宝石能谱CT扫描技术的优化及在临床CT疑难检查中的应用

摘要

近年来，宝石能谱CT的CT平扫、CT增强及CT血管造影（CT Angiography,CTA）等技术在全身各部位中的应用越来越广泛，对临床疾病诊断的辅助作用越来越明显，但其引起的高电离辐射也越来越引起人们的重视。另外，随着碘对比剂在临床的广泛应用，其引起的副作用尤其是对比剂肾病（Contrast Induced Nephropathy,CIN）对患者的危害也日益受到人们的关注。如何在保证影像质量的前提下通过优化宝石能谱CT的扫描模式和扫描参数降低患者和被检者的辐射剂量以及减少患者和被检者的碘摄入量是医学影像工作者共同追求的目标。本论文对宝石能谱CT在肾动脉CT血管造影、肝脏CT增强扫描、CT肺动脉血管造影及低浓度对比剂CT门静脉成像中的应用进行研究，对宝石能谱CT的扫描模式和扫描参数进行优化研究，并将这些优化的扫描模式和扫描参数成功应用于临床。具体研究内容如下：,
　　1）宝石能谱CT普通扫描模式和两种新的宝石能谱成像扫描方案在肾动脉CT血管造影中影像质量和辐射剂量的比较研究。肾动脉CT血管造影（CT angiography,CTA）可以应用宝石能谱CT的普通CT扫描模式进行检查，也可以应用其宝石能谱成像（Gemstone Spectral Imaging,GSI)扫描模式进行检查。最新的GSI扫描模式又根据检查部位的解剖位置（Anotomical region）、X线管的旋转时间（Tube rotation time）、扫描视野范围（Scan Field Of View,SFOV）、探测器覆盖范围（Detector coverage）和扫描过程中的平均mA值（Average mA）分为不同的扫描方案。在保证肾动脉CTA影像质量的前提下，上述扫描模式和扫描方案中哪种扫描模式和方案在保证图像质量的同时辐射剂量最低？这成为医学影像学工作者关注的焦点。在临床实践中，人们通过降低管电流和管电压来降低辐射剂量。不幸的是在降低管电流的同时图像的“量子噪声”会相应上升，从而影响图像质量。但是随着迭代重建技术的发展，图像的“量子噪声”可以通过应用迭代重建算法（Adaptive Statistical iterative Reconstruction,ASiR）加以排除。因此，迭代重建算法可以在保证影像质量的同时降低患者和被检者的辐射剂量。ASiR2.0是第一代迭代重建算法的升级版，具有强大抑制图像噪声的功能。本文应用能谱CT的普通CT扫描模式和最新的两种能谱扫描方案并联合ASiR2.0对不同体质量指数（Body Mass Index,BMI）患者进行肾动脉CTA检查，综合分析不同扫描模式和方案的影像质量和辐射剂量，以期优选出肾动脉CTA检查最优的扫描模式和扫描方案。结果表明，在18.5kg/m2≤BMI<34.9kg/m2范围内，和普通CT扫描模式及能谱扫描方案A相比较，应用能谱扫描方案B并结合ASiR2.0进行肾动脉CTA检查可以平均降低46.25％和14.43%的有效辐射剂量，而能谱扫描方案B的图像质量和能谱扫描方案A无明显差异并高于普通CT扫描模式。因此，进行肾动脉CTA检查的推荐CT扫描方案为能谱扫描方案B。
　　2）不同噪声指数联合迭代重建算法在不同体质量指数患者肝脏CT增强扫描中影像质量和辐射剂量的比较研究。肝脏CT增强扫描在临床应用非常广泛，但是由于其需要多期相重复扫描，所以患者受到的辐射剂量较大。因此，制定合理的CT扫描方案以减少患者的电离辐射尤为重要。宝石能谱CT扫描仪装备的3D Smart mA技术可以从X轴、Y轴及Z轴三个方向根据扫描部位的解剖结构、前后左右的厚度和密度来调制管电流的输出。3D Smart mA技术中的噪声指数（Noise Index,NI）数值是控制管电流输出多少和间接反应图像噪声水平高低的指标。因此，NI值反应了图像质量水平和辐射剂量之间的关系。可以通过设置CT扫描程序中的高噪声指数值来减少管电流输出，从而降低患者和被检者的辐射剂量。但是由于图像噪声和辐射剂量的平方根成反比，因此降低管电流会导致图像的“量子噪声”增大而影响图像质量。设置低的噪声指数值则增加管电流输出而增加患者和被检者的辐射剂量。因此，在不同体质量指数、不同检查部位及不同CT增强扫描期相选择合适的噪声指数是3D Smart mA技术在CT扫描中合理应用的关键。本文依据患者体质量指数、肝脏CT增强扫描期相的不同，设置不同噪声指数值（11、13、15、17）并联合迭代重建算法2.0进行肝脏CT增强扫描，综合分析患者的图像质量和辐射剂量，期望优化出在保证影像质量的前提下将不同BMI范围内患者的辐射剂量保持在较低水平的噪声指数值。结果显示，当18.5kg/m2≤BMI<29.9 kg/m2时，肝脏CT增强扫描动脉期将NI设置为15，门静脉期与延迟期将NI设置为17进行CT增强扫描，图像质量满足诊断要求，但前两种NI数值的有效剂量较NI=11显著降低（分别降低了51.69%和57.01%）；当29.9kg/m2≤BMI<34.9kg/m2时，肝脏CT增强扫描动脉期将NI设置为13，门静脉期与延迟期将NI设置为15进行CT增强扫描，图像质量满足诊断要求，但前二种NI数值的有效剂量较NI=11显著降低（分别降低了29.27%和50.75%）。
　　3）100-kVp联合不同噪声指数及低浓度对比剂和120-kVp在CT肺动脉血管造影中影像质量和辐射剂量的比较研究。CT肺动脉血管造影（CT Pulmonary Angiography,CTPA）因其高敏感性（94-100%）和高特异性（89-100%）成为临床诊断肺栓塞的最重要检查方法。但其检查过程中过高的辐射剂量和碘摄入量一直是大家关注的焦点。因此，降低CTPA检查的辐射剂量及碘摄入量成为医学影像学工作者的首要任务。由于肺组织是人体天然对比最好的器官，因此临床上一直使用降低管电流或降低管电压的方法来降低患者或被检者的辐射剂量。但是随着管电压降低，肺动脉和上腔静脉中高浓度碘对比剂产生的对比剂“硬化伪影”会影响CTPA的图像质量进而使临床诊断受到假阴性和假阳性的影响。单独降低管电流会导致X线光子数量下降而产生过多的“量子噪声”而影响图像质量。因此，探索并优化一种既减少碘对比剂的“硬化伪影”及“量子噪声”对图像质量的影响，又能降低患者和被检者的辐射剂量及碘摄入量的扫描方案成为医学影像学工作者的研究热点。本研究通过联合使用低管电压（100-kVp）和不同NI数值（NI=30、35及40）及低浓度对比剂（320mgI/ml）对不同BMI范围患者进行CTPA检查，并和常规管电压（120-kVp）、常规NI数值（NI=25）及常规浓度对比剂（370mgI/ml）进行比较研究，以期优选出最佳的CT扫描方案。结果显示，在18.5kg/m2≤BMI<34.9kg/m2范围内，应用100-kVp联合NI=40及浓度为320mgI/ml的对比剂进行CTPA检查，患者的有效辐射剂量较应用120-kVp联合NI=25及浓度为370mgI/ml平均减少48.00%，碘摄入量平均减少15.40%，而这二种扫描方案所得的图像质量没有统计学差异。
　　4）能谱CT在低浓度对比剂CT门静脉成像中的应用。随着碘对比剂在临床广泛应用，其引起的副作用日益引起人们的关注。CT门静脉成像（CT Portal Venography,CTPV）是诊断门静脉疾病的主要影像学检查方法。但是在临床进行CTPV检查时为了获取优质的CTPV图像需要注射大剂量、高浓度的碘对比剂以维持门静脉内碘的浓度。而大剂量、高浓度地使用碘对比剂会增加对比剂肾病的发生概率。因此，尽量减少患者和被检者的对比剂浓度和用量一直是医学影像学工作者努力的目标。能谱CT能在0.25 ms内完成高低kVp的瞬时切换，在原始数据空间通过Alvarez二元多次物质解析过程，实现了在40-140 keV范围内进行101个单能量图像重建，并利用其分析软件GSI Viewer获得靶血管和周围组织的最佳对比度噪声比（Contrast-to-Noise Ratio，CNR）曲线，此曲线可清晰显示出靶血管与周围组织之间对比度最佳的单能量keV值。本研究用不同比例的碘对比剂原液+生理盐水混合液配制成不同浓度碘对比剂，并循序渐进的将不同浓度对比剂用GSI进行CT门静脉成像，旨在探讨并优化出不同BMI范围内患者CT门静脉成像的最佳单能量keV值和最低浓度碘对比剂数值。结果显示，在18.5kg/m2≤BMI<34.9/kg/m2范围内，显示门静脉最佳的单能量keV值范围为48-60keV；在保证影像质量前提下，使用浓度为296mgI/ml对比剂患者组的平均碘摄入量较使用浓度为370mgI/ml对比剂患者组的平均碘摄入量减少了21.47%。

目录

声明

第一章 绪论

1.1 引言

1.2 宝石能谱CT的特点

1.3 宝石能谱CT在临床应用

1.4 课题的提出与本课题的研究内容

第二章 不同扫描模式和扫描方案在肾动脉CT血管成像中影像质量和辐射剂量的比较研究

2.1 引言

2.2 试验部分

2.3 结果

2.4 讨论

2.5 本章小结

第三章 不同NI设置在不同体质量指数肝脏CT增强中影像质量和辐射剂量的比较研究

3.1 引言

3.2 试验部分

3.3 结果

3.4 讨论

3.5 本章小结

第四章 低kVp联合不同噪声指数及低浓度对比剂和常规扫描方案在CTPA中的比较研究

4.1 引言

4.2 试验部分

4.3 结果

4.4 讨论

4.5 本章小结

第五章 能谱CT在低浓度对比剂CT门静脉成像中的应用

5.1 引言

5.2 试验部分

5.3 结果

5.4 讨论

5.5 本章小结

第六章 全文结论

第七章 展望

参考文献

发表论文及参加科研情况的说明

致谢