炫速双源CT与普通双源CT头部血管双能量成像辐射剂量与图像质量的对比研究

顾海峰，周长圣，李林，王清清，谢颖颖，郑玲

0 引言

炫速双源CT是西门子公司继第1代普通双源CT之后推出的第2代产品。与普通双源CT相比，炫速双源CT新研发的核心技术包括炫速扫描技术、Stellar探测器技术、能谱纯化技术、FAST CARE技术以及正弦图确定迭代重建(sinogram affirmed iterative reconstruction，SAFIRE)技术［1－2］。鉴于此，业界一般将炫速双源CT的特点与优势概括为炫速扫描速度与极低的辐射剂量。对于炫速扫描速度，由于探测器排数的不同而导致扫描覆盖范围不同，加上时间分辨率的差异而不难判断;但是对于辐射剂量方面的问题截至目前国内鲜有相关文献报道，也缺乏事实依据。本文以临床常见的头部血管双能量成像检查为例，分别在图像质量与辐射剂量上对炫速双源CT与普通双源CT进行对比，以探究两者区别。

1 资料与方法

1.1 临床资料随机选取2013年4月至8月临床疑似脑血管病变(动脉瘤、动静脉畸形、静脉血栓、脑卒中、蛛网膜下腔出血等)且需要行颅脑CT血管造影(CT angiography，CTA)检查的患者80例纳入本次研究。将这些患者分成2组，每组40人。普通组，男21例、女19例，年龄35～80岁，平均年龄(53±15)岁，采用普通双源CT双能量扫描;炫速组，男23例、女17例，年龄32～75岁，平均年龄(51±17)岁，采用炫速双源CT双能量扫描。所有患者均符合碘造影剂使用的适应证及禁忌证要求，且在年龄、性别上差异均无统计学意义。

1.2 材料与设备普通双源CT机(Siemens，Forchheim，Germany)，炫速双源CT机(Siemens，Erlangen，Germany)，德国Ulrich Missouri高压注射器，一次性使用压力连接管，20 G一次性使用静脉留置针，碘伏，医用棉签，碘海醇(欧乃派克)350 mgI/mL，等渗盐水等，CT机日常检测用水模。

1.3 检查方法所有患者扫描前均详细告知检查中可能出现的问题及注意事项并签署患者知情同意书及接受碘造影剂自愿书。然后分别按照以下扫描方案对2组患者及CT机常规检测用水模进行扫描。普通组:机器选用普通双源CT机。首先进行头部侧位定位像扫描，然后确定扫描范围行双能量扫描。造影剂选用非离子型350 mgI/mL碘海醇，扫描触发方式采用静脉团注示踪技术，造影剂流速为4.0 mL/s，用量60 mL，注射完成后再以相同的流速注入40 mL等渗盐水以便将连接管内残余的药液注入体内。监测血管选取寰椎平面的颈内动脉，触发阈值100 HU，扫描范围从颅底一直到颅顶即包括整个头颅，扫描方向为由足向头进行，具体扫描参数为:2个球管A/B的管电压与参考管电流分别为140/80kV、50/213mAs，采用CARE Dose4D技术，机架旋转时间0.5 s/r，准直器宽度64×0.6 mm，螺距0.6，重建算法H31f medium smooth+，双能量融合系数为0.3。另外，对CT机日常检测用水模进行扫描，扫描结果记为水模A，扫描参数保持与普通组患者一致，扫描范围为整个水模。炫速组机器选用炫速双源CT机。双能量扫描时的具体参数为:球管A/B的管电压与参考管电流分别为80/Sn 140 kV、213/107mAs，采用CARE Dose4D及SAFIRE技术，机架旋转时间0.33 s/r，准直器宽度64×0.6 mm，螺距0.6，重建算法Q30f medium smooth，双能量融合系数为0.4。其余患者体位、扫描范围、造影剂用法及扫描流程均与普通组相同。同时也对普通组用到的相同水模进行扫描，扫描结果记为水模B，扫描参数保持与炫速组患者一致，扫描范围与水模A完全一致。

1.4 图像重建与分析2组患者及水模的重建图像均采用软组织重建算法，其中A中采用常规滤过反投影重建算法，kernel值选择“H31f medium smooth+”，采用“cerebrum”算法;B中采用SAFIRE重建算法，kernel值选择“Q30f medium smooth”，同样采用“cerebrum”算法。2种不同的双能量扫描方式最终均可得到3组重建图像，即80 kV、140 kV及两者融合的图像。对2种不同的扫描方式获得的结果按照以下方法进行图像后处理:①横断面图像的重组。选取融合后的薄层图像，依照层厚5 mm、层距5 mm并且与听眦线平行的标准对整个颅脑进行多平面重组获得待评价横断面图像;②头颅动脉的重组。利用西门子专用的后处理工作站(SyngoMMWp VE40B)上的“双能量软件”及“Inspace软件”进行图像处理。具体方法为:先将80 kV及140 kV能量组的数据同时调入双能软件，利用其一键式“去骨”模式进行对扫描区域自动“去骨”并将处理结果保存。然后利用Inspace软件将“去骨”后的减影图像数据进行图像重组，获得诸如容积重建(volume rendering，VR)、曲面重组(multiplanar reformation，MPR)、多平面重组(curved planar reconstruction，CPR)以及最大密度投影像(maxinum intensity projection，MIP)等多种重组图像［3］。

1.5 评价方法与标准

1.5.1 辐射剂量的测量根据患者与水模的扫描方案记录双能量扫描时每名患者及水模的X线剂量，即容积CT剂量指数(CT dose index-volume，CTDIvol)以及剂量长度乘积(dose length product，DLP)。其中CTDIvol代表在CT扫描时X、Y、Z 3个方向上某点的平均吸收剂量分布，DLP则是指给定扫描方案中受照部位所接受的总照射量。最后根据有效剂量(effective dose，ED)计算公式:

计算参照欧洲CT质量标准指南中提出的头部换算因子C的平均值(0.0023)来计算有效剂量［4］。

1.5.2 图像质量的客观评价①感兴趣区域(region of interest，ROI)内的CT值测量:利用机器自带测量工具分别对水模A与水模B的80kV与140kV的双能量融合图像的CT值进行测量。具体方法为分别在水模A与水模B的4个部分的横断面放置一2.0 cm2的ROI测量其对应的CT值，每个横断面均在不同的位置测量2次，最后取平均值作为最终的CT值并做好记录。②图像噪声的测量:在以上相同融合图像的相同横断面上于水模外部空气内放置2个2.0cm2的ROI测量其标准差，然后取其平均值作为图像噪声并记录。见图1。

1.5.3 患者图像质量分析①脑血管CT值的测量:和水模KOI内CT值测量相同，在普通组与炫速组患者的融合图像横断面上利用测量工具分别对Willis环、大脑前动脉、大脑中动脉、大脑后动脉血管内的CT值进行测量。要求每段血管平均测量2次且测量点处的血管应排除狭窄、闭塞、畸形等病变，测量的ROI不能超过血管直径的2/3，最后取2次测量的平均值作为测量值。②图像噪声的测量:以层厚5 mm、层距5 mm并以听眦线平行的重组后横断面为标准，选取4个基准的解剖学平面作为测量平面，即胼胝体干部、四叠体池层面、鞍上池层面以及垂体层面。分别在每个层面颅脑前面两侧空气内对称放置1.5cm2的ROI，测量其标准差，然后取两者的平均值即代表了该平面的噪声值［5］。见图2。

1.5.4 图像质量的主观评价邀请2位有5年以上影像工作经验的脑血管诊断医师分别对2组得到的脑血管图像进行双盲法分析评价。①图像质量评分:以重组后的横断面图像进行评分，2位医师分别对每名患者颅脑的胼胝体干部、四叠体池层面、鞍上池层面以及垂体层面的图像噪声(即图像的颗粒度)、图像锐利度(指能区分器官轮廓的边缘的清晰程度)以及总体图像质量3个方面单独评分。另外，对小脑岩部的射线硬化束伪影也进行单独评分，评价结果以5点法记录［5］。取2位医师评分结果的平均值作为最终评分分值并记录。②颅内动脉显示质量评分:该项评分用重组后的VR图像进行，其分级情况，同样最后以2位医师评分结果的平均值作为最后得分。

图1 水模内感兴趣区域的CT 值及噪声测量图Figure 1 The image measurement method of the water phantom

图2 患者图像噪声测量图Figure 2 The measurement method of the patient image noise

1.6 统计学分析所有测量数据均利用SPSS 11.5软件进行统计学分析，测得的计量资料用均数±标准差(x±s)表示。对于图像质量的客观评价中获得的辐射剂量、水模及患者的图像质量及其脑血管CT值的测量结果比较采用两独立样本的t检验，对于患者图像质量的主观评价结果采用非参数检验中的两独立样本非参数检验中的Mann-Whitney U检验。以P≤0.05为差异有统计学意义。

2 结果

2.1 组间基线资料对比2组患者的年龄、性别差异均无统计学意义(P＞0.05)。

2.2 辐射剂量的测量结果从对于患者组的辐射剂量测量结果分析可知，普通组患者CTDIvol与炫速组患者相比，差异无统计学意义(P＞0.05);普通组患者DLP和ED与炫速组患者相比差异有统计学意义，(P＜0.05)。从水模组的测量结果可知，炫速组CTDIvol和DLP水模均低于普通组水模。见表1。

表1 辐射剂量的测量结果Table 1 The measurement results of the radiation dose

2.3 水模图像质量的客观评价对于水模4个组成部分中的任一部分在CT值方面水模B测得的结果均高于普通组水模，但在图像噪声方面水模B低于普通组水模。见表2。

2.4 患者脑血管CT值的客观评价从对患者脑血管CT值的客观测量结果分析可知，2组间各参考血管评分差异无统计学意义(P＞0.05)。见表3。

2.5 患者图像质量的客观评价从对患者图像质量的客观测量结果分析可知，组间各参考解剖平面上差异有统计学意义(P＜0.05)，表示炫速组患者获得的图像噪声更低。见表4。

2.6 患者图像质量的主观评价从对患者图像质量的主观评分的结果分析可知，任何参考解剖平面上普通组患者与炫速组患者在图像噪声、图像锐利度以及总体图像质量上差异无统计学意义(P＞0.05)。但在小脑岩部的射线硬化束伪影上，普通组患者与炫速组患者差异有统计学意义(P＜0.05)，炫速组患者的伪影更少。见表5。

表2 水模图像质量的客观评价Table 2 The objectively evaluate of the image quality of the water model

表3 患者脑血管CT值的客观评价Table 3 The objectively evaluate the CT values of the patients'cerebrovascular

表4 患者图像质量的客观评价Table 4 The objective evaluation of the image quality of the patients

表5 患者图像质量主观评价Table 5 The subjective evaluation of the image quality of the patients

3 讨论

CT 检查由于具有安全、无创、方便以及极高的密度分辨力等优点，并可提供没有组织重叠的横断面图像，现已成为临床诊断中一项重要的检查手段。随着电子信息技术的飞跃发展，CT机的性能也得到了极大的提升，并出现了高端CT设备，可在不进行心率干预的前提下完成对冠状动脉成像的高难度检查。这使得CT检查成为临床诊疗中不可或缺的一部分，在心血管诊断领域甚至可以取代DSA检查［6－8］。

鉴于以上的优势，同时为了追求更小的漏诊率，临床医师对可疑患者往往尽可能推荐行CT扫描。同时，放射科医师为了追求更高的图像质量往往是采用高kV、高mAs、亚毫米薄层及小螺距重叠扫描等扫描参数对患者进行CT扫描。但同时却导致了患者所受辐射剂量的大大增加。国外曾有文献报道，未来美国每年新出现的癌症患者中1.5%～2.0%由于CT检查的辐射导致，足以证明CT辐射对公众的危害之深［9］。鉴于此，有关学者建议CT扫描应在不影响诊断结果的前提下尽可能减少辐射剂量［10－11］。为满足这一目的，各大CT机生产厂家纷纷研发各种降低CT辐射剂量的方法［12－13］，并推出了低剂量CT机。西门子公司适时推出拥有2套球管-探测器系统的双源CT产品。本研究的目的就是对西门子公司的2款高端CT机-炫速双源CT及普通双源CT在头部血管双能量成像时的图像质量及辐射剂量进行对比，以更好地指导临床。

从本研究辐射剂量的统计结果分析，炫速组比普通组所受的DLP与辐射剂量更低，分别低了约16.1%与15.2%。用同一组水模分别在2种模式下扫描，炫速组DLP比普通组降低16.7%。这与患者试验结果基本一致。从2台设备的硬件配置分析，使得炫速双源CT剂量更低的因素主要应该是其能谱纯化技术的运用，依靠安放在B球管射线窗前的选择性光子滤过板-锡完成。锡滤过板主要用于增强双能量CT检查中的能量分离效果，只有在双能量扫描中的140kV p射线束产生时才滑动到其出射路径上起滤过作用，主要用以去除低能量光子，使140 kV p射线束迁移到高能量光谱，这样能够更好地分离低kV和高kV光谱，从而能更好地区分不同物质组织化学成分的组织特性图像。选择性光子屏蔽能够更加灵活地优化双能量检查和患者的扫描参数，同时可使用较低的剂量保持CNR，从而改善结果图像中的DE信号。

从图像质量客观对比分析，噪声对比方面，无论是患者组还是水模组得到的结果均是炫速双源双能量组获得图像的噪声明显低于普通双源双能量组。原因在于炫速双源CT配备了图像噪声更低、空间分辨率更高的Stellar探测器;从软件配置方面分析应该与其首创的基于原始数据的迭代重建SAFIRE技术有关［14－16］。其次，在图像CT值方面，虽然同一组水模在炫速组模式下得到的CT值高于普通组模式下的CT值，但本试验80例患者的分组统计研究结果2组的CT值并无明显差异，因此应以实际患者结果为依据，故2组患者的CT值没有明显差别。另外，从患者图像质量的主观评价分析，炫速组患者与普通组患者无论在图像噪声、图像锐利度还是总体图像质量上均没有明显差异，但在在小脑岩部的射线硬化束伪影上炫速组与普通组患者相比更少。

总之，在头部血管双能量成像时，在扫描条件(kV、参考mAs)近似相同的情况下，炫速双源CT与普通双源CT相比，患者所受的辐射剂量与图像噪声更低，但图像总体质量方面并无明显差别。

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