CT掃描及重建參數(shù)對放療圖像質(zhì)量影響的研究

歐陽斌+丘敏敏+鐘嘉健

[摘要] 目的 探討CT模擬定位掃描協(xié)議中各項參數(shù)對CT圖像質(zhì)量的影響，為確定精確放療定位圖像的掃描協(xié)議參數(shù)提供依據(jù)。 方法 采用Philips16排大孔徑螺旋CT模擬定位機掃描Catphan600模體和Philips圖像校準(zhǔn)模體，改變掃描及重建參數(shù)獲取不同的圖像序列，分析其對圖像噪聲、均勻度、不同物質(zhì)的CT值、高對比度分辨力及低對比度分辨力等的影響。 結(jié)果 管電壓、掃描部位及濾過器影響物質(zhì)的CT值；管電壓、管電流、重建層厚、濾過器及濾過器增強則影響圖像的噪聲；掃描部位影響圖像的均勻度。圖像高對比度分辨力與濾過器、濾過器增強相關(guān)，而低對比度分辨力則與噪聲相關(guān)。 結(jié)論 通過全面系統(tǒng)的模體測試可充分了解CT掃描協(xié)議中各項參數(shù)對圖像質(zhì)量的影響，有利于確定精確放療CT模擬定位掃描協(xié)議參數(shù)和設(shè)定CT值-電子密度曲線以確保精準(zhǔn)放射治療的實施。

[關(guān)鍵詞] CT掃描協(xié)議；圖像質(zhì)量；參數(shù)；放射治療

[中圖分類號] R445.3 [文獻(xiàn)標(biāo)識碼] A [文章編號] 1673-7210（2017）01（a）-0004-04

[Abstract] Objective To investigate the impact of CT scanning and reconstructed parameters on the quality of CT image， in order to provide basis for establishing the standard of high quality image for precision radiation therapy. Methods Catphan600 phantom and Philips image calibration phantom were scanned by Philips Big-Bore Brilliance CT. Images were acquired at different protocols varying scan and reconstruction parameters. The impact of scanning and reconstruction parameters on image noise， uniformity， the CT values， high and low contrast resolution were analyzed. Results The CT value of image was influenced by tube voltage， scanning site and filters used during scanning. The image noise was affected by tube voltage， tube current， reconstruction thickness， filter and filter enhancement. The uniformity of image was affected by the scanning site and scanning resolution. High contrast resolution was affected by filter， filter enhancement and image matrix， while low contrast resolution was affected by image noise. Conclusion Through the investigation of CT scanning protocol and reconstructed parameters on the quality of CT image may help establish the standard of high quality of image for precision radiation therapy.

[Key words] CT scanning protocol； Image quality； Parameter； Radiation therapy

高質(zhì)量的CT模擬定位（CT simulation，CT-sim）圖像是實施三維適形和調(diào)強放療等精確放療技術(shù)的前提。放療用CT-sim圖像有著比診斷用CT圖像更高的要求，CT-sim圖像需為放療靶區(qū)勾畫提供清晰的解剖結(jié)構(gòu)信息和準(zhǔn)確的空間位置信息，其CT值為放療計劃系統(tǒng)（treatment planning system，TPS）劑量計算提供準(zhǔn)確的電子和物理密度信息。在CT-sim掃描協(xié)議中存在多項參數(shù)，確定每項參數(shù)對CT-sim圖像的影響對保證圖像質(zhì)量、提高靶區(qū)勾畫及劑量計算的準(zhǔn)確度有著非常重要的意義。

已有研究顯示，CT工作參數(shù)包括管電壓、管電流、重建層厚及掃描方式等，其中認(rèn)為管電壓對CT值的影響最為顯著[1]；管電流、管電壓、螺距對圖像噪聲的影響較大[2]；管電壓、準(zhǔn)直器、旋轉(zhuǎn)時間、螺距對高對比度分辨力的影響顯著[3]。這些研究主要限于管電壓、管電流、螺距、層厚等參數(shù)對圖像的影響，仍有許多參數(shù)未予以考慮。

本文主要針對中山大學(xué)附屬第一醫(yī)院Philips 16排大孔徑螺旋CT-sim在掃描協(xié)議中需設(shè)定的參數(shù)進(jìn)行研究，探討各項參數(shù)對圖像質(zhì)量的影響，確定最優(yōu)化的掃描協(xié)議參數(shù)設(shè)定以保證精確放療順利開展。

1 材料與方法

1.1 CT掃描定位系統(tǒng)

采用Philips 16排大孔徑螺旋CT-sim（Philips，USA）進(jìn)行掃描。圖像掃描協(xié)議參數(shù)可分為掃描和重建參數(shù)，掃描參數(shù)在掃描完成后無法修改，在特定掃描條件下改變重建參數(shù)可獲得相應(yīng)的重建圖像。

掃描參數(shù)包括掃描方式、管電壓、管電流、掃描部位、準(zhǔn)直器、圖像分辨率等；重建參數(shù)包括重建層厚（可選擇層厚與掃描方式相關(guān)）、濾過器（Filter）、濾過器增強等。各項參數(shù)及參數(shù)選項詳見表1。

1.2 圖像質(zhì)量測試模體

采用Catphan 600（The Phantom Laboratory，USA）模體對CT圖像進(jìn)行測試。本研究主要使用該模體測量圖像噪聲（SD值）、圖像均勻度、不同物質(zhì)的CT值、高/低對比度分辨力等參數(shù)。不同物質(zhì)的CT值（含空氣、PMP、LDPE、聚苯乙烯、水、Acrylic、Delrin和Teflon8種材料）采用CTP404模塊測量；高對比度分辨力采用CTP528模塊測量獲得可分辨的線對數(shù)；低對比度分辨力則采用CTP515模塊測量獲得最小可分辨的目標(biāo)；圖像噪聲、圖像均勻度采用CTP486模塊測量。

采用CT機自帶的頭模及體模圖像校準(zhǔn)模體（Philips，USA），分別模擬頭部和體部，以測試水的CT值和圖像均勻度。圖像掃描時改變單項參數(shù)，其余參數(shù)固定，分別掃描頭/體模體，在CT圖像工作站對圖像進(jìn)行分析。圖像參數(shù)的測定方法及結(jié)果的分析參考國標(biāo)JJG-1026-2007[4-5]和美國醫(yī)學(xué)物理師協(xié)會（AAPM）TG66號報告[6]。

2 結(jié)果

2.1 掃描方式

在掃描協(xié)議參數(shù)設(shè)定相同時Helical模式圖像噪聲略小于Axial模式（9.9比11.9），其余圖像參數(shù)無差異；螺旋掃描速度更快，可選擇的重建層厚更多。

2.2 管電壓

管電壓不同時，不同物質(zhì)CT值有較大的差異，不同管電壓之間對應(yīng)的CT值差異最小的為水（4 HU），最大者為Teflon（54 HU）；隨管電壓增加，圖像噪聲降低，低密度分辨力提高，其余圖像參數(shù)無明顯變化，輻射劑量隨管電壓增加而增加。見表2。

2.3 管電流

不同物質(zhì)的CT值與管電流關(guān)系不明顯，其差異僅為11 HU；隨管電流增加，圖像噪聲降低，低密度分辨力提高，輻射劑量（CTDIvol）增加。見表3。

2.4 掃描部位

根據(jù)掃描協(xié)議選擇的掃描部位對圖像參數(shù)有一定的影響。當(dāng)選擇掃描部位為腦/頭或頸/胸/腹/盆時，同組部位圖像的不同物質(zhì)的CT值、圖像噪聲、圖像均勻性、輻射劑量之間無差異；但腦/頭與頸/胸/腹/盆之間存在明顯差異，兩組間不同物質(zhì)的CT值最大差異為42 HU。因此，在設(shè)定CT值-電子密度曲線時，需充分考慮掃描部位對CT值的影響，選擇頭部時，頭模的圖像均勻性較好，體部模體的均勻性較差；選擇體部時則相反。見表4、5。

2.5 準(zhǔn)直器

準(zhǔn)直器主要影響重建圖像的最小層厚、輻射劑量及高對比度分辨力。準(zhǔn)直器越小，重建圖像層厚越小，掃描時間越長，輻射劑量越大。準(zhǔn)直器16*0.75 mm較16*1.5 mm者其高對比度分辨力提高約1組線對，但對低對比度分辨力及噪聲的影響較小。

2.6 分辨率

高分辨率模式的圖像噪聲較標(biāo)準(zhǔn)模式有所增加（13.2比9.4），高對比度分辨力增加約1組線對，低對比度分辨力有所下降；對CT值及其他圖像參數(shù)無明顯影響。

2.7 重建層厚

圖像噪聲受圖像重建層厚的影響較大，噪聲與重建層厚的平方根呈反比；層厚越大，低對比度分辨力越高。重建層厚對其他圖像參數(shù)的影響較小。

2.8 濾過器

不同濾過器的平滑/銳化程度不一致，影響掃描圖像的CT值、噪聲、高密度分辨力、低密度分辨力和圖像均勻性等。不同濾過器對應(yīng)的物質(zhì)CT值和圖像噪聲存在明顯差異，不同濾過器間的CT值最大差異可達(dá)220 HU。濾過器A/B/C與UA/UB/UC間的最大差異為85 HU；當(dāng)選用更銳化的濾過器（YA/YB）時，水的CT值存在較大偏差，圖像噪聲增加，高密度分辨力提高，低密度分辨力降低。見表6。

2.9 濾過器增強

濾過器增強值越小，圖像越平滑，噪聲越低，低對比度分辨力提高；反之越銳化，噪聲越高，高對比度分辨力提高。采用濾過器B時，不同強度的增強值其對應(yīng)的噪聲SD值依次為3.4、3.8、4.7、5.7、5.8、8、9.6、12、13.9；濾過器增強對其他圖像參數(shù)影響較小。

3 討論

多項研究顯示，管電壓對CT值影響較大[7-11]，需針對不同的管電壓設(shè)定特定的CT值-電子密度曲線[1，12-13]，管電流則對CT值的影響較小。本研究表明，管電壓、掃描協(xié)議中的掃描部位及重建濾過器對CT值的影響顯著，在設(shè)定CT值-電子密度曲線時需充分考慮這些參數(shù)的影響；選用頭部掃描協(xié)議時頭模的圖像均勻性更優(yōu)，采用體部掃描部位時體模的均勻性更優(yōu)；Catphan 600模體測得的圖像均勻度頭部組為10.5 HU，體部組為2.3 HU，其原因可能為不同部位對應(yīng)CT機不同的硬件濾過器，頭部組部位對含骨質(zhì)較多的情況進(jìn)行了優(yōu)化，以改善圖像均勻度，對于外圈為軟組織時采用體部組條件可能更為合適。

不同類型的濾過器對應(yīng)不同的圖像重建算法，平滑算法（如UA、UB、UC等）可降低噪聲，提升低對比度分辨力；而銳化算法（如YA、YB等）則增加噪聲，提升高對比度分辨力。不同濾過器對應(yīng)的物質(zhì)CT值存在較大差異，需通過測量了解濾過器種類對CT值的影響。可對濾過器分組分別設(shè)定其對應(yīng)的CT值-電子密度曲線；某些濾過器可使CT值發(fā)生明顯偏離（YA、YB），或?qū)е聢D像噪聲太大（D），從而影響靶區(qū)及正常組織的勾畫，放療中應(yīng)謹(jǐn)慎選用。對無特殊要求者，可考慮使用固定的濾過器及濾過器增強。

管電壓、管電流、層厚、濾過器及濾過器增強等參數(shù)均可影響圖像噪聲。通常圖像噪聲小，低對比度分辨力高；圖像噪聲大，高對比度分辨力高。在臨床工作中，可選取合適掃描協(xié)議參數(shù)控制圖像噪聲，獲得滿足臨床要求的圖像，且減少患者接受的輻射劑量。

影響圖像均勻度的主要因素為掃描部位，如采用頭部條件掃描直徑較大模體時圖像的均勻性較差。圖像噪聲較大時亦對圖像均勻性產(chǎn)生一定的影響。

圖像高對比度分辨力與圖像的銳化程度（濾過器）相關(guān)，圖像越銳化，高對比度分辨力越高。低對比度分辨力主要和噪聲相關(guān)，噪聲越低，低對比度分辨力越高。本研究結(jié)果與李庚等[14]報道一致。由于高/低對比度分辨力通過辨識模體圖像線對數(shù)或低對比度目標(biāo)，其結(jié)果判定存在一定的主觀性；且從模體圖像辨識的結(jié)果離散，盡管兩幅圖像存在一定差異，但對高/低對比度分辨力判定的結(jié)果可能相同。最好能引入數(shù)學(xué)方法對圖像進(jìn)行分析[15-17]，以更加客觀準(zhǔn)確地評估掃描圖像參數(shù)。

使用模體測量可測試并量化評估掃描協(xié)議各參數(shù)對圖像質(zhì)量的影響。但模體的材料組成相對單一，模體形狀規(guī)整，僅是臨床情況的最簡化模擬；Catphan600模體的直徑僅20 cm，遠(yuǎn)小于臨床患者的實際尺寸；對于形狀復(fù)雜或小體積的目標(biāo)仍需進(jìn)步一測試各參數(shù)對其重建精確性的影響。本研究可為臨床應(yīng)用提供較好的參考依據(jù)，但臨床情況較復(fù)雜，仍需根據(jù)患者實際情況及臨床要求進(jìn)行不斷的探索。

通過全面系統(tǒng)的模體測試可充分了解CT掃描各參數(shù)對圖像質(zhì)量的影響，便于臨床掃描協(xié)議參數(shù)的設(shè)定；明確了管電壓、掃描部位及重建濾過器對不同物質(zhì)CT值的影響，利于臨床設(shè)定特定的CT值-電子密度曲線。臨床應(yīng)用中應(yīng)充分注意掃描部位對圖像均勻度的影響及掃描和重建參數(shù)對圖像噪聲的影響，以確保精準(zhǔn)放射治療的實施。

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（收稿日期：2016-09-26 本文編輯：程 銘）