MSCT參數優化和圖像質量的相關性研究

雷 勇，陳自謙，錢根年，倪 萍，付麗媛

1.南京軍區福州總醫院 a.醫務部；b.醫學影像中心；c.醫學工程科，福建 福州 350025；2.第二軍醫大學福州總院臨床醫學院 醫學影像中心，福建 福州 350025

0 前言

自20世紀70年代CT誕生以來，以其突出的臨床應用價值得以飛速發展和更新換代。多層螺旋CT（MSCT）已成為目前臨床醫療工作必不可少的檢查設備，為臨床提供可靠的影像診斷依據。CT診斷的依據是影像照片提供的光密度信息，所以CT圖像質量的優劣，不僅反映影像技術工作人員的實際水平，而且影響CT診斷的準確率。

由于CT檢查存在一定的輻射問題，如何在獲取滿足診斷要求的優質圖像的同時又能最大限度地減少患者（尤其是兒童）接受輻射劑量，已引起醫學影像學界和放射防護學界的極大關注[1]。CT圖像的質量對病變的顯示除了與設備本身性能有關外，還與操作人員所選用的曝光量、層厚、管電壓和螺距等參數密切相關。為了獲得理想的CT圖像，本研究使用不同掃描參數對質量控制體模進行掃描，探討影響CT圖像質量的諸因素。

1 材料與方法

1.1 儀器與材料

使用美國GE Light Speed 16層螺旋CT機，對兩種不同密度材料的質量控制體模進行數據采集。標準質量控制水模是完全封閉的圓柱形體，其內徑為18.5 cm、外徑為20 cm、厚度為1.5 cm的聚甲基丙烯酸甲酯（polymethyl methacrylate PMMA）材料制成的容器，其內充滿純凈水；質量控制塑料體模為高分子不透明材料，直徑為35 cm。

1.2 方法

固定掃描條件：管電壓和管電流分別為120 kV、300 mAs，層厚為5 mm，螺距（pitch）為0.562:1，視野（FOV）為40.0 cm，轉速（speed）為11.25 mm/rot。在固定掃描條件的基礎上，改變其中某個掃描條件（曝光量、掃描層厚、管電壓、螺距），分別對質量控制體模進行掃描，結果見表1～2。選擇同一層面圖像，并測得左、中、右感興趣區（ROI為431.43 mm2）的CT值，將3組數據的平均值作為圖像的CT值（X±SD），并比較各種掃描條件下兩種材料的圖像CT值變化。為了減少測量時產生的誤差，每個掃描條件需重復掃描10次，取其平均值。

表1 管電壓為120kV時的掃描結果

表2 管電流為300mAs時的掃描結果

2 結果

不同掃描條件下的測量結果，見表3～4。

由表3可以得出：在其他條件不變的情況下，增加曝光量，平均CT值變化不明顯，SD值明顯減小；同樣在其他條件不變的情況下，增加層厚，平均CT值變化不明顯，而SD明顯減小。

由表4可以得出：在其他條件不變的情況下，升高管電壓，平均CT值與SD均明顯減小；同樣在其他條件不變的情況下，增加螺距，平均CT值變化不明顯，而SD明顯增加，即圖像噪聲增加，圖像質量變差。

不同掃描條件下的CT值圖像，見圖1～3。

圖1 在100 kV、300 mAs、層厚5 mm、螺距0.625:1、FOV為40.0 cm、轉速為12.5 mm/rot的掃描條件下，左、中、右ROI（431.43 mm2）內測到的CT平均值為（-103.57±19.22）HU。

圖2 在120 kV、300 mAs、層厚5 mm，螺距為0.625:1、FOV為40.0 cm，轉速為12.5 mm/rot的掃描條件下，左、中、右ROI（431.43 mm2）內測到的CT平均值為（-92.05±7.51）HU。

圖3 在140 kV，300 mAs，層厚5 mm，螺距：0.625:1，FOV：40.0 cm，轉速：12.5 mm/rot的掃描條件下，左、中、右ROI（ROI：431.43 mm2）內測到的CT值的平均值為（-83.40±6.36）HU。

表3 不同曝光量、層厚條件下圖像CT值的測量結果（HU）

表4 不同管電壓、螺距條件下圖像CT值的測量結果（HU）

3 討論

MSCT利用精確準直的X線束與靈敏度極高的探測器，圍繞人體的某一部位、以一定厚度層面進行斷面掃描，旋轉1周可獲得多層圖像。每次掃描過程中由探測器接收穿過人體后的衰減X線信息，再由快速模/數（A/D）轉換器將模擬量轉換成數字量，然后輸入電子計算機進行數據處理，得出該層面各點的X線吸收系數值，用這些數據組成圖像矩陣。所測得的吸收系數值即CT值，其大小主要取決于物質的密度、原子序數、掃描層厚及X射線的能量[2]。由此可見，CT值反應了物質對X射線的衰減程度，其大小受多種掃描因素影響。

X射線劑量的大小主要由CT機系統的技術特性和掃描參數的設置來決定。X射線劑量與管電壓、管電流、掃描時間、掃描容積成正比，與掃描層厚、螺距比成反比。CT圖像的質量與病變的顯示除了與機器本身性能相關外，還與曝光量、層厚、管電壓和螺距等參數選擇密切相關。

多層螺旋CT分辨率分為空間分辨率和密度分辨率，是判斷MSCT機性能和影響圖像質量的兩個重要指標[3]。

空間分辨率（即高對比分辨率）表示可區分最小物體細節的能力。它的定義是指系統不存在噪聲的情況下，在兩種物質CT值相差100 HU以上時，能夠分辨最小的圓孔徑的大小或線對測試卡黑白相間（密度差相間）的線對數（LP/cm）。空間分辨率是MSCT圖像中能鑒別結構大小的能力，普通CT圖像的空間分辨率只有6.25 LP/cm，高分辨率CT可達10 LP/cm。其影響因素與X線管焦點的尺寸有關，焦點的尺寸越小空間分辨率越高；與層厚有關，層面越薄顯示最小組織結構或病灶的能力就越強，空間分辨率提高；與FOV 有關，像素大小由FOV決定，改變FOV的大小會影響圖像空間分辨率，即保持矩陣不變，縮小掃描視野，圖像像素數目增多，圖像顯示細致銳利；與圖像重建的演算法有關，采用不同方式，所得的圖像空間分辨率也有所不同。

密度分辨率（低對比分辨率）表示可以分辨最小密度差的程度。它的定義是能夠分辨兩種低密度差的物質（一般其CT值為相差3～5 HU）構成的圓孔的最小孔徑大小。影響因素主要有：密度分辨率與X線的劑量有很大的關系，低對比度分辨率隨劑量增加而不斷提高；與信噪比有關，CT的X線信息量和噪聲是影響圖像密度分辨率的重要因素；與掃描層厚的厚薄有關，掃描層厚增加，可以提高CT圖像的密度分辨率，但體素的增加產生部分容積效應降低了圖像空間分辨率；掃描層薄可以增強顯示病灶細微結構能力但同時會使掃描層數增加從而導致病人受X線劑量也隨之增加，掃描層厚薄要根據診斷需要來合理使用；重建算法也可影響密度分辨率，將高分辨率重建算法改為軟組平滑的算法，減少了噪聲使圖像密度分辨率提高。因此評價密度分辨率即低對比度分辨率時一定要明確使用的掃描劑量、掃描層厚、重建視野大小和重建算法[4]。

管電壓及曝光量：本研究結果中，隨著管電壓或曝光量增加，SD明顯減小。這是由于CT掃描時，X線穿透質量控制模，由于光電吸收及康普頓散射效應使X線產生衰減，低能X線易被吸收，因此mAs不變時，提高kV，也就提高了X線的能量和穿透力，那么透過質量控制模X線量將增加，且低能散射線將減少，相當于組織的X射線衰減系數變小，探測器接收到透過人體該層面的X線也越多且均勻性增加，從而降低了圖像的噪聲；kV不變時，提高mAs，也就增加了所掃層面內光子數量，使得圖像的信息量增多、噪聲減少，起到改善圖像質量的效果。因此，在日常掃描操作中，密度較高的組織器官或病灶、較厚或重疊較多的部位可通過采用較高的kV或mAs來獲得較高質量的CT圖像。不過，我們應當知道，無論是增加kV還是提高mAs，雖然圖像質量大大提高，但相應的人體吸收的X線劑量也隨之增加。因此我們不能盲目為追求圖像質量而忽略了受檢者接受的輻射。一般來說，掃描參數的選擇應以滿足診斷要求的同時最大限度降低受檢者輻射劑量為原則[5]。

層厚：本研究結果顯示，隨著層厚增加，SD隨之減小。這是因為增加層厚，在掃描條件不變的情況下，X線的光通量增加,探測器接收到的光子數增加，改善了密度分辨率，但由于部分容積效應，抑制了細微結構的顯示；層厚較薄，空間分辨力提高，但圖像噪聲增大，密度分辨力降低，需加大管電流即增加檢測器吸收的光子數來彌補，且檢查同一區域的掃描層數增加，因而增加了檢查者輻射量和機器負荷。改變層厚模式則改變了探測器的有效截面，從而影響了探測器所收集的X線光子數量，使圖像噪聲改變，并引起圖像高對比分辨率和低對比分辨率的變化，最后導致圖像質量改變。

螺距：本研究結果中，隨著螺距增加，SD增加明顯。螺旋掃描時隨著螺距的增大，單位時間內掃描的覆蓋面也越大，層敏感度曲線變形更明顯，同時螺距增大使探測器接受到的射線量減少，導致圖像的密度分辨率下降而噪聲增加，影響MSCT圖像質量[6-7]。

掃描矩陣有256、320、512、1024等、 像素大小=FOV/ 矩陣，即矩陣越大則在同樣的掃描野（FOV）情況下，像素越小清晰度越高，但同時減小的像素使所得的光子數減少，增加像素噪聲，減小密度分辨率。

噪聲：X線束是個別光子形成的光子簇射，因為光子彼此獨立，它們隨機分布在圖像區域內，在該區域內某些地方可能有一些光子的群集，而在其他地方只聚集了極少光子，這種光子不均勻地分布在圖像上表現為噪聲，MSCT噪聲是均勻物質在給定區域內CT值對其平均值的變異，對于均勻模塊用CT值的標準偏差來描述，噪聲會限制密度分辨力的識別能力[8]，它是評價MSCT圖像質量的一項重要指標。噪聲分為量子噪聲和非量子噪聲，其中量子噪聲是由探測器接受到的X線光子數目的隨機變化而引起的，曝光參數變化對其影響較大。噪聲與掃描層厚成正比，與掃描劑量成反比。掃描層厚越薄，產生噪聲越大，層厚越厚，產生噪聲越小，即X線量低時，產生的噪聲大，X線量高時，產生的噪聲小。

CT值及均勻度：CT值是物體密度的表示方法，均勻度表示在均勻物體掃描成像中任何區域所測得的CT值的一致性或者說在物體斷面的不同位置上同一種組織成像時，應具有同一CT值，反映了圖像與被掃描物體之間形態學上的真實可靠程度，它也是圖像質量的重要參數，MSCT診斷的可靠依據之一。均勻度與射線質量、準直器的位置方向、檢測器與球管靶面的相對位置、射線的硬化校正、探測器各通道電子測量電路的零點漂移等因素有關。CT機在正常使用較長的一段時間后出現的均勻度誤差問題，其主要原因可能是機械磨損及松動產生的細小位移，使探測器各通道接收的射線出現了不均衡。射線質量只與X線管的陽極表面狀態和管電壓有關，X線管在長期使用過程中陽極表面逐漸變得粗糙，達到一定程度時則需通過調整管電壓來作補償，以保證射線的質量不變。因此定期對均勻度進行檢測校正是非常必要的，特別是在CT安裝完畢驗收時和軟件升級后以及CT機維修后收驗時的檢測，都是保證CT圖像質量的必要措施。

窗寬窗位：窗的寬窄直接影響對比度，窗窄顯示的CT值范圍小，每級灰階代表的CT值幅度小，因而對比度強適合分辨密度比較接近的組織或結構，反之，窗寬加寬則每級灰階代表的CT值幅度大，對比度差，適于分辨密度差別大的結構或組織[9]。窗窄則圖像對比強，反之則弱。對相臨組織密度差小的應采用窄窗寬，如對肝臟平掃和增強掃描時，為顯示組織間對比度應適當改變窗寬窗位，以提高密度分辨率。原則上一般將窗位調到被檢組織的正常CT值附近，窗位高則圖像變黑，窗位低則圖像變亮，合理的窗寬窗位選擇是正確顯示所檢部位組織密度對比和密度顯示的重要措施。

總之，MSCT掃描參數的變化對圖像質量有直接的影響，不同掃描參數的變化對圖像質量的影響不同，各掃描參數之間既相互影響，又相互制約，充分利用各掃描參數之間的關系并加以靈活運用，對提高圖像質量和診斷水平具有重要的臨床意義。同時，在實際操作中我們在掃描參數的選擇上應在滿足診斷要求的前提下，最大限度地降低對檢查者的輻射劑量為原則來獲得優質圖像。

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