能譜CT成像關(guān)鍵參數(shù)檢測技術(shù)研究.pdf

1、計算機斷層成像(computed tomography)，簡稱CT，已成為醫(yī)學影像診斷重要手段之一。CT經(jīng)過多年來的不斷改進和發(fā)展，在掃描速度、診斷精度、確診范圍等方面都取得了很大的進步。然而，CT成像所存在的成像參數(shù)單一、缺乏功能成像、射線硬化偽影等問題一直是放射界試圖解決的問題，而能譜CT誕生和在臨床上的應(yīng)用正是解決這些問題的關(guān)鍵手段之一。能譜CT是指利用物質(zhì)在不同的X射線能量下產(chǎn)生不同的吸收以提供比常規(guī)CT更多的影像信息。能譜CT

2、采用兩個或者兩個以上能量的X射線掃描物質(zhì)，不同能量條件下組織對X線的吸收值也呈現(xiàn)相關(guān)變化，這種變化是可量化和鑒別的，從而得到更多被測物質(zhì)的信息。
　　能譜CT檢測技術(shù)還處于不斷地研究探索階段，與能譜CT成像技術(shù)發(fā)展與普及相比，相對滯后。為了研究能譜CT成像關(guān)鍵參數(shù)的檢測技術(shù)，建立完善的噪聲評價體系、優(yōu)化基物質(zhì)圖像質(zhì)量，本文完成如下研究工作:
　　(1)本文根據(jù)寶石能譜CT的臨床應(yīng)用特點設(shè)計了一種原型體模及相關(guān)測試方法，并進行

3、了實驗驗證。設(shè)計并自制碘溶液測試體模，該測試體模以瓶裝純凈水和碘濃度為300 mg/mL的造影劑碘帕醇為實驗材料。在編號為0～8的純凈水中，用醫(yī)用注射器分別注入0，1，2，3，…8mL造影劑，并保持溶液總量在600 mL，制作成9瓶濃度分別為0，5.0，10.0，15.0，…40.0（100μg/mL）的碘溶液，將其用膠帶捆綁固定即制作出實驗所需的碘溶液測試體模。將該體模置于GE Discovery CT750 HD掃描儀上，采用常規(guī)頭

4、部條件對該體模分別進行軸向掃描和寶石能譜成像(gemstone spectral imaging，GSI)掃描。在GE AW4.6圖像后處理工作站上進行圖像處理和分析。在70keV的單能量圖像中，選取各溶液瓶中心一定直徑的感興趣區(qū)域，分別測量其CT值與標準差;采用GSI分析模塊軟件分別獲取有效原子序數(shù)直方圖、基物質(zhì)散點圖和能譜曲線圖。實驗結(jié)果顯示:
　　a.GSI掃描的劑量指數(shù)CTDIvol為38.42mGy，低于軸向掃描的輻射劑

5、量55.90mGy;
　　b.在70keV單能圖像中，以第0、4和8號瓶為例，CT值分別為-0.36、49.91和109.91，8號瓶的CT值約為4號瓶的2倍;
　　c.第0、4和8號瓶的有效原子序數(shù)直方圖的波峰分別為7.7、9.0和10.0，其中水的有效原子序數(shù)接近真實值7.4;
　　d.散點圖顯示，溶液水含量都在995～1000 mg/cm3范圍，差別不明顯，碘含量分別約為1、21和44（100μg/cm3），接近

6、標稱值;
　　e.能譜曲線顯示，第0、2、4、6和8號瓶相鄰間接近等間距分布，且能量越低CT值差別越大。
　　實驗結(jié)果:結(jié)合有效原子序數(shù)序數(shù)、能譜曲線及水和碘基物質(zhì)濃度三個參數(shù)分析，GSI能夠區(qū)分不同碘濃度溶液甚至定量計算溶液的碘濃度，結(jié)果表明:這種碘溶液測試體模檢驗GSI定量分析能力是可行的。
　　(2)本文設(shè)計并探討研究基于噪聲功率譜(noise power spectrum，NPS)的CT圖像噪聲評價方法，并設(shè)計

7、了以下實驗。將Catphan500體模中CTP486模塊置于Somatom Sensation64掃描儀上，通過改變層厚、管電流（曝光時間不變）和重建算法三個參數(shù)獲取不同條件下的實驗數(shù)據(jù)。具體參數(shù)為:層厚:3、5、10mm;管電流:80、133mA;重建算法:H30s（中度平滑），H60s（中度銳利），U90s（極度銳利）。根據(jù)后期數(shù)據(jù)處理的需要，在同一掃描條件下掃描體模2次，獲得相同條件下的兩組數(shù)據(jù)。使用編程軟件MATLAB完成上述N

8、PS編程處理，同步采用SD方法進行測量，并與NPS測量結(jié)果進行對比。實驗結(jié)果顯示:
　　a.NPS曲線幅值與層厚成反比。層厚為3mm時，NPS曲線幅值最高;層厚為10mm時，曲線幅值最低。NPS曲線峰值頻率幾乎不隨層厚的改變而發(fā)生移動;
　　b.NPS曲線幅值與重建算法的增強程度成正比。H30s重建算法最平滑，NPS曲線幅值最低;U90s重建算法極度增強，曲線幅值最高。NPS曲線峰值頻率隨著重建算法增強程度的加深，而向高頻移

9、動。H30s算法下的NPS曲線峰值頻率最低，U90s算法下的NPS曲線峰值頻率最高;
　　c.NPS曲線幅值與劑量成反比。曝光時間固定的情況下，80 mA下的NPS曲線幅值高于133 mA曲線幅值，曲線峰值頻率幾乎不隨劑量的改變而發(fā)生移動。
　　實驗結(jié)果表明:NPS曲線幅值與SD值測試結(jié)果也基本保持一致，均能反應(yīng)噪聲變化。層厚、劑量和重建算法對噪聲的影響能夠在NPS曲線上得到明顯的體現(xiàn);NPS曲線幅值反映噪聲的平穩(wěn)性，即噪聲

10、大小，而頻率變化反映噪聲結(jié)構(gòu)的改變;
　　(3)本文分別采用三種物質(zhì)分解方法通過MATLAB編程獲得基物質(zhì)圖像。三種方法分別為:基于聯(lián)合雙邊濾波器(joint bilateral filter，JBF)的低劑量圖像恢復(fù)物質(zhì)分解，基于先前正常劑量掃描引導(dǎo)的非局部平均(previous normal dosescan-induced non-local means，ndiNLM)低劑量圖像恢復(fù)物質(zhì)分解和圖像域的迭代物質(zhì)分解。將NPS與

11、SD評價方法相結(jié)合應(yīng)用于基物質(zhì)圖像的噪聲評價，以從不同角度了解三種算法獲得的圖像噪聲變化和不同方法的物質(zhì)分解特點。評價結(jié)果顯示:
　　a.不同物質(zhì)分解方法得到的基物質(zhì)圖像的NPS曲線幅值均高于分解前圖像的NPS曲線幅值;
　　b.基于兩種低劑量恢復(fù)方法的物質(zhì)分解得到的基物質(zhì)圖像NPS曲線幅值明顯低于不經(jīng)恢復(fù)直接矩陣逆變換得到的基物質(zhì)圖像的NPS曲線幅值，且曲線峰值頻率較之均向低頻移動;
　　c.基于先前正常劑量掃描引導(dǎo)

12、的非局部平均低劑量圖像恢復(fù)分解得到的基物質(zhì)圖像與基于聯(lián)合雙邊濾波器恢復(fù)分解得到的基物質(zhì)圖像相比，NPS曲線幅值較低，峰值頻率較小;
　　d.圖像域迭代物質(zhì)分解方法得到的基物質(zhì)圖像的NPS曲線幅值最低，曲線峰值頻率介于兩種基于圖像恢復(fù)物質(zhì)分解方法得到的基物質(zhì)圖像之間。
　　實驗結(jié)果表明:三種不同物質(zhì)分解方法得到的基物質(zhì)圖像的去噪效果不同，對圖像頻率信息的影響也不同，圖像域迭代物質(zhì)分解方法得到的基物質(zhì)圖像質(zhì)量最好，實驗也顯示物質(zhì)

13、分解本身會引起圖像噪聲的變化。
　　本文的創(chuàng)新點主要體現(xiàn)在以下幾方面:
　　1)根據(jù)寶石能譜成像的成像參數(shù)與臨床應(yīng)用特點設(shè)計了一種碘溶液測試體模及其檢測方法，通過實驗驗證該體模檢測寶石能譜成像定量分析能力的可行性;
　　2)設(shè)計并研究基于噪聲功率譜的CT圖像噪聲評價方法，并通過實驗驗證該方法的有效性及其評價特點;
　　3)實現(xiàn)三種不同方法下的物質(zhì)分解，并將噪聲功率譜評價方法應(yīng)用于不同方法下獲得的基物質(zhì)圖像，以從不

14、同角度了解三種方法獲得的圖像噪聲變化以及不同方法的物質(zhì)分解特點。
　　本文詳細介紹了能譜CT的成像技術(shù)與臨床應(yīng)用，并采用實例對其成像關(guān)鍵參數(shù)進行分析。設(shè)計了一種碘溶液測試體模以及測試方法，實驗驗證該體模檢測寶石能譜成像定量分析能力的可行性;在此基礎(chǔ)上，本文基于不改變傳統(tǒng)CT掃描方式和低劑量成像的原則，對基物質(zhì)圖像這一關(guān)鍵參數(shù)進行深入分析，實現(xiàn)三種不同的物質(zhì)分解方法以達到圖像域的低劑量掃描獲得高質(zhì)量基物質(zhì)圖像的目的。設(shè)計并研究噪聲功