光譜CT頭部虛擬平掃圖像：不同單能量圖像質量的對比

付永春，江濱，周一楠，陳紅燕，陳緒珠

CT是診斷腦外傷和腦卒中疾病的首選影像檢查之一。近年來能譜CT技術迅速拓展，利用其單能量圖像來改善不同組織的對比度，提高圖像質量，擴大CT在頭頸部和神經系統的應用范圍[1-5]。能譜CT的顯著特征是實現了多參數的診斷，相比常規混合能量CT其具有更高的信噪比和更低的圖像噪聲[6]。與以往能譜CT不同，近期進入臨床應用的雙層探測器光譜CT具備獨特的上下兩層探測器結構，分別接收低能量和高能量X射線光子，這樣就可以在一次常規掃描中同時獲取混合能量的常規影像和高-低能量分離的光譜影像[2,7-15]。

本研究通過對比雙層探測器光譜CT頭部平掃的虛擬單能圖像和常規混合多能量圖像，旨在探討最佳單能量圖像在優化圖像質量、增加灰白質對比度及減少由顱骨造成的線束硬化偽影等方面的價值。

材料與方法

1.資料與分組

回顧性分析2019年6-12月因頭暈、暈厥及頭痛等原因在本院行頭部CT平掃檢查的38例患者的臨床和影像資料。其中，女17例，男21例，年齡7～88歲，平均(41.3±19.4)歲。排除標準：①有金屬植入物；②圖像上有明顯運動偽影；③影像學檢查顯示有腦出血、腦梗死、腦萎縮和明顯顱內占位；④進行過開顱手術或其它原因引起的腦結構嚴重變形，影響數據的測量。

2.掃描和重建方法

使用Philips IQon雙層探測器光譜CT機。患者取仰臥體位，掃描范圍自顱底至顱頂，掃描參數：120 kV，300 mA，螺距0.390，0.58 s/r；重建層厚1.0 mm，層間距1.0 mm，卷積核UB 。分別使用iDose4 Level 3和Spectral Level 3迭代水平進行常規圖像和光譜圖像的薄層重建。單能量光譜重建的能級水平：在40～120 keV范圍內以5 keV間隔進行重建圖像，共獲得17組單能級圖像。

3.圖像質量評價

將所有圖像傳輸至IntelliSpace Portal(ISP)V9工作站進行分析和后處理。所有圖像采用相同的窗寬(70 HU)和窗位(35 HU)。圖像質量的客觀評估由2位分別具有10年和15年以上工作經驗的神經方向影像科技師完成。首先，在基底節層面的腦灰質和腦白質區域放置ROI(region of interest,ROI)，盡量選擇密度比較均勻的區域，測量ROI的CT值和標準差(standard deviation,SD)，以其SD作為圖像噪聲，計算ROI的信噪比(signal-to-noise ratio,SNR)和腦白質(white matter，WM)與腦灰質(gray matter,GM)之間的對比噪聲比(CNR)[2]：

(1)

(2)

其次，在偽影最大的顱底層面選擇2個位置勾畫ROI，1個位于射線硬化偽影最重的區域，ROI大小應小于偽影范圍，第2個位于沒有偽影干擾的區域(作為參照)，分別測量其CT值和SD。

圖像質量的主觀評價：由2位分別具有10年和15年以上神經影像診斷經驗的醫師采用單盲法(對掃描機型和重建參數均不知情，且不參與后續的分析)對圖像質量和偽影進行主觀評價。對圖像質量的評分采用4級評分法，意見不同時經協商達成一致意見。評分標準[2]：1分，圖像質量優良，組織周圍對比度好，腦部的灰白質界限分明顯示好，圖像噪聲微小；2分，圖像質量良，組織周圍對比度好，腦部的灰白質界限較分明顯示較好，圖像噪聲較小：3分，圖像質量不好，組織周圍對比度欠佳，腦部的灰白質界限分明顯示不清晰，圖像噪聲較大；4分，圖像質量差，組織周圍對比度差，腦部的灰白質界限無法分辨，圖像噪聲大。對圖像偽影的評分亦采用4分法[2]：1分，無偽影顯示；2分，顯示有少量偽影；3分，較多偽影，對評價周圍的組織結構有一定干擾；4分，有明顯偽影，影響對周圍組織結構的觀察，無法進行正確診斷。

表1 各組中灰質和白質圖像質量客觀評價指標值

表2 65KeV圖像與其它單能級圖像和常規圖像質量客觀評價指標的比較

4.統計學方法

使用IBM SPSS Statistics 21.0軟件進行統計學分析。計量資料采用均數±標準差表示。對CT值、SD、SNR和CNR的組間比較采用Bonferroni法，進一步兩兩比較采用LSD-t檢驗(方差齊)或Dunnett’s T3法(方差不齊)。以P<0.05為差異有統計學意義(雙側檢驗)。

結 果

1.圖像質量的客觀評價

各單能級圖像及常規混合能量圖像的各項客觀評價指標值及組間比較結果見表1～2。各組圖像之間腦白質CT值的差異無統計學意義(F=1.450，P=0.107)；而各組圖像之間腦灰質CT值(F=159.625，P<0.001)、灰質噪聲(F=1.963，P=0.012)和 CNR(F=16.514，P<0.001)的差異均有統計學意義。65keV圖像的CNR高于其它單能級圖像和常規混合能量圖像，組間差異大部分具有統計學意義(P<0.05)，詳見表2。

2.硬化性偽影的客觀評價

與常規圖像相比，在單能級圖像上顱底偽影的CT值、噪聲、SNR和CNR均較低，尤其是120 keV單能級圖像上，2組間差異均有統計學意義(P<0.05)，詳見表3。

圖1 顱底層面CT圖像，單能120kev圖像上由顱骨引起的X線束硬化偽影(箭)較常規混合能量圖像明顯減少。a)常規圖像；b)120 keV圖像。

表3 常規圖像與120keV單能圖像硬化偽影區域的客觀評價

3.圖像質量的主觀評價

在偽影干擾較重的顱底層面，120 keV單能級圖像的圖像質量評分和偽影評分均高于常規混合能量圖像(表4、圖1)，差異均有統計學意義影像(P<0.001)。

表4 顱底常規圖像和單能120keV圖像的主觀影像質量評估

討 論

CT是最常用的影像學檢查手段之一，具有安全、快捷和準確性較高等諸多優點[11]。能譜CT成像的最大優勢是能夠獲得虛擬平掃圖像，不再是僅僅基于形態學的診斷模式[12]。雙層探測器光譜CT將能譜從探索階段推至真正的臨床應用，發揮出能譜技術的獨特作用。光譜CT的常規掃描可同步獲得光譜結果，通過多模態光譜數據，提高顱內組織的分辨率，同時得到形態學和功能性信息，可快速獲得全面診斷信息，單次掃描的診斷效能明顯提高，是神經系統檢查的新型綜合診斷平臺[13-14]。

光譜CT圖像的常規解剖圖像是由所有患者的上層原始數據和下層原始數據的總和生成的。將底層和上層的原始數據分別分解成光電和康普頓散射圖，并將其重建為光譜基圖，從而得到所有的光譜結果。由于光譜數據的獲取依賴于雙層探測器而非X線管，因此無需特殊模式即可在一次掃描中獲得光譜結果。所有的光譜結果顯示的方式與我院使用的GE公司的后處理軟件(ADW4.6)處理后的常規CT圖像相同。虛擬單能圖像是用于回顧性光譜分析的光譜圖像。在虛擬單能圖像上，每個圖像序列都是在一個能量級別獲得的，該能量級別由一個值表示，范圍從40 keV到200 keV。虛擬單能圖像的質量和圖像特點會隨著keV值的變化而變化，即使在圖像的窗寬和窗位等條件不變的情況下[11]。因此無需增加輻射劑量即可獲得虛擬單能圖像。

研究表明，能譜CT在分解物質成分和提高影像質量方面比常規CT具有明顯的優勢[13]。高keV單能重建圖像能最大限度的降低射線束硬化偽影的干擾，清晰顯示偽影周圍得組織結構[15]。光譜CT單能成像和常規CT圖像相比噪聲更低、對比噪聲比(CNR)更高，在顯示物質衰減特征方面更加準確；及能測量消除偽影后的更接近準確的CT值[16]。Noguchi等[17]研究顯示，能譜CT技術的運用有助于提高臨床醫師的在腦部疾病方面的診斷能力。有利于疾病的鑒別診斷，是CT成像的發展方向。

在頭部CT檢查中最常見的后顱窩偽影，經常會影響臨床醫生的正確診斷并可能造成誤診或漏診[18]。后顱窩偽影通常由設備、物理因素和不同重建算法以及患者本身因素所導致，其中以射束硬化引起的偽影影響最大，例如亨氏暗區呈低密度，主要是因為混合能量X線照射時，低能量射線易于被物質吸收衰減所致，通常通過軟件計算代償和硬件改良來加以解決[19-21]。

因顱內結構和組織對比分辨率較低，例如腦灰白質之間的密度差異僅5～10 HU，所以在常規掃描中采用的5～10 mm層厚的圖像上，由于受部分容積效應等因素的影響，對于微小病灶的評估有較大限度，這也一直是CT在顱腦病變應用方面的瓶頸。Nakaura等[22]的研究結果顯示，層厚1.0 mm的薄層CT圖像能很好地顯示顱內微小病灶。

本研究結果顯示：光譜CT獲得的不同能級的單能量頭部圖像中，65 keV單能級圖像的質量顯著優于常規圖像，腦組織結構顯示更清晰，同時CNR更低，圖像噪聲更小；而在120 keV單能級薄層圖像上，射線束硬化偽影較常規圖像明顯降低。而在組織結構和偽影對比度方面，單能級圖像與常規圖像之間的差異無統計學意義。因此，筆者認為在臨床實踐中，光譜CT的65 keV單能量圖像可以作為首選，應用于頭部CT的臨床診斷。

本研究存在的不足之處：(1)患者的樣本量有限；(2)沒有進一步分析其它能級圖像對圖像質量的影響和改善情況。

綜上所述，與常規重建薄層圖像相比雙層探測器光譜CT薄層重建的65 keV單能圖像能夠更好改善圖像質量，優化灰、白質的對比度，降低射線光束強度。同時在 120 keV單能薄層圖像中頭部平掃CT的射線硬化偽影明顯減少了。在不增加任何輻射劑量的情況下，顯著提高了圖像的影像質量，豐富了臨床診斷醫師對微小病灶檢出的分析診斷信息和圖像處理方法，能有效提高微小病灶的診斷準確性，同時增加了臨床醫師的診療信心，在神經系統的檢查中可推廣使用。