CT低劑量高分辨成像可行性研究體模實驗

姚開情，呂發金

重慶醫科大學附屬第一醫院 放射科，重慶 400016

引言

胸部低劑量CT和高分辨CT成像（High Resolution Computed Tomography，HRCT）在臨床工作中的應用日益普遍。近年來，胸部低劑量CT因其超低的輻射劑量已逐漸代替DR檢查用于健康體檢中；而HRCT檢查因其對胸部細小病變的顯示優勢也逐漸受到臨床醫師的青睞。HRCT于1985年被提出，基本內容是薄層掃描（1～2 mm），高分辨銳利算法重建和小視野模式的成像方法；它在20世紀90年代被認為是評估肺部可疑病變的有用工具。但傳統的HRCT采用140～200 mA，2～3 s掃描時間，產生的輻射劑量也非常的高[1]。Zwirewich等[1]在1991年首次提出了胸部低劑量高分辨成像的概念，該研究發現120 kV，20 mA的低劑量HRCT獲得的圖像解剖信息與200 mA掃描的圖像一致，沒有明顯降低空間分辨力和圖像質量，但該研究只進行了兩組掃描參數的對比，未將輻射劑量納入觀察指標。近年來胸部低劑量HRCT的相關研究均著重于對胸部疾病層面的研究，未進行掃描技術層面的研究[2-3]。

本研究采用不同管電壓/管電流組合的掃描方案對體模進行掃描，評估不同重建算法、不同管電壓和管電流對CT圖像質量的影響[4-8]，探尋最佳的低劑量HRCT掃描方案，以期為臨床胸部CT低劑量HRCT掃描提供理論依據及掃描參數選擇，同時在滿足臨床診斷的高質量CT圖像前提下，最大限度地減少對患者的輻射劑量。

1 材料與方法

1.1 檢測設備

SIEMENS公司Somatom Force CT掃描儀，GE公司Discovery HD750 CT掃描儀，美國體模實驗室Catphan 600性能體模。

1.2 掃描條件

1.2.1 Somatom Force CT

選擇胸部CT掃描方案，旋轉時間：0.5 s，準直寬度192×0.6 mm，螺距1.2，層厚：5 mm，層間距：5 mm，矩陣：512×512，卷積核 Br40、BI57，重建算法：濾波反投影（Filtered Back Projection，FBP）、ADMIRE3[9]；不同方案的掃描參數如下：固定管電壓sn100、80、100和120 kV，固定管電流 15、20、25、30、40、50、60、70、80、90、100、150和 200 mAs（分別對應 36、48、60、72、96、120、144、168、192、216、240、360和480 mA），總共52組掃描條件。

1.2.2 Discovery HD750 CT

選擇胸部CT掃描方案，旋轉時間：0.5 s，螺距：1.375，準直寬度：40 mm，速度：55 mm/rot，探測器配置：64×0.625，層厚：5 mm，層間距：5 mm，重建類型：Lung、Stnd，矩陣：512×512，重建模式：Full，重建算法：FBP、ASIR 50%；不同方案的掃描參數如下：固定管電壓80、100、120 kV，固定管電流35、50、60、70、95、120、145、170、190、215、240、360和480 mA，總共39組掃描條件。

1.3 Catphan 600性能體模

CTP528，高對比度分辨力模塊（空間分辨力）：內含呈同心圓環狀排布1～21線對/cm的高分辨力檢測卡和2顆鎢珠點源。空間分辨力以LP/cm或mm表示。21組線對組分別代表1～21 LP/cm。CTP515，低對比度分辨力模塊（密度分辨力）：有外圈和內圈對比度靶塊，外圈靶塊尺寸2、3、4、5、6、7、8、9、15 mm，內圈靶塊尺寸3、5、7、9 mm。外圈靶和內圈靶均有3種對比度水平：0.3%、0.5%、1.0%。密度分辨力，以百分單位毫米數（%/mm）或毫米百分單位（mm/%）表示。CTP486，圖像均勻性模塊：由一均勻材質構成，用來測量空間均勻性，CT平均值和噪聲[10]。Catphan 600性能體模圖片如圖1所示。

圖1 Catphan 600實物圖及CTP528、CTP515、CTP486模塊CT掃描圖

1.4 檢測方法及圖像評價

在Somatom Force CT和Discovery HD750 CT上分別對Catphan 600的CTP528、CTP515、CTP486模塊按照預設掃描條件進行掃描，記錄容積CT劑量指數（Volume CT Dose Index，CTDIvol）值，將所有圖像傳至GE AW4.6后處理工作站。由2名具有5年及以上工作經驗的放射科醫師在對圖像信息不知情的情況下進行獨立閱片，評價圖像的空間分辨力和密度分辨力，意見不同時經協商后達成一致；由一名醫師對圖像噪聲進行測量和記錄。在銳利圖像（Lung/BI57）上評價圖像空間分辨力，在平滑圖像（Stnd/Br40）上評價圖像密度分辨力和測量圖像噪聲。

1.4.1 空間分辨力、密度分辨力的評價

在CTP528銳利圖像上調節窗寬、窗位至最佳值，記錄未觀察到短缺和粘連的線對結構的最高空間分辨力（LP/cm）；在CTP528平滑圖像上選取外圈對比度為1.0%的孔徑進行觀察，確定能分辨的最小圓柱孔徑，以能看到圓面積的80%為有效，記錄其孔徑作為密度分辨力（mm/1.0%），若無法分辨最大孔徑，則用“#”表示，孔徑越小代表密度分辨力越高。在CTP486平滑圖像上設置5個相同大小的感興趣區（Region of Interest，ROI）（ROI：150 mm2），分別放置于均勻圖像的中心和上下左右四周（距離模塊內圈邊緣約10 mm），記錄5個ROI的CT值標準偏差，取平均值作為圖像噪聲。

1.4.2 輻射劑量分組

將91組固定管電壓/管電流組合CTDIvol值按照數值高低分為：低劑量組＜2 mGy；高劑量組＞8 mGy[11-12]。觀察高、低劑量組合中輻射劑量與空間分辨力和密度分辨力主觀評價的關系，探尋低劑量下最佳的空間分辨力與密度分辨力的電壓與電流組合。

1.5 統計學處理

采用SPSS 25.0統計軟件進行統計學分析。將Somatom Force CT的52組數據和Discovery HD750 CT的39組數據納入分析，以比較不同重建算法對圖像質量（主觀評價、圖像噪聲）的影響。不同重建算法的比較采用Shapiro-Wilk（SW）正態分布檢驗，符合正態分布用(±s)表示，使用配對樣本t檢驗進行分析；不符合正態分布用中位數與四分位數間距表示M (Q1,Q3)，使用配對樣本秩和檢驗進行分析。若P＜0.05，表示差異有統計學意義。

2 結果

2.1 不同重建算法對空間分辨力、密度分辨力及圖像噪聲的影響

Force CT中ADMIRE3和FBP對空間分辨力、密度分辨力主觀評價的影響無統計學差異（P＞0.05），對圖像噪聲的影響存在統計學差異（Z=-6.275，P＜0.001），ADMIRE3算法圖像噪聲更低。HD750 CT中ASIR 50%和FBP對空間分辨力、密度分辨力主觀評價的影響無統計學差異（P＞0.05），對圖像噪聲的影響存在統計學差異（Z=-5.442，P＜0.001），ASIR 50%算法圖像噪聲更低（表1）。

表1 不同重建算法（IR、FBP）對空間分辨力、密度分辨力和圖像噪聲的影響

2.2 低劑量組與高劑量組輻射劑量與空間分辨力、密度分辨力關系（迭代算法數據組）

Force CT中低劑量組34例，高劑量組3例；HD750CT中低劑量組19例，高劑量組3例；Force CT和HD750CT中高、低劑量組空間分辨力存在部分重疊，密度分辨力無重疊（表2）。

表2 低劑量組與高劑量組中的輻射劑量與空間分辨力和密度分辨力主觀評價情況

2.3 低劑量組中7 LP/cm空間分辨力對應的掃描參數組合、輻射劑量與密度分辨力情況（迭代算法數據組）

Force CT中低劑量組空間分辨力達7 LP/cm共8例，HD750 CT中低劑量組空間分辨力達7 LP/cm共6例。Force CT中CTDIvol值1.34～1.59 mGy，密度分辨力15～9 mm/1.0%；HD750 CT中CTDIvol值1.54～1.96 mGy，密度分辨力15～9 mm/1.0%。Force CT和HD750 CT低劑量組中7 LP/cm空間分辨力最佳的掃描參數組合：120 kV/25 mAs（60 mA），輻射劑量CTDIvol1.64/1.60 mGy，密度分辨力9 mm/1.0%（表3、圖2）。

圖2 不同管電壓/管電流組合空間分辨力與密度分辨力顯示圖

3 討論

本研究用FBP重建與迭代重建（ADMIRE3/ASIR 50%）進行對比研究發現，FBP重建與迭代重建對空間分辨力、密度分辨力主觀評價的影響無統計學差異，但迭代重建（ADMIRE3/ASIR 50%）算法的圖像噪聲更低。總體而言，迭代重建算法優于FBP算法。這與以往的研究結果基本一致。?rgel等[13]在主動脈CT血管成像圖像質量的研究中發現，ADMIRE重建的圖像噪聲和信噪比均優于FBP重建。唐世龍等[14]通過研究ASIR重建在兒童頭部CT掃描中的應用時發現，在水模實驗和臨床試驗中，ASIR組的圖像噪聲均優于FBP組，ASIR重建既可降輻射劑量，又能保證圖像質量。

本研究通過不同的管電壓和管電流組合對體模進行掃描發現：不同輻射劑量組（低劑量、高劑量組）中空間分辨力主觀評價范圍存在部分重疊，在一定的輻射劑量范圍內，空間分辨力變化并不明顯。這表明，單純通過增加輻射劑量來提高對比度分辨力并不可取，這與張璞等[15]的研究結果基本一致。低劑量條件下可獲得與高劑量條件一樣高的空間分辨力，但密度分辨力不如高劑量。由本研究結果可知，在120 kV/25 mAs（60 mA）的掃描條件下，可實現最佳的低劑量高分辨成像，獲得較好的圖像質量，既滿足低劑量需求，又滿足高分辨成像。以往的臨床胸部低劑量HRCT研究對掃描參數的設定并無理論依據的支持[2,16]。Chen等[2]在使用低劑量HRCT進行慢阻肺患者氣道病理的定量評估時，將掃描條件設置為120 kV，40 mA。黃曉兵等[16]在研究低劑量HRCT在胸部病變中的應用價值時，將掃描條件設置為120 kV，40 mAs。本研究通過體模研究證實120 kV/25 mAs（60 mA）的掃描條件可實現最佳的低劑量高分辨成像，為臨床胸部低劑量HRCT掃描參數的選擇提供了理論依據和可供參考的選擇。本研究在兩個不同廠家生產的CT設備上進行體模實驗，得到較為一致的結果，這證實本研究的結果是可靠的。

4 結論

管電壓120 kV、管電流25 mAs（60 mA）的低劑量掃描方案，結合迭代重建算法可實現最佳的低劑量高分辨成像，為臨床胸部低劑量HRCT掃描參數的選擇提供了理論依據和可供參考的選擇。本研究僅是體模研究，尚未將研究結果運用于臨床試驗，且存在以下不足：① 本研究是體模研究，無法顯示自動管電壓、自動管電流技術優勢；② 本研究僅通過改變管電流和管電壓、重建算法進行研究，未對其他掃描參數進行研究，以上不足也將是我們下一步的研究內容。