費(fèi)曉璐，李坤成，杜祥穎，白玫，劉彬，李鵬雨

首都醫(yī)科大學(xué)宣武醫(yī)院 醫(yī)學(xué)工程科，北京 100053

64排螺旋CT不同劑量條件下心臟成像質(zhì)量的物理量化評(píng)價(jià)

費(fèi)曉璐，李坤成，杜祥穎，白玫，劉彬，李鵬雨

首都醫(yī)科大學(xué)宣武醫(yī)院 醫(yī)學(xué)工程科，北京 100053

本文針對(duì)多排螺旋CT心臟掃描模式，設(shè)計(jì)了6組不同的掃描參數(shù)，對(duì)能夠進(jìn)行規(guī)律性搏動(dòng)的心臟體模進(jìn)行掃描，對(duì)圖像的質(zhì)量進(jìn)行量化評(píng)價(jià)，對(duì)不同劑量掃描參數(shù)對(duì)圖像質(zhì)量的影響進(jìn)行分析。

螺旋CT；心臟冠脈成像；輻射劑量；心臟體模

0 前言

心臟冠狀動(dòng)脈多排（層）螺旋 CT（multi-detector spiral CT，MDCT） 血 管 成 像（computerized tomography angiography，CTA）技術(shù)正在日益成為心臟檢查的常規(guī)手段，但是被檢查者遭受較大輻射劑量的問(wèn)題也成為引人關(guān)注的問(wèn)題。眾所周知，MDCT心臟檢查以亞毫米層厚的掃描覆蓋全心，與常規(guī)胸部掃描相比，掃描劑量 必然大幅增 加[1-3]。由于冠狀動(dòng)脈 CTA 的圖像質(zhì)量與輻射劑量成正比，臨床為了獲得更好的圖像質(zhì)量，有加大被檢查者輻射劑量的趨勢(shì)。隨著心臟 CTA 成像技術(shù)的廣泛應(yīng)用，如何采用較低劑量完成MDCT心臟掃描，而所獲圖像質(zhì)量能夠滿足臨床診斷要求，已經(jīng)成為擺在我們面前最重要的課題之一。因此，采用低劑量進(jìn)行冠狀動(dòng)脈 CTA 掃描、并對(duì)所獲圖像質(zhì)量進(jìn)行評(píng)估，具有顯著臨床意義。

我們?cè)O(shè)計(jì)6組劑量不同的掃描參數(shù)，對(duì)能夠進(jìn)行規(guī)律性搏動(dòng)的心臟體模進(jìn)行掃描，選擇能夠表征圖像質(zhì)量的有效物理參數(shù)對(duì)圖像質(zhì)量進(jìn)行量化評(píng)價(jià)，對(duì)不同劑量掃描參數(shù)對(duì)圖像質(zhì)量的影響進(jìn)行分析。

1 材料與方法

1.1 體模

本研究應(yīng)用GE公司CT圖像研究室提供的新型心臟動(dòng)態(tài)體模[4-6]。該體模由 3 部分組成 ：① 動(dòng)力部分，它的運(yùn)動(dòng)模式充分模擬人體左心室的搏動(dòng)，并具有3個(gè)運(yùn)動(dòng)時(shí)相；② 解剖結(jié)構(gòu)模擬部分，由模擬左心室的球囊和模擬冠狀動(dòng)脈的細(xì)管組成 ；③ 控制部分，通過(guò)編程來(lái)設(shè)定心臟體模的運(yùn)動(dòng)方式，可以設(shè)定每分鐘心跳從 0～150 bpm（beat per minute，bpm）范圍內(nèi)任意心率。

本研究設(shè)置體模運(yùn)動(dòng)速率為臨床檢查最常用的心率：55 bpm，模擬冠狀動(dòng)脈內(nèi)預(yù)先灌入含碘對(duì)比劑，將 CT 值調(diào)整至 300 Hu（Hounsfield units）。

1.2 掃描及重建條件

本研究使用 GE 公司的 LS VCT 進(jìn)行掃描，具體掃描參數(shù)為探測(cè)器寬度 64×0.625 mm，旋轉(zhuǎn)速度 350ms，螺距0.2。為了研究低劑量掃描對(duì)冠狀動(dòng)脈成像的影響，本研究設(shè)置了6組不同的球管電壓電流掃描參數(shù)。如表1所示，球管電壓 100～140kV，球管電流 350～650mAs，相應(yīng)的 CT輻射劑量指數(shù)（Computed Tomography Dose Index, CTDIvol）65.17～121.69 mGy。其中 1～4 組采用相同的電壓幅值，通過(guò)改變電流值達(dá)到改變輻射劑量的效果。第5組設(shè)定輻射劑量與第4組相同，降低電壓，提高電流。第6組設(shè)定輻射劑量與第2組相同，提高電壓，降低電流。設(shè)計(jì)最后兩組實(shí)驗(yàn)的目的在于研究當(dāng)輻射劑量一定時(shí)，采取何種電壓電流參數(shù)更能夠提高成像質(zhì)量。數(shù)據(jù)采用單扇區(qū)方法進(jìn)行采集。

以 10% 的 R-R 間期為步長(zhǎng)，在 R-R 間期的 0% ～90%區(qū)間對(duì)心臟掃描數(shù)據(jù)進(jìn)行常規(guī)重建，挑選每組參數(shù)下研究目標(biāo)受運(yùn)動(dòng)偽影影響最小的相位圖像作為進(jìn)一步處理的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。

圖像采用標(biāo)準(zhǔn)重建函數(shù)進(jìn)行重建，掃描野大小為130mm×130mm，圖像矩陣為 512×512，層厚 0.625mm。

1.3 圖像處理及分析

將獲得的體層圖像傳輸?shù)揭慌_(tái)離線工作站（D530 CMT, HP）上，基于 MATLAB 環(huán)境行進(jìn)一步數(shù)據(jù)處理及分析。

本研究應(yīng)用以下幾個(gè)物理參數(shù)評(píng)價(jià)成像質(zhì)量：

（1）圖像噪聲，由選定背景區(qū)域中的 CT 密度值的標(biāo)準(zhǔn)差計(jì)算得出。

（2）信號(hào)噪聲比（SNR）和對(duì)比度噪聲比（CNR），由公式 (1)和 (2)計(jì)算得出，公式 (1)和 (2)中，So是造影劑填充管腔區(qū)域的平均 CT 值，Sb是選定背景區(qū)域的平均 CT 值，是圖像的噪聲。

（3）邊緣銳利度，以 HU/mm 為單位，定義為血管壁與背景之間CT值變化曲線的斜率，即血管壁的線擴(kuò)散函數(shù)，反映圖像的真實(shí)空間分辨力[7]。

邊緣銳利度按照如下方法實(shí)現(xiàn)客觀評(píng)估 ：① 讀取 CT影像數(shù)據(jù) ：CT 圖像數(shù)據(jù)是遵從國(guó)際標(biāo)準(zhǔn) DICOM 格式的灰度數(shù)據(jù)，需先要根據(jù)設(shè)備查找表（modality lookup table，LUT）的信息，將原始數(shù)據(jù)變換成圖像對(duì)應(yīng)的真實(shí) CT 值。② 選取興趣區(qū) ：觀察者手動(dòng)選定一個(gè)方形興趣區(qū)，該興趣區(qū)應(yīng)該跨越從背景到造影劑灌注腔（或反向）的變化 ，如圖1 所示。③ 圖像處理 ：對(duì)興趣區(qū)內(nèi)的圖像數(shù)據(jù)逐行進(jìn)行灰度分析，選每行的灰度曲線導(dǎo)數(shù)值最大點(diǎn)作為基準(zhǔn)點(diǎn)，使各行對(duì)齊，將灰度變化的弧線轉(zhuǎn)化為直線，為求得線擴(kuò)散函數(shù)做準(zhǔn)備。④ 計(jì)算邊緣銳利度 ：按照線擴(kuò)散函數(shù)定義，將處理后圖像進(jìn)行列內(nèi)平均，求得代表該邊緣的平均線擴(kuò)散函數(shù)。取線擴(kuò)散函數(shù)的導(dǎo)數(shù)最大值，作為該擴(kuò)散函數(shù)對(duì)應(yīng)灰度曲線的邊緣 銳利度如圖1 所示。圖中黃色實(shí)線圈選定的興趣區(qū)用來(lái)測(cè)量背景的噪聲，藍(lán)色實(shí)線圈選定的興趣區(qū)用來(lái)測(cè)量造影劑填充管腔區(qū)域的平均CT值作為目標(biāo)亮度水平。左邊的黃色虛線方框內(nèi)選定的興趣區(qū)用來(lái)測(cè)量造影劑填充腔邊緣銳利度。

圖1 多排（層）螺旋CT的動(dòng)態(tài)心臟體模軸向成像上的興趣區(qū)

2 結(jié)果

本實(shí)驗(yàn)過(guò)程順利，未出現(xiàn)任何技術(shù)問(wèn)題，所獲圖像的質(zhì)量均滿足數(shù)據(jù)分析的要求。經(jīng)檢驗(yàn)各組數(shù)據(jù)都符合正態(tài)分布。

表1 掃描參數(shù)及物理圖像質(zhì)量評(píng)價(jià)參數(shù)總結(jié)

表1 掃描參數(shù)及物理圖像質(zhì)量評(píng)價(jià)參數(shù)總結(jié)（續(xù)）

前4組圖像的噪聲、對(duì)比度噪聲比和信號(hào)噪聲比的測(cè)量值，組間差異有非常顯著性意義（P＜0.001）。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)隨管電流降低，圖像噪聲增加、對(duì)比度噪聲比和信號(hào)噪聲比均下降。第5組圖像的噪聲水平與第4組相近，而其對(duì)比度噪聲比和信號(hào)噪聲比卻與第2組相近。第6組圖像的噪聲水平與第2組相近，但其對(duì)比度噪聲比和信號(hào)噪聲比介于第3與第4組之間。

表1詳細(xì)總結(jié)了6組掃描參數(shù)及其對(duì)應(yīng)圖像質(zhì)量參數(shù)。第6組圖像的邊緣銳利度顯著低于其他5組，而第4組與管電壓相同的前3組比較，其邊緣銳利度略低。雖然第5組圖像模擬冠狀動(dòng)脈的CT值顯著高于其他幾組，但是其邊緣銳利度與第（1～3）組無(wú)顯著性差異（如圖2 所示）。相關(guān)分析檢驗(yàn)結(jié)果表明：圖像噪聲與劑量成反比關(guān)系（R=-0.978，P=0.001）， 但 與 電 壓 或 電 流 均 無(wú) 相 關(guān) 性（P＞0.05）；圖像的對(duì)比度噪聲比和信號(hào)噪聲比與管電流成正比關(guān)系（R=0.984，P＜0.001 和 R=0.953，P=0.003）；采用二元變量相關(guān)分析，邊緣銳利度與掃描參數(shù)均無(wú)顯著性相關(guān)關(guān)系；而采用偏相關(guān)分析時(shí)，邊緣銳利度與管電壓成反比關(guān)系（R = 0.883，P = 0.047）。

圖2 6組不同掃描條件下的邊緣銳利度（CT密度）曲線

3 討論

目前，應(yīng)用 MDCT 進(jìn)行心臟冠狀動(dòng)脈檢查所面臨的主要安全問(wèn)題是高電離輻射劑量[8]。在臨床上，我們通常應(yīng)用調(diào)整管電壓和電流的方式來(lái)降低輻射劑量，但是這些調(diào)整對(duì)冠狀動(dòng)脈的顯示判斷冠狀動(dòng)脈狹窄率的具體影響還不清楚。因此，本實(shí)驗(yàn)采取不同輻射劑量對(duì)模擬冠狀動(dòng)脈狹窄的體模進(jìn)行掃描，以研究低劑量對(duì) CTA 冠狀動(dòng)脈圖像質(zhì)量和判斷冠狀動(dòng)脈狹窄程度的影響。

本實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：在保持電流恒定的條件下，輻射劑量隨電壓降低而降低。由于輻射劑量與管電壓的平方乘以電流成正比，在需要維持輻射劑量恒定時(shí)，電壓的微小調(diào)整即引起電流值較大幅度的調(diào)整。本研究所用體模的重量固定，圖像噪聲僅受掃描參數(shù)的影響。由表1可以看出，作為電壓和電流的綜合作用，圖像噪聲最終僅與劑量成正相關(guān)關(guān)系。但是對(duì)比度噪聲比和信號(hào)噪聲比主要與電流相關(guān)。降低電流，對(duì)比度噪聲比和信號(hào)噪聲比也隨之降低，在一定范圍內(nèi)維持輻射劑量不變的前提下，提高球管電壓并不能增加圖像的對(duì)比度噪聲比和信號(hào)噪聲比。這是因?yàn)楸M管增加電壓使輻射劑量大幅度增加，并導(dǎo)致圖像噪聲相應(yīng)降低，但同時(shí)也引起被對(duì)比劑增強(qiáng)血管結(jié)構(gòu)透明度的降低，進(jìn)而使冠狀動(dòng)脈信號(hào)隨之降低。因此，當(dāng)使用對(duì)比劑增強(qiáng) CTA 技術(shù)時(shí)，調(diào)整球管電壓會(huì)導(dǎo)致圖像噪聲和對(duì)比劑增強(qiáng)部位信號(hào)同時(shí)增加或減少，以致電壓對(duì)對(duì)比度噪聲比和信號(hào)噪聲比的影響均很小。

跨越體模心臟邊緣的CT密度曲線實(shí)際上可以認(rèn)為是獲得該圖像的 LSF，根據(jù) LSF 可以推算出該圖像的實(shí)際空間分辨力[9-10]。CT 密度曲線的變化越銳利，說(shuō)明圖像信號(hào)中含有的高頻成份越多，因此其對(duì)應(yīng)的實(shí)際空間分辨力也就越高。本實(shí)驗(yàn)應(yīng)用體模的搏動(dòng)速率和其他掃描條件均相同，這種實(shí)際空間分辨力的差別，其實(shí)是圖像噪聲和對(duì)比度分辨能力對(duì)運(yùn)動(dòng)體模綜合影響的結(jié)果。本研究結(jié)果表明，低電壓條件下的CT密度曲線明顯比高電壓下的曲線變化銳利。在電壓幅值相同的前提下，低劑量下曲線的灰度變化相對(duì)比較緩慢。值得注意的是，盡管 120 kV 的前 3 組與100 kV 組的噪聲與信號(hào)強(qiáng)度有明顯差異，但是這 4 組曲線的變化銳利程度相似。由此可見輻射劑量與電壓同時(shí)對(duì)實(shí)際空間分辨力施加影響，但電壓的影響更為顯著。通過(guò)對(duì)邊緣銳利度與掃描參數(shù)的偏相關(guān)分析也驗(yàn)證了這一點(diǎn)。因此當(dāng)輻射劑量水平滿足噪聲的臨床最低要求時(shí)，通過(guò)適當(dāng)降低電壓可以達(dá)到提高實(shí)際空間分辨力的目的?；诒狙芯繑?shù)據(jù)，以及臨床40幅冠狀動(dòng)脈CTA 造影體層圖像的驗(yàn)證，臨床所能接受較好圖像質(zhì)量對(duì)應(yīng)的噪聲閾值應(yīng)該在 20Hu左右。

總之在 64 排（層）螺旋 CT 心臟成像中，在一定程度下降低劑量對(duì)成像質(zhì)量的影響不大。同時(shí)在維持劑量水平不變的條件下，使用低電壓和高電流的參數(shù)搭配有助于提高圖像的真實(shí)空間分辨力。

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Physical Quantitative Evaluation of Cardiac Imaging Quality at Different Dose Levels Using 64-row Detector CT

FEI Xiao-lu, LI Kun-cheng, DU Xiang-ying, BAI Mei, LIU Bin, LI Peng-yu
Medical Engineering Department, Xuanwu Hospital of Capital Medical University, Beijing 100053, China

Performs cardiac scans at six dose levels on pulsating cardiac phantom using 64-row detector CT. Evaluates the image quality by the physical parameters quantitatively and analyzes the effect of radian dose on the imaging quality.

spiral CT; cardiac coronary imaging; radiation dose; cardiac phantom

R814.42

A

10.3969/j.issn.1674-1633.2011.06.008

1674-1633(2011)06-0028-03

2008-04-23

2011-01-13

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（30870751）；北京市衛(wèi)生系統(tǒng)高層次衛(wèi)生技術(shù)人才培養(yǎng)計(jì)劃項(xiàng)目（2009-3-57）。

本文作者：費(fèi)曉璐，博士。

作者郵箱：feixiaolu@tsinghua．org．cn