胸部低劑量CT的應用研究

于喜坤，趙靜霞，張禎銘，喬月，劉師竺，張健，劉景鑫

1. 吉林大學中日聯誼醫院 放射線科，吉林 長春 130033；2. 吉林省醫學影像工程技術研究中心，吉林 長春 130033；3. 吉林大學 護理學院實驗教學中心，吉林 長春 130021；4. 長春市計量檢定測試技術研究院，吉林 長春 130012

引言

近年來，胸部低劑量CT檢查作為當前熱點研究方向，研究者很多。有些研究單純從改變劑量入手[1-6]，有些從圖像的性質入手[7-12]，還有些是直接從疾病的病理表現入手[13-15]。CT檢查是使用X射線束對人體某部位一定厚度的層面進行掃描，原理為根據人體不同組織對X線的吸收與透過率的不同[16]，發現體內生理或病理性改變。但X射線作為輻射源，對人體有著一定程度的損害，X線劑量越大，受檢者所受的傷害就越大。所以，在保證圖像質量的前提下，如何盡量降低X線劑量，即低劑量CT，成了當前學界研究的一個重要方向。本文將對固定管電壓為120 kV時，通過降低CT毫安量來降低檢查劑量的方法進行討論。

1 材料與方法

我們選取目前醫療市場上的應用較為廣泛的國內外CT廠家，國內廠家包括東軟醫療、明峰醫療、深圳安科和上海聯影，國外廠家包括GE醫療、Siemens醫療、Philips醫療、東芝醫療和日立醫療。歷時2年時間，地域覆蓋吉林省、黑龍江省、遼寧省、浙江省和四川省的126家醫院進行了522臺次試驗。

1.1 探究多參數設置對胸部低劑量CT影像質量的影響

1.1.1 實驗模體

CT性能模體的型號為CATPHAN 500，生產廠家是美國模體實驗室。

注：為保證數據準確可靠，項目研究期間定期溯源至國家基準。

1.1.2 實驗方法

將CATPHAN 500置于掃描野中心，掃描條件為管電壓120 kV，層厚5 mm，掃描時間1.0 s，在pitch:speed為0.562:1、0.938:1和1.375:1的三種條件下，設置毫安量分別為250、200、150、100、70、60、50、40、30以及20 mAs進行掃描，掃描模體時在周圍不應有影響射線束的物質。

1.1.3 測量方法

（1）CT值、噪聲、均勻性。在CTP486模塊中心層面，在中心用大于100像素的ROI（面積約為1 cm2）測CT值及標準偏差SD，噪聲N=SD×0.1%。在圖像圓周相當于鐘表時針3、6、9、12點的方向用相同ROI在邊緣1 cm處取四點CT值，邊緣對中心CT值的最大偏差為均勻性。

（2）低對比分辨力（密度分辨力）。在CTP515模塊中心層面，同時調節窗寬和窗位，確定各對比度系列中所能分辨的最小一級孔徑。

（3）高對比分辨力（空間分辨力）。在CTP528模塊中心層面，同時調整窗寬和窗位，分辨最小的一組線對。用目測方法確定所能分辨的最高一級線對數。

1.2 模體實驗探究低劑量CT圖像質量的客觀參考標準

（1）實驗模體：胸部仿真模體。

（2）實驗方法：將胸部仿真模體置于掃描野中心，使用5 mm的層厚，設置管電壓120 kV，管電流分別為70、60、50、40、30以及20 mAs，按照 WS/T 391-2012《CT檢查操作規程》[17]中的方法進行掃描。掃描模體時在周圍不應有影響射線束的物質。

2 結果

在實驗過程中，設定毫安秒和實際掃描中的毫安秒并非一個數值，對照表，見表1。

（1）根據國家計量檢定規程JJG 961-2017《醫用診斷螺旋計算機斷層攝影裝置(CT) X射線輻射源》[18]中要求低對比分辨力在1%對比度應能分辨模體中3 mm的圓孔和0.3%對比度應能分辨模體中6 mm的圓孔， 可見50 mAs以上的劑量都是符合要求的（表2）。由于低對比分辨力對肉眼觀測是最直觀的評價方法，所以在以下的試驗中，我們對50 mAs以下的實驗結果不再進行論述。采用相同螺距時低對比分辨力隨mAs變化規律，見表2。

（2）通過數據分析，當管電流為1～100 mAs時，噪聲隨管電流增加急劇降低，100 mAs以上時噪聲趨于平穩。其中，50～100 mAs的噪聲極差值較1～50 mAs的噪聲極差值低。這說明了低劑量檢查必然伴隨一定的噪聲，50～100 mAs條件時噪聲降低速度較為緩慢，50 mAs以下時，噪聲急劇增長。采用不同螺距時噪聲隨毫安秒變化規律，見圖1。

表1 設定mAs與實際mAs對照表

表2 采用相同螺距時低對比分辨力隨毫安秒變化規律

圖1 采用不同螺距時噪聲隨毫安秒變化規律

（3）通過數據分析，我們可以看到，不同管電流下的均勻性起伏波動很小，考慮到實驗誤差，結合國家標準，在該實驗條件下，降低管電流對均勻性沒有影響。采用不同螺距時均勻性隨mAs變化規律，見表3。

表3 采用不同螺距時均勻性隨mAs變化規律

（4）通過數據分析，降低毫安量時CT值波動極小。結合國家標準，CT值波動遠小于標準中的波動范圍。對于物體來說，CT值應該是固定的，但實際的機械誤差難以避免。從該實驗結果來說，在該實驗條件下，低管電流條件對CT值沒有影響。采用不同螺距時CT值隨mAs變化規律，見表4。

表4 采用不同螺距時CT值隨mAs變化規律

（5）通過數據分析，降低毫安量至40 mAs以下時，空間分辨力略微降低。我們可以認為，當毫安量為50 mAs以上時，對空間分辨力沒有影響。采用不同螺距時空間分辨力隨mAs變化規律如表5所示。

（6）通過探究多參數設置對低劑量CT掃描圖像質量的影響的結果我們可以得知，當毫安量降低到100 mAs時，噪聲的影響開始增大；當毫安量降低到30 mAs以下時，低對比分辨力已經完全不能滿足要求；就噪聲來說，50 mAs以下的噪聲將急劇升高，所以我們將胸部模體實驗數值范圍設定在 20～70 mAs。

肺部仿真模體的影像結果，見圖2。從圖像中我們可以看出，圖2a可以看清仿真模體中的末端支氣管，對一些仿真組織也有較高的辨識度，其噪聲也在可忍受范圍之內[1]。而圖2b的圖像質量有著斷崖式的降低，圖片顆粒感較強，也無法完全分辨清晰各組織邊界。由此我們可以推薦，50 mAs為胸部低劑量CT篩查臨床實驗的最低劑量閾值。

表5 采用不同螺距時空間分辨力隨mAs變化規律

圖2 肺部仿真模體的影像結果（右側肺門層面）

3 討論

雖然低劑量這個概念已經在國內出現了十余年，從DR低劑量的探討，到后來的CT平掃、CT增強的探討，乃至肺癌篩查專家共識，部分醫院甚至已經在常規檢查中應用了低劑量參數，但仍未有一個通用的、行之有效的標準。考慮到CATPHAN模體是不同國家、不同廠家設備通用的行之有效的質控檢測模體，所以我們選用了CATPHAN模體來進行劑量初篩，并通過仿真模體驗證劑量范圍。

CATPHAN模體中的部分模塊體積足夠小，模塊間的間隔有大有小，各模塊的密度也不盡相同，這一定程度上模擬了人體中的復雜狀況；該模體也是檢測CT性能的工具之一。我們使用模體進行低劑量測試，能保證CT設備的有效性，這也保證了我們所調節的毫安秒，是唯一的變量，同時也保證了實驗得到的圖像是質控合格的圖像，具有相當的嚴謹性。

常規的肺部仿真模體擁有正常的肺紋理，精度較低，但足夠作為篩查劑量的實驗驗證模體。根據《肺結節診治中國專家共識（2018年版）》[19]，肺結節的大小被定義為3 cm及以下。由此可見，較小的肺結節大小可與末端支氣管直徑相當。若末端支氣管可清晰分辨，則一般的肺結節能清晰分辨。實驗中我們不考慮高密度鈣化灶，只考慮一般實性結節。一般來說，能篩查出實性結節，后續無論是通過實驗室檢查還是增強掃描確診疾病，其篩查意義都已經達到了。所以，使用仿真模體進行劑量驗證，具有一定的嚴謹性。

我們選用了不同廠家不同型號的CT進行了522臺次試驗，最終得出的結果不盡相同，但是當劑量從70 mAs開始降低時，圖像質量均開始大幅降低，當劑量降低到50 mAs以下后大部分CT得到的結果無法完全辨認圖像輪廓，最后的仿真模體實驗發生了同樣的現象。

眾所周知較高的放射劑量能獲得較好的圖像，過度地降低放射劑量會導致圖像質量變差。當我們的毫安量從100 mAs開始降低時，圖像的噪聲增加，對比度和分辨力相應降低。為了降低劑量，我們必須適度的容忍一定程度的噪聲，這是成像技術和后處理技術更新換代之前我們幾乎無法解決的問題。

不同廠家、不同系列的CT所用的技術也不同，同樣掃描條件產生的影像學結果可能會不盡相同。臨床上，不同患者可能會因為體質差異需要相應的增減劑量。針對這些情況，給出一個劑量范圍閾值供操作技師參考，使操作技師在閾值之上靈活選擇劑量，是最科學的辦法。

所以，只是單純的降低劑量不應是我們的最終目的，與新的成像、后處理技術相結合，是更進一步的研究方向。

4 結論

低劑量CT掃描用作篩查，難點在于如何在劑量與圖像質量間進行取舍。評價一副圖像的好壞，不單要看噪聲、均勻性等數值，診斷醫師的意見也很重要。如前文所說，容忍一定量的噪聲的情況下，如果劑量降低到一個數值以下，得到的圖像無法確保診斷需求，那么這個數值就是我們所需求的劑量閾值。

本文通過不同廠家、不同CT進行對比試驗，實驗中使用了CATPHAN 500模體作為最初的劑量實驗對象，并通過仿真模體進行驗證，得到了一個實用于主流胸部CT的低劑量CT篩查的劑量閾值。

后續的研究方向，可以是通過臨床試驗進行數值校準，也可以是在CT機選擇上進行廣度更大的模體實驗。相對來說，筆者更傾向于更多型號的CT機測試，以及新的后處理算法的應用。前者可以保證劑量范圍的普適性，后者能夠真正地讓低劑量的取值范圍，能夠再向前走上一大步。