低劑量CT成像質量控制檢測實驗研究

焦龍，于喜坤，劉師竺，張健，張鰒天，劉景鑫

1. 吉林大學中日聯(lián)誼醫(yī)院 放射線科，吉林 長春 130033；2. 吉林省醫(yī)學影像工程技術研究中心，吉林 長春 130033；3. 長春市計量檢定測試技術研究院，吉林 長春 130012

引言

近年來，隨著CT設備的日漸普及，如今CT已經成為臨床檢查的首選項目之一，確保CT設備性能達到標準是得到良好的CT圖像的基礎[1]，所以CT設備性能檢測至關重要[2]。隨著技術的不斷發(fā)展，業(yè)內對CT設備的理解越加深入，CT設備和其檢查技術不斷的升級、更新?lián)Q代，CT設備及圖像評價的方法也在日漸優(yōu)化[3-4]，國內各地區(qū)也對地域差異引起的設備與圖像差異進行了研究[5-7]。因此，研討出一套更加適合如今CT發(fā)展需要的、普遍適用與全國范圍的CT成像質量控制檢測規(guī)范，是目前所迫切需要的[8]。

我們通過在國內多地域進行大范圍的設備檢測及相應的圖像分析，得到了目前國內不同地域的正常使用中的CT設備的現(xiàn)狀，對比參考國內外相關標準及相關研究[9-10]，得到了對于現(xiàn)行檢測標準的相應修改意見。同時，通過數(shù)據(jù)分析和對比探究，得到了低劑量CT檢查的最低劑量閾值。這對CT設備的檢測以及臨床研究和使用，都具有重大意義。

1 材料與方法

1.1 CT檢測模體

我們選取目前醫(yī)療市場上國內外的主要CT廠家的產品，國外廠家包括GE、Siemens、Philips、東芝醫(yī)療（佳能）和日立，國內廠家包括東軟醫(yī)療、明峰醫(yī)療、深圳安科和上海聯(lián)影。在十三五國家重點研發(fā)計劃的支持下，歷時2年時間，地域覆蓋五個省份，在126家醫(yī)院中正常使用的CT上進行了522臺次試驗。CT檢測模體，見表1。

表1 CT檢測模體表

1.2 CT值（水）、均勻性、噪聲

將CT檢測模體圓柱軸線與掃描層面垂直并處于掃描野中心，采用頭部掃描條件進行掃描。在螺距:速度（pitch:speed）為0.562:1、0.938:1和1.375:1的三種條件下，依次設置 mA 量為 300、250、200、150、100、70、60、50、40、30以及20 mA進行掃描。

選取圖像中心大約500個像素點大?。s十分之一模體面積）的ROI，測量該ROI的平均CT值、標準偏差，其中平均CT值作為水CT值的測量值，標準偏差除以對比度標尺作為噪聲的測量值n，見公式(1)。

式另外在圖像圓周相當于鐘表時針3、6、9、12點的方向，距模體影像邊沿約10 mm處,選取大約500個像素點大小的ROI，分別測量這四個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量值。

1.3 高對比分辨力（空間分辨力）

掃描條件參照1.2，選取圖像調節(jié)適當?shù)拇皩挻拔唬直娉鲆唤M最小的線對數(shù)。

1.4 低對比度分辨力（密度分辨率）

掃描條件參照1.2，選取圖像調節(jié)適當?shù)拇皩挻拔?，分辨出各對比度系列中所能分辨的最小一級孔徑?/p>

2 結果

依據(jù)國家標準GB 17589-2011《X射線計算機斷層攝影裝置質量保證檢測規(guī)范》[11]中對CT值、噪聲、均勻性、空間分辨力和低對比分辨力的計量性能要求，作為CT影像質量控制的客觀標準。我們對測量數(shù)據(jù)進行了大量統(tǒng)計分析。

我們統(tǒng)計分析了不同劑量下各CT設備間的性能參數(shù)測量數(shù)據(jù)，結果見表2。

表2 不同劑量下各CT設備性能評分（分，±s）

表2 不同劑量下各CT設備性能評分（分，±s）

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由表2可知，對于不同劑量下各CT設備間的CT值、均勻性、空間分辨力和低對比度分辨力4項指標P≥0.05，故其測量值差異無統(tǒng)計學意義，而噪聲指標P≤0.05，故其測量值有顯著性差異，為使結論能夠適用于臨床上大部分CT設備，我們在數(shù)據(jù)中選擇了一組噪聲相對不理想的數(shù)據(jù)進行分析，分析結果如下。

（1）CT值作為X射線衰減平均值，幾乎不受毫安量和螺距的影響，見表3。目前國家標準中，CT值的數(shù)值范圍要求為±6，實際結果遠低于國家標準。當劑量為30 mAs時，CT值的數(shù)值范圍仍然合格。實驗中，未見此項數(shù)值不合格的CT設備。

表3 采用不同螺距時CT值隨mAs的變化情況

（2）均勻性是整個掃描野中，均勻物質影像CT值的一致性，受毫安量和螺距影響不大，見表4。目前的國家標準中均勻性的數(shù)值范圍要求為±5，實驗結果遠低于國家標準。當劑量為30 mAs時，均勻性的數(shù)值范圍仍然合格。實驗中，未見此項數(shù)值不合格的CT設備。

表4 采用不同螺距時均勻性隨mAs的變化情況

（3）低對比可探測能力為CT機圖像中能識別低對比的細節(jié)的最小尺寸。常規(guī)劑量時，低對比分辨力受毫安量和螺距影響不大，見表5。當螺距為pitch:speed=1.375:1，毫安量小于40 mAs時，結果不符合國家標準。目前的國家標準中低對比可探測能力的數(shù)值范圍要求為＜3.0。實驗中，常規(guī)劑量下此項數(shù)值的合格率為96.03%（取整兩位小數(shù)，下同）。

表5 采用不同螺距時低對比可探測能力隨mAs的變化情況

（4）高對比分辨力是在物體與背景的衰減程度上的差異與噪聲相比足夠大（大于100 HU）的情況下，CT成像時分辨不同大小物體的能力，受毫安量和螺距的影響不大。如表6。目前的國家標準中，對于常規(guī)算法的高對比分辨力的數(shù)值范圍要求為＞5.0。當劑量為30 mAs時，CT值的數(shù)值范圍仍然合格。實驗中，常規(guī)劑量下未見此項數(shù)值不合格的CT設備。

（5）噪聲是在均勻物質影像中，給定區(qū)域CT值對其平均值的變異，其大小可用感興趣區(qū)中均勻物質的CT值的標準差除以對比度標尺表示。毫安量與噪聲成反比關系，螺距與噪聲成正比關系，見圖1。目前的國家標準中，對噪聲的數(shù)值要求范圍為＜0.45。常規(guī)劑量時，三種螺距的噪聲均符合國家標準；當劑量低于40 mAs時，三種螺距得到的結果均不能滿足國家標準。實驗中，常規(guī)劑量下此項數(shù)值的合格率為93.65%。

表6 采用不同螺距時高對比分辨力隨mAs的變化情況

圖1 采用不同螺距時噪聲隨mAs的變化情況

3 討論

考慮到CT設備生產廠家較多，設備型號范圍極廣，根據(jù)使用情況不同，機器的工作狀態(tài)不同，我們用了多種模體進行了長期、周密的實驗，實驗后進行了精確的數(shù)據(jù)采集和分析，并進行了多次驗證，具有一定的先進性。

結果表明，對CT系統(tǒng)進行質量控制是保證良好CT影像質量的前提，而CT值、噪聲、均勻性、高對比分辨力、低對比可探測能力又為CT系統(tǒng)性能參數(shù)的重中之重。雖然以上得出的結果不能完全評價影像質量，但作為圖像質量的基礎，設備性能是非常重要，不容忽視的。在檢測的過程中我們發(fā)現(xiàn)，隨著科學技術的發(fā)展，GB 17589-2011《X射線計算機斷層攝影裝置質量保證檢測規(guī)范》中的部分數(shù)值標準已經不適用于現(xiàn)在的檢測要求。CT值和均勻性的要求過于寬松[12-15]。通過國內多省市多家醫(yī)院500余臺次的實驗我們發(fā)現(xiàn)，實驗中得到的數(shù)據(jù)遠低于標準中要求。CTDIw的標準過于嚴格。通過走訪國內外的主流CT廠家我們得知，如今的CT設備出廠時就無法達到標準中要求的CTDIw數(shù)值。CT系統(tǒng)劑量偏差來源于系統(tǒng)曝光設置參數(shù)等誤差的累積，且主要影響因素有以下幾點：① CT系統(tǒng)設置管電流（mA）誤差（行業(yè)內通用±10%）；② CT系統(tǒng)設置曝光時間誤差（行業(yè)內通用±10%）；③ CT系統(tǒng)kV準確性要求±10%；④ CT系統(tǒng)濾過偏差。其中第①、②直接影響mAs（mAs即是mA與曝光時間的乘積），該參數(shù)直接與CTDI呈線性關系，假設兩項都達到負極值，mGy可造成負偏19%（90%×90%達81%），若假設兩項都達到正極值，mGy可造成正偏21%（110%×110%達121%）；第③導致的誤差可能會更大，因為CTDI與kV的2.5（約）次冪成正比；系統(tǒng)的濾過和切片開縫都是引入劑量誤差的原因，都是不可忽略的[16-18]。

噪聲作為相當重要的參數(shù)，在實驗中我們發(fā)現(xiàn)，使用時間越久的設備噪聲數(shù)值表現(xiàn)越不理想，部分設備時隔半年左右后再次實驗時噪聲結果差異較大。如今，臨床開具CT檢查的數(shù)量較幾年前已有較大體提升，CT設備使用頻率增加，半年一次的檢測間隔過長，不足以滿足臨床的需求。層厚的要求已經不符合如今的臨床需求?，F(xiàn)在國內的CT檢查中，已經基本不采用8 mm的層厚，高分辨算法所使用的層厚也在0.625～1.25 mm之間。所以原有的層厚需求已經不再適用于如今的檢測標準。

4 結論

根據(jù)以上實驗結果與分析，參考國內外相關標準，我們建議將現(xiàn)有標準數(shù)值調整如下：

CT值狀態(tài)檢測評價標準建議修改為±4 HU；均勻性驗收檢測評價標準建議修改為±4 HU，狀態(tài)檢測評價標準建議修改為±5 HU；CTDIw驗收檢測評價標準建議修改為20%，狀態(tài)檢測評價標準建議修改為20%；噪聲穩(wěn)定性檢測周期建議修改為每月；層厚驗收檢測、狀態(tài)檢測、穩(wěn)定性檢測評價標準建議都修改為：±1 mm（s＞2），±50%（2≥s≥1），±0.5 mm（s＜1）。

另外，我們在實驗中發(fā)現(xiàn)，當放射劑量較低的時候，部分標準仍然適用，如CT值、均勻性、高對比分辨力[19-21]。但低于40 mAs時，噪聲、低對比分辨力無法滿足要求。所以我們建議，40 mAs可以作為低劑量檢查的劑量閾值。