV值图像，宝石能谱CT不仅极大降低了患者所受的辐射剂量，同时能够为临床微小病灶的诊断提供具有高对比度的图像。

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（收稿日期：2018-01-26） （本文编辑：张爽）