劉師竺，趙靜霞，胡博奇，于喜坤，張健，魏宇林，劉景鑫

1. 吉林大學(xué)中日聯(lián)誼醫(yī)院 放射線科，吉林 長春 130033；2. 吉林省醫(yī)學(xué)影像工程技術(shù)研究中心，吉林 長春 130033；3. 吉林大學(xué) 護(hù)理學(xué)院實驗教學(xué)中心，吉林 長春 130021；4. 長春市計量檢定測試技術(shù)研究院，吉林 長春 130012

引言

近年來，CT已經(jīng)成為臨床診斷中不可或缺的一種檢查方法，隨著CT的發(fā)展，人們越來越關(guān)注如何在保證影像質(zhì)量的前提下，使劑量最優(yōu)化[1-3]。目前，國內(nèi)外許多專家對低劑量CT檢查的方法進(jìn)行了多方面、多角度的研究：如從設(shè)備入手，探究降低放射劑量時對圖像造成的影響；從掃描參數(shù)入手，從臨床試驗數(shù)據(jù)或?qū)嶋H應(yīng)用的檢查數(shù)據(jù)中歸納總結(jié)出經(jīng)驗[4-6]；也有的專家選擇了對單一機(jī)型、單一檢查項目或者某一項標(biāo)準(zhǔn)數(shù)值進(jìn)行研究或闡釋[7-11]。雖然過往研究已對部分部位的檢查劑量和患者的受照射劑量給出了相應(yīng)的參考值[12-14]，但腹部CT作為臨床常用的檢查手段，其低劑量相關(guān)研究卻相對匱乏[15-16]。我們在2016年成功獲得十三五國家重點研發(fā)項目《放射診療設(shè)備低劑量評價和應(yīng)用規(guī)范研究》，在項目的支持下我們從圖像質(zhì)量的評定入手，針對腹部低劑量CT掃描在多個省的醫(yī)院進(jìn)行了不同模體直徑、不同螺距和不同mAs的大量實驗及數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析，最終得出了腹部低劑量檢查的劑量閾值，這對臨床診療具有重要意義。

1 材料與方法

1.1 CT實驗?zāi)ｓw

我們選取目前醫(yī)療市場上的主要CT廠家，國內(nèi)廠家包括東軟醫(yī)療、明峰醫(yī)療、深圳安科和上海聯(lián)影，國外廠家包括GE醫(yī)療、Siemens醫(yī)療、Philips醫(yī)療、東芝醫(yī)療和日立醫(yī)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(yī)院進(jìn)行了326臺次試驗。CT實驗?zāi)ｓw，見圖1。

圖1 CT實驗?zāi)ｓw圖片

1.2 實驗方法

將CT實驗?zāi)ｓw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，在螺距∶速度（pitch:speed）為0.562:1、0.938:1和1.375:1的三種條件下，設(shè)置mA量分別為250、200、150、100、70、60、50、40、30以及20 mA進(jìn)行掃描，掃描模體時在周圍不應(yīng)有影響射線束的物質(zhì)[17]。

1.3 測量方法

1.3.1 采用CATPHAN 500時的測量方法

（1）CT值、噪聲、均勻性。在CATPHAN模體的486模塊中心層面，在中心用大于100像素的感興趣區(qū)（Region of Interest，ROI）（面積約為1 cm2）測CT值及標(biāo)準(zhǔn)偏差（Standard Deviation，SD），用公式（1）計算噪聲。在圖像圓周相當(dāng)于鐘表時針3、6、9、12點的方向，距圖像邊緣1 cm處取四個相同大小的ROI，計算四點CT值，邊緣CT值與中心CT值的最大偏差為均勻性。

式中，N表示噪聲，SD表示標(biāo)準(zhǔn)偏差。

（2）低對比分辨力（密度分辨力）。在CATPHAN模體的515模塊中心層面，同時調(diào)節(jié)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）高對比度辨力（空間分辨力）。在CATPHAN模體的528模塊中心層面，同時調(diào)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(shù)。

1.3.2 采用RGRMS-2016時的測量方法

（1）CT值（水）。打開DICOM水模圖像，置窗寬W 100左右、窗位L 0左右，在水模圖像中心位取ROI面積170 mm2左右（ROI直徑約為水模直徑的1/10），讀取平均CT值，即CT值（水）。

（2）均勻性。在水模圖像圓周相當(dāng)于鐘表12點（上）、3點（L：病人左）、6點（下）和9點（R：病人右）4個方向上，距邊緣約10 mm處，用上述面積的ROI圈測量4個平均CT值，與圖像中心位平均CT值的最大差值即均勻性的測量值；

（3）噪聲。按規(guī)范要求，在水模圖像中心取一定面積的ROI（如32 cm2左右，或取ROI直徑約為水模直徑的40%）測量ROI內(nèi)平均CT值的標(biāo)準(zhǔn)偏差記為nT，T為實際掃描層厚按公式(2)對nT值進(jìn)行層厚修正得n10，按公式(3)用n10計算噪聲。

式中，n10為層厚為10 mm時的噪聲，nT為實際層厚為T時噪聲的測量值，T為預(yù)設(shè)層厚，單位為 mm。

式中，σ水表示水模體ROI中測量的標(biāo)準(zhǔn)偏差，CT水、CT空氣分別表示水CT值和空氣CT值的測量值，則CT水－CT空氣為對比度標(biāo)尺。

（4） 低對比可探測能力。打開DICOM低對比模體圖像，置窗寬W為20左右、窗位L為0左右，調(diào)試W/L到圖像清晰為準(zhǔn)。10 mm層厚掃描時，4個模塊設(shè)計對比度分別為2%、1%、0.5%、0.3%；其中最大圓φ10 mm用于圖像實測對比度測量。測量φ10 mm圓處CTmean值，再在模塊中心處測得“背景CTmean值”，兩個CTmean值（HU）之差除以10為實測“%對比度”。每個模塊上供可分辨觀測的孔徑由大到小共九個：φ7、φ6、φ5、φ4、φ3、φ2.5、φ2、φ1.5、φ1.0。分別測量、計算、記錄每個模塊的圖像實測對比度和可看到的（可見明顯高于周圍噪聲的圓形輪廓）最小孔徑mm數(shù)。4個模塊所得對比度%數(shù)乘以可分辨最小孔徑mm數(shù)相加，求得均值，即低對比可探測能力。

（5）高對比分辨力。打開DICOM綜合模掃描標(biāo)準(zhǔn)重建或高分辨重建掃描像。將窗寬調(diào)至最小，降低窗位，觀看圖像周邊8個孔模像，mm為單位的方孔，尺寸由大到?。?×3，2.5×2.5，2×2，1.75×1.75，1.5×1.5//1.25×1.25，1.0×1.0//0.9×0.9，0.8×0.8/0.7×0.7//0.6×0.6，0.5×0.5//0.4×0.4//0.3×0.3/0.2×0.2，共八檔，15組孔。隨著窗位降低，每組5個孔不粘連、不丟失，即認(rèn)為裸眼可分辨的標(biāo)稱孔尺寸。通常情況下可能會丟失1～4個孔，經(jīng)驗評估的方法：本組標(biāo)稱孔尺寸+丟失孔數(shù)×（上組標(biāo)稱孔尺寸－本組標(biāo)稱孔尺寸）/5。高分辨算法與標(biāo)準(zhǔn)算法重建圖像的評估方法一樣，但掃描時應(yīng)取較薄層厚，取5 mm左右，一般不取10 mm。

1.3.3 采用不同模體直徑時CT值、噪聲及均勻性的測量方法

將模體圓柱軸線與掃描層面垂直并處于掃描野中心，對圓柱中間層面進(jìn)行掃描。采用頭部掃描條件進(jìn)行掃描，且每次掃描模體中心位置處的輻射劑量應(yīng)不大于50 mGy。選取圖像中心大約500個像素點大?。s十分之一模體面積）的ROI，測量該ROI的平均CT值、標(biāo)準(zhǔn)偏差，其中平均CT值作為水CT值的測量值，標(biāo)準(zhǔn)偏差除以對比度標(biāo)尺作為噪聲的測量值n，見公式（3）。另外在圖像圓周相當(dāng)于鐘表時針3、6、9、12點的方向，距模體影像邊沿約10 mm處，選取大約500個像素點大小的ROI，分別測量這四個ROI的平均CT值，其中與圖像中心ROI平均CT值的最大差值作為均勻性的測量值。

2 結(jié)果

在實驗過程中，設(shè)定mAs和實際掃描中的mAs并非一個數(shù)值，見表1。

表1 設(shè)定mAs與實際mAs對照表

我們統(tǒng)計分析了不同劑量下各CT設(shè)備間的性能參數(shù)測量數(shù)據(jù)，結(jié)果見表2。

表2 不同劑量下各CT設(shè)備性能評分（±s）

表2 不同劑量下各CT設(shè)備性能評分（±s）

設(shè)定(mAs) 噪聲 (%) CT值 (HU) 均勻性 (HU)空間分辨力 (LP/cm)低對比度分辨力(mm)250 0.29±0.00-1.17±0.97 1.33±0.67 7 2.50±0.33 200 0.35±0.00-1.33±0.67 1.17±0.17 7 2.50±0.33 150 0.40±0.01-1.17±0.97 1.17±0.17 7 2.75±0.92 100 0.48±0.01-1.33±0.67 1.17±0.57 7 2.75±0.92 70 0.58±0.01-1.17±0.97 1.33±0.67 7 3.00±0.67 60 0.64±0.01-1.17±0.97 1.33±1.07 7 3.25±0.25 50 0.70±0.01-1.17±0.97 1.33±1.07 7 3.50±1.00 40 0.77±0.02-1.17±0.97 1.33±1.07 7 4.00±1.33 30 0.89±0.02-1.33±0.67 1.50±1.10 7 5.00±1.33 20 1.06±0.04-1.33±1.47 1.33±1.07 8 5.75±2.25 P值 ＜0.05 1.00 0.99 1 1.00

由表2可知，對于不同劑量下各CT設(shè)備間的CT值、均勻性、空間分辨力和低對比度分辨力4項指標(biāo)P≥0.05，故其測量值差異無統(tǒng)計學(xué)意義，而噪聲指標(biāo)P≤0.05，故其測量值有顯著性差異，為使結(jié)論能夠適用于臨床上大部分CT設(shè)備，我們在數(shù)據(jù)中選擇了一組噪聲相對不理想的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，分析結(jié)果如下。

根據(jù)國家計量檢定規(guī)程JJG 961-2017《醫(yī)用診斷螺旋計算機(jī)斷層攝影裝置（CT）X射線輻射源》[18]要求中要求低對比分辨力在1%對比度應(yīng)能分辨模體中3 mm的圓孔和0.3%對比度應(yīng)能分辨模體中6 mm的圓孔，由此可見50 mAs以上的劑量都是符合要求的。由于低對比分別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(jié)果不再進(jìn)行論述。低對比分辨力隨mAs的變化規(guī)律，見表3。

表3 低對比分辨力隨mAs的變化規(guī)律

通過數(shù)據(jù)分析，CT圖像噪聲隨著mAs值的增大而減??；其他條件相同時，螺距越大，噪聲越大。這說明了低劑量檢查必然伴隨一定的噪聲，采用不同螺距時噪聲隨mAs的變化規(guī)律，見圖2[3]。

圖2 采用不同螺距時噪聲隨mAs的變化規(guī)律

通過數(shù)據(jù)分析，螺距:速度為0.562:1時，模體A、模體B總體變化不大，噪聲值隨毫安量降低而升高；當(dāng)毫安量降到50 mAs以下時，模體C、模體D噪聲數(shù)值變化較大，75 mAs以上時噪聲數(shù)值變化較小。當(dāng)劑量大于75 mAs時噪聲變化趨于平緩。模體A直徑為21.5 cm，模體B直徑為21.5 cm，模體C直徑為33 cm；模體D直徑為40 cm。由此可見，直徑不同的模體受mAs影響，噪聲變化不盡相同，但總體呈現(xiàn)為mAs降低，噪聲升高。采用不同模體直徑時噪聲隨mAs的變化規(guī)律，見圖3。

圖3 采用不同模體直徑時噪聲隨mAs的變化規(guī)律

通過數(shù)據(jù)分析，螺距∶速度為0.938:1時，我們可以看到，大于50 mAs時的均勻性起伏波動很小，小于50 mAs時，模體C和模體D的均勻性開始大幅下降。采用不同模體直徑時均勻性隨管電流的變化規(guī)律，見表4。

表4 采用不同模體直徑時均勻性隨管電流的變化規(guī)律

通過數(shù)據(jù)分析，大于50 mAs時CT值波動極小。結(jié)合國家標(biāo)準(zhǔn)，CT值波動在允許范圍之內(nèi)。小于50 mAs時，螺距:速度=0.938:1和螺距:速度=1.375:1的兩組數(shù)據(jù)中CT值有了較大變化。對于物體來說，CT值應(yīng)該是固定的，但實際的機(jī)械誤差難以避免。采用不同螺距時CT值隨mAs變化規(guī)律表如表5所示。

通過數(shù)據(jù)分析，由表可見，降低毫安量至50 mAs以下時，空間分辨力略微降低。我們可以認(rèn)為，在該實驗條件下，當(dāng)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的變化規(guī)律，見表6。

根據(jù)以上實驗結(jié)果，空間分辨力隨mAs變化不大，當(dāng)毫安秒小于50 mAs時，模體的CT值、均勻性和低對比分辨力均有大幅度改變，不符合相應(yīng)國家標(biāo)準(zhǔn)。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(shù)和后處理技術(shù)更新?lián)Q代之前我們幾乎無法解決的問題。當(dāng)mAs小于50 mAs時，低對比分辨力不能符合標(biāo)準(zhǔn)；當(dāng)mAs大于75 mAs時，噪聲的變化趨于平緩。所以在保證影像質(zhì)量的前提下，腹部CT低劑量掃描的劑量閾值為75 mAs。

表5 采用不同螺距時CT值隨mAs變化規(guī)律

表6 采用不同螺距時空間分辨力隨mAs的變化規(guī)律

3 討論

隨著多層螺旋CT的廣泛應(yīng)用，X線輻射劑量的問題越來越受到重視。根據(jù)CT檢查放射防護(hù)原則，我們應(yīng)在保證圖像質(zhì)量、滿足診斷要求的前提下，盡量減少患者的輻射劑量。在低劑量概念已經(jīng)深入業(yè)內(nèi)的今天，怎樣用低劑量獲取最有診斷價值的圖像非常關(guān)鍵。低劑量掃描技術(shù)可以通過優(yōu)化掃描參數(shù)，合理的選擇管電流值，在滿足診斷的基礎(chǔ)上來控制輻射劑量，從而保護(hù)受檢者的健康。保持管電壓不變，降低管電流量，是目前降低輻射劑量的主要研究方向。CT的設(shè)備的輻射劑量降低，則得到的圖像中的低對比分辨力降低，即分辨圖像細(xì)節(jié)的能力降低；圖像的噪聲增大，其低劑量圖像與常規(guī)劑量圖像相比較，圖像中的顆粒明顯增粗。過低劑量條件下的噪聲導(dǎo)致圖像顆粒增粗，將對診斷將產(chǎn)生極大干擾。120 kV條件下，低對比分辨力和空間分辨力的閾值為50 mAs，噪聲的閾值為75 mAs。所以，我們選擇75 mAs作為低劑量CT腹部檢查的劑量閾值。

本研究選用的模體數(shù)較少，但模體所覆蓋的類型較齊全，采用了多種不同廠家、不同直徑、不同材質(zhì)的模體，模擬不同肥胖程度的患者進(jìn)行低劑量CT掃描。研究結(jié)果具備一定的局限性，但是對臨床具有一定的指導(dǎo)意義。本研究提供了腹部低劑量CT掃描所用的劑量閾值，既能使患者受到的輻射劑量降低，減少電離輻射對身體的傷害，又能滿足患者病情的診治需求，這是放射醫(yī)師和臨床醫(yī)師共同的愿望。

4 結(jié)論

我們在滿足GB/T 17589-2011《X射線計算機(jī)斷層攝影裝置質(zhì)量保證檢測規(guī)范》、JJG 961-2017《醫(yī)用診斷螺旋計算機(jī)斷層攝影裝置（CT）X射線輻射源》和CATPHAN 500說明書中對均勻性、噪聲、空間分辨力、低對比分辨力和CT值的計量性能要求的前提下，通過以上數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計分析，我們基本找到采用不同模體直徑、不同螺距時隨著mAs降低均勻性、噪聲、空間分辨力、低對比分辨力和CT值的變化趨勢。根據(jù)以上研究，我們認(rèn)為當(dāng)mAs大于75 mAs時可以滿足質(zhì)控模體的低劑量掃描需要。

當(dāng)然，我們給出的劑量范圍只是一個初步的粗略范圍，圖像質(zhì)量的評價也不應(yīng)只是單純的劑量研究。是否影響診斷，還需要不同年資的影像醫(yī)師及臨床醫(yī)師進(jìn)行主觀判斷。如何在不影響診斷的情況下獲得更低劑量的圖像，這還需要我們進(jìn)一步研究。