双能CT测量电子密度：体模研究

发布时间：2018-11-06 19:10

【摘要】：X(γ)射线放疗中的CT成像,除了肿瘤靶区和周围危及器官的定位,还要提供后续剂量计算所需的组织参数,实现组织不均匀校正,常规采用化学当量校准法,即通过电子密度体模建立CT值-电子密度映射关系。物质的线性衰减系数同时取决于电子密度(electron density,ρ_e)和有效原子序数(effective atomic number,Zeff),所以CT值与ρ_e之间不存在一一对应关系。研究表明,化学当量校准法引起的剂量计算误差在头颈部复杂部位甚至超过40%。理论上,同时采集两套投影数据的双能CT(dual-energy computed tomography,DECT)可以准确测量电子密度。近年来,随着DECT技术的发展,基于临床用DECT的放疗模拟研究取得了突破,ρ_e的测量误差低于10%。未来的DECT模拟,体模的作用发生根本改变,即确定DECT-ρ_e方程(模型)的系数。但从目前的研究来看,实验普遍采用组织等效体模,比如CIRS 062和Gammex467。所以本文的目的就是提出专用于DECT模拟的体模,并按照体模研究的规律初步研制原型,为进一步探索提高DECT-ρ_e转换准确性,逐步实现精确模拟奠定基础。在正文的第一部分,比较了诊断CT机、大孔径CT机以及Hi-ART螺旋断层放疗系统的MVCT机用于测量电子密度的性能差异。根据X射线与物质的相互作用规律推导得到3.5 MV的X射线衰减系数随电子密度变化的一元线性模型。采用CIRS 062体模在Hi-ART螺旋断层放疗系统的MVCT机、GE Light Speed 16排诊断CT机和Siemens SOMATOM Sensation Open型大孔径CT机上分别进行扫描实验。对MVCT值与电子密度做线性拟合,根据拟合方程计算电子密度并分析误差;对诊断CT机、大孔径CT机的kVCT图像根据常规化学当量校准法建立CT值-电子密度转换曲线。结果显示MVCT值与电子密度线性拟合的可决系数r2=0.9988。除肺组织等效材料(-7.16%)之外,根据拟合方程得到的电子密度测量值相对误差均在±2%以内。k VCT图像的CT值总体上随ρ_e的增大而增大,呈现分段线性关系。当ρ_e1.1时,对应的CT值差别不大;而当ρ_e1.1时,大孔径CT图像的CT值逐渐大于诊断CT图像的。尤其是对于CT值大的物质,如密质骨的CT值相差在100 HU以上。采用大孔径CT与诊断CT获得的CT值-ρ_e转换曲线本质上没有区别。根据MVCT值-电子密度的单线性关系可准确获得电子密度测量值,可用于放疗剂量计算。但采用MVCT无法直接从MVCT图像获得组织的Zeff。在正文的第二部分,提出了DECT模拟体模原型。根据DECT模拟的特点以碘为光电吸收基质,水和乙醇为康普顿散射基质,研制了DECT模拟体模原型,它的组织参数和元素组成与体内组织无对应关系。在Siemens SOMATOM Definition Flash上扫描体模原型和常用的组织等效体模CIRS 062,采用Saito提出的ΔHU-ρ_e模型,对比分析二者测量ρ_e的差异。结果显示,体模原型的ΔHU-ρ_e之间同样存在线性关系(r2=0.9962,w=-0.428)。模型系数a=0.972,b=0.995,与理论值相符。ρ_e测量误差、相对标准差均比CIRS 062的低,Bland-Altman图显示二者的ρ_e测量值均未出现异常点。体模原型同样可以达到确定Saito提出的ΔHU-ρ_e模型系数的目的,体模可行性得到初步验证。在正文的第三部分,根据基质分析原理实现体模,使其电子密度和有效原子序数与人体组织的范围相一致,以实现DECT模拟体模的辐射等效性,并评价DECT测量电子密度的性能。采用组成元素的原子序数在10以上的多种无机物为光电吸收基质,组成元素的原子序数在10以下的多种有机溶剂和水为康普顿散射基质,自制了一种DECT模拟体模。在Siemens SOMATOM Definition Flash上扫描DECT模拟体模,分析ρ_e测量误差。自制DECT模拟体模的ρ_e和Zeff分别在0.8~1.3和6.4~13.1之间,一定程度上实现了对人体组织参数的辐射等效。体模的ΔHU与ρ_e之间的线性关系成立(r2=0.9690,α=0.489)。a、b分别为0.942、0.986,与理论值相符。采用自制DECT模拟体模评价DECT测量电子密度,结果显示ρ_e测量误差在10%范围内,并非文献报道的1%。DECT测量电子密度的准确性有待进一步提高。在正文的第四部分,从射束硬化效应的角度探讨了体模轮廓尺寸的变化对CT值和ρ_e测量的影响。按体重过低、正常和超重以上分三组收集西南医院常规上腹部DECT检查患者的图像资料。分析不同体型的患者的CT值差异。在此基础上,设计了一款圆台形水模,其横截面直径为22~30 cm。内嵌一圆盘,在内外两环(距离中心分别为4.5、9.0 cm)处开孔用于放置插件。选择乙醇、水、乙二醇、丙三醇、氯化钙溶液(3g/5 m L)五种物质作为体模插件。在Siemens SOMATOM Definition Flash扫描仪上先后执行SECT扫描和DECT扫描。SECT扫描电压选择100、120 kVp;DECT扫描A、B球管电压分别为80/140Sn、80/140、100/140Sn k Vp。结果显示,密度比水小的物质CT值随体模直径增大而增大;密度比水大的物质CT值随体模直径增大而减小。在内、外环处CT值的变化不同,内环处变化更明显,约为外环处的2倍。不同物质的CT值变化与Zeff呈比例。体模在不同直径处,所确定的模型系数α=0.482、0.485、0.476、0.494、0.492,α表现出随体模直径增大而增大的趋势。体模直径与α相对应时,ρ_e测量误差均在±0.5%范围内。如果α取值不当,则会造成ρ_e测量误差增大。体模尺寸越大、物质的原子序数越大,对CT值的影响越大。体模尺寸的变化会影响DECT测量ρ_e模型系数的确定。不同体型的人应有对应的体模与之相匹配。
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【学位授予单位】：第三军医大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2017
【分类号】：R730.55

【参考文献】