张新明,李翰威,王浩文,凌庆庆,齐宏亮,陈宏文

医学成像技术已经成为现代医学诊断与治疗的重要手段之一。CT的发展,极大地推进了医学成像技术的进步。通过 CT 影像,医生可以看到患者内部的器官、骨骼等情况,实现非侵入性检查,不仅为医生提供了更加准确的影像信息,也极大地提高了疾病的诊断水平和治疗效果[1-2]。

与此同时,随着CT技术的革新发展,包括低剂量CT、能谱CT、螺旋造影、锥形束CT等新技术的出现,这些新技术为医学诊断和治疗提供了更加先进和准确的手段,也意味着需要更全面的对于影像质量以及辐射剂量的检测研究,这就依赖于物理检测模体进行实验测试[3]。CT检测模体的发展与相关CT技术的不断革新密切相关,当前我国医用CT检测模体多依靠进口,价格昂贵,且现有CT模体功能仍需拓展,如Catphan模体未包含针对能谱CT碘密度校正检测以及金属伪影评价模块。国内模体相关研究发展起步较晚,单一的模体应用场景有限,无法满足临床检测要求,未得到广泛应用[4-6]。3D打印技术的发展为我们提供了新的思路,其在精准性、性价比等方面具有独特优势,其应用到CT模体的设计上能够有效降低研发成本,加快迭代速度[7-8]。

图1 模体的平面图及3D渲染图。 图2 3D打印机及模体打印成品。

本研究结合3D打印技术,提出并研制了一款多功能检测模体,作为Catphan模体部分功能的补充,用于多场景下的CT影像质量评价,提高了模体的可靠性、实用性和可塑性,为CT检测技术的发展和提高提供了支持和保障,同时也为后续的3D打印技术在医学中的实际应用提供了可借鉴的实验数据和方法。

材料与方法

1.模体设计

本研究根据实验需求设计一款CT专用测试模体,设计整体包括了底座、模体和试管等结构,底座用于支撑模体在成像平台上,防止滚动,与模体接触的表面呈V型面或弧形面[9-11]。模体的第一端面凹陷有10个凹孔,各凹孔内置入有可取下的试管,模体内部中空形成可灌入液体的空腔,模体的第一端面内侧朝空腔凸伸形成在空腔内间隔布置10个凸柱,每个凹孔位于一凸柱内。模体的顶面沿轴线方向凸出形成凸起,凸起上开设有与空腔连通的注液孔,注液孔处吻合有可取下的密封塞。凹孔的内壁和试管的外壁通过螺纹吻合。试管包括柱管和与柱管螺纹配合的管塞。该模体的平面设计图及3D渲染图见图1,模体的相关设计参数见表1。

表1 模体的相关设计参数

2.模体3D打印

本研究所用3D打印机为苏州中瑞智创三维科技股份有限公司生产的型号为iSLA550的3D打印机。该打印机成型模式为光固化,最高成型精度为0.05 mm,最大成型尺寸为500 mm(X轴)×500 mm(Y轴)×300 mm(Z轴)。本研究3D打印所选精度为0.1 mm,其它具体参数为:光斑补偿0.080 mm,Z轴补偿0.080 mm,轮廓打印速度3500.0 mm/s,实体打印速度6200.0 mm/s,跳跃速度10000.0 mm/s,Z轴移动速度4.0 mm/s。3D打印机外观图及打印的模体成品见图2。

3.实验验证

此次研究的CT多功能检测模体可实现包括均匀度测量、碘密度值误差分析及金属伪影去除效果量化分析。为评价自研模体的性能水平,将其与Catphan模体进行部分指标的比较,采用相同的扫描重建条件,通过对比测试结果,对自研模体进行评价和性能验证。

(1)检测设备与依据:采用西门子Somatom Force型号的CT设备开展检测实验,选取条件为CT常用的CT头部扫描条件,轴扫,具体CT扫描参数:管电压120 kV,管电流250 mA,层厚1.5 mm,对照检测模体采用美国Catphan500CT性能检测模体。皓克能谱Spectral CT进行测试时,采集参数为:管电压80 kV/140 kV(低高能两组数据),管电流280 mA,层厚1.25 mm。按照GB 17589-2011《X射线计算机断层摄影装置质量保证检测规范》中的方法进行实验,并将实验结果与验收检测评价标准进行比较[12-13]。

(2)检测项目:①模体外壳及试管影响。首先为验证模体自身材料以及试管对于成像的影响,本研究设计了3个实验,3个实验的模体腔内都注入蒸馏水,3个实验不同点在于:①将模体内的试管移除;②模体内插入空试管;③模体内插入装满蒸馏水的试管。之后进行CT扫描,在所扫描图像内选取5个(中心1个、四周4个)面积为1 cm2左右包含约500个像素大小的感兴趣区(region of interest,ROI),将5个ROI内的CT值计算平均值后得到测量结果,根据测量结果分析腔体以及试管材料对于内容物CT成像的影响。

②均匀性。对CT模体(腔内以及试管中注入蒸馏水)做断层扫描,在断面图像选取5个ROI区域,分别测量区域内的平均值,用四周ROI的平均CT值(用CTp表示)相对于中心ROI的平均CT值(用CTc表示)的最大离差表示均匀性,如公式(1)所示:

U=Max(|CTc-CTp|)

(1)

公式(1)中,U 表示均匀性,单位为HU。

③碘密度。碘溶液密度分布根据临床诊断范围制定,本研究按照表2配置碘溶液浓度,配置溶液后将试管插入凹孔中拧紧固定。模体的碘浓度须确保配制精确,作为后续设备检测的绝对金标准,采用电子天平(精度:0.0001 g)和移液枪(精度:5 uL)等精密仪器进行溶液配制,模体空腔内灌入纯净的蒸馏水。

表2 不同试管内的碘溶液浓度配置

数据扫描采集后,勾画断层图像中每根试管的ROI,通过密度分解算法计算得到10根试管各自的平均碘浓度,将设备检测得到每根试管内溶液碘浓度与模体内真实的碘浓度进行对比,采用均方误差(mean square error,MSE)和Pearson积矩相关系数r进行误差评价。

④金属伪影。留有一定数量的试管,试管内部装入金属棒,将装有金属棒的试管插入凹孔10中拧紧固定,数据扫描采集后,通过单能分解算法得到各个能级下的单能图像,在单能断层图像中选取8号和9号试管之间的区域勾选ROI,计算ROI区域内的方差值,与无伪影背景水区域的方差值进行比较,可利用伪影指数(artifact index,AI)评价硬化伪影去除效果,计算方法如公式2所示。

(2)

其中SD为伪影最严重ROI的CT值的方差值,SDr为无伪影区域ROI的CT值的方差值。

结 果

以某次扫描得到的模体图像作为检测对象,使用RadiAnt软件进行人工勾选ROI和数据测量,计算多次测量结果的均值作为最终结果进行统计分析。

1.模体外壳及试管影响

3组实验的CT扫描图像结果见图3,在中心位置以及四周的试管内勾画ROI(图中绿色圆圈)后计算平均CT值,具体测量结果见表3。

图3 a)无试管插入;b)插入空试管;c) 插入装满水的试管。 图4 a)自制模体(自勾画);b)Catphan模体(自勾画); c) Catphan模体(国标)。 图5 a)无伪影图像;b)平扫图像;c)单能级图像;d)加入OMAR算法的单能级图像。

根据CT值的定义,水的标准CT值应为0 HU,空气的标准CT值为-1000 HU。实验最终的测量结果显示,水和空气的测量值略大于标准值,说明模体的腔体壁以及试管壁对于内容物CT值的准确性有一定影响,但误差总体在可接受范围内。

2.均匀性

自制模体与对照Catphan模体进行标准扫描(图4),进行ROI勾画时,分为两种方式,如图中绿色圆圈表示,a、b图像中选择的中心点位于整体的偏上试管内区域,c图像采用国标的正中心勾画方式[12],b与c采用不同的ROI选取方式,其具体CT图像均匀性检测数据见表4。

表4 均匀性测量数据

上述测量结果的对比可以间接证明中心点的选取对测量结果的影响,b与c不同的ROI选取方式对最终的测量结果影响较小,同时可以看出本研究的自制模体在相同的扫描条件下,其均匀性水平小于Catphan模体,说明自制3D打印模体在均匀性模块的检测性能上接近Catphan模体。

3.碘密度

碘密度溶液测量值与真实值对比数据见表5。均方误差MSE为0.019,Pearson相关系数为1.0,结果相关性显著(表6)。实验结果表明,两者具有强线性相关性,说明该能谱CT能够真实反映物体的碘密度值。

表5 碘密度溶液测量值与真实值对比数据

表6 碘密度溶液测量值与真实值相关性分析

4.金属伪影

图5显示的分别是无金属伪影图像、平扫图像、单能级图像以及加入金属伪影去除算法(one-shot metal artifact reduction,OMAR)后的单能级图像,选取图像无伪影区域(图5a中绿色圆圈)与产生金属伪影最大的区域勾画ROI(图中绿色圆圈)进行测量,并计算AI值,将单能级图像、平扫图像与无伪影区域定量评价结果进行对比绘制得到图6,图中的3条虚线依次代表无金属伪影的AI指数(黄色)、平扫下的金属伪影AI指数(绿色)以及加入OMAR算法的金属伪影AI指数(黑色),由此可得出结论:60keV以上的单能图像以及单能加OMAR算法能够有效抑制金属伪影。

讨 论

随着材料科学等技术的发展,3D打印技术在医学领域得到了广泛应用,相对于传统的手板工艺,3D打印具备成本低、速度快、精度高等优势。可用于3D成型的液态、固态等材料层出不穷,如普通液态树脂材料,满足生物相容性的树脂粉末,常规丝状聚乳酸(polylactic acid,PLA)材料。不同的材料应用于不同的使用场景,通常PLA材料主要应用在精度相对要求较低的领域,而树脂材料的成型精度可以达到0.1 mm甚至更高,因此,常用于零配件打样及精密制作[14-16]。在医疗领域,3D打印技术所选材料不但需要考虑其精细程度,更要确保其安全性与可靠性,使其满足医疗器械的使用要求,打印材料技术的升级与发展,是未来支持医学进步的重要方向。

CT扫描的出现为临床提供了更多直观的诊断参考信息,CT已成为医学影像主流影像技术之一,其图像质量控制的重要性也愈发凸显[17]。本研究所提出的自制模体尝试,通过与Catphan模体进行图像数据差异比较,获得了其差别与优劣势,可为医院日常质控提供更多选择,同时为实现国产化模体研制提供参考依据。

本研究所设计制作的3D打印模体在功能上可以实现对Catphan模体的补充与改进,例如自制模体与Catphan模体均可进行均匀性与CT值线性的测试评价,自制3D打印模体不具备层厚以及对比度分辨率模块,但在碘密度测量以及金属伪影校正测量方面,可以实现Catphan模体不具备的功能,相关功能可以拓展模体的应用范围,如对于能谱CT的质量控制研究。

结合上述实验结果,本研究首先验证了自制模体外壳材料以及试管对于内容物CT成像的影响,可以看出,模体的腔体以及试管对内容物的CT值有一定影响,但总体误差值在可接受范围内,后续实验将考虑采用不同的3D打印材料进行优化,将此影响进一步减小[18-20]。同时本研究制作的模体腔内注入的内容物为水,相较于其他固体材料,本研究所测量的CT值有更为精准的参考标准,无需另外配置水模,底部的固定板能够防止模体发生移动,提高了测量精度。

均匀性方面,自研的3D打印模体与对照的进口Catphan模体在检测性能上相近,表明自制模体在测量均匀性指标上可以实现Catphan模体相同功能;尽管自制模体在部分功能上较进口模体有所缺失,例如不具备层厚、分辨率项目的检测评价,但相较Catphan专注于传统CT的质控评价,本研究所研制的模体可延伸用于能谱CT等设备的评价,拓展模体应用场景与检测项目,例如包括在碘密度值测量以及金属伪影评价方面。本研究所研制的模体能够实现CT值的检测与校正,只需标定试管内容物的CT值即可用于检定其他CT设备,以此能够实现Catphan模体的相同功能平替。

得益于3D打印的成本优势,本研究所设计的模体能够实现低成本代替,提高了医院经济效益。模体留有可拆卸替换的试管,内容物可自行更换标定测量,同时拓展性强,可实现模块替换,根据不同需求进行后续开发。本研究所设计的模体在功能上较Catphan模体缺少部分模块,但制作模体过程中考虑到更多的模块意味着更大的体积重量,本文的自制模体可作为传统模体功能的升级与补充,由此带来的思考与挑战将在后续的研究中进行尝试解决。