CT低劑量高分辨成像可行性研究體模實(shí)驗(yàn)

姚開情，呂發(fā)金

重慶醫(yī)科大學(xué)附屬第一醫(yī)院 放射科，重慶 400016

引言

胸部低劑量CT和高分辨CT成像（High Resolution Computed Tomography，HRCT）在臨床工作中的應(yīng)用日益普遍。近年來，胸部低劑量CT因其超低的輻射劑量已逐漸代替DR檢查用于健康體檢中；而HRCT檢查因其對(duì)胸部細(xì)小病變的顯示優(yōu)勢也逐漸受到臨床醫(yī)師的青睞。HRCT于1985年被提出，基本內(nèi)容是薄層掃描（1～2 mm），高分辨銳利算法重建和小視野模式的成像方法；它在20世紀(jì)90年代被認(rèn)為是評(píng)估肺部可疑病變的有用工具。但傳統(tǒng)的HRCT采用140～200 mA，2～3 s掃描時(shí)間，產(chǎn)生的輻射劑量也非常的高[1]。Zwirewich等[1]在1991年首次提出了胸部低劑量高分辨成像的概念，該研究發(fā)現(xiàn)120 kV，20 mA的低劑量HRCT獲得的圖像解剖信息與200 mA掃描的圖像一致，沒有明顯降低空間分辨力和圖像質(zhì)量，但該研究只進(jìn)行了兩組掃描參數(shù)的對(duì)比，未將輻射劑量納入觀察指標(biāo)。近年來胸部低劑量HRCT的相關(guān)研究均著重于對(duì)胸部疾病層面的研究，未進(jìn)行掃描技術(shù)層面的研究[2-3]。

本研究采用不同管電壓/管電流組合的掃描方案對(duì)體模進(jìn)行掃描，評(píng)估不同重建算法、不同管電壓和管電流對(duì)CT圖像質(zhì)量的影響[4-8]，探尋最佳的低劑量HRCT掃描方案，以期為臨床胸部CT低劑量HRCT掃描提供理論依據(jù)及掃描參數(shù)選擇，同時(shí)在滿足臨床診斷的高質(zhì)量CT圖像前提下，最大限度地減少對(duì)患者的輻射劑量。

1 材料與方法

1.1 檢測設(shè)備

SIEMENS公司Somatom Force CT掃描儀，GE公司Discovery HD750 CT掃描儀，美國體模實(shí)驗(yàn)室Catphan 600性能體模。

1.2 掃描條件

1.2.1 Somatom Force CT

選擇胸部CT掃描方案，旋轉(zhuǎn)時(shí)間：0.5 s，準(zhǔn)直寬度192×0.6 mm，螺距1.2，層厚：5 mm，層間距：5 mm，矩陣：512×512，卷積核 Br40、BI57，重建算法：濾波反投影（Filtered Back Projection，F(xiàn)BP）、ADMIRE3[9]；不同方案的掃描參數(shù)如下：固定管電壓sn100、80、100和120 kV，固定管電流 15、20、25、30、40、50、60、70、80、90、100、150和 200 mAs（分別對(duì)應(yīng) 36、48、60、72、96、120、144、168、192、216、240、360和480 mA），總共52組掃描條件。

1.2.2 Discovery HD750 CT

選擇胸部CT掃描方案，旋轉(zhuǎn)時(shí)間：0.5 s，螺距：1.375，準(zhǔn)直寬度：40 mm，速度：55 mm/rot，探測器配置：64×0.625，層厚：5 mm，層間距：5 mm，重建類型：Lung、Stnd，矩陣：512×512，重建模式：Full，重建算法：FBP、ASIR 50%；不同方案的掃描參數(shù)如下：固定管電壓80、100、120 kV，固定管電流35、50、60、70、95、120、145、170、190、215、240、360和480 mA，總共39組掃描條件。

1.3 Catphan 600性能體模

CTP528，高對(duì)比度分辨力模塊（空間分辨力）：內(nèi)含呈同心圓環(huán)狀排布1～21線對(duì)/cm的高分辨力檢測卡和2顆鎢珠點(diǎn)源。空間分辨力以LP/cm或mm表示。21組線對(duì)組分別代表1～21 LP/cm。CTP515，低對(duì)比度分辨力模塊（密度分辨力）：有外圈和內(nèi)圈對(duì)比度靶塊，外圈靶塊尺寸2、3、4、5、6、7、8、9、15 mm，內(nèi)圈靶塊尺寸3、5、7、9 mm。外圈靶和內(nèi)圈靶均有3種對(duì)比度水平：0.3%、0.5%、1.0%。密度分辨力，以百分單位毫米數(shù)（%/mm）或毫米百分單位（mm/%）表示。CTP486，圖像均勻性模塊：由一均勻材質(zhì)構(gòu)成，用來測量空間均勻性，CT平均值和噪聲[10]。Catphan 600性能體模圖片如圖1所示。

圖1 Catphan 600實(shí)物圖及CTP528、CTP515、CTP486模塊CT掃描圖

1.4 檢測方法及圖像評(píng)價(jià)

在Somatom Force CT和Discovery HD750 CT上分別對(duì)Catphan 600的CTP528、CTP515、CTP486模塊按照預(yù)設(shè)掃描條件進(jìn)行掃描，記錄容積CT劑量指數(shù)（Volume CT Dose Index，CTDIvol）值，將所有圖像傳至GE AW4.6后處理工作站。由2名具有5年及以上工作經(jīng)驗(yàn)的放射科醫(yī)師在對(duì)圖像信息不知情的情況下進(jìn)行獨(dú)立閱片，評(píng)價(jià)圖像的空間分辨力和密度分辨力，意見不同時(shí)經(jīng)協(xié)商后達(dá)成一致；由一名醫(yī)師對(duì)圖像噪聲進(jìn)行測量和記錄。在銳利圖像（Lung/BI57）上評(píng)價(jià)圖像空間分辨力，在平滑圖像（Stnd/Br40）上評(píng)價(jià)圖像密度分辨力和測量圖像噪聲。

1.4.1 空間分辨力、密度分辨力的評(píng)價(jià)

在CTP528銳利圖像上調(diào)節(jié)窗寬、窗位至最佳值，記錄未觀察到短缺和粘連的線對(duì)結(jié)構(gòu)的最高空間分辨力（LP/cm）；在CTP528平滑圖像上選取外圈對(duì)比度為1.0%的孔徑進(jìn)行觀察，確定能分辨的最小圓柱孔徑，以能看到圓面積的80%為有效，記錄其孔徑作為密度分辨力（mm/1.0%），若無法分辨最大孔徑，則用“#”表示，孔徑越小代表密度分辨力越高。在CTP486平滑圖像上設(shè)置5個(gè)相同大小的感興趣區(qū)（Region of Interest，ROI）（ROI：150 mm2），分別放置于均勻圖像的中心和上下左右四周（距離模塊內(nèi)圈邊緣約10 mm），記錄5個(gè)ROI的CT值標(biāo)準(zhǔn)偏差，取平均值作為圖像噪聲。

1.4.2 輻射劑量分組

將91組固定管電壓/管電流組合CTDIvol值按照數(shù)值高低分為：低劑量組＜2 mGy；高劑量組＞8 mGy[11-12]。觀察高、低劑量組合中輻射劑量與空間分辨力和密度分辨力主觀評(píng)價(jià)的關(guān)系，探尋低劑量下最佳的空間分辨力與密度分辨力的電壓與電流組合。

1.5 統(tǒng)計(jì)學(xué)處理

采用SPSS 25.0統(tǒng)計(jì)軟件進(jìn)行統(tǒng)計(jì)學(xué)分析。將Somatom Force CT的52組數(shù)據(jù)和Discovery HD750 CT的39組數(shù)據(jù)納入分析，以比較不同重建算法對(duì)圖像質(zhì)量（主觀評(píng)價(jià)、圖像噪聲）的影響。不同重建算法的比較采用Shapiro-Wilk（SW）正態(tài)分布檢驗(yàn)，符合正態(tài)分布用(±s)表示，使用配對(duì)樣本t檢驗(yàn)進(jìn)行分析；不符合正態(tài)分布用中位數(shù)與四分位數(shù)間距表示M (Q1,Q3)，使用配對(duì)樣本秩和檢驗(yàn)進(jìn)行分析。若P＜0.05，表示差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。

2 結(jié)果

2.1 不同重建算法對(duì)空間分辨力、密度分辨力及圖像噪聲的影響

Force CT中ADMIRE3和FBP對(duì)空間分辨力、密度分辨力主觀評(píng)價(jià)的影響無統(tǒng)計(jì)學(xué)差異（P＞0.05），對(duì)圖像噪聲的影響存在統(tǒng)計(jì)學(xué)差異（Z=-6.275，P＜0.001），ADMIRE3算法圖像噪聲更低。HD750 CT中ASIR 50%和FBP對(duì)空間分辨力、密度分辨力主觀評(píng)價(jià)的影響無統(tǒng)計(jì)學(xué)差異（P＞0.05），對(duì)圖像噪聲的影響存在統(tǒng)計(jì)學(xué)差異（Z=-5.442，P＜0.001），ASIR 50%算法圖像噪聲更低（表1）。

表1 不同重建算法（IR、FBP）對(duì)空間分辨力、密度分辨力和圖像噪聲的影響

2.2 低劑量組與高劑量組輻射劑量與空間分辨力、密度分辨力關(guān)系（迭代算法數(shù)據(jù)組）

Force CT中低劑量組34例，高劑量組3例；HD750CT中低劑量組19例，高劑量組3例；Force CT和HD750CT中高、低劑量組空間分辨力存在部分重疊，密度分辨力無重疊（表2）。

表2 低劑量組與高劑量組中的輻射劑量與空間分辨力和密度分辨力主觀評(píng)價(jià)情況

2.3 低劑量組中7 LP/cm空間分辨力對(duì)應(yīng)的掃描參數(shù)組合、輻射劑量與密度分辨力情況（迭代算法數(shù)據(jù)組）

Force CT中低劑量組空間分辨力達(dá)7 LP/cm共8例，HD750 CT中低劑量組空間分辨力達(dá)7 LP/cm共6例。Force CT中CTDIvol值1.34～1.59 mGy，密度分辨力15～9 mm/1.0%；HD750 CT中CTDIvol值1.54～1.96 mGy，密度分辨力15～9 mm/1.0%。Force CT和HD750 CT低劑量組中7 LP/cm空間分辨力最佳的掃描參數(shù)組合：120 kV/25 mAs（60 mA），輻射劑量CTDIvol1.64/1.60 mGy，密度分辨力9 mm/1.0%（表3、圖2）。

圖2 不同管電壓/管電流組合空間分辨力與密度分辨力顯示圖

3 討論

本研究用FBP重建與迭代重建（ADMIRE3/ASIR 50%）進(jìn)行對(duì)比研究發(fā)現(xiàn)，F(xiàn)BP重建與迭代重建對(duì)空間分辨力、密度分辨力主觀評(píng)價(jià)的影響無統(tǒng)計(jì)學(xué)差異，但迭代重建（ADMIRE3/ASIR 50%）算法的圖像噪聲更低?？傮w而言，迭代重建算法優(yōu)于FBP算法。這與以往的研究結(jié)果基本一致。?rgel等[13]在主動(dòng)脈CT血管成像圖像質(zhì)量的研究中發(fā)現(xiàn)，ADMIRE重建的圖像噪聲和信噪比均優(yōu)于FBP重建。唐世龍等[14]通過研究ASIR重建在兒童頭部CT掃描中的應(yīng)用時(shí)發(fā)現(xiàn)，在水模實(shí)驗(yàn)和臨床試驗(yàn)中，ASIR組的圖像噪聲均優(yōu)于FBP組，ASIR重建既可降輻射劑量，又能保證圖像質(zhì)量。

本研究通過不同的管電壓和管電流組合對(duì)體模進(jìn)行掃描發(fā)現(xiàn)：不同輻射劑量組（低劑量、高劑量組）中空間分辨力主觀評(píng)價(jià)范圍存在部分重疊，在一定的輻射劑量范圍內(nèi)，空間分辨力變化并不明顯。這表明，單純通過增加輻射劑量來提高對(duì)比度分辨力并不可取，這與張璞等[15]的研究結(jié)果基本一致。低劑量條件下可獲得與高劑量條件一樣高的空間分辨力，但密度分辨力不如高劑量。由本研究結(jié)果可知，在120 kV/25 mAs（60 mA）的掃描條件下，可實(shí)現(xiàn)最佳的低劑量高分辨成像，獲得較好的圖像質(zhì)量，既滿足低劑量需求，又滿足高分辨成像。以往的臨床胸部低劑量HRCT研究對(duì)掃描參數(shù)的設(shè)定并無理論依據(jù)的支持[2,16]。Chen等[2]在使用低劑量HRCT進(jìn)行慢阻肺患者氣道病理的定量評(píng)估時(shí)，將掃描條件設(shè)置為120 kV，40 mA。黃曉兵等[16]在研究低劑量HRCT在胸部病變中的應(yīng)用價(jià)值時(shí)，將掃描條件設(shè)置為120 kV，40 mAs。本研究通過體模研究證實(shí)120 kV/25 mAs（60 mA）的掃描條件可實(shí)現(xiàn)最佳的低劑量高分辨成像，為臨床胸部低劑量HRCT掃描參數(shù)的選擇提供了理論依據(jù)和可供參考的選擇。本研究在兩個(gè)不同廠家生產(chǎn)的CT設(shè)備上進(jìn)行體模實(shí)驗(yàn)，得到較為一致的結(jié)果，這證實(shí)本研究的結(jié)果是可靠的。

4 結(jié)論

管電壓120 kV、管電流25 mAs（60 mA）的低劑量掃描方案，結(jié)合迭代重建算法可實(shí)現(xiàn)最佳的低劑量高分辨成像，為臨床胸部低劑量HRCT掃描參數(shù)的選擇提供了理論依據(jù)和可供參考的選擇。本研究僅是體模研究，尚未將研究結(jié)果運(yùn)用于臨床試驗(yàn)，且存在以下不足：① 本研究是體模研究，無法顯示自動(dòng)管電壓、自動(dòng)管電流技術(shù)優(yōu)勢；② 本研究僅通過改變管電流和管電壓、重建算法進(jìn)行研究，未對(duì)其他掃描參數(shù)進(jìn)行研究，以上不足也將是我們下一步的研究內(nèi)容。