管電壓對胸部CT圖像質量及輻射劑量的影響

袁穎，盧東生，鐘朝輝

首都醫科大學附屬北京友誼醫院 a.放射科；b.醫學工程部，北京 100050

引言

隨著CT設備的廣泛應用，其輻射劑量引起的危害也逐漸引起人們的關注[1]，胸部CT檢查在肺癌、肺結核等疾病的檢出和對高危人群的普查等方面具有一定的優勢，尤其對于肺癌篩查，其檢出率約為X線胸片的6倍，而輻射劑量卻是X線胸片的幾十甚至上百倍[4]。自動管電流調制（Automatic Tube Current Modulation，ATCM）技術是降低X線劑量的有效手段[5-6]。在應用ATCM技術時，噪聲指數（Noise Index，NI）和管電壓的選擇決定了圖像質量和輻射劑量[7]。本文旨在討論螺旋CT掃描在應用ATCM技術時不同管電壓掃描對輻射劑量的影響，為臨床優化胸部CT掃描方案提供參考。

1 材料與方法

1.1 胸部模型

采用Shimadzu PH-1胸部仿真模體（圖1～2），大小為43 cm×48 cm，胸圍94 cm，主要成分為聚氨酯樹脂SZ-50以及人工骨骼，其內部肺紋理與人體無顯著差別。體模內包含9個磨玻璃密度結節（Ground Glass Nodules，GGN）[8]，其直徑為5、10及12 mm 3種，將5 mm的GGN置于肺尖區，其余GGN隨機置于體模的上、中、下肺野及內、中、外帶。GGN的平均CT值為（-450.43±6.57）HU。

圖1 PH-1胸部仿真模體外觀

圖2 模型內部結構和固定放置的模擬結節

1.2 儀器與方法

采用GE Optima CT 680對胸部仿真模體進行掃描，將模體放置掃描野等中心點水平，掃描范圍自肺尖到肺底。掃描條件：機架旋轉時間為0.8 s，螺距比0.984:1，矩陣512×512，準直寬度40 mm（64×0.625)，層厚5 mm，層間距5 mm。重建條件：以標準算法ASIR30重建[9-10]。每組掃描覆蓋范圍一致。應用ATCM技術，以管電壓80、100、120 kVp分別進行掃描并記作A、B、C組，3組管電流調制范圍取設備允許的最大范圍，分別為10～400、10～480、10～560 mA，設備根據指定的NI和病人情況在此范圍內確定實際曝光的毫安值。每組分別設定NI值為10、15、20、25、30進行掃描。記錄各組容積CT劑量指數（Volume CT dose index，CTDIvol），劑量長度乘積（Dose Length Product，DLP）。

1.3 圖像質量評估

1.3.1 客觀評估

應用圖像后處理工作站adw 4.6，選擇氣管分叉處和肝部上緣兩個層面進行測量。在此兩個層面選擇密度均勻的區域測量CT值，其標準差的大小代表圖像的客觀噪聲水平。測量面積分別為70 mm2和500 mm2。15組圖像客觀噪聲的測量均在同一層面的同一位置，共測量3次數據，取平均值。

1.3.2 主觀評估

將組圖像傳至PACS，關閉圖像掃描參數及其它相關信息，由兩名資深放射科醫生獨立評價所有圖像。應用固定窗寬、窗位：肺窗窗寬1600 HU，窗位-600 HU（圖3a）；縱隔窗窗寬400 HU，窗位40 HU（圖3b）。對GGN的清晰度采用4分制進行主觀評分：4分，結節邊緣清晰可見；3分，結節邊緣稍顯模糊；2分，結節邊緣較模糊但結節仍可見；1分，結節不可見。共評價3次。

圖3 肺窗及縱隔窗示意圖

1.4 統計學分析

采用SPSS 17.0統計學軟件，對15組不同掃描的CTDIvol、DLP進行比較。應用單因素方差分析比較同一預設NI下3種管電壓圖像的客觀噪聲。應用非參數檢驗中的Kruskal-Wallis H檢驗比較相同預設NI下3種管電壓的GGN主觀評分。P＜0.05時差異具有統計學意義。應用Kappa分析檢驗兩名放射科醫師對圖像診斷的一致性，Kappa值≥0.75為一致性較好，0.4～0.74為一致性中等，＜0.4為一致性較差。

2 結果

2.1 輻射劑量

B組在NI為15、20、25、30時的CTDIvol分別為5.19、2.91、1.86、1.29，與 A組的 CTDIvol（5.4、3.12、1.97、1.35）比較分別降低了3.89%、6.73%、5.58%、4.44%，C組的CTDIvol（4.81、2.68、1.72、1.19）與A組比較分別降低了10.93%、14.10%、12.69%、11.85%，見表1。

表1 管電壓對CTDIvol、DLP的影響

2.2 圖像質量評估

2.2.1 客觀評估

對5組NI圖像的質量進行客觀評估，在氣管分叉處和肝部上緣層面分別選擇密度均勻的區域測量CT值，其標準差的大小代表該層面的客觀噪聲水平，測量結果，見表2～3。

2.2.2 主觀評估

對5組NI圖像的質量進行主觀評估，由兩名有經驗的放射科醫生采用雙盲法對GGN進行主觀評分，評分結果見表4。評分一致性見表5，根據表5所示，GGN評分一致性較好。沿角度平面（xy平面）和（或）長軸（z軸）方向上，實時調制管電流輸出，減少不同投照角度上不必要的X線輸出和（或）按照事先設定的圖像質量參考水平獲取圖像同時優化輻射劑量的方法，目前已經成為劑量優化方面非常有效的工具[11]。然而輻射劑量與管電壓的冪指數呈正比，冪指數是隨CT管球的濾過類型和形狀改變而不同的[12]。有文獻報道，在固定毫安秒的情況下，管電壓從120 kVp降低到100 kVp可使輻射劑量下降30%左右[13]。本文旨在探究應用自動管電流調制技術時，管電壓設置對輻射劑量的影響。

表2 不同NI條件下氣管分叉處客觀噪聲（±s）

表2 不同NI條件下氣管分叉處客觀噪聲（±s）

注：測量面積為70 mm2。

管電壓 (kVp) 10 15 20 25 30 80 5.89±0.51 7.49±0.31 8.82±0.51 14.24±0.32 16.95±0.22 100 4.62±0.19 7.32±0.22 8.86±0.4 14.36±0.84 16.66±0.52 120 4.87±0.26 6.95±0.23 8.91±0.21 14.64±0.48 16.33±0.45 P值 0.019 0.074 0.667 0.309 0.707

表3 不同NI條件下肝部上緣客觀噪聲（±s）

表3 不同NI條件下肝部上緣客觀噪聲（±s）

注：測量面積為500 mm2。

?

表4 不同NI條件下管電壓對GGN的主觀評分的影響（次）

圖4 NI為10時不同層面的管電流值

表5 GGN評分一致性的Kappa值

在ACTM模式下，固定NI和管電壓時，管電流隨圖像層數而變化，形成管電流曲線。固定NI時，不同管電壓下，管電流隨圖像層數的曲線，見圖4（以NI=10為例）。

3 討論

自動管電流調節技術是基于個體化因素、解剖結構的不對稱性以及掃描區域內組織構成對X線衰減差異較大的事實，

結果提示，使用低管電壓進行ATCM掃描，除NI為10時，圖像噪聲有顯著差異外（P＜0.05），其他NI下3種管電壓掃描圖像的客觀噪聲均無統計學差異（表2～3），對于模體內GGN的主觀評分亦無統計學差異（表4～5），這一結果與Rampado等[14]的研究結果一致。NI為10時，A組80 kVp由于受CT高壓發生器設置，管電流最大限值為400 mA，不能滿足圖像NI為10的條件（圖4），CTDIvol為8.31，而B組和C組的CTDIvol分別為11.35和10.98。如表1所示，相同管電壓條件下掃描，CTDIvol隨著NI增大而減小。不同管電壓輻射劑量比較顯示，B組在NI為15、20、25、30時的CTDIvol分別為15.19、2.91、1.86、1.29，與 A 組（5.4、3.12、1.97、1.35）比較分別降低了 3.89%、6.73%、5.58%、4.44%，C組（4.81、2.68、1.72、1.19）與A組比較分別降低了10.93%、14.10%、12.69%、11.85%。由此可見，在相同的圖像NI下，CTDIvol隨管電壓增大而減小。

80 kVp管電壓掃描，在NI為10時，由于受最大管電流調制限制，不能滿足設置的圖像噪聲水平。相同NI下，管電壓越高，管電流輸出越少，而在低管電壓下，明顯增加管電流的輸出，由于圖像噪聲對管電壓非常敏感，管電壓的變化對腫瘤檢出率的影響高于管電流對其的影響，因此在臨床上進行早期腫瘤的篩查或微小病灶檢查時不宜采取降低管電壓的方法。然而，低管電壓的ATCM技術主要用于血管成像[15-16]或過小體型患者低劑量胸部掃描[17-18]。由于碘對比劑對X衰減敏感度較人體組織敏感，低管電壓掃描常用于胸部的血管成像掃描來增加組織對比和減少造影劑用量。

本研究的不足之處在于沒有明確低管電壓胸部掃描的適用人群。使用高管電壓（120 kVp以上）結合ATCM技術對輻射劑量的影響需要進一步研究。本研究應用GE Optima CT680 CT機掃描，對于其他設備自動管電流調制技術應用不同管電壓掃描是否有相同的結果，需進一步研究。

4 結論

本文探討了應用自動管電流調節技術行胸部CT掃描時，管電壓的變化對圖像質量及輻射劑量的影響。結果提示，胸部CT掃描采用自動管電流調制技術時，要根據檢查目的等因素，合理地設置管電壓，從而在保證圖像質量的前提下實現輻射劑量的降低。

[1]Hoshino C.The cancer risks of medical radiation exposure associated mainly with CT scans[J].J Japan Prim Care Ass,2015,38(4):369-382.

[2]賴寶藝,孫華平.多排螺旋CT動態增強掃描對肺孤立性結節鑒別診斷價值[J].醫學影像學雜志,2015,(12):2274-2277.

[3]Swensen SJ,Jett JR,Hartman TE,et al.CT screening for lung cancer: five-year prospective experience[J].Radiology,2005,235(1):259-265.

[4]New York Early Lung Cancer Action Project Investigators.CT screening for lung cancer: diagnosis resulting from the New York Early Lung Cancer Action Project[J].Radiology,2007,243(1):293-294.

[5]Lee KH,Lee JM,Moon SK,et al.Attenuation-based automatic tube voltage selection and tube current modulation for dose reduction at contrast-enhanced liver CT[J].Radiology,2012,265(2):437.

[6]Peng Y,Ma D,Zhang Q,et al.Use of automatic tube current modulation with a standardized noise index in young children undergoing chest computed tomography scans with 64-slice multi-detector computed tomography[J].Acta Radiol,2009,50(10):1175-1181.

[7]Sookpeng S,Martin CJ,Gentle DJ,et al.Relationships between patient size, dose and image noise under automatic tube current modulation systems[J].J Radiol Prot,2014,34(1):103-123.

[8]徐巖,賀文,陳卉.迭代重建技術對低劑量CT圖像質量和肺磨玻璃密度結節體積測量準確性的影響[J].中華放射學雜志,2013,47(10): 926-931.

[9]吳瑤媛,王萬勤,劉斌,等.FBP、ASiR和VEO三種重建算法對常規劑量胸部CT圖像質量的影響[J].中國醫學影像技術,2012,28(3):575-578.

[10]陳疆紅,賀文,趙麗琴,等.適應性統計迭代重建技術降低胸部低劑量CT圖像噪聲的效果[J].中國醫學影像技術,2011,27(12):2398-2402.

[11]王倩,趙心明.多層螺旋CT自動管電流調制技術及應用進展[J].醫學綜述,2013,19(4):702-706.

[12]于紅,李惠民,李霄麟,等.腹腔動脈CT血管成像固定毫安秒低劑量技術探討[J].中華放射學雜志,2009,43(7):688-692.

[13]Sigalcinqualbre AB,Hennequin R,Abada HT,et al.Lowkilovoltage multi-detector row chest CT in adults: feasibility and effect on image quality and iodine dose[J].Radiology,2004,231(1):169.

[14]Rampado O,Marchisio F,Izzo A,et al.Effective dose and image quality evaluation of an automatic CT tube current modulation system with an anthropomorphic phantom[J].Eur J Radiol,2009,72(1):181-187.

[15]鄒平,薛躍君.64排螺旋CT雙下肢血管成像低電壓掃描的初步研究[J].臨床放射學雜志,2013,32(9):1340-1342.

[16]Shin HJ,Song SK,Lee JH,et al.Feasibility of low-concentration iodinated contrast medium with lower-tube-voltage dual-source CT aortography using iterative reconstruction: comparison with automatic exposure control CT aortography[J].Int J Cardiovas Imag,2015,32(1):53-61.

[17]孫記航,于彤,段曉岷,等.基于模型的迭代重建算法優化低管電壓兒童胸部CTA圖像質量[J].中國醫學影像技術,2015,(2):302-305.

[18]Wang XX,Zhong YM,Hu LW,et al.A prospective evaluation of the contrast, radiation dose and image quality of contrastenhanced CT scans of paediatric abdomens using a lowconcentration iodinated contrast agent and low tube voltage combined with 70% ASIR algorithm[J].Int J Clin Pract,2016,70(9):16-21.