重建算法及射束硬化偽影對CT值測量的影響

趙 雷，劉 波

（南京醫科大學第一附屬醫院放射科 江蘇 南京 210029）

CT值是代表X線穿過組織被吸收后的衰減值。它的計算是根據水對X線的衰減系數μ水作為標準的，其換算方式為：某物質的CT值等于該物質的衰減系數μ物與水的衰減系數μ水之差，再與水的衰減系數μ水之比后乘以1000。即某物質CT值=（μ物—μ水）/μ水×1000，其單位名稱為HU（Hounsfield Unit），由此可見CT值不是一個絕對值，而是一個相對值。不同組織的CT值各異，各自在一定范圍內波動。CT值的測量常常作為臨床診斷的一個重要的依據，例如，顱內病變，如后顱窩病變以及中耳病變，測量CT值也具有重要的意義，尤其是對中耳炎的診斷[1]。有研究表明根據組織CT值大小和臨近骨質破壞情況可大大提高對中耳炎診斷的正確率[1]。然而，CT值的測量會因X線束硬化、機器電源情況、掃描參數的選擇、溫度及鄰近組織等因素發生改變。其中，X線束硬化是無法消除或避免的因素之一。X線射束硬化偽影降低了圖像質量，影響了診斷的結果，有學者表明可以通過一種深度學習的校正方法，使其逼近真實的CT值[2，3]，這時可能會有補償過度的情況產生。行CT掃描時不同的機器會有不同的默認的重建算法，有時也可以根據實際情況去添加多個重建算法，不同的重建算法下其圖像質量也有不同，其CT值也會受到影響，而在做顱腦掃描時，難免會有射束硬化現象，會產生不同程度的射束硬化偽影，而此時的CT值也將會受到不同程度的影響，從而測量的CT值會與正常值有所差異。有研究表明在測量組織的CT值時，在不同的算法下測量的CT值不同，盡量在STND算法下測量才能保證評價的準確性[4]。本研究的目的在于探討不同重建方法及射線硬束偽影對CT值測量的影響。

1 材料與方法

1.1 材料

實驗材料：面粉、黃油、高鈣牛奶以及豬頭顱；器材：量杯、攪拌棒、攪拌杯以及一次性手套。機器：GE公司生產的LightSpeed VCT CT 99。

1.2 方法

1.2.1 配制顆粒并分組

經過多次反復配比，將面粉、黃油、牛奶及水按①1:1.1:1.1:1，②1:1.03:1.04:1，③1.03:1.04:1.05:1，④ 1.1:1:1.2:1， ⑤ 1.1:1.23:1.3:1， ⑥ 1.2:1.3:1.4:1，⑦1.2:1.3:1.6:1調配，配制成不同CT值范圍顆粒，大小約6cm3，制備7組顆粒，CT值分別約10HU、25HU、40HU、60HU、80HU、100HU、130HU，用薄層塑料膜包裹；另取適量生理鹽水，制成相同大小顆粒。

1.2.2 CT值校正

實驗之前先對CT機進行空氣校準，之后進行CT值的水模校正，CT值校正時掃描水模機器默認用的是STND算法。此步驟的目的是校正CT值，以保證實驗時測量的CT值的準確性。

1.2.3 測定CT值

（1）測定各組顆粒在水模上的CT值：將8組顆粒依次固定在水模上并標記，掃描參數：140kV，300mA，層厚1.25mm，分別采用 EDGE、STND、SOFT、DETL、BONE、BONE PLUS（BONE+）六種重建算法獲取圖像。掃描結束后由兩位觀察者對在各個算法下的顆粒進行CT值的測量，測量最大直徑中心點的CT值兩次并記錄（見表1、表2）。

（2）測定顆粒放入豬枕骨大孔內的CT值：將8組顆粒依次放入豬后顱窩枕骨大孔內，掃描參數及重建算法同上。掃描結束后由兩位觀察者測量各個算法下的顆粒的CT值，測量最大直徑中心點的CT值兩次并記錄（見表3、表4）。

1.2.4 統計分析方法

首先判斷觀察者之間的一致性，用組內相關系數（Intraclass correlation coefficient ICC）來衡量。

水模上各組顆粒在各個算法下測得的CT值，首先進行正態性檢驗和方差齊性檢驗，若方差齊則用方差（Analysis of Variance ANOVA）分析，若方差不齊，則用秩和檢驗。

后顱窩內各組顆粒在各個算法下測得的CT值，首先進行正態性檢驗和方差齊性檢驗，若方差齊則用ANOVA分析，若方差不齊，則用秩和檢驗。

各種重建算法下顆粒置于后顱窩內與置于水模上測得的CT值的差異，采用配對樣本t檢驗法進行分析。

2 結果與分析

2.1 數據記錄結果

測量8組顆粒在水模上掃描后的CT值，兩位觀察者記錄如下。

表2 8組顆粒在水模上測得的CT值（觀察者2）

測量8組顆粒放入豬頭后顱窩內的CT值，兩位觀察者記錄如下。

表3 8組顆粒放入豬頭后顱窩內測得的CT值（觀察者1）

表4 8組顆粒放入豬頭后顱窩內測得的CT值（觀察者2）

2.2 數據分析結果

首先，判斷兩位觀察者之間的一致性，經計算觀察者之間的ICC均大于0.90，一致性好。不同算法下無論是直接在水模上還是將顆粒放入豬頭后顱窩內所測得的CT值差異并無統計學意義，但是數據顯示變化無規律性。雖然從數據上看，BONE算法下測量的CT值多數均偏高，但是還是有不止一個特例的存在。例如，SOFT算法下和BONE算法下所測得的CT值，數據顯示第三組和第七組的兩組顆粒在SOFT算法下的CT值均小于在BONE算法下的CT值，其余的數據之間的變化則無此規律，以第一組和第六組為例，在SOFT算法下顆粒的CT值反而比在BONE算法下的CT值高。最后，對顆粒放入豬頭后顱窩和置于水模上測量CT值的數據進行分析，根據觀察者們測量記錄的數據，放入后顱窩內顆粒的CT值均顯著高于水模上測量的CT值（水的CT值除外）。

3 討論

3.1 算法對CT值的影響

通過本實驗數據的分析可以看出重建算法對CT值的測量是有一定的影響的，但影響無規律性。例如，通過兩位觀察者的記錄第一組顆粒在水模上測量的CT值的最小值是在EDGE算法下測得CT值為-1.9HU，而最大值是在BONE+算法下測得的CT值為15.1HU，然而第二組測量的情況是在EDGE算法下的大于在BONE+算法下的測量值；第二組CT值的最小值同樣是在EDGE算法，然而最大值卻是在SOFT算法下產生的；第三組CT值的最小值是在DETL算法下測得，而最大值卻出現在了BONE+算法下。因此，沒有哪種算法下的CT值是始終偏大的，也沒有哪種算法的下的CT值是偏小的，這就是數據顯示的無規律性。實際工作中除了測量CT值，圖像還應更好地顯示病變及正常解剖結構，重建算法會影響圖像的分辨率，以下是六種算法的特點：①EDGE：邊緣重建。該重建方式的密度分辨率最低，但空間分辨率最高，主要用于特殊部位的觀察。②SOFT：軟組織重建。該重建方式空間分辨率最低，密度分辨率最高，適合于軟組織的觀察。多用于神經系統，如：頸錐，胸、腰椎椎管和腦組織。③STND：標準重建方式。該重建方式的密度分辨率低于SOFT，但空間分辨率要高于SOFT，適合于軟組織的觀察。④DETL：顯示細節高分辨。⑤BONE：骨重建方式。該重建方式的密度分辨率低于CHEST，但空間分辨率要高于CHEST，適合于骨組織，肺組織和增強的血管等部位的觀察。（CHEST：肺重建方式。該重建方式的密度分辨率低于DETL，但空間分辨率要高于DETL，主要用于肺組織的觀察）。⑥Bone Plus（BONE+）：540度重建一幅圖像，常用在顱底中耳和副鼻竇。人體組織密度不同，CT值范圍也不同，例如，骨密質＞250HU，骨松質130±100HU，鈣化＞60HU，甲狀腺70±10HU，肝65±5HU，脾45±5HU，肌肉45±5HU，胰40±10HU，腦灰質36±4HU，腦白質30±2HU，脂肪-65±10HU。不同算法用的kV，mA，都是相同的，但是其他參數是略有差異，比如窗寬窗位的不同，層厚的不同。因為不同算法突出圖像的重點不同，CT值也會有差異產生。有學者研究表明測量組織的實際CT值時，盡量在STND算法下進行才能保證評價的準確性[4]。而本研究顯示各種算法的CT值差異不大，可能跟本次研究樣本量偏小有關。

3.2 射術硬化偽影的產生及消除方法

CT機的球管產生的X線是能量不一的擁有連續能譜的射線源，當X射線通過人體或者物體時，X射線頻譜被衰減或吸收的量不同，較低能量的X射線優先被吸收，較高能量X射線較易穿過人體，由于光電效應使射線能譜變窄，射線逐漸變硬，即射線的平均能量變高，這一過程稱為硬化。CT圖像重建時通常需要入射光線單色光的投影數據，但實際情況是球管提供的X線源是多色光源，計算機所得到的投影數據是多色光的投影數據，所以只能用多色光的數據去逼近單色光，即用其平均能量來代表X線的能量進行圖像重建。因此在重建后的圖像上就會產生“杯狀”或“帽狀”偽影[5]，這種偽影就稱為射線硬化偽影。一般解決射束硬化偽影的辦法可采用補償濾線器、吸收低能射線、減少硬化效應或利用改變重建算法參數設置[6]和校正技術，提高重建圖像CT值的精確度。在EDGE算法下第一組顆粒放入豬后顱窩之前與放入之后對比，發現CT值的絕對值差為26.3HU；在STND算法下第二組顆粒在放入豬后顱窩前后CT值的絕對值差為31.9HU；在SOFT算法下第三組顆粒放入豬后顱窩前后的CT值絕對值差為37.9HU；在DETL算法下第四組顆粒放入豬后顱窩前后的CT值絕對值差為51HU。結合此次研究結果，在補償或校正時可能會發生過度補償的情況。因此才產生了所測得的CT值偏高的結果。

4 結論

不同重建算法對CT值的測量有影響，但這種影響無規律性；射線硬束偽影可使所測得的CT值偏高。