64排螺旋CT不同剂量条件下心脏成像质量的物理量化评价

费晓璐，李坤成，杜祥颖，白玫，刘彬，李鹏雨

首都医科大学宣武医院 医学工程科，北京 100053

64排螺旋CT不同剂量条件下心脏成像质量的物理量化评价

费晓璐，李坤成，杜祥颖，白玫，刘彬，李鹏雨

首都医科大学宣武医院 医学工程科，北京 100053

本文针对多排螺旋CT心脏扫描模式，设计了6组不同的扫描参数，对能够进行规律性搏动的心脏体模进行扫描，对图像的质量进行量化评价，对不同剂量扫描参数对图像质量的影响进行分析。

螺旋CT；心脏冠脉成像；辐射剂量；心脏体模

0 前言

心脏冠状动脉多排（层）螺旋 CT（multi-detector spiral CT，MDCT） 血 管 成 像（computerized tomography angiography，CTA）技术正在日益成为心脏检查的常规手段，但是被检查者遭受较大辐射剂量的问题也成为引人关注的问题。众所周知，MDCT心脏检查以亚毫米层厚的扫描覆盖全心，与常规胸部扫描相比，扫描剂量 必然大幅增 加[1-3]。由于冠状动脉 CTA 的图像质量与辐射剂量成正比，临床为了获得更好的图像质量，有加大被检查者辐射剂量的趋势。随着心脏 CTA 成像技术的广泛应用，如何采用较低剂量完成MDCT心脏扫描，而所获图像质量能够满足临床诊断要求，已经成为摆在我们面前最重要的课题之一。因此，采用低剂量进行冠状动脉 CTA 扫描、并对所获图像质量进行评估，具有显著临床意义。

我们设计6组剂量不同的扫描参数，对能够进行规律性搏动的心脏体模进行扫描，选择能够表征图像质量的有效物理参数对图像质量进行量化评价，对不同剂量扫描参数对图像质量的影响进行分析。

1 材料与方法

1.1 体模

本研究应用GE公司CT图像研究室提供的新型心脏动态体模[4-6]。该体模由 3 部分组成 ：① 动力部分，它的运动模式充分模拟人体左心室的搏动，并具有3个运动时相；② 解剖结构模拟部分，由模拟左心室的球囊和模拟冠状动脉的细管组成 ；③ 控制部分，通过编程来设定心脏体模的运动方式，可以设定每分钟心跳从 0～150 bpm（beat per minute，bpm）范围内任意心率。

本研究设置体模运动速率为临床检查最常用的心率：55 bpm，模拟冠状动脉内预先灌入含碘对比剂，将 CT 值调整至 300 Hu（Hounsfield units）。

1.2 扫描及重建条件

本研究使用 GE 公司的 LS VCT 进行扫描，具体扫描参数为探测器宽度 64×0.625 mm，旋转速度 350ms，螺距0.2。为了研究低剂量扫描对冠状动脉成像的影响，本研究设置了6组不同的球管电压电流扫描参数。如表1所示，球管电压 100～140kV，球管电流 350～650mAs，相应的 CT辐射剂量指数（Computed Tomography Dose Index, CTDIvol）65.17～121.69 mGy。其中 1～4 组采用相同的电压幅值，通过改变电流值达到改变辐射剂量的效果。第5组设定辐射剂量与第4组相同，降低电压，提高电流。第6组设定辐射剂量与第2组相同，提高电压，降低电流。设计最后两组实验的目的在于研究当辐射剂量一定时，采取何种电压电流参数更能够提高成像质量。数据采用单扇区方法进行采集。

以 10% 的 R-R 间期为步长，在 R-R 间期的 0% ～90%区间对心脏扫描数据进行常规重建，挑选每组参数下研究目标受运动伪影影响最小的相位图像作为进一步处理的数据基础。

图像采用标准重建函数进行重建，扫描野大小为130mm×130mm，图像矩阵为 512×512，层厚 0.625mm。

1.3 图像处理及分析

将获得的体层图像传输到一台离线工作站（D530 CMT, HP）上，基于 MATLAB 环境行进一步数据处理及分析。

本研究应用以下几个物理参数评价成像质量：

（1）图像噪声，由选定背景区域中的 CT 密度值的标准差计算得出。

（2）信号噪声比（SNR）和对比度噪声比（CNR），由公式 (1)和 (2)计算得出，公式 (1)和 (2)中，So是造影剂填充管腔区域的平均 CT 值，Sb是选定背景区域的平均 CT 值，是图像的噪声。

（3）边缘锐利度，以 HU/mm 为单位，定义为血管壁与背景之间CT值变化曲线的斜率，即血管壁的线扩散函数，反映图像的真实空间分辨力[7]。

边缘锐利度按照如下方法实现客观评估 ：① 读取 CT影像数据 ：CT 图像数据是遵从国际标准 DICOM 格式的灰度数据，需先要根据设备查找表（modality lookup table，LUT）的信息，将原始数据变换成图像对应的真实 CT 值。② 选取兴趣区 ：观察者手动选定一个方形兴趣区，该兴趣区应该跨越从背景到造影剂灌注腔（或反向）的变化 ，如图1 所示。③ 图像处理 ：对兴趣区内的图像数据逐行进行灰度分析，选每行的灰度曲线导数值最大点作为基准点，使各行对齐，将灰度变化的弧线转化为直线，为求得线扩散函数做准备。④ 计算边缘锐利度 ：按照线扩散函数定义，将处理后图像进行列内平均，求得代表该边缘的平均线扩散函数。取线扩散函数的导数最大值，作为该扩散函数对应灰度曲线的边缘 锐利度如图1 所示。图中黄色实线圈选定的兴趣区用来测量背景的噪声，蓝色实线圈选定的兴趣区用来测量造影剂填充管腔区域的平均CT值作为目标亮度水平。左边的黄色虚线方框内选定的兴趣区用来测量造影剂填充腔边缘锐利度。

图1 多排（层）螺旋CT的动态心脏体模轴向成像上的兴趣区

2 结果

本实验过程顺利，未出现任何技术问题，所获图像的质量均满足数据分析的要求。经检验各组数据都符合正态分布。

表1 扫描参数及物理图像质量评价参数总结

表1 扫描参数及物理图像质量评价参数总结（续）

前4组图像的噪声、对比度噪声比和信号噪声比的测量值，组间差异有非常显著性意义（P＜0.001）。实验发现随管电流降低，图像噪声增加、对比度噪声比和信号噪声比均下降。第5组图像的噪声水平与第4组相近，而其对比度噪声比和信号噪声比却与第2组相近。第6组图像的噪声水平与第2组相近，但其对比度噪声比和信号噪声比介于第3与第4组之间。

表1详细总结了6组扫描参数及其对应图像质量参数。第6组图像的边缘锐利度显著低于其他5组，而第4组与管电压相同的前3组比较，其边缘锐利度略低。虽然第5组图像模拟冠状动脉的CT值显著高于其他几组，但是其边缘锐利度与第（1～3）组无显著性差异（如图2 所示）。相关分析检验结果表明：图像噪声与剂量成反比关系（R=-0.978，P=0.001）， 但 与 电 压 或 电 流 均 无 相 关 性（P＞0.05）；图像的对比度噪声比和信号噪声比与管电流成正比关系（R=0.984，P＜0.001 和 R=0.953，P=0.003）；采用二元变量相关分析，边缘锐利度与扫描参数均无显著性相关关系；而采用偏相关分析时，边缘锐利度与管电压成反比关系（R = 0.883，P = 0.047）。

图2 6组不同扫描条件下的边缘锐利度（CT密度）曲线

3 讨论

目前，应用 MDCT 进行心脏冠状动脉检查所面临的主要安全问题是高电离辐射剂量[8]。在临床上，我们通常应用调整管电压和电流的方式来降低辐射剂量，但是这些调整对冠状动脉的显示判断冠状动脉狭窄率的具体影响还不清楚。因此，本实验采取不同辐射剂量对模拟冠状动脉狭窄的体模进行扫描，以研究低剂量对 CTA 冠状动脉图像质量和判断冠状动脉狭窄程度的影响。

本实验结果表明：在保持电流恒定的条件下，辐射剂量随电压降低而降低。由于辐射剂量与管电压的平方乘以电流成正比，在需要维持辐射剂量恒定时，电压的微小调整即引起电流值较大幅度的调整。本研究所用体模的重量固定，图像噪声仅受扫描参数的影响。由表1可以看出，作为电压和电流的综合作用，图像噪声最终仅与剂量成正相关关系。但是对比度噪声比和信号噪声比主要与电流相关。降低电流，对比度噪声比和信号噪声比也随之降低，在一定范围内维持辐射剂量不变的前提下，提高球管电压并不能增加图像的对比度噪声比和信号噪声比。这是因为尽管增加电压使辐射剂量大幅度增加，并导致图像噪声相应降低，但同时也引起被对比剂增强血管结构透明度的降低，进而使冠状动脉信号随之降低。因此，当使用对比剂增强 CTA 技术时，调整球管电压会导致图像噪声和对比剂增强部位信号同时增加或减少，以致电压对对比度噪声比和信号噪声比的影响均很小。

跨越体模心脏边缘的CT密度曲线实际上可以认为是获得该图像的 LSF，根据 LSF 可以推算出该图像的实际空间分辨力[9-10]。CT 密度曲线的变化越锐利，说明图像信号中含有的高频成份越多，因此其对应的实际空间分辨力也就越高。本实验应用体模的搏动速率和其他扫描条件均相同，这种实际空间分辨力的差别，其实是图像噪声和对比度分辨能力对运动体模综合影响的结果。本研究结果表明，低电压条件下的CT密度曲线明显比高电压下的曲线变化锐利。在电压幅值相同的前提下，低剂量下曲线的灰度变化相对比较缓慢。值得注意的是，尽管 120 kV 的前 3 组与100 kV 组的噪声与信号强度有明显差异，但是这 4 组曲线的变化锐利程度相似。由此可见辐射剂量与电压同时对实际空间分辨力施加影响，但电压的影响更为显著。通过对边缘锐利度与扫描参数的偏相关分析也验证了这一点。因此当辐射剂量水平满足噪声的临床最低要求时，通过适当降低电压可以达到提高实际空间分辨力的目的。基于本研究数据，以及临床40幅冠状动脉CTA 造影体层图像的验证，临床所能接受较好图像质量对应的噪声阈值应该在 20Hu左右。

总之在 64 排（层）螺旋 CT 心脏成像中，在一定程度下降低剂量对成像质量的影响不大。同时在维持剂量水平不变的条件下，使用低电压和高电流的参数搭配有助于提高图像的真实空间分辨力。

[1] Hohl C,Mühlenbruch G, Wildberger JE,et al． Estimation of radiation exposure in low-dose multislice computed tomography of the heart and comparison with a calculation program[J]．Eur Radiol, 2006,16(8):1841-1846．

[2] Hurwitz LM,Reiman RE,Yoshizumi TT,et al．Radiation dose from contemporary cardiothoracic multidetector CT protocols with an anthropomorphic female phantom: implications for cancer induction[J]．Radiology,2007,245(3):742-50．

[3] Brenner DJ,Hall EJ．Computed tomography--an increasing source of radiation exposure[J]．N Engl J Med,2007,357(22): 2277-2284．

[4] 祁吉,沈云,吴胜勇,等．新型心脏动态体模及其在多层螺旋CT心脏扫描中的应用[J]．中华放射学杂志,2006,(40):988-990．[5] Horiguchi J, Kiguchi M, Fujioka C, et al． Radiation dose, image quality, stenosis measurement, and CT densitometry using ECG-triggered coronary 64-MDCT angiography:a phantom study[J]．Am J Roentgenol,2008, 190(2):315-320．

[6] 费晓璐,李坤成,杜祥颖,等．基于64层CT对心脏体模冠状动脉狭窄成像的客观评估方法[J]．医疗设备信息,2007,22(2):4-6．

[7] 白玫,彭明辰．X线CT成像质量评估中的调制传递函数的测试与分析[J]．医疗设备信息,2006,21(5):11-13．

[8] 刘素峰．CT影像质量的保证和控制[J]．医疗设备信息,2007, 22(2):87-88．

[9] Ohkubo M, Wada S, Matsumoto T,et al． An effective method to verify line and point spread functions measured in computed tomography[J]． Med Phys,2006,33(8):2757-2764．

[10] Nickoloff EL, Riley R． A simplified approach for modulation transfer function determinations in computed tomography[J]．Med Phys,1985,12(4):437-442．

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

国家自然科学基金项目（30870751）；北京市卫生系统高层次卫生技术人才培养计划项目（2009-3-57）。

本文作者：费晓璐，博士。

作者邮箱：feixiaolu@tsinghua．org．cn