能譜CT成像關(guān)鍵參數(shù)檢測(cè)技術(shù)研究.pdf_第1頁
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1、計(jì)算機(jī)斷層成像(computed tomography),簡(jiǎn)稱CT,已成為醫(yī)學(xué)影像診斷重要手段之一。CT經(jīng)過多年來的不斷改進(jìn)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(jìn)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(gè)或者兩個(gè)以上能量的X射線掃描物質(zhì),不同能量條件下組織對(duì)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(cè)物質(zhì)的信息。
  能譜CT檢測(cè)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(duì)滯后。為了研究能譜CT成像關(guān)鍵參數(shù)的檢測(cè)技術(shù),建立完善的噪聲評(píng)價(jià)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(diǎn)設(shè)計(jì)了一種原型體模及相關(guān)測(cè)試方法,并進(jìn)行

3、了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。設(shè)計(jì)并自制碘溶液測(cè)試體模,該測(cè)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(shí)驗(yàn)材料。在編號(hào)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(shí)驗(yàn)所需的碘溶液測(cè)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(duì)該體模分別進(jìn)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(jìn)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(cè)量其CT值與標(biāo)準(zhǔn)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(diǎn)圖和能譜曲線圖。實(shí)驗(yàn)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(hào)瓶為例,CT值分別為-0.36、49.91和109.91,8號(hào)瓶的CT值約為4號(hào)瓶的2倍;
  c.第0、4和8號(hào)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(shí)值7.4;
  d.散點(diǎn)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(biāo)稱值;
  e.能譜曲線顯示,第0、2、4、6和8號(hào)瓶相鄰間接近等間距分布,且能量越低CT值差別越大。
  實(shí)驗(yàn)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(gè)參數(shù)分析,GSI能夠區(qū)分不同碘濃度溶液甚至定量計(jì)算溶液的碘濃度,結(jié)果表明:這種碘溶液測(cè)試體模檢驗(yàn)GSI定量分析能力是可行的。
  (2)本文設(shè)計(jì)并探討研究基于噪聲功率譜(noise power spectrum,NPS)的CT圖像噪聲評(píng)價(jià)方法,并設(shè)計(jì)

7、了以下實(shí)驗(yàn)。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(shí)間不變)和重建算法三個(gè)參數(shù)獲取不同條件下的實(shí)驗(yàn)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(jìn)行測(cè)量,并與NPS測(cè)量結(jié)果進(jìn)行對(duì)比。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示:
  a.NPS曲線幅值與層厚成反比。層厚為3mm時(shí),NPS曲線幅值最高;層厚為10mm時(shí),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(dòng);
  b.NPS曲線幅值與重建算法的增強(qiáng)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(qiáng),曲線幅值最高。NPS曲線峰值頻率隨著重建算法增強(qiáng)程度的加深,而向高頻移

9、動(dòng)。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(shí)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(dòng)。
  實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明:NPS曲線幅值與SD值測(cè)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(duì)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(píng)價(jià)方法相結(jié)合應(yīng)用于基物質(zhì)圖像的噪聲評(píng)價(jià),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(diǎn)。評(píng)價(jià)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(dòng);
  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(shí)驗(yàn)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(duì)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(shí)驗(yàn)也顯示物質(zhì)

13、分解本身會(huì)引起圖像噪聲的變化。
  本文的創(chuàng)新點(diǎn)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(diǎn)設(shè)計(jì)了一種碘溶液測(cè)試體模及其檢測(cè)方法,通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證該體模檢測(cè)寶石能譜成像定量分析能力的可行性;
  2)設(shè)計(jì)并研究基于噪聲功率譜的CT圖像噪聲評(píng)價(jià)方法,并通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證該方法的有效性及其評(píng)價(jià)特點(diǎn);
  3)實(shí)現(xiàn)三種不同方法下的物質(zhì)分解,并將噪聲功率譜評(píng)價(jià)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(diǎn)。
  本文詳細(xì)介紹了能譜CT的成像技術(shù)與臨床應(yīng)用,并采用實(shí)例對(duì)其成像關(guān)鍵參數(shù)進(jìn)行分析。設(shè)計(jì)了一種碘溶液測(cè)試體模以及測(cè)試方法,實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證該體模檢測(cè)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(duì)基物質(zhì)圖像這一關(guān)鍵參數(shù)進(jìn)行深入分析,實(shí)現(xiàn)三種不同的物質(zhì)分解方法以達(dá)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(jì)并研究噪聲功

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