MSCT参数优化和图像质量的相关性研究

雷 勇，陈自谦，钱根年，倪 萍，付丽媛

1.南京军区福州总医院 a.医务部；b.医学影像中心；c.医学工程科，福建 福州 350025；2.第二军医大学福州总院临床医学院 医学影像中心，福建 福州 350025

0 前言

自20世纪70年代CT诞生以来，以其突出的临床应用价值得以飞速发展和更新换代。多层螺旋CT（MSCT）已成为目前临床医疗工作必不可少的检查设备，为临床提供可靠的影像诊断依据。CT诊断的依据是影像照片提供的光密度信息，所以CT图像质量的优劣，不仅反映影像技术工作人员的实际水平，而且影响CT诊断的准确率。

由于CT检查存在一定的辐射问题，如何在获取满足诊断要求的优质图像的同时又能最大限度地减少患者（尤其是儿童）接受辐射剂量，已引起医学影像学界和放射防护学界的极大关注[1]。CT图像的质量对病变的显示除了与设备本身性能有关外，还与操作人员所选用的曝光量、层厚、管电压和螺距等参数密切相关。为了获得理想的CT图像，本研究使用不同扫描参数对质量控制体模进行扫描，探讨影响CT图像质量的诸因素。

1 材料与方法

1.1 仪器与材料

使用美国GE Light Speed 16层螺旋CT机，对两种不同密度材料的质量控制体模进行数据采集。标准质量控制水模是完全封闭的圆柱形体，其内径为18.5 cm、外径为20 cm、厚度为1.5 cm的聚甲基丙烯酸甲酯（polymethyl methacrylate PMMA）材料制成的容器，其内充满纯净水；质量控制塑料体模为高分子不透明材料，直径为35 cm。

1.2 方法

固定扫描条件：管电压和管电流分别为120 kV、300 mAs，层厚为5 mm，螺距（pitch）为0.562:1，视野（FOV）为40.0 cm，转速（speed）为11.25 mm/rot。在固定扫描条件的基础上，改变其中某个扫描条件（曝光量、扫描层厚、管电压、螺距），分别对质量控制体模进行扫描，结果见表1～2。选择同一层面图像，并测得左、中、右感兴趣区（ROI为431.43 mm2）的CT值，将3组数据的平均值作为图像的CT值（X±SD），并比较各种扫描条件下两种材料的图像CT值变化。为了减少测量时产生的误差，每个扫描条件需重复扫描10次，取其平均值。

表1 管电压为120kV时的扫描结果

表2 管电流为300mAs时的扫描结果

2 结果

不同扫描条件下的测量结果，见表3～4。

由表3可以得出：在其他条件不变的情况下，增加曝光量，平均CT值变化不明显，SD值明显减小；同样在其他条件不变的情况下，增加层厚，平均CT值变化不明显，而SD明显减小。

由表4可以得出：在其他条件不变的情况下，升高管电压，平均CT值与SD均明显减小；同样在其他条件不变的情况下，增加螺距，平均CT值变化不明显，而SD明显增加，即图像噪声增加，图像质量变差。

不同扫描条件下的CT值图像，见图1～3。

图1 在100 kV、300 mAs、层厚5 mm、螺距0.625:1、FOV为40.0 cm、转速为12.5 mm/rot的扫描条件下，左、中、右ROI（431.43 mm2）内测到的CT平均值为（-103.57±19.22）HU。

图2 在120 kV、300 mAs、层厚5 mm，螺距为0.625:1、FOV为40.0 cm，转速为12.5 mm/rot的扫描条件下，左、中、右ROI（431.43 mm2）内测到的CT平均值为（-92.05±7.51）HU。

图3 在140 kV，300 mAs，层厚5 mm，螺距：0.625:1，FOV：40.0 cm，转速：12.5 mm/rot的扫描条件下，左、中、右ROI（ROI：431.43 mm2）内测到的CT值的平均值为（-83.40±6.36）HU。

表3 不同曝光量、层厚条件下图像CT值的测量结果（HU）

表4 不同管电压、螺距条件下图像CT值的测量结果（HU）

3 讨论

MSCT利用精确准直的X线束与灵敏度极高的探测器，围绕人体的某一部位、以一定厚度层面进行断面扫描，旋转1周可获得多层图像。每次扫描过程中由探测器接收穿过人体后的衰减X线信息，再由快速模/数（A/D）转换器将模拟量转换成数字量，然后输入电子计算机进行数据处理，得出该层面各点的X线吸收系数值，用这些数据组成图像矩阵。所测得的吸收系数值即CT值，其大小主要取决于物质的密度、原子序数、扫描层厚及X射线的能量[2]。由此可见，CT值反应了物质对X射线的衰减程度，其大小受多种扫描因素影响。

X射线剂量的大小主要由CT机系统的技术特性和扫描参数的设置来决定。X射线剂量与管电压、管电流、扫描时间、扫描容积成正比，与扫描层厚、螺距比成反比。CT图像的质量与病变的显示除了与机器本身性能相关外，还与曝光量、层厚、管电压和螺距等参数选择密切相关。

多层螺旋CT分辨率分为空间分辨率和密度分辨率，是判断MSCT机性能和影响图像质量的两个重要指标[3]。

空间分辨率（即高对比分辨率）表示可区分最小物体细节的能力。它的定义是指系统不存在噪声的情况下，在两种物质CT值相差100 HU以上时，能够分辨最小的圆孔径的大小或线对测试卡黑白相间（密度差相间）的线对数（LP/cm）。空间分辨率是MSCT图像中能鉴别结构大小的能力，普通CT图像的空间分辨率只有6.25 LP/cm，高分辨率CT可达10 LP/cm。其影响因素与X线管焦点的尺寸有关，焦点的尺寸越小空间分辨率越高；与层厚有关，层面越薄显示最小组织结构或病灶的能力就越强，空间分辨率提高；与FOV 有关，像素大小由FOV决定，改变FOV的大小会影响图像空间分辨率，即保持矩阵不变，缩小扫描视野，图像像素数目增多，图像显示细致锐利；与图像重建的演算法有关，采用不同方式，所得的图像空间分辨率也有所不同。

密度分辨率（低对比分辨率）表示可以分辨最小密度差的程度。它的定义是能够分辨两种低密度差的物质（一般其CT值为相差3～5 HU）构成的圆孔的最小孔径大小。影响因素主要有：密度分辨率与X线的剂量有很大的关系，低对比度分辨率随剂量增加而不断提高；与信噪比有关，CT的X线信息量和噪声是影响图像密度分辨率的重要因素；与扫描层厚的厚薄有关，扫描层厚增加，可以提高CT图像的密度分辨率，但体素的增加产生部分容积效应降低了图像空间分辨率；扫描层薄可以增强显示病灶细微结构能力但同时会使扫描层数增加从而导致病人受X线剂量也随之增加，扫描层厚薄要根据诊断需要来合理使用；重建算法也可影响密度分辨率，将高分辨率重建算法改为软组平滑的算法，减少了噪声使图像密度分辨率提高。因此评价密度分辨率即低对比度分辨率时一定要明确使用的扫描剂量、扫描层厚、重建视野大小和重建算法[4]。

管电压及曝光量：本研究结果中，随着管电压或曝光量增加，SD明显减小。这是由于CT扫描时，X线穿透质量控制模，由于光电吸收及康普顿散射效应使X线产生衰减，低能X线易被吸收，因此mAs不变时，提高kV，也就提高了X线的能量和穿透力，那么透过质量控制模X线量将增加，且低能散射线将减少，相当于组织的X射线衰减系数变小，探测器接收到透过人体该层面的X线也越多且均匀性增加，从而降低了图像的噪声；kV不变时，提高mAs，也就增加了所扫层面内光子数量，使得图像的信息量增多、噪声减少，起到改善图像质量的效果。因此，在日常扫描操作中，密度较高的组织器官或病灶、较厚或重叠较多的部位可通过采用较高的kV或mAs来获得较高质量的CT图像。不过，我们应当知道，无论是增加kV还是提高mAs，虽然图像质量大大提高，但相应的人体吸收的X线剂量也随之增加。因此我们不能盲目为追求图像质量而忽略了受检者接受的辐射。一般来说，扫描参数的选择应以满足诊断要求的同时最大限度降低受检者辐射剂量为原则[5]。

层厚：本研究结果显示，随着层厚增加，SD随之减小。这是因为增加层厚，在扫描条件不变的情况下，X线的光通量增加,探测器接收到的光子数增加，改善了密度分辨率，但由于部分容积效应，抑制了细微结构的显示；层厚较薄，空间分辨力提高，但图像噪声增大，密度分辨力降低，需加大管电流即增加检测器吸收的光子数来弥补，且检查同一区域的扫描层数增加，因而增加了检查者辐射量和机器负荷。改变层厚模式则改变了探测器的有效截面，从而影响了探测器所收集的X线光子数量，使图像噪声改变，并引起图像高对比分辨率和低对比分辨率的变化，最后导致图像质量改变。

螺距：本研究结果中，随着螺距增加，SD增加明显。螺旋扫描时随着螺距的增大，单位时间内扫描的覆盖面也越大，层敏感度曲线变形更明显，同时螺距增大使探测器接受到的射线量减少，导致图像的密度分辨率下降而噪声增加，影响MSCT图像质量[6-7]。

扫描矩阵有256、320、512、1024等、 像素大小=FOV/ 矩阵，即矩阵越大则在同样的扫描野（FOV）情况下，像素越小清晰度越高，但同时减小的像素使所得的光子数减少，增加像素噪声，减小密度分辨率。

噪声：X线束是个别光子形成的光子簇射，因为光子彼此独立，它们随机分布在图像区域内，在该区域内某些地方可能有一些光子的群集，而在其他地方只聚集了极少光子，这种光子不均匀地分布在图像上表现为噪声，MSCT噪声是均匀物质在给定区域内CT值对其平均值的变异，对于均匀模块用CT值的标准偏差来描述，噪声会限制密度分辨力的识别能力[8]，它是评价MSCT图像质量的一项重要指标。噪声分为量子噪声和非量子噪声，其中量子噪声是由探测器接受到的X线光子数目的随机变化而引起的，曝光参数变化对其影响较大。噪声与扫描层厚成正比，与扫描剂量成反比。扫描层厚越薄，产生噪声越大，层厚越厚，产生噪声越小，即X线量低时，产生的噪声大，X线量高时，产生的噪声小。

CT值及均匀度：CT值是物体密度的表示方法，均匀度表示在均匀物体扫描成像中任何区域所测得的CT值的一致性或者说在物体断面的不同位置上同一种组织成像时，应具有同一CT值，反映了图像与被扫描物体之间形态学上的真实可靠程度，它也是图像质量的重要参数，MSCT诊断的可靠依据之一。均匀度与射线质量、准直器的位置方向、检测器与球管靶面的相对位置、射线的硬化校正、探测器各通道电子测量电路的零点漂移等因素有关。CT机在正常使用较长的一段时间后出现的均匀度误差问题，其主要原因可能是机械磨损及松动产生的细小位移，使探测器各通道接收的射线出现了不均衡。射线质量只与X线管的阳极表面状态和管电压有关，X线管在长期使用过程中阳极表面逐渐变得粗糙，达到一定程度时则需通过调整管电压来作补偿，以保证射线的质量不变。因此定期对均匀度进行检测校正是非常必要的，特别是在CT安装完毕验收时和软件升级后以及CT机维修后收验时的检测，都是保证CT图像质量的必要措施。

窗宽窗位：窗的宽窄直接影响对比度，窗窄显示的CT值范围小，每级灰阶代表的CT值幅度小，因而对比度强适合分辨密度比较接近的组织或结构，反之，窗宽加宽则每级灰阶代表的CT值幅度大，对比度差，适于分辨密度差别大的结构或组织[9]。窗窄则图像对比强，反之则弱。对相临组织密度差小的应采用窄窗宽，如对肝脏平扫和增强扫描时，为显示组织间对比度应适当改变窗宽窗位，以提高密度分辨率。原则上一般将窗位调到被检组织的正常CT值附近，窗位高则图像变黑，窗位低则图像变亮，合理的窗宽窗位选择是正确显示所检部位组织密度对比和密度显示的重要措施。

总之，MSCT扫描参数的变化对图像质量有直接的影响，不同扫描参数的变化对图像质量的影响不同，各扫描参数之间既相互影响，又相互制约，充分利用各扫描参数之间的关系并加以灵活运用，对提高图像质量和诊断水平具有重要的临床意义。同时，在实际操作中我们在扫描参数的选择上应在满足诊断要求的前提下，最大限度地降低对检查者的辐射剂量为原则来获得优质图像。

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