腹部CT低劑量掃描的應(yīng)用研究

劉師竺，趙靜霞，胡博奇，于喜坤，張健，魏宇林，劉景鑫

1. 吉林大學(xué)中日聯(lián)誼醫(yī)院 放射線科，吉林 長(zhǎng)春 130033；2. 吉林省醫(yī)學(xué)影像工程技術(shù)研究中心，吉林 長(zhǎng)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(zhǎng)春 130021；4. 長(zhǎng)春市計(jì)量檢定測(cè)試技術(shù)研究院，吉林 長(zhǎng)春 130012

引言

近年來(lái)，CT已經(jīng)成為臨床診斷中不可或缺的一種檢查方法，隨著CT的發(fā)展，人們?cè)絹?lái)越關(guān)注如何在保證影像質(zhì)量的前提下，使劑量最優(yōu)化[1-3]。目前，國(guó)內(nèi)外許多專(zhuān)家對(duì)低劑量CT檢查的方法進(jìn)行了多方面、多角度的研究：如從設(shè)備入手，探究降低放射劑量時(shí)對(duì)圖像造成的影響；從掃描參數(shù)入手，從臨床試驗(yàn)數(shù)據(jù)或?qū)嶋H應(yīng)用的檢查數(shù)據(jù)中歸納總結(jié)出經(jīng)驗(yàn)[4-6]；也有的專(zhuān)家選擇了對(duì)單一機(jī)型、單一檢查項(xiàng)目或者某一項(xiàng)標(biāo)準(zhǔn)數(shù)值進(jìn)行研究或闡釋[7-11]。雖然過(guò)往研究已對(duì)部分部位的檢查劑量和患者的受照射劑量給出了相應(yīng)的參考值[12-14]，但腹部CT作為臨床常用的檢查手段，其低劑量相關(guān)研究卻相對(duì)匱乏[15-16]。我們?cè)?016年成功獲得十三五國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)項(xiàng)目《放射診療設(shè)備低劑量評(píng)價(jià)和應(yīng)用規(guī)范研究》，在項(xiàng)目的支持下我們從圖像質(zhì)量的評(píng)定入手，針對(duì)腹部低劑量CT掃描在多個(gè)省的醫(yī)院進(jìn)行了不同模體直徑、不同螺距和不同mAs的大量實(shí)驗(yàn)及數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析，最終得出了腹部低劑量檢查的劑量閾值，這對(duì)臨床診療具有重要意義。

1 材料與方法

1.1 CT實(shí)驗(yàn)?zāi)ｓw

我們選取目前醫(yī)療市場(chǎng)上的主要CT廠家，國(guó)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(guó)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326臺(tái)次試驗(yàn)。CT實(shí)驗(yàn)?zāi)ｓw，見(jiàn)圖1。

圖1 CT實(shí)驗(yàn)?zāi)ｓw圖片

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

將CT實(shí)驗(yàn)?zāi)ｓw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，在螺距∶速度（pitch:speed）為0.562:1、0.938:1和1.375:1的三種條件下，設(shè)置mA量分別為250、200、150、100、70、60、50、40、30以及20 mA進(jìn)行掃描，掃描模體時(shí)在周?chē)粦?yīng)有影響射線束的物質(zhì)[17]。

1.3 測(cè)量方法

1.3.1 采用CATPHAN 500時(shí)的測(cè)量方法

（1）CT值、噪聲、均勻性。在CATPHAN模體的486模塊中心層面，在中心用大于100像素的感興趣區(qū)（Region of Interest，ROI）（面積約為1 cm2）測(cè)CT值及標(biāo)準(zhǔn)偏差（Standard Deviation，SD），用公式（1）計(jì)算噪聲。在圖像圓周相當(dāng)于鐘表時(shí)針3、6、9、12點(diǎn)的方向，距圖像邊緣1 cm處取四個(gè)相同大小的ROI，計(jì)算四點(diǎn)CT值，邊緣CT值與中心CT值的最大偏差為均勻性。

式中，N表示噪聲，SD表示標(biāo)準(zhǔn)偏差。

（2）低對(duì)比分辨力（密度分辨力）。在CATPHAN模體的515模塊中心層面，同時(shí)調(diào)節(jié)窗寬和窗位，確定各對(duì)比度系列中所能分辨的最小一級(jí)孔徑。

（3）高對(duì)比度辨力（空間分辨力）。在CATPHAN模體的528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(duì)。用目測(cè)方法確定所能分辨的最高一級(jí)線對(duì)數(shù)。

1.3.2 采用RGRMS-2016時(shí)的測(cè)量方法

（1）CT值（水）。打開(kāi)DICOM水模圖像，置窗寬W 100左右、窗位L 0左右，在水模圖像中心位取ROI面積170 mm2左右（ROI直徑約為水模直徑的1/10），讀取平均CT值，即CT值（水）。

（2）均勻性。在水模圖像圓周相當(dāng)于鐘表12點(diǎn)（上）、3點(diǎn)（L：病人左）、6點(diǎn)（下）和9點(diǎn)（R：病人右）4個(gè)方向上，距邊緣約10 mm處，用上述面積的ROI圈測(cè)量4個(gè)平均CT值，與圖像中心位平均CT值的最大差值即均勻性的測(cè)量值；

（3）噪聲。按規(guī)范要求，在水模圖像中心取一定面積的ROI（如32 cm2左右，或取ROI直徑約為水模直徑的40%）測(cè)量ROI內(nèi)平均CT值的標(biāo)準(zhǔn)偏差記為nT，T為實(shí)際掃描層厚按公式(2)對(duì)nT值進(jìn)行層厚修正得n10，按公式(3)用n10計(jì)算噪聲。

式中，n10為層厚為10 mm時(shí)的噪聲，nT為實(shí)際層厚為T(mén)時(shí)噪聲的測(cè)量值，T為預(yù)設(shè)層厚，單位為 mm。

式中，σ水表示水模體ROI中測(cè)量的標(biāo)準(zhǔn)偏差，CT水、CT空氣分別表示水CT值和空氣CT值的測(cè)量值，則CT水－CT空氣為對(duì)比度標(biāo)尺。

（4） 低對(duì)比可探測(cè)能力。打開(kāi)DICOM低對(duì)比模體圖像，置窗寬W為20左右、窗位L為0左右，調(diào)試W/L到圖像清晰為準(zhǔn)。10 mm層厚掃描時(shí)，4個(gè)模塊設(shè)計(jì)對(duì)比度分別為2%、1%、0.5%、0.3%；其中最大圓φ10 mm用于圖像實(shí)測(cè)對(duì)比度測(cè)量。測(cè)量φ10 mm圓處CTmean值，再在模塊中心處測(cè)得“背景CTmean值”，兩個(gè)CTmean值（HU）之差除以10為實(shí)測(cè)“%對(duì)比度”。每個(gè)模塊上供可分辨觀測(cè)的孔徑由大到小共九個(gè)：φ7、φ6、φ5、φ4、φ3、φ2.5、φ2、φ1.5、φ1.0。分別測(cè)量、計(jì)算、記錄每個(gè)模塊的圖像實(shí)測(cè)對(duì)比度和可看到的（可見(jiàn)明顯高于周?chē)肼暤膱A形輪廓）最小孔徑mm數(shù)。4個(gè)模塊所得對(duì)比度%數(shù)乘以可分辨最小孔徑mm數(shù)相加，求得均值，即低對(duì)比可探測(cè)能力。

（5）高對(duì)比分辨力。打開(kāi)DICOM綜合模掃描標(biāo)準(zhǔn)重建或高分辨重建掃描像。將窗寬調(diào)至最小，降低窗位，觀看圖像周邊8個(gè)孔模像，mm為單位的方孔，尺寸由大到?。?×3，2.5×2.5，2×2，1.75×1.75，1.5×1.5//1.25×1.25，1.0×1.0//0.9×0.9，0.8×0.8/0.7×0.7//0.6×0.6，0.5×0.5//0.4×0.4//0.3×0.3/0.2×0.2，共八檔，15組孔。隨著窗位降低，每組5個(gè)孔不粘連、不丟失，即認(rèn)為裸眼可分辨的標(biāo)稱(chēng)孔尺寸。通常情況下可能會(huì)丟失1～4個(gè)孔，經(jīng)驗(yàn)評(píng)估的方法：本組標(biāo)稱(chēng)孔尺寸+丟失孔數(shù)×（上組標(biāo)稱(chēng)孔尺寸－本組標(biāo)稱(chēng)孔尺寸）/5。高分辨算法與標(biāo)準(zhǔn)算法重建圖像的評(píng)估方法一樣，但掃描時(shí)應(yīng)取較薄層厚，取5 mm左右，一般不取10 mm。

1.3.3 采用不同模體直徑時(shí)CT值、噪聲及均勻性的測(cè)量方法

將模體圓柱軸線與掃描層面垂直并處于掃描野中心，對(duì)圓柱中間層面進(jìn)行掃描。采用頭部掃描條件進(jìn)行掃描，且每次掃描模體中心位置處的輻射劑量應(yīng)不大于50 mGy。選取圖像中心大約500個(gè)像素點(diǎn)大小（約十分之一模體面積）的ROI，測(cè)量該ROI的平均CT值、標(biāo)準(zhǔn)偏差，其中平均CT值作為水CT值的測(cè)量值，標(biāo)準(zhǔn)偏差除以對(duì)比度標(biāo)尺作為噪聲的測(cè)量值n，見(jiàn)公式（3）。另外在圖像圓周相當(dāng)于鐘表時(shí)針3、6、9、12點(diǎn)的方向，距模體影像邊沿約10 mm處，選取大約500個(gè)像素點(diǎn)大小的ROI，分別測(cè)量這四個(gè)ROI的平均CT值，其中與圖像中心ROI平均CT值的最大差值作為均勻性的測(cè)量值。

2 結(jié)果

在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，設(shè)定mAs和實(shí)際掃描中的mAs并非一個(gè)數(shù)值，見(jiàn)表1。

表1 設(shè)定mAs與實(shí)際mAs對(duì)照表

我們統(tǒng)計(jì)分析了不同劑量下各CT設(shè)備間的性能參數(shù)測(cè)量數(shù)據(jù)，結(jié)果見(jiàn)表2。

表2 不同劑量下各CT設(shè)備性能評(píng)分（±s）

表2 不同劑量下各CT設(shè)備性能評(píng)分（±s）

設(shè)定(mAs) 噪聲 (%) CT值 (HU) 均勻性 (HU)空間分辨力 (LP/cm)低對(duì)比度分辨力(mm)250 0.29±0.00-1.17±0.97 1.33±0.67 7 2.50±0.33 200 0.35±0.00-1.33±0.67 1.17±0.17 7 2.50±0.33 150 0.40±0.01-1.17±0.97 1.17±0.17 7 2.75±0.92 100 0.48±0.01-1.33±0.67 1.17±0.57 7 2.75±0.92 70 0.58±0.01-1.17±0.97 1.33±0.67 7 3.00±0.67 60 0.64±0.01-1.17±0.97 1.33±1.07 7 3.25±0.25 50 0.70±0.01-1.17±0.97 1.33±1.07 7 3.50±1.00 40 0.77±0.02-1.17±0.97 1.33±1.07 7 4.00±1.33 30 0.89±0.02-1.33±0.67 1.50±1.10 7 5.00±1.33 20 1.06±0.04-1.33±1.47 1.33±1.07 8 5.75±2.25 P值 ＜0.05 1.00 0.99 1 1.00

由表2可知，對(duì)于不同劑量下各CT設(shè)備間的CT值、均勻性、空間分辨力和低對(duì)比度分辨力4項(xiàng)指標(biāo)P≥0.05，故其測(cè)量值差異無(wú)統(tǒng)計(jì)學(xué)意義，而噪聲指標(biāo)P≤0.05，故其測(cè)量值有顯著性差異，為使結(jié)論能夠適用于臨床上大部分CT設(shè)備，我們?cè)跀?shù)據(jù)中選擇了一組噪聲相對(duì)不理想的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，分析結(jié)果如下。

根據(jù)國(guó)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]要求中要求低對(duì)比分辨力在1%對(duì)比度應(yīng)能分辨模體中3 mm的圓孔和0.3%對(duì)比度應(yīng)能分辨模體中6 mm的圓孔，由此可見(jiàn)50 mAs以上的劑量都是符合要求的。由于低對(duì)比分別力對(duì)肉眼觀測(cè)是最直觀的評(píng)價(jià)方法，所以在以下的試驗(yàn)中，我們對(duì)50 mAs以下的實(shí)驗(yàn)結(jié)果不再進(jìn)行論述。低對(duì)比分辨力隨mAs的變化規(guī)律，見(jiàn)表3。

表3 低對(duì)比分辨力隨mAs的變化規(guī)律

通過(guò)數(shù)據(jù)分析，CT圖像噪聲隨著mAs值的增大而減??；其他條件相同時(shí)，螺距越大，噪聲越大。這說(shuō)明了低劑量檢查必然伴隨一定的噪聲，采用不同螺距時(shí)噪聲隨mAs的變化規(guī)律，見(jiàn)圖2[3]。

圖2 采用不同螺距時(shí)噪聲隨mAs的變化規(guī)律

通過(guò)數(shù)據(jù)分析，螺距:速度為0.562:1時(shí)，模體A、模體B總體變化不大，噪聲值隨毫安量降低而升高；當(dāng)毫安量降到50 mAs以下時(shí)，模體C、模體D噪聲數(shù)值變化較大，75 mAs以上時(shí)噪聲數(shù)值變化較小。當(dāng)劑量大于75 mAs時(shí)噪聲變化趨于平緩。模體A直徑為21.5 cm，模體B直徑為21.5 cm，模體C直徑為33 cm；模體D直徑為40 cm。由此可見(jiàn)，直徑不同的模體受mAs影響，噪聲變化不盡相同，但總體呈現(xiàn)為mAs降低，噪聲升高。采用不同模體直徑時(shí)噪聲隨mAs的變化規(guī)律，見(jiàn)圖3。

圖3 采用不同模體直徑時(shí)噪聲隨mAs的變化規(guī)律

通過(guò)數(shù)據(jù)分析，螺距∶速度為0.938:1時(shí)，我們可以看到，大于50 mAs時(shí)的均勻性起伏波動(dòng)很小，小于50 mAs時(shí)，模體C和模體D的均勻性開(kāi)始大幅下降。采用不同模體直徑時(shí)均勻性隨管電流的變化規(guī)律，見(jiàn)表4。

表4 采用不同模體直徑時(shí)均勻性隨管電流的變化規(guī)律

通過(guò)數(shù)據(jù)分析，大于50 mAs時(shí)CT值波動(dòng)極小。結(jié)合國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，CT值波動(dòng)在允許范圍之內(nèi)。小于50 mAs時(shí)，螺距:速度=0.938:1和螺距:速度=1.375:1的兩組數(shù)據(jù)中CT值有了較大變化。對(duì)于物體來(lái)說(shuō)，CT值應(yīng)該是固定的，但實(shí)際的機(jī)械誤差難以避免。采用不同螺距時(shí)CT值隨mAs變化規(guī)律表如表5所示。

通過(guò)數(shù)據(jù)分析，由表可見(jiàn)，降低毫安量至50 mAs以下時(shí)，空間分辨力略微降低。我們可以認(rèn)為，在該實(shí)驗(yàn)條件下，當(dāng)毫安量為50 mAs以上時(shí)，對(duì)空間分辨力沒(méi)有影響。采用不同螺距時(shí)空間分辨力隨mAs的變化規(guī)律，見(jiàn)表6。

根據(jù)以上實(shí)驗(yàn)結(jié)果，空間分辨力隨mAs變化不大，當(dāng)毫安秒小于50 mAs時(shí)，模體的CT值、均勻性和低對(duì)比分辨力均有大幅度改變，不符合相應(yīng)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)。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(wú)法解決的問(wèn)題。當(dāng)mAs小于50 mAs時(shí)，低對(duì)比分辨力不能符合標(biāo)準(zhǔn)；當(dāng)mAs大于75 mAs時(shí)，噪聲的變化趨于平緩。所以在保證影像質(zhì)量的前提下，腹部CT低劑量掃描的劑量閾值為75 mAs。

表5 采用不同螺距時(shí)CT值隨mAs變化規(guī)律

表6 采用不同螺距時(shí)空間分辨力隨mAs的變化規(guī)律

3 討論

隨著多層螺旋CT的廣泛應(yīng)用，X線輻射劑量的問(wèn)題越來(lái)越受到重視。根據(jù)CT檢查放射防護(hù)原則，我們應(yīng)在保證圖像質(zhì)量、滿(mǎn)足診斷要求的前提下，盡量減少患者的輻射劑量。在低劑量概念已經(jīng)深入業(yè)內(nèi)的今天，怎樣用低劑量獲取最有診斷價(jià)值的圖像非常關(guān)鍵。低劑量掃描技術(shù)可以通過(guò)優(yōu)化掃描參數(shù)，合理的選擇管電流值，在滿(mǎn)足診斷的基礎(chǔ)上來(lái)控制輻射劑量，從而保護(hù)受檢者的健康。保持管電壓不變，降低管電流量，是目前降低輻射劑量的主要研究方向。CT的設(shè)備的輻射劑量降低，則得到的圖像中的低對(duì)比分辨力降低，即分辨圖像細(xì)節(jié)的能力降低；圖像的噪聲增大，其低劑量圖像與常規(guī)劑量圖像相比較，圖像中的顆粒明顯增粗。過(guò)低劑量條件下的噪聲導(dǎo)致圖像顆粒增粗，將對(duì)診斷將產(chǎn)生極大干擾。120 kV條件下，低對(duì)比分辨力和空間分辨力的閾值為50 mAs，噪聲的閾值為75 mAs。所以，我們選擇75 mAs作為低劑量CT腹部檢查的劑量閾值。

本研究選用的模體數(shù)較少，但模體所覆蓋的類(lèi)型較齊全，采用了多種不同廠家、不同直徑、不同材質(zhì)的模體，模擬不同肥胖程度的患者進(jìn)行低劑量CT掃描。研究結(jié)果具備一定的局限性，但是對(duì)臨床具有一定的指導(dǎo)意義。本研究提供了腹部低劑量CT掃描所用的劑量閾值，既能使患者受到的輻射劑量降低，減少電離輻射對(duì)身體的傷害，又能滿(mǎn)足患者病情的診治需求，這是放射醫(yī)師和臨床醫(yī)師共同的愿望。

4 結(jié)論

我們?cè)跐M(mǎn)足GB/T 17589-2011《X射線計(jì)算機(jī)斷層攝影裝置質(zhì)量保證檢測(cè)規(guī)范》、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》和CATPHAN 500說(shuō)明書(shū)中對(duì)均勻性、噪聲、空間分辨力、低對(duì)比分辨力和CT值的計(jì)量性能要求的前提下，通過(guò)以上數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，我們基本找到采用不同模體直徑、不同螺距時(shí)隨著mAs降低均勻性、噪聲、空間分辨力、低對(duì)比分辨力和CT值的變化趨勢(shì)。根據(jù)以上研究，我們認(rèn)為當(dāng)mAs大于75 mAs時(shí)可以滿(mǎn)足質(zhì)控模體的低劑量掃描需要。

當(dāng)然，我們給出的劑量范圍只是一個(gè)初步的粗略范圍，圖像質(zhì)量的評(píng)價(jià)也不應(yīng)只是單純的劑量研究。是否影響診斷，還需要不同年資的影像醫(yī)師及臨床醫(yī)師進(jìn)行主觀判斷。如何在不影響診斷的情況下獲得更低劑量的圖像，這還需要我們進(jìn)一步研究。