能譜CT成像關鍵參數(shù)檢測技術研究.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用正是解決這些問題的關鍵手段之一。能譜CT是指利用物質在不同的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，不同能量條件下組織對X線的吸收值也呈現(xiàn)相關變化，這種變化是可量化和鑒別的，從而得到更多被測物質的信息。
　　能譜CT檢測技術還處于不斷地研究探索階段，與能譜CT成像技術發(fā)展與普及相比，相對滯后。為了研究能譜CT成像關鍵參數(shù)的檢測技術，建立完善的噪聲評價體系、優(yōu)化基物質圖像質量，本文完成如下研究工作:
　　(1)本文根據(jù)寶石能譜CT的臨床應用特點設計了一種原型體模及相關測試方法，并進行

3、了實驗驗證。設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、基物質散點圖和能譜曲線圖。實驗結果顯示:
　　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。
　　實驗結果:結合有效原子序數(shù)序數(shù)、能譜曲線及水和碘基物質濃度三個參數(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測量結果進行對比。實驗結果顯示:
　　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。
　　實驗結果表明:NPS曲線幅值與SD值測試結果也基本保持一致，均能反應噪聲變化。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構的改變;
　　(3)本文分別采用三種物質分解方法通過MATLAB編程獲得基物質圖像。三種方法分別為:基于聯(lián)合雙邊濾波器(joint bilateral filter，JBF)的低劑量圖像恢復物質分解，基于先前正常劑量掃描引導的非局部平均(previous normal dosescan-induced non-local means，ndiNLM)低劑量圖像恢復物質分解和圖像域的迭代物質分解。將NPS與

11、SD評價方法相結合應用于基物質圖像的噪聲評價，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分解特點。評價結果顯示:
　　a.不同物質分解方法得到的基物質圖像的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方法的物質分解得到的基物質圖像NPS曲線幅值明顯低于不經(jīng)恢復直接矩陣逆變換得到的基物質圖像的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

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

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)與臨床應用特點設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分解，并將噪聲功率譜評價方法應用于不同方法下獲得的基物質圖像，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分解特點。
　　本文詳細介紹了能譜CT的成像技術與臨床應用，并采用實例對其成像關鍵參數(shù)進行分析。設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，對基物質圖像這一關鍵參數(shù)進行深入分析，實現(xiàn)三種不同的物質分解方法以達到圖像域的低劑量掃描獲得高質量基物質圖像的目的。設計并研究噪聲功