胸部低劑量CT的應(yīng)用研究

于喜坤，趙靜霞，張禎銘，喬月，劉師竺，張健，劉景鑫

1. 吉林大學(xué)中日聯(lián)誼醫(yī)院 放射線科，吉林 長春 130033；2. 吉林省醫(yī)學(xué)影像工程技術(shù)研究中心，吉林 長春 130033；3. 吉林大學(xué) 護(hù)理學(xué)院實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心，吉林 長春 130021；4. 長春市計(jì)量檢定測試技術(shù)研究院，吉林 長春 130012

引言

近年來，胸部低劑量CT檢查作為當(dāng)前熱點(diǎn)研究方向，研究者很多。有些研究單純從改變劑量入手[1-6]，有些從圖像的性質(zhì)入手[7-12]，還有些是直接從疾病的病理表現(xiàn)入手[13-15]。CT檢查是使用X射線束對人體某部位一定厚度的層面進(jìn)行掃描，原理為根據(jù)人體不同組織對X線的吸收與透過率的不同[16]，發(fā)現(xiàn)體內(nèi)生理或病理性改變。但X射線作為輻射源，對人體有著一定程度的損害，X線劑量越大，受檢者所受的傷害就越大。所以，在保證圖像質(zhì)量的前提下，如何盡量降低X線劑量，即低劑量CT，成了當(dāng)前學(xué)界研究的一個(gè)重要方向。本文將對固定管電壓為120 kV時(shí)，通過降低CT毫安量來降低檢查劑量的方法進(jìn)行討論。

1 材料與方法

我們選取目前醫(yī)療市場上的應(yīng)用較為廣泛的國內(nèi)外CT廠家，國內(nèi)廠家包括東軟醫(yī)療、明峰醫(yī)療、深圳安科和上海聯(lián)影，國外廠家包括GE醫(yī)療、Siemens醫(yī)療、Philips醫(yī)療、東芝醫(yī)療和日立醫(yī)療。歷時(shí)2年時(shí)間，地域覆蓋吉林省、黑龍江省、遼寧省、浙江省和四川省的126家醫(yī)院進(jìn)行了522臺次試驗(yàn)。

1.1 探究多參數(shù)設(shè)置對胸部低劑量CT影像質(zhì)量的影響

1.1.1 實(shí)驗(yàn)?zāi)ｓw

CT性能模體的型號為CATPHAN 500，生產(chǎn)廠家是美國模體實(shí)驗(yàn)室。

注：為保證數(shù)據(jù)準(zhǔn)確可靠，項(xiàng)目研究期間定期溯源至國家基準(zhǔn)。

1.1.2 實(shí)驗(yàn)方法

將CATPHAN 500置于掃描野中心，掃描條件為管電壓120 kV，層厚5 mm，掃描時(shí)間1.0 s，在pitch:speed為0.562:1、0.938:1和1.375:1的三種條件下，設(shè)置毫安量分別為250、200、150、100、70、60、50、40、30以及20 mAs進(jìn)行掃描，掃描模體時(shí)在周圍不應(yīng)有影響射線束的物質(zhì)。

1.1.3 測量方法

（1）CT值、噪聲、均勻性。在CTP486模塊中心層面，在中心用大于100像素的ROI（面積約為1 cm2）測CT值及標(biāo)準(zhǔn)偏差SD，噪聲N=SD×0.1%。在圖像圓周相當(dāng)于鐘表時(shí)針3、6、9、12點(diǎn)的方向用相同ROI在邊緣1 cm處取四點(diǎn)CT值，邊緣對中心CT值的最大偏差為均勻性。

（2）低對比分辨力（密度分辨力）。在CTP515模塊中心層面，同時(shí)調(diào)節(jié)窗寬和窗位，確定各對比度系列中所能分辨的最小一級孔徑。

（3）高對比分辨力（空間分辨力）。在CTP528模塊中心層面，同時(shí)調(diào)整窗寬和窗位，分辨最小的一組線對。用目測方法確定所能分辨的最高一級線對數(shù)。

1.2 模體實(shí)驗(yàn)探究低劑量CT圖像質(zhì)量的客觀參考標(biāo)準(zhǔn)

（1）實(shí)驗(yàn)?zāi)ｓw：胸部仿真模體。

（2）實(shí)驗(yàn)方法：將胸部仿真模體置于掃描野中心，使用5 mm的層厚，設(shè)置管電壓120 kV，管電流分別為70、60、50、40、30以及20 mAs，按照 WS/T 391-2012《CT檢查操作規(guī)程》[17]中的方法進(jìn)行掃描。掃描模體時(shí)在周圍不應(yīng)有影響射線束的物質(zhì)。

2 結(jié)果

在實(shí)驗(yàn)過程中，設(shè)定毫安秒和實(shí)際掃描中的毫安秒并非一個(gè)數(shù)值，對照表，見表1。

（1）根據(jù)國家計(jì)量檢定規(guī)程JJG 961-2017《醫(yī)用診斷螺旋計(jì)算機(jī)斷層攝影裝置(CT) X射線輻射源》[18]中要求低對比分辨力在1%對比度應(yīng)能分辨模體中3 mm的圓孔和0.3%對比度應(yīng)能分辨模體中6 mm的圓孔， 可見50 mAs以上的劑量都是符合要求的（表2）。由于低對比分辨力對肉眼觀測是最直觀的評價(jià)方法，所以在以下的試驗(yàn)中，我們對50 mAs以下的實(shí)驗(yàn)結(jié)果不再進(jìn)行論述。采用相同螺距時(shí)低對比分辨力隨mAs變化規(guī)律，見表2。

（2）通過數(shù)據(jù)分析，當(dāng)管電流為1～100 mAs時(shí)，噪聲隨管電流增加急劇降低，100 mAs以上時(shí)噪聲趨于平穩(wěn)。其中，50～100 mAs的噪聲極差值較1～50 mAs的噪聲極差值低。這說明了低劑量檢查必然伴隨一定的噪聲，50～100 mAs條件時(shí)噪聲降低速度較為緩慢，50 mAs以下時(shí)，噪聲急劇增長。采用不同螺距時(shí)噪聲隨毫安秒變化規(guī)律，見圖1。

表1 設(shè)定mAs與實(shí)際mAs對照表

表2 采用相同螺距時(shí)低對比分辨力隨毫安秒變化規(guī)律

圖1 采用不同螺距時(shí)噪聲隨毫安秒變化規(guī)律

（3）通過數(shù)據(jù)分析，我們可以看到，不同管電流下的均勻性起伏波動(dòng)很小，考慮到實(shí)驗(yàn)誤差，結(jié)合國家標(biāo)準(zhǔn)，在該實(shí)驗(yàn)條件下，降低管電流對均勻性沒有影響。采用不同螺距時(shí)均勻性隨mAs變化規(guī)律，見表3。

表3 采用不同螺距時(shí)均勻性隨mAs變化規(guī)律

（4）通過數(shù)據(jù)分析，降低毫安量時(shí)CT值波動(dòng)極小。結(jié)合國家標(biāo)準(zhǔn)，CT值波動(dòng)遠(yuǎn)小于標(biāo)準(zhǔn)中的波動(dòng)范圍。對于物體來說，CT值應(yīng)該是固定的，但實(shí)際的機(jī)械誤差難以避免。從該實(shí)驗(yàn)結(jié)果來說，在該實(shí)驗(yàn)條件下，低管電流條件對CT值沒有影響。采用不同螺距時(shí)CT值隨mAs變化規(guī)律，見表4。

表4 采用不同螺距時(shí)CT值隨mAs變化規(guī)律

（5）通過數(shù)據(jù)分析，降低毫安量至40 mAs以下時(shí)，空間分辨力略微降低。我們可以認(rèn)為，當(dāng)毫安量為50 mAs以上時(shí)，對空間分辨力沒有影響。采用不同螺距時(shí)空間分辨力隨mAs變化規(guī)律如表5所示。

（6）通過探究多參數(shù)設(shè)置對低劑量CT掃描圖像質(zhì)量的影響的結(jié)果我們可以得知，當(dāng)毫安量降低到100 mAs時(shí)，噪聲的影響開始增大；當(dāng)毫安量降低到30 mAs以下時(shí)，低對比分辨力已經(jīng)完全不能滿足要求；就噪聲來說，50 mAs以下的噪聲將急劇升高，所以我們將胸部模體實(shí)驗(yàn)數(shù)值范圍設(shè)定在 20～70 mAs。

肺部仿真模體的影像結(jié)果，見圖2。從圖像中我們可以看出，圖2a可以看清仿真模體中的末端支氣管，對一些仿真組織也有較高的辨識度，其噪聲也在可忍受范圍之內(nèi)[1]。而圖2b的圖像質(zhì)量有著斷崖式的降低，圖片顆粒感較強(qiáng)，也無法完全分辨清晰各組織邊界。由此我們可以推薦，50 mAs為胸部低劑量CT篩查臨床實(shí)驗(yàn)的最低劑量閾值。

表5 采用不同螺距時(shí)空間分辨力隨mAs變化規(guī)律

圖2 肺部仿真模體的影像結(jié)果（右側(cè)肺門層面）

3 討論

雖然低劑量這個(gè)概念已經(jīng)在國內(nèi)出現(xiàn)了十余年，從DR低劑量的探討，到后來的CT平掃、CT增強(qiáng)的探討，乃至肺癌篩查專家共識，部分醫(yī)院甚至已經(jīng)在常規(guī)檢查中應(yīng)用了低劑量參數(shù)，但仍未有一個(gè)通用的、行之有效的標(biāo)準(zhǔn)?？紤]到CATPHAN模體是不同國家、不同廠家設(shè)備通用的行之有效的質(zhì)控檢測模體，所以我們選用了CATPHAN模體來進(jìn)行劑量初篩，并通過仿真模體驗(yàn)證劑量范圍。

CATPHAN模體中的部分模塊體積足夠小，模塊間的間隔有大有小，各模塊的密度也不盡相同，這一定程度上模擬了人體中的復(fù)雜狀況；該模體也是檢測CT性能的工具之一。我們使用模體進(jìn)行低劑量測試，能保證CT設(shè)備的有效性，這也保證了我們所調(diào)節(jié)的毫安秒，是唯一的變量，同時(shí)也保證了實(shí)驗(yàn)得到的圖像是質(zhì)控合格的圖像，具有相當(dāng)?shù)膰?yán)謹(jǐn)性。

常規(guī)的肺部仿真模體擁有正常的肺紋理，精度較低，但足夠作為篩查劑量的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證模體。根據(jù)《肺結(jié)節(jié)診治中國專家共識（2018年版）》[19]，肺結(jié)節(jié)的大小被定義為3 cm及以下。由此可見，較小的肺結(jié)節(jié)大小可與末端支氣管直徑相當(dāng)。若末端支氣管可清晰分辨，則一般的肺結(jié)節(jié)能清晰分辨。實(shí)驗(yàn)中我們不考慮高密度鈣化灶，只考慮一般實(shí)性結(jié)節(jié)。一般來說，能篩查出實(shí)性結(jié)節(jié)，后續(xù)無論是通過實(shí)驗(yàn)室檢查還是增強(qiáng)掃描確診疾病，其篩查意義都已經(jīng)達(dá)到了。所以，使用仿真模體進(jìn)行劑量驗(yàn)證，具有一定的嚴(yán)謹(jǐn)性。

我們選用了不同廠家不同型號的CT進(jìn)行了522臺次試驗(yàn)，最終得出的結(jié)果不盡相同，但是當(dāng)劑量從70 mAs開始降低時(shí)，圖像質(zhì)量均開始大幅降低，當(dāng)劑量降低到50 mAs以下后大部分CT得到的結(jié)果無法完全辨認(rèn)圖像輪廓，最后的仿真模體實(shí)驗(yàn)發(fā)生了同樣的現(xiàn)象。

眾所周知較高的放射劑量能獲得較好的圖像，過度地降低放射劑量會(huì)導(dǎo)致圖像質(zhì)量變差。當(dāng)我們的毫安量從100 mAs開始降低時(shí)，圖像的噪聲增加，對比度和分辨力相應(yīng)降低。為了降低劑量，我們必須適度的容忍一定程度的噪聲，這是成像技術(shù)和后處理技術(shù)更新?lián)Q代之前我們幾乎無法解決的問題。

不同廠家、不同系列的CT所用的技術(shù)也不同，同樣掃描條件產(chǎn)生的影像學(xué)結(jié)果可能會(huì)不盡相同。臨床上，不同患者可能會(huì)因?yàn)轶w質(zhì)差異需要相應(yīng)的增減劑量。針對這些情況，給出一個(gè)劑量范圍閾值供操作技師參考，使操作技師在閾值之上靈活選擇劑量，是最科學(xué)的辦法。

所以，只是單純的降低劑量不應(yīng)是我們的最終目的，與新的成像、后處理技術(shù)相結(jié)合，是更進(jìn)一步的研究方向。

4 結(jié)論

低劑量CT掃描用作篩查，難點(diǎn)在于如何在劑量與圖像質(zhì)量間進(jìn)行取舍。評價(jià)一副圖像的好壞，不單要看噪聲、均勻性等數(shù)值，診斷醫(yī)師的意見也很重要。如前文所說，容忍一定量的噪聲的情況下，如果劑量降低到一個(gè)數(shù)值以下，得到的圖像無法確保診斷需求，那么這個(gè)數(shù)值就是我們所需求的劑量閾值。

本文通過不同廠家、不同CT進(jìn)行對比試驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)中使用了CATPHAN 500模體作為最初的劑量實(shí)驗(yàn)對象，并通過仿真模體進(jìn)行驗(yàn)證，得到了一個(gè)實(shí)用于主流胸部CT的低劑量CT篩查的劑量閾值。

后續(xù)的研究方向，可以是通過臨床試驗(yàn)進(jìn)行數(shù)值校準(zhǔn)，也可以是在CT機(jī)選擇上進(jìn)行廣度更大的模體實(shí)驗(yàn)。相對來說，筆者更傾向于更多型號的CT機(jī)測試，以及新的后處理算法的應(yīng)用。前者可以保證劑量范圍的普適性，后者能夠真正地讓低劑量的取值范圍，能夠再向前走上一大步。