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        不同雙能量組合對Rho/Z檢測準(zhǔn)確性的模體研究

        2021-10-13 02:39:00王鵬朝單春輝郭方凱黃曉穎暴云鋒陳英敏
        中國醫(yī)療設(shè)備 2021年9期
        關(guān)鍵詞:一致性劑量測量

        王鵬朝,單春輝,郭方凱,黃曉穎,暴云鋒,陳英敏

        河北省人民醫(yī)院 醫(yī)學(xué)影像科,河北 石家莊 050051

        引言

        自2006年以來,雙能量CT(Dual-Energy CT,DECT)的許多功能已經(jīng)被開發(fā)并應(yīng)用于臨床,包括:① 自動直接去骨技術(shù);② 從增強(qiáng)CT中分離碘濃度圖;③ 虛擬平掃技術(shù);④ 識別肺實(shí)質(zhì)或心肌中的灌注血容量;⑤ 根據(jù)材料的元素組成確定材料的特征等[1-6]。隨著CT設(shè)備硬件與軟件技術(shù)的發(fā)展,雙能量成像技術(shù)逐漸實(shí)現(xiàn)了對物質(zhì)的特性分析[7]和定量分析[8],為臨床醫(yī)生提供了更多的信息。電子密度及有效原子序數(shù)就是其中一種。

        腫瘤質(zhì)子治療作為一種高端技術(shù),自1988年問世以來,治療腫瘤有效率達(dá)95%以上,早期腫瘤5年存活率達(dá)80%以上[9]。為準(zhǔn)確了解質(zhì)子束所穿過的組織對質(zhì)子束的阻止能力,雙能技術(shù)利用質(zhì)子束“Bragg峰”的特性,實(shí)現(xiàn)腫瘤的“立體定向精準(zhǔn)爆破”,這個過程中準(zhǔn)確測量組織的電子密度和原子序數(shù)就顯得尤為重要[10]。為了克服單能CT對病變組織測量的局限性,雙能CT被用來計算電子密度的分布圖Rho和有效原子數(shù)Z,為接受質(zhì)子治療的腫瘤患者提供個性化和精準(zhǔn)化治療方案。

        電子密度與有效原子序數(shù)的CT雙能量測量,作為一種新開發(fā)的技術(shù),測量時可能會受設(shè)備性能,雙能量組合和算法等因素的影響[11]。測量值與實(shí)際值的誤差有多大,不同能量組合下測量的電子密度與有效原子序數(shù)一致性是否良好,目前無此類文獻(xiàn)的相關(guān)報道。本研究利用標(biāo)準(zhǔn)模體在不同雙能量組合下的數(shù)據(jù)進(jìn)行對比分析,探討臨床最實(shí)用的雙能量掃描模式,為電子密度和有效原子序數(shù)的臨床應(yīng)用提供指導(dǎo)。

        1 材料與方法

        1.1 材料

        本研究采用美國模體實(shí)驗(yàn)室Catphan 600標(biāo)準(zhǔn)模體(圖1)中的CTP404檢測模塊。CTP404模塊為層厚、CT值線性、模體位置驗(yàn)證模塊。封裝在Catphan 600標(biāo)準(zhǔn)模體中,材質(zhì)為固態(tài)水,直徑150 mm,厚32.5 mm。其內(nèi)有8個直徑為10 mm的圓柱狀填充條,填充物質(zhì)分別為純水(需灌裝)、Polystyrene(聚苯乙烯)、LDPE(低密度聚乙烯)、PMP(熱塑性樹脂)、Air(空氣)、Teflon(特氟龍)、DelrinTM(聚甲醛)、Acrylic(丙烯酸塑料)。已知物質(zhì)CT值,電子密度和有效原子序數(shù)。

        圖1 Catphan 600標(biāo)準(zhǔn)模體

        1.2 掃描方法

        采用西門子SOMATOM Force CT雙能量掃描模式對Catphan 600檢測模體進(jìn)行掃描,采用不同的能量組合,參考管電流采用系統(tǒng)默認(rèn)值。掃描條件分別為: ① A球管80 kV、參考管電流為132 mAs,B球管140 kV、參考管電流為24 mAs;② A球管70 kV、參考管電流為380 mAs,B球管Sn150 kV、參考管電流為95 mAs;③ A球管80 kV、參考管電流為190 mAs,B球管Sn150 kV、參考管電流為95 mAs;④ A球管90 kV、參考管電流為152 mAs,B球管Sn150 kV、參考管電流為95 mAs;⑤ A球管100 kV、參考管電流為190 mAs,B球管Sn150 kV、參考管電流為95 mAs。球管轉(zhuǎn)速為0.5 s/r,螺距0.7,準(zhǔn)直器寬度64 mm×0.6 mm,矩陣512×512,開啟實(shí)時動態(tài)曝光劑量調(diào)節(jié)Care Dose 4D技術(shù),掃描長度為65 mm,掃描中點(diǎn)為CTP404模塊中心點(diǎn)。重建野(DFov)設(shè)置為200 mm,卷積核為Hr40,迭代強(qiáng)度ADMIRE為3,窗寬為350 HU,窗位為40 HU,重建層厚5 mm,層距5 mm。每次掃描均重建高能量、低能量及加權(quán)(加權(quán)系數(shù)為系統(tǒng)默認(rèn)值0.6)三組數(shù)據(jù)。5種能量組合均重復(fù)掃描10次,共計掃描50次。并記錄每次的容積CT劑量指數(shù)(Volumetric CT Dose Index,CTDIvol)和劑量長度乘積(Dose Length Product,DLP)。

        1.3 數(shù)據(jù)處理

        將所有掃描的高、低能量數(shù)據(jù)及加權(quán)數(shù)據(jù)導(dǎo)入syngo.via工作站。使用工作站中雙能量程序下的“Rho/Z”模式進(jìn)行電子密度與有效原子序數(shù)測量,測量層面選取每個序列的中間層。測量時在8種物質(zhì)中心位置設(shè)置圓形感興趣區(qū)(Region of Interest,ROI),大小為 50 mm2,記錄各ROI所測的有效原子序數(shù)值,計算物質(zhì)的電子密度。電子密度公式如公式(1) 所示。

        Rhox為物質(zhì)X的電子密度;CTx為物質(zhì)X在雙能量模式下ROI內(nèi)測量的CT值;Rho水為水的電子密度。

        使用工作站中的“MM閱片”模式對加權(quán)數(shù)據(jù)進(jìn)行CT值的測量,測量層面選取每個序列的中間層。測量時在8種物質(zhì)中心位置設(shè)置圓形ROI,大小為50 mm2,記錄各ROI所測的CT值(圖2)。

        圖2 不同類型圖

        1.4 統(tǒng)計學(xué)分析

        運(yùn)用SPSS 24.0軟件組內(nèi)相關(guān)系數(shù)分別檢驗(yàn)計量各組重復(fù)掃描的電子密度、有效原子序數(shù)、CT值、CTDIVol和DLP的一致性,得出電子密度、有效原子序數(shù)、CT值、CTDIVol和DLP的一致性較好。故取重復(fù)測量的均值作為每組數(shù)據(jù)的確定值。根據(jù)結(jié)果使用單獨(dú)樣本t檢驗(yàn)分別比較五種模式下電子密度、有效原子序數(shù)、CT值的測量值與實(shí)際值的差別;并分析結(jié)果的差異度。使用優(yōu)劣解距離法(Technique for Order Preference by Similarity to an Ideal Solution,TOPSIS)綜合10種因素評價5種能量組合的優(yōu)劣程度,并選出最佳、最劣方案。

        2 結(jié)果

        2.1 組內(nèi)一致性分析

        統(tǒng)計發(fā)現(xiàn),不同能量組合下CTP404模塊內(nèi)8種物質(zhì)的電子密度、CT值、CTDIVol和DLP組內(nèi)一致性較好,有效原子序數(shù)組內(nèi)一致性一般,詳見表1。

        表1 組內(nèi)一致性分析

        通過表1可見,不同能量組合測得的電子密度、CT值、CTDIVol和DLP高度一致,有效原子序數(shù)組內(nèi)一致性較高,所以可以使用組內(nèi)均值代表各組情況進(jìn)行統(tǒng)計分析。

        2.2 5種模式下電子密度、有效原子序數(shù)測量值與實(shí)際值差異性分析

        統(tǒng)計發(fā)現(xiàn),分別對5種能量下的8種物質(zhì)經(jīng)單獨(dú)樣本t檢驗(yàn)可見,五種能量組合下,電子密度測量值與實(shí)際值有明顯差別(P<0.05)的占90%,無明顯差別(P>0.05)的情況占10%;有效原子序數(shù)測量值與實(shí)際值有明顯差別(P<0.05)的情況占48.6%,無明顯差別(P>0.05)的情況占51.4%,由于空氣為氣體狀態(tài),有效原子序數(shù)無法計量。綜合5種雙能量模式,當(dāng)測量均值與實(shí)際值有明顯差別時。除空氣外,電子密度測量均值與實(shí)際值最大偏差為2.620%,有效原子序數(shù)測量均值與實(shí)際最大偏差為4.447%。各組CT值取均數(shù)代表測量CT值與物質(zhì)實(shí)際CT值相比均無明顯差別。整體而言,有效原子序數(shù)與實(shí)際值的符合度比電子密度更好;而電子密度測量穩(wěn)定性比有效原子序數(shù)更高,詳見表2。

        表2 五種模式下電子密度、有效原子序數(shù)測量均值與實(shí)際值差異性分析

        2.3 5種模式測量電子密度與有效原子序數(shù)優(yōu)劣程度排名

        使用TOPSIS法綜合5種雙能組合中10種因素,得出電子密度數(shù)據(jù)的優(yōu)劣排名:最優(yōu)方案為80/Sn150 kV組(與最優(yōu)方案接近程度為0.939),最劣方案為100/Sn150 kV組(與最優(yōu)方案接近程度為0.007);有效原子序數(shù)的最優(yōu)方案為80/Sn150 kV組(與最優(yōu)方案接近程度為0.920),最劣方案為100/Sn150 kV組(與最優(yōu)方案接近程度為0.062),詳見表3。

        表3 五種模式測量電子密度與有效原子序數(shù)優(yōu)劣程度排名

        3 討論

        Rho/Z作為物質(zhì)的固有屬性,可以在一定程度上反映物質(zhì)的理化特性[12]。理論上Rho/Z并不會實(shí)時變化。但是在CT檢查中由于管電壓的瞬時變化和測量的誤差等,測量值會與實(shí)際值存在一定差別[13]。經(jīng)過測量統(tǒng)計分析發(fā)現(xiàn),同一能量組合重復(fù)掃描時,電子密度、原子序數(shù)、CT值、CTDIVol和DLP均一致性良好。所以同一能量組合下的重復(fù)性較好。同一患者掃描不會出現(xiàn)較大差異,可信度較高。由于不同物質(zhì)的Rho/Z值相差不大,且絕對值均不高,所以測量時誤差的影響較大。而CT值的范圍較寬,物質(zhì)的對比度更高,所以8種物質(zhì)密度上很小差別就可以在CT值上體現(xiàn)。CT值的測量值與實(shí)際值之間的誤差較小,一致性更好。

        不同能量組合的管電壓、管電流不同,所以組間的CTDIVol和DLP會有差別。研究發(fā)現(xiàn)80/140 kV能量組輻射劑量僅低于100/Sn150 kV組,高于其余組。可能因?yàn)楸窘M高能量球管未經(jīng)過錫(Sn)板濾過低能射線,使得低能射線較多,影響輻射劑量[14]。而且當(dāng)高能線束的低能部分被Sn濾過后,可以使高能量與低能量的能譜重合較少,物質(zhì)分離時可以更徹底[15]。所以日常掃描過程中推薦使用有Sn濾過的能量組。掃描時發(fā)現(xiàn),低能球管的管電流均比高能球管管電流參考值要高。這是為了讓低能射線有足夠穿透人體的量,到達(dá)探測器,與高能數(shù)據(jù)按比例重建混合。

        隨著不同能量組合的管電壓的提高,CTDIVol和DLP逐步提高,最低值為最高值的77%。80/140 kV組、70/Sn150 kV組、80/Sn150 kV組與90/Sn150 kV組相差不大。100/Sn150 kV組輻射劑量顯著提高。所以除非特別肥胖患者,其余情況不推薦使用100/Sn150 kV能量組[16]。

        針對不同腫瘤患者實(shí)施質(zhì)子精準(zhǔn)化治療來說,雙能CT能為臨床提供更多的有用信息—加權(quán)圖像CT值與實(shí)際CT值一致,還能夠提供電子密度與有效原子序數(shù)的定量值[17]。雙能量成像保證了CT值的穩(wěn)定性,還能夠使質(zhì)子的“Bragg峰”計算更精確[18]。本研究就是在雙能量應(yīng)用日益廣泛的情況下,來確定現(xiàn)階段能夠提供更準(zhǔn)確電子密度和有效原子序數(shù)信息的能量組合。由于醫(yī)用設(shè)備的限制,雙能量成像僅有五種組合。故本實(shí)驗(yàn)采用所有能量組合進(jìn)行驗(yàn)證。除此之外,在CT檢查中,CT值的準(zhǔn)確性、輻射劑量、圖像質(zhì)量等都是同等重要的因素,依然需要考慮驗(yàn)證。自動管電流調(diào)節(jié)技術(shù)已被眾多研究證實(shí)可在保證圖像質(zhì)量前提下有效降低輻射劑量[19],這個條件在雙能量成像中同樣適用,降低患者的輻射劑量。

        本研究的不足在于受模體限制,模型厚度單一,無法模擬實(shí)際檢查中受檢者的實(shí)際情況。本實(shí)驗(yàn)使用物質(zhì)均為單一物質(zhì),無法模擬混合物的實(shí)際值。電子密度和原子序數(shù)值的測量都是基于不同能量下X線的穿透數(shù)量,X線在固體和液體中傳播時,會與物質(zhì)發(fā)生相互作用,可以通過后期計算得到固體和液體的Rho/Z值。由于氣體分子間距離較大,對X線的阻擋效果有限,所以DECT無法測量純氣體的Rho/Z值。這都是我們今后努力的方向。

        4 結(jié)論

        綜上所述,本研究通過模體對第三代雙源CT不同能量組合下測量的Rho/Z值進(jìn)行分析得出,經(jīng)過Sn濾過后的測量準(zhǔn)確性要優(yōu)于未經(jīng)Sn濾過組。100/Sn150 kV組輻射劑量明顯大于其余4組,且測量準(zhǔn)確性未見明顯提高。80/Sn150 kV為最優(yōu)組,電子密度與最優(yōu)結(jié)果接近程度為0.939,有效原子序數(shù)與最優(yōu)結(jié)果接近程度為0.920。綜合劑量和圖像的準(zhǔn)確度因素進(jìn)行排名,80/Sn150 kV組既可以保證測量的準(zhǔn)確性,又可以最大限度地縮減輻射劑量,且可重復(fù)性較好,值得應(yīng)用推廣。

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