醫用CT檢測模體的演進和問題分析

復旦大學 放射醫學研究所，上海 200032

引言

計算機體層攝影（Computer Tomography，CT）檢查的頻次逐年增加，CT檢查也成為最常用的放射診斷手段之一。Smith等[1]的調查指出CT檢查的數量以每年14%的速度增長。王彬等[2]的研究也顯示2009年上海接受CT檢查的人數是1996年的4.2倍。ICRP87號報告和UNSCEAR 2008報告指出CT掃描涉及輻射暴露，在大多數情況下輻射劑量水平高于其他X射線檢查[3]。故與此同時，與CT掃描相關的劑量和風險一直是醫學物理學家和其他專業人士關注的問題。

在盡可能降低受檢者劑量的同時保證更優質的圖像質量是CT的發展方向，隨之而來的是超寬探測器、自動管電流調制技術、插值迭代重建算法等新的CT軟硬件技術層出不窮。而每一種新的診斷技術的出現，都意味著需要對影像質量和輻射劑量進行新的研究[4]。由于CT的影像質量和輻射劑量測試主要依賴檢測物理模體，故CT的質量測量方法和檢測模體也同樣隨著CT技術的革新而不斷發展，本文全面梳理CT檢測模體發展歷程，并提出當前CT檢測模體所面臨的挑戰與發展方向。

1 常規CT劑量模體

20世紀70年代，隨著CT的問世，研究者們針對CT的輻射劑量表征與測量提出了多種方法，但這些方法基本都與Shope提出的CT劑量指數（CT Dose Index，CTDI）的概念相吻合[5-7]。CTDI的出現滿足了量化X射線扇形束在體模內劑量分布的需求[8]。

其中，T代表標稱斷層厚度，N代表一次掃描斷層層厚數，D(Z)代表垂直于斷層的Z向剖面的劑量分布。美國醫學物理師協會（American Association of Physicists in Medicine，AAPM）的第96號[9]和第111號報告[10]中對CTDI定義和CT劑量學的演進進行了較為詳細的介紹。

CTDI的測量主要由CT劑量模體[11]和輻射測量系統組合。輻射測量方法主要分為兩種：通過陣列探測器測量CT劑量曲線和使用電離室對平均信號積分[12-13]。傳統的劑量曲線的測量方法是使用熱釋光劑量計[14]，但現在的一些研究中也采用光釋光劑量計[15]、輻射感光膠片[16]或者金屬-氧化物半導體場效應晶體管劑量計[17]進行測量。目前CT劑量日常檢測中最廣泛使用的劑量計是100 mm長的筆型電離室，用來測量平均劑量或者積分劑量，這種劑量計的使用最早是由Suzuki等[18]提出的。

國際電工委員會（International Electrotechnical Commission，IEC）建議CTDI測量模體采用聚甲基丙烯酸甲酯（Polymethyl Methacrylate，PMMA）作為材料[19]。傳統的劑量模體設計是由直徑為16 cm和32 cm的PMMA圓柱構成（圖1），分別代表成人的頭部或軀干/腹部（直徑16 cm的圓柱體也可代表兒童的軀干部）。這些模體一般配有適合于插入筆型電離室以及其他位置敏感劑量計或其他陣列式探測器的孔道。為了獲得更詳盡的劑量信息，從傳統模體演變而來的新型模體也不斷應運而生。圖2和圖3分別是由PMMA材料組成的兒童/成人嵌套CTDI劑量測試模體和錐形束CT頭部劑量模體。圖3中的Sedentex CTDI頭部劑量模體由一組直徑為16 cm的PMMA板堆疊，不同的板塊之間可以互換，便于放置不同種類的劑量計，該模體為筆形電離室布設的孔道直徑和位置與傳統模體也不相同。

圖1 分立式CTDI兒童、成人頭部、成人體部劑量模體

圖2 嵌套式CTDI兒童、成人頭部、成人體部劑量模體

圖3 SedentexCT DI 頭部劑量模體

2 加長CT劑量模體

早期CT的掃描速度慢，陽極熱容也比較低，射束的寬度比較窄，使用100 mm長的電離室測量單層軸掃的劑量曲線積分不僅足以包括照射時的散射線，還可以有效節省時間。但是隨著多層CT的發展，越來越寬的Z軸射束準直和更長的掃描長度限制了CTDI100的準確性、臨床實用性[20]。

CTDI100在CTDI劑量模體不同點位測量效率較低，大約為60%到90%，可能大大低估CT掃描的實際累積劑量，在中心點位置會造成30%的誤差[21-22]。傳統的100 mm長桿電離室已經不能滿足CT質控中的劑量測量要求。許多學者開始使用更長的劑量模體來測試多層CT的劑量曲線。Mori等[23]將多個PMMA圓柱拼接在一起組成了總長為900 mm的超長圓柱模體，用以測量256層CT掃描的劑量曲線。Nakonechny等[22]嘗試使用300 mm長的CIRS Model 002H5等效水體部模體估計真實患者所受縱向單層掃描劑量曲線。AAPM第111號報告中也提出可以使用直徑30 cm，長度50 cm的快速注水模體來表示平均體型的成年人體部對射線的吸收和衰減[24]。

3 常規影像質量模體

自20世紀70年代EMI公司推出商用CT裝置以來，這種新型成像設備的影像質量便開始受到關注。但是此前并沒有規定CT成像的圖像質量評估技術，因此人們提出使用幾何參數來量化CT圖像的主要特征[25]，如低對比度和高對比度背景下的空間分辨率[26-27]、圖像噪聲、層厚，以及某些偽影（運動、射束硬化、均勻性）[28-30]。基于McCullough等[31-32]的研究，AAPM第1號報告發表了第一部關于CT影像質量控制和劑量學的指南[33]。

AAPM的CT測試模體（圖4）曾被廣泛應用于CT掃描裝置的影像質量控制和驗收測試，該模體包含了許多用于CT成像的圖像質量性能評估模塊。但是AAPM模體需要往腔內注水，使用較為不方便。因此，White等[34]在Goodenough等[35]開發出的環氧樹脂組織等效材料模體的基礎上不斷改進，采用固體澆鑄技術和模塊化設計，解決了水浴模體容易吸水、漏水以及水源差異的問題。Catphan 500是目前市場上比較典型的模塊化模體（圖5），該模體可以提供有關圖像質量參數的特定信息，如空間和對比度分辨率、光束硬化、均勻性和噪聲等[36]。已有研究者就定位光精度、進床精度、機架傾斜角準確性等方面對Catphan 500 CT性能測試模體做了進一步改造和應用研究，并在AAPM模體和Catphan模體的基礎上設計了一套新型CT成像性能檢測模體[37-38]。

圖4 CIRS Model 610模體的設計符合AAPM對CT性能的建議

圖5 Catphan圖像質量模體

CT系統的影像質量評估標準定義與影像測試模體的發展密切相關。2000年，歐盟拓展了CT成像模式質量標準指南的概念，建立了與患者劑量有關的質量標準和設備性能的指導方針[39-40]。美國放射學會（American College of Radiology，ACR）也推出了相關的CT認證項目。ACR CT模體（圖6）由4個等效水材料模塊組成。模體的直徑為20 cm，每個模塊的深度為4 cm。而我國也在2019年更新了《X射線計算機體層攝影裝置質量控制檢測規范》，該標準適用于診斷用CT的質量控制檢測，包括驗收檢測、使用中CT的狀態檢測及穩定性檢測。

4 自動管電流調制模體

隨著多層螺旋CT技術的發展，有可能增加同一部位CT檢查所致患者的受照劑量。為了解決這一問題，研究者們提出了包括增加螺距和降低管電流等各種減少輻射劑量的策略[41]。如今，幾乎所有的CT系統都具備三維管電流調制技術，這一技術可以根據患者的體型和組織衰減來實時調節掃描過程中的管電流從而降低患者受照劑量。由于不同CT制造商的自動管電流調制系統的工作原理不同，這就需要借助模擬患者大小和形狀的物理模體來評估管電流調制模式下的圖像質量以及輻射劑量，進而對CT裝置自動管電流調制的性能進行評價。

目前最常見的自動管電流調制模體主要是多個橢圓柱或圓柱材料的組合或堆疊，例如Kawashima等[42]使用了一組直徑不同的圓柱來測試不同機型CT在自動管電流調制（Automatic Tube Current Modulation，ATCM）下的圖像質量和劑量水平，而Sookpeng等[43]使用“婚禮蛋糕”模體與ImPACT圓錐模體進行ATCM下CT圖像質量比較。Deborah等[44]開發的新型ATCM模體由三個長短軸半徑比為3:2的不同大小橢圓體構成，相較于開發的CT模體，該模體缺少可以用于測量劑量的孔道結構，但由于其橢圓柱之間沒有空氣間隙，減小了因模體模塊之間不連續造成的響應。Justin等[45]的研究更進一步，在由五個不同直徑圓柱部分組成的模體中加入了器官紋理特征。

但是，這些模體大多只能進行個別圖像質量參數的測量，或不能與真實人體對射線吸收和衰減建立聯系，所以目前仍未有統一用于評價自動管電流調制的的標準測試方法和物理模體。

2006年，Hurwitz等[49]使用性別特異性模體對女性乳房劑量進行了研究。許多研究人員也嘗試使用仿真人模體對國際輻射防護委員會出版物103中性別相關的組織加權因子進行研究[50]。

近年來，仿真人模體也常常被用于研究CT輻射輸出特性的研究中。Schindera等[51]使用CIRS仿真人模體（model 702）研究ATCM下不同體型患者受照劑量。Spampinato等[52]使用PBU-X-21胸部模體探究ATCM輸出劑量與圖像質量的關系。我國仿真人模體的研究起步較晚，上世紀80年代初才開始仿真輻照體模及組織輻射等效材料的研究。四川大學林大全使用成都地區296名成人體型測量數據以及華西醫科大學人體解剖的臟器數據，研制出中國成人男性仿真胸部體模[53]，體模身高165.9 cm，體重57.5 kg。彭剛等[54-55]使用該模體對ATCM模式下不同噪聲指數的胸部器官吸收劑量進行評估。

但是，由于仿真人模體結構復雜，價格昂貴，劑量測量過程繁瑣，并且缺乏圖像質量客觀評價模塊等的原因，仿真人模體并沒有在臨床得以廣泛應用，目前主要應用于器官劑量的驗證測量。

5 仿真人模體在CT檢測中的應用

為了更真實地模擬人體組織的輻射吸收特性和解剖學特征，仿真人模體被引入了醫學輻射防護。Alderson等[46]引入了與仿真人模體相關的等效組織材料的概念。這些劑量學模體將真實的人體骨骼嵌入了模擬軟組織的材料中，有的還包含了模仿肺部形狀的低密度材料[47]。其中Alderson模體還可以插入熱釋光劑量計或輻射感光膠片[48]。近年來，使用不同種類劑量計對仿真人模體進行劑量測量已被廣泛應用于CT劑量估計。RANDO模體（圖7）由一種用于模擬人體軟組織的專用聚氨酯材料構成，該模體的組織等效材料模擬了人體肌肉組織、肺部組織和骨骼的有效原子序數和質量密度。

圖6 Gammex公司生產的ACR/CT模體

6 討論與展望

自第一代CT機發明以來，CT檢測模體的發展便與CT機的探測器等核心部件以及成像能力的發展密不可分。最初為單層軸向掃描CT設計的CTDI頭部和體部模體為醫用CT的日常驗收和檢測帶來了便利，而超寬射束CT的臨床應用，使得傳統模體和劑量測量方法受到了限制，研究人員通過增加模體的長度來克服這一缺陷。但是單一地增長模體并不能滿足CT技術的飛速發展，自動管電流調制技術已經廣泛使用于現代CT掃描，均一的模體形狀不能實現調制，更多的研究開始著眼于如何使用簡單的圓柱或者橢圓形狀組合實現管電流調制下CT性能的檢測。盡管許多研究已經可以實現部分CT性能參數的測量，但是至今仍未有統一的測量方法和物理模體可用于自動管電流調制技術的檢測與評價。另一方面，仿真人模體通過模擬真實人體組織器官的有效原子序數和質量密度，較之其他物理模體可以更好地與人體吸收劑量建立聯系，但卻普遍存在個體笨重，測量過程操作復雜，缺乏必要的客觀圖像質量檢測評價模塊等缺陷，未能得以廣泛應用。我國的醫用CT檢測模體研制起步較晚，目前主要處于研究階段，一些研究者對模體的材料和結構的設計進行了嘗試，但是這些研究成果并沒有廣泛應用于臨床檢測。因此，緊跟CT技術的發展，有必要開發可以用于檢測與評價CT新技術的輻射劑量與圖像質量模體，為CT裝置持續降低受檢者劑量與提高圖像質量提供技術支持。

圖7 RANDO仿真人模體