劑量、層厚和射線質(zhì)對(duì)CT圖像低對(duì)比可探測(cè)能力的影響研究

趙錫鵬,王嘉瑩,熊強(qiáng),佟林全

(國(guó)家衛(wèi)生健康委職業(yè)安全衛(wèi)生研究中心,國(guó)家衛(wèi)生健康委粉塵危害工程防護(hù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 北京, 102308)

在放射診斷學(xué)成像中,X射線計(jì)算機(jī)斷層掃描(CT)相對(duì)于X射線攝影的顯著優(yōu)勢(shì),除斷層成像和三維立體重建外,另一個(gè)是高密度分辨力(即低對(duì)比可探測(cè)能力),即能夠較好的探測(cè)和區(qū)分密度相近的組織和小病灶。但CT檢查的輻射劑量相對(duì)較高,大約是普通X射線攝影的400倍。因此,保證CT成像質(zhì)量,特別是保證對(duì)密度相近的組織和小病灶的低對(duì)比探測(cè)能力,降低漏診、誤診、減少不必要的重復(fù)檢查,對(duì)廣大患者和受檢者的健康和安全具有十分重要的意義。對(duì)CT設(shè)備定期的狀態(tài)檢測(cè)和穩(wěn)定性檢測(cè)是保證低對(duì)比可探測(cè)能力在內(nèi)的CT影像質(zhì)量的關(guān)鍵途徑?，F(xiàn)行CT性能檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)《X射線計(jì)算機(jī)體層攝影裝置質(zhì)量控制檢測(cè)規(guī)范》[1]中細(xì)化了該指標(biāo)的檢測(cè)條件:“設(shè)置層厚為10 mm,達(dá)不到10 mm時(shí)選擇最接近10 mm的層厚,掃描劑量CTDIw應(yīng)不大于50 mGy,盡量接近50 mGy”,但未明確“接近10 mm”、“接近50 mGy”中的接近程度或者具體可選層厚和劑量的范圍以及具體可用管電壓范圍。因此,本研究分別測(cè)試了不同重建層厚、不同掃描劑量、相同劑量下不同管電壓等條件對(duì)低對(duì)比可探測(cè)能力的影響,驗(yàn)證并補(bǔ)充低對(duì)比可探測(cè)能力的檢測(cè)條件,為進(jìn)一步規(guī)范開(kāi)展CT設(shè)備質(zhì)量控制檢測(cè)和標(biāo)準(zhǔn)制(修)訂提供數(shù)據(jù)支持。

1 材料與方法

1.1 儀器設(shè)備

選用上海聯(lián)影醫(yī)療科技股份有限公司生產(chǎn)的uCT 760型X射線計(jì)算機(jī)體層攝影設(shè)備,生產(chǎn)日期為2021年4月,序列號(hào):600495。管電壓可設(shè)置范圍為100、120、140 kV,常用管電流時(shí)間積可選范圍為200、240、290、350、400 mAs,射線總準(zhǔn)直寬度可選為10、20 mm,常用重建層厚可選范圍為10、5、1.25、0.625 mm。

1.2 檢測(cè)模體

選用美國(guó)模體實(shí)驗(yàn)室研發(fā)的Catphan 600型影像質(zhì)量模體,該模體主要包括CTP404、CTP591、CTP528、CTP515和CTP486等5個(gè)模塊,其中CTP515模塊為低對(duì)比可探測(cè)能力模塊,模塊直徑15 cm、厚4 cm,分為“Subslice”和“Supra-slice”內(nèi)外兩圈細(xì)節(jié)。其中,“Supra-slice”由1.0%、0.5%和0.3%的3組對(duì)比度細(xì)節(jié)組成,每一組對(duì)比度的細(xì)節(jié)又由10個(gè)不同直徑的圓孔組成(3組之間相應(yīng)的低對(duì)比度細(xì)節(jié)大小相同),其結(jié)構(gòu)示意圖見(jiàn)圖1。

圖1 CTP515模塊結(jié)構(gòu)示意圖

本研究主要使用CTP515模塊的“Supra-slice”進(jìn)行低對(duì)比可探測(cè)能力檢測(cè)結(jié)果的分析。

1.3 檢測(cè)與分析方法

(1) 掃描劑量對(duì)低對(duì)比可探測(cè)能力的影響:采用軸掃模式,重建層厚10 mm,算法H-SOFT-B,FOV:250 mm。通過(guò)選擇下拉菜單中管電壓和管電流時(shí)間積,分別在掃描劑量CTDIw約為70、60、50、40、30 mGy條件下,對(duì)CTP515進(jìn)行掃描。

(2) 重建層厚對(duì)低對(duì)比可探測(cè)能力的影響:采用軸掃模式,掃描劑量約50 mGy,算法H-SOFT-B,FOV:250 mm,層厚分別選擇10、5、1.25、0.625 mm條件下,對(duì)CTP515進(jìn)行掃描。

(3) 不同射線質(zhì)(管電壓)對(duì)低對(duì)比可探測(cè)能力的影響:采用軸掃模式,固定掃描劑量約50 mGy或60 mGy,層厚10 mm,算法H-SOFT-B,FOV:250 mm,在管電壓為100、120、140 kV條件下,對(duì)CTP515進(jìn)行掃描。

在上述3種測(cè)試條件下,分別調(diào)節(jié)窗寬、窗位使低對(duì)比度細(xì)節(jié)處于最清晰狀態(tài),分別觀察并記錄3組對(duì)比度下可觀察到的最小細(xì)節(jié)直徑,影像中能分辨圓孔的基本輪廓即判斷為可觀察到該直徑的細(xì)節(jié)。最小的細(xì)節(jié)直徑與標(biāo)稱對(duì)比度相乘,3個(gè)不同標(biāo)稱對(duì)比度細(xì)節(jié)乘積的平均值作為低對(duì)比可探測(cè)能力的檢測(cè)值。

2 結(jié)果

2.1 掃描劑量對(duì)低對(duì)比可探測(cè)能力的影響

掃描劑量對(duì)低對(duì)比可探測(cè)能力的影響如表1、圖2所示。

表1 掃描劑量對(duì)低對(duì)比可探測(cè)能力的影響1)

(a) CTDIw=72.69 mGy

由表1和圖2可見(jiàn),在層厚和重建算法等其他參數(shù)不變的情況下,隨CTDIw逐漸降低:①1.0%、0.5%和0.3%對(duì)比度下可觀察到的最小細(xì)節(jié)直徑均逐漸增大,即對(duì)細(xì)節(jié)可探測(cè)能力逐漸下降,0.5%和0.3%對(duì)比度下的細(xì)節(jié)探測(cè)能力下降最明顯。②對(duì)比度細(xì)節(jié)直徑乘積逐漸增大,CTDIw大于49.6 mGy時(shí),該乘積值小于驗(yàn)收檢測(cè)的限值2.5 mm;當(dāng)CTDIw為41.4 mGy時(shí)該乘積值介于驗(yàn)收檢測(cè)限值(2.5 mm)和狀態(tài)檢測(cè)的限值(3.0 mm)之間;當(dāng)CTDIw進(jìn)一步降至約25 mGy時(shí),該乘積值已超過(guò)狀態(tài)檢測(cè)的限值3.0 mm。③其中,CTDIw由約49.6 mGy降低至41.4 mGy時(shí),細(xì)節(jié)探測(cè)能力變化并不十分明顯。

2.2 重建層厚對(duì)低對(duì)比可探測(cè)能力的影響

重建層厚對(duì)低對(duì)比可探測(cè)能力的影響如表2和圖3所示。由表2和圖3可見(jiàn),在掃描劑量和重建算法等其他參數(shù)不變的情況下,隨著重建層厚逐漸減小:①1.0%、0.5%和0.3%對(duì)比度下可觀察到的最小細(xì)節(jié)直徑明顯增加,即對(duì)細(xì)節(jié)可探測(cè)能力明顯下降,0.5%和0.3%對(duì)比度下的細(xì)節(jié)探測(cè)能力下降最顯著。②對(duì)比度細(xì)節(jié)直徑乘積逐漸增大,當(dāng)層厚為10 mm時(shí)該乘積值小于驗(yàn)收檢測(cè)的限值2.5 mm;當(dāng)層厚為5 mm時(shí)該乘積值介于驗(yàn)收檢測(cè)限值(2.5 mm)和狀態(tài)檢測(cè)的限值(3.0 mm)之間;當(dāng)層厚為1.25 mm或更小時(shí),該乘積值已遠(yuǎn)超過(guò)狀態(tài)檢測(cè)的限值3.0 mm。

表2 重建層厚對(duì)低對(duì)比可探測(cè)能力的影響1)

(a) 層厚=10 mm

2.3 不同管電壓對(duì)低對(duì)比可探測(cè)能力的影響

對(duì)CT設(shè)備可選管電壓和管電流時(shí)間積進(jìn)行組合,使不同管電壓下的掃描劑量相近,分析可觀察到的最小細(xì)節(jié)直徑。結(jié)果如表3和圖4所示。

表3 管電壓對(duì)低對(duì)比可探測(cè)能力的影響1)

(a) 100 kV,400 mAs; CTDIw=51.22 mGy

由表3和圖4所見(jiàn),100 kV和120 kV、120 kV和140 kV之間的模體影像中可觀察到的最小細(xì)節(jié)直徑和對(duì)比度細(xì)節(jié)直徑乘積沒(méi)有明顯區(qū)別。在劑量和層厚等其他條件相同的情況下,射線質(zhì)對(duì)低對(duì)比可探測(cè)能力影響并不明顯。

3 討論

低對(duì)比度分辨力又稱密度分辨力,定義為可以從均一背景中分辨出來(lái)的特定形狀和面積的低對(duì)比度微小目標(biāo)。該定義包含對(duì)比度限值和大小限值兩層含意。低對(duì)比度分辨力是CT成像系統(tǒng)的重要指標(biāo)之一,能反映出人體組織結(jié)構(gòu)的細(xì)微變化[2]。如果CT設(shè)備的低對(duì)比度分辨力不合格,則腫瘤等病變組織與正常組織混在一起難以區(qū)分。因此低對(duì)比度分辨力是CT設(shè)備成像的一個(gè)非常重要的性能參數(shù)。同時(shí),當(dāng)前在國(guó)際和國(guó)內(nèi)CT檢查頻次高、增長(zhǎng)速度快、輻射劑量高。因此,保證低對(duì)比可探測(cè)能力在內(nèi)的CT影像質(zhì)量,降低漏診、誤診率并減少不必要的重復(fù)照射,對(duì)廣大患者和受檢者的健康和安全具有十分重要的意義。國(guó)內(nèi)CT設(shè)備性能檢測(cè)的現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)WS 519—2019規(guī)定了檢測(cè)時(shí)層厚和劑量等關(guān)鍵條件,但未對(duì)“最接近10 mm的層厚”和“接近50 mGy”作進(jìn)一步界定和細(xì)化,也未對(duì)具體可選用的管電壓范圍進(jìn)行詳細(xì)規(guī)定。

本研究針對(duì)CT設(shè)備質(zhì)量控制檢測(cè)中,掃描劑量、層厚和管電壓等因素對(duì)低對(duì)比可探測(cè)能力檢測(cè)結(jié)果的影響進(jìn)行了測(cè)試和分析。首先,本研究在層厚和重建算法等其他參數(shù)不變的情況下,發(fā)現(xiàn)隨掃描劑量CTDIw逐漸降低,對(duì)1.0%、0.5%和0.3%對(duì)比度下的細(xì)節(jié)的可探測(cè)能力均逐漸下降,但CTDIw由約49.6 mGy降低至41.4 mGy時(shí),細(xì)節(jié)探測(cè)能力變化并不十分明顯;隨掃描劑量CTDIw逐漸降低,對(duì)比度細(xì)節(jié)直徑乘積也逐漸增大,CTDIw大于49.6 mGy時(shí),該乘積值小于驗(yàn)收檢測(cè)的限值2.5 mm。當(dāng)CTDIw為41.4 mGy時(shí)該乘積值為2.53 mm,略超過(guò)驗(yàn)收檢測(cè)限值(2.5 mm)并滿足狀態(tài)檢測(cè)的限值要求(3.0 mm)。當(dāng)CTDIw進(jìn)一步降至約25 mGy時(shí),該乘積值已超過(guò)狀態(tài)檢測(cè)的限值3.0 mm。其原因與掃描劑量降低,影像噪聲增大,影響了對(duì)比度差異本就很小的細(xì)節(jié)檢出能力。因此本研究建議,CT設(shè)備低對(duì)比可探測(cè)能力檢測(cè)時(shí),CTDIw應(yīng)小于并盡量接近50 mGy,最低不應(yīng)小于40 mGy。本實(shí)驗(yàn)結(jié)果與WS 519—2019標(biāo)準(zhǔn)要求一致,同時(shí)對(duì)CTDIw最低值提出了建議。

有研究報(bào)道不同重建層厚影響CT圖像噪聲,進(jìn)而對(duì)低對(duì)比細(xì)節(jié)檢測(cè)能力有明顯的影響[3-4]。標(biāo)準(zhǔn)WS 519—2019也對(duì)此進(jìn)行了說(shuō)明,規(guī)定設(shè)置層厚為10 mm,達(dá)不到10 mm時(shí)選擇最接近10 mm的層厚,但其未對(duì)“最接近10 mm的層厚”的層厚下限作進(jìn)一步界定。本研究發(fā)現(xiàn),在掃描劑量和重建算法等其他參數(shù)不變的情況下,隨著重建層厚逐漸減小,1.0%、0.5%和0.3%對(duì)比度下可觀察到的最小細(xì)節(jié)直徑逐漸增加,即對(duì)細(xì)節(jié)可探測(cè)能力逐漸下降。其中,與10 mm層厚相比,5 mm層厚影像的細(xì)節(jié)可探測(cè)能力下降不十分明顯,從1.25 mm層厚開(kāi)始細(xì)節(jié)探測(cè)能力迅速下降;隨著重建層厚逐漸減小,對(duì)比度細(xì)節(jié)直徑乘積也逐漸增大,當(dāng)層厚為10 mm時(shí)該乘積值小于驗(yàn)收檢測(cè)的限值2.5 mm。當(dāng)層厚為5 mm時(shí)該乘積值超過(guò)驗(yàn)收檢測(cè)限值(2.5 mm)但仍滿足狀態(tài)檢測(cè)的限值(3.0 mm)。當(dāng)層厚為1.25 mm或更小時(shí),該乘積值已遠(yuǎn)超過(guò)狀態(tài)檢測(cè)的限值3.0 mm。因此,本研究建議,在CT設(shè)備低對(duì)比可探測(cè)能力檢測(cè)時(shí):①層厚應(yīng)首選10 mm,此結(jié)果與WS 519—2019標(biāo)準(zhǔn)要求一致;②達(dá)不到10 mm時(shí)應(yīng)選擇不小于5 mm的層厚,標(biāo)準(zhǔn)中未明確層厚下限,本研究為CT性能檢測(cè)提供層厚選擇的建議。

另外,本研究測(cè)試了不同射線質(zhì),即相同管電流時(shí)間積不同管電壓條件下對(duì)低對(duì)比可探測(cè)能力的影響。由于CT設(shè)備可選管電壓和管電流時(shí)間積組合下140 kV的CTDIw不能達(dá)到接近50 mGy,因此在CTDIw接近60 mGy的水平下來(lái)比較140 kV和120 kV的低對(duì)比可探測(cè)能力差別。本研究結(jié)果顯示,100 kV和120 kV、120 kV和140 kV之間的模體影像中可觀察到的最小細(xì)節(jié)直徑和對(duì)比度細(xì)節(jié)直徑乘積均沒(méi)有明顯差別,單純射線質(zhì)的變化對(duì)低對(duì)比可探測(cè)能力影響并不明顯。因此,實(shí)際低對(duì)比可探測(cè)能力檢測(cè)時(shí),建議選擇100 kV以上的臨床常用管電壓。WS 519—2019標(biāo)準(zhǔn)未對(duì)管電壓設(shè)置提出具體要求,本研究為CT性能檢測(cè)時(shí)管電壓選擇提供了數(shù)據(jù)支持

4 結(jié)論

本研究測(cè)試了CT設(shè)備質(zhì)量控制檢測(cè)過(guò)程中,掃描劑量、層厚和管電壓等因素對(duì)低對(duì)比可探測(cè)能力檢測(cè)結(jié)果的影響,建議CT設(shè)備低對(duì)比可探測(cè)能力檢測(cè)時(shí),CTDIw應(yīng)小于并盡量接近50 mGy,最低不應(yīng)小于40 mGy;層厚應(yīng)首選10 mm,達(dá)不到10 mm時(shí)應(yīng)選擇不小于5 mm的層厚;單純管電壓對(duì)低對(duì)比可探測(cè)能力影響不大,可選擇100 kV以上的臨床常用管電壓。通過(guò)對(duì)檢測(cè)條件的進(jìn)一步完善,即能保證實(shí)際檢測(cè)中對(duì)低對(duì)比可探測(cè)能力的檢測(cè)結(jié)果不會(huì)產(chǎn)生明顯偏差。本研究仍存在一定局限性,如未在其他多種型號(hào)的CT設(shè)備、未采用其他模體[5]進(jìn)行測(cè)試等,后續(xù)將繼續(xù)開(kāi)展相關(guān)研究。