光子计数探测器CT的超高分辨率模式与标准模式图像质量与剂量降低的体模对比研究：腹部与骨病变检测能力显著提升

本研究针对光子计数探测器CT（PCCT）在临床应用中如何平衡图像质量与辐射剂量的问题，通过体模实验系统比较了超高分辨率（UHR）模式与标准模式的性能。研究发现，UHR模式在所有剂量水平下均能显著降低噪声幅度（Br36内核平均降低18.0%，Br68内核降低33.9%），改善噪声纹理，并提高空间分辨率（如骨插入物f50值提升11.7%）。更重要的是，UHR模式显著提升了模拟腹部和骨病变的检测指数（d'），实现了腹部病变32.9%和骨病变68.7%的潜在剂量降低，为PCCT在临床应用中实现高质量低剂量成像提供了重要依据。

　　

计算机断层扫描（CT）技术的最新重大创新是光子计数探测器（PCD）的开发，新一代光子计数探测器CT（PCCT）扫描仪由此诞生。与传统使用的能量积分探测器相比，PCD具有独特的物理特性，能够计数并对检测到的光子进行能量分类，从而提供更高的剂量效率、消除电子噪声、改善空间分辨率，并具有固有的光谱灵敏度。PCCT在常规和双能谱成像中提升图像质量、降低辐射剂量的潜力已在多项临床前和临床研究中得到证实。

目前开发的多数PCCT系统可使用不同的光束准直，从而能够在标准模式和超高分辨率（UHR）模式下运行。与标准模式相比，UHR模式的优点在于减少了探测器在z轴方向的厚度，这使得在等中心处的像素尺寸得以减小，并有可能使用更小的焦点尺寸。等中心像素尺寸的减小与更小焦点尺寸的结合，使UHR模式比标准模式具有更高的空间分辨率。多项研究已在临床PCCT上证明，UHR模式下更小的探测器像素在频域中提供了更大的预采样函数，从而在相同辐射剂量和空间分辨率下产生更低的图像噪声。然而，据我们所知，尚无研究在临床条件下评估UHR模式与标准模式对噪声纹理、空间分辨率以及病变检测能力的影响。这种比较是必要的，因为这两种模式现已用于常规临床实践，特别是在使用薄层厚度以改善腹部（如胰腺或肝脏）和骨病变的检测和表征时。

为此，本研究旨在通过执行全面的基于任务的图像质量评估，在临床条件下评估UHR模式与标准模式相比的图像质量和剂量降低潜力。

为开展研究，研究人员使用了Mercury体模v4.0的31厘米直径部分来模拟接受腹部CT扫描的平均患者。图像采集在已获美国食品药品监督管理局（FDA）批准的NAEOTOM Alpha（Siemens Healthineers）PCCT系统上进行。所有采集均使用单个X射线管，在标准模式和UHR模式下进行，管电压为120 kVp，螺距因子为1，旋转时间为0.5 s/rot，并禁用管电流调制系统。管电流值设置为获得三个体积CT剂量指数（CTDI_vol）水平：3、6和12 mGy。每个剂量水平和模式进行了10次采集。原始数据使用Br36（软组织）和Br68（骨）重建内核进行重建，均采用量子迭代重建算法（Quantum Iterative Reconstruction）的第4级、330毫米视野、1024×1024像素矩阵大小和0.4毫米层厚（0.4毫米间隔）。所有图像在PCCT上生成，标准模式使用70 keV单能级，UHR模式使用73 keV单能级。

基于任务的图像质量评估使用iQMetrix-CT软件v1.2进行。对每个剂量水平和每种模式，根据10次采集的所有数据计算了噪声功率谱（NPS）和任务传递函数（TTF）。NPS用于评估噪声幅度（NPS一维曲线下面积的平方根）和噪声纹理（NPS一维曲线的平均空间频率，f_av）。计算了比率R（标准模式与UHR模式的噪声幅度之比）以及仅基于测量噪声的潜在剂量降低D*。TTF使用圆边技术计算，以评估空间分辨率（f₅₀，TTF为50%时的空间频率）。检测指数（d'）使用带眼滤器的非预白化模型观察者计算，模拟了两种腹部病变（用于Br36内核：肝转移瘤和肝细胞癌）和三种骨病变（用于Br68内核：骨岛、成骨性转移瘤和硬化性病变）的检测任务。

3.1. 噪声功率谱

3.1.1. 噪声幅度

对于所有模式和两种重建内核，噪声幅度值随着剂量水平的增加而降低。在所有剂量水平下，UHR模式的噪声幅度值均低于标准模式，并且Br68的差异比Br36更显著。噪声幅度值的平均降低分别为-18.0 ± 2.6 %（Br36）和-33.9 ± 2.3 %（Br68）。对于所有剂量水平，Br36的R比率为1.22 ± 0.04，Br68为1.51 ± 0.05。基于这些结果，D*值分别为32.7 ± 4.3 %（Br36）和56.3 ± 3.0 %（Br68）。

3.1.2. 噪声纹理

对于两种模式和两种重建内核，平均NPS空间频率（f_av）值随着辐射剂量水平的降低而降低。在所有剂量水平下，UHR模式的f_av值低于标准模式，Br68（-16.0 ± 1.8 %）的差异比Br36（-4.2 ± 0.9 %）更明显。

3.2. 任务传递函数

对于两种模式、三种插入物和两种重建内核，TTF在50%时的值（f₅₀）随着剂量水平的降低而降低。对于固体水插入物、软组织内核和所有剂量水平，UHR和标准模式的f₅₀值相似（UHR: 0.34 ± 0.04 mm^-1; 标准: 0.33 ± 0.04 mm^-1）。对于所有剂量水平和两种重建内核，UHR模式的碘插入物（平均改善18.5 ± 1.9 %）和骨插入物（平均改善11.7 ± 5.7 %）的f₅₀值均高于标准模式。

3.3. 检测指数

3.3.1. 相同剂量水平下检测能力的改善

对于所有剂量水平，UHR模式的d'值均高于标准模式：肝细胞癌（23.2 ± 2.8 %）、肝转移瘤（23.5 ± 2.7 %）、骨岛（45.0 ± 1.8 %）、成骨性转移瘤（45.0 ± 1.7 %）和硬化性病变（22.6 ± 2.2 %）。

3.3.2. 基于d'值的潜在剂量降低

与标准模式在12 mGy下获得的d'值相比，UHR模式在8.05 ± 0.01 mGy（软组织内核，腹部病变）和3.75 ± 0.39 mGy（骨内核，骨病变）下获得了相似的d'值。平均剂量降低分别为-32.9 ± 0.0 % 和 -68.7 ± 3.2 %。

本研究评估了商用PCCT系统上可用的UHR模式与标准模式相比在图像质量改善和剂量降低潜力方面的表现。NPS结果证实，在所有剂量水平下，UHR模式的噪声幅度值均低于标准模式，且两种模式之间的噪声幅度变化在三个评估的剂量水平上相似。关于噪声纹理结果，UHR模式的平均NPS空间频率值向较低频率移动。关于空间分辨率的结果，TTF在两种模式之间的变化取决于所使用的插入物和重建内核。对于低对比度插入物和软组织内核，两种模式在每个剂量水平下具有相似的TTF值。对于骨内核，发现UHR模式的TTF值在50%时向更高的空间频率移动，从而获得更好的空间分辨率。关于检测指数值的结果发现，UHR模式下所有模拟病变的检测能力均优于标准模式。

本研究的结果清楚地表明，与标准模式相比，UHR模式具有剂量降低的潜力，尤其是对于骨重建内核。对于所有模拟病变，与标准模式相比，UHR模式在剂量降低约33%（腹部病变和软组织重建内核）和约69%（骨病变和骨重建内核）的情况下获得了相似的d'值。这些体模研究结果为在临床常规中使用UHR模式进行腹部和/或骨PCCT协议提供了依据，且辐射剂量水平有限。然而，正如Lell等人所定义的，UHR模式在临床常规中用于所有患者仍然存在局限性。首先，小焦点尺寸限制了管的功率和最大mAs值，这对于超重或肥胖患者的使用可能具有限制性。此外，该模式的z轴覆盖范围有限（即24 mm，而标准模式为57.6 mm），这导致扫描时间更长或扫描长度更短，因此并不适用于所有PCCT采集。因此，有必要用进一步的患者研究来补充这些有希望但初步的体模结果，以评估在常规临床实践中对不同临床适应症使用UHR模式的价值。

本研究存在一些局限性。采集仅在一种体模上进行，但该体模并未考虑接受CT检查患者的不同体型。此外，用于模拟体模中病变的插入物并不能完全代表患者解剖结构的特征。另外，仅使用了一个迭代重建级别和两种重建内核，而其他参数可能会在噪声纹理和空间分辨率方面显示出不同的结果。最后，为了在两种研究的模式中实现相同的分辨率条件，我们选择使用相同的层厚，并且没有研究UHR模式下可用的0.2毫米层厚的影响。使用0.2毫米层厚可能会使UHR模式在噪声纹理和空间分辨率方面的结果更好。

总之，与标准宏模式相比，UHR模式降低了图像噪声，改善了模拟腹部和骨病变的检测能力，且未改变空间分辨率。使用UHR模式获得的图像可能为接受腹部和/或骨CT检查的患者提供巨大的剂量降低潜力。该研究发表在《Diagnostic and Interventional Imaging》上，为推进低剂量、高图像质量的CT扫描技术提供了重要的实验证据和理论支持。