仿真体模在PET/CT图像质量及剂量控制中应用进展*

梁子威 耿建华*

仿真体模在PET/CT图像质量及剂量控制中应用进展*

梁子威①②耿建华①②*

临床PET/CT多为全身扫描，患者所受的辐射剂量较大，其中CT的剂量占较大的比例，因此如何保证临床对图像质量的要求下控制PET/CT中CT的剂量尤为重要。仿真人体等效模型是研究PET/CT中CT图像质量及辐射剂量的最佳选择。为此，对仿真人体等效模型及利用该模体对PET/CT图像质量及辐射剂量的研究进行综述，并对PET/CT中CT图像质量及辐射剂量之间的关系进行分析和讨论。

正电子发射断层摄影术；体层摄影术，X射线计算机；图像质量；辐射剂量；仿真人体模型

[First-author’s address] 1.Department of Nuclear Medicine, Cancer Hospital Chinese Academy of Medical Sciences, Beijing 100021, China. 2.Department of Nuclear Medicine and PET-CT Center, Cancer Hospital, CAMS & PUMC, Beijing 100021, China

近年来，PET/CT在临床的大量应用改变了癌症及心脏病患者的诊治方式，随着相关技术的发展，PET/CT的诊断准确性也不断提高。在2005-2008年间美国PET/CT的应用人(次)数以每年10.4%的速度增长[1]。而我国PET/CT的发展更加迅速，全国检查患者人次平均年增长率达49.21%，装机量以每年30余台的速度增长[2-4]。进行PET/CT从头到盆腔器官大面积扫描会造成长时间CT照射，带给患者心理顾虑和潜在的辐射损伤。PET/CT中仅CT部分可造成高达80 mSv的有效剂量[5]。国际放射防护委员会(ICRP)103号[6]出版物数据显示，每增加l0 mSv剂量，致癌概率将增加0.55‰，导致遗传效应的概率将增加0.02‰，二者总和为0.57‰。目前的PET/CT检查有相当比例(占16.5%)为癌症筛查，因此PET/CT中CT的辐射剂量控制尤为重要。研究PET/CT图像质量与体内吸收剂量间的关系需要大量不同参数的CT扫描，用志愿者显然不可行，而使用CT质量控制模型则无法模拟人体内环境中的吸收剂量。仿真辐照人体模型是一类主要用于测量体内辐射吸收剂量的模型，是按标准人及各器官组织形状大小制作，用于各器官组织的材料具有与相应人体组织等效的辐射吸收性能，研究这类问题使用仿真等效人体模型是合理的选择。为此，本研究对仿真辐照人体模型及其在PET/CT的图像质量及剂量控制中的应用进行调研综述。

1 仿真辐照人体模型

仿真辐照人体模型简称为仿真辐照体模、等效体模、仿真体模及人体模型等。20世纪50年代仿真辐照人体模型研究是为了研究辐射受害者应运而生。随着相关科技和放射医学的发展，体模材料和模型技术日臻完善。目前，欧美等发达国家的医疗中心配备了各类仿真体模，用于测量及评估在放射诊疗中患者所受的辐射剂量及在放射影像诊断中评价图像质量，但用于评估PET/CT中患者所受辐射剂量及图像质量的研究较为少见。不同国家根据其人种的不同，其仿真体模的体态特征及体内各器官的特征不同。目前，仿真体模各组织等效材料均趋于标准化，美国、日本等生产的成年男性体模均为身高175 cm，体重73.5 kg，系欧洲标准人体参数[7]。我国自20世纪70年代末引进和研制类似产品，中国人辐照仿真人体模型的研制为了能够代表大多数中国成年人的标准体模，采用与人体组织对射线吸收和散射相似的“组织等效材料”制成，具有骨骼、肌肉及脑、肺、心脏、胃、肝脏、脾脏、胰腺、肾脏、膀胱及睾丸等器官[8-9]。

(1)体模的体态特征。身高为170 cm，体重为65 kg，坐高为91 cm，头颈长为26 cm，头围为55 cm，胸围为75.5 cm，腰围为75.5 cm，臀围为85 cm，胸厚为24 cm，胸宽为28 cm，肩宽为36 cm，臀宽为32 cm。

(2)体模主要器官的体积。体内各器官的性状模拟人体真实器官外形，其主要器官的体积：膀胱为188.5 cm3(尿意容量)，脑为1470.3 cm3，胃为318.1 cm3，心脏为381.2 cm3，肝脏为824.7 cm3，肺(左肺、吸气后)为3769.9 cm3，胰腺为136.1 cm3，脾脏为175.9 cm3，睾丸(左)为18.8 cm3。

(3)主要器官密度。脑为1.04 g/cm3，胃为1.06 g/ cm3，心脏为1.04 g/cm3，肝脏为1.07 g/cm3，肺(左肺、吸气后)为0.26 g/cm3，胰腺为1.05 g/cm3，脾脏为1.06 g/cm3，睾丸(左)为1.04 g/cm3。

(4)主要器官质量。脑为1529.1 g，胃为37.2 g，心脏为396.4 g，肝脏为882.4 g，肺(左肺、吸气后)为980.2 g，胰腺为142.9 g，脾脏为186.5 g，睾丸(左)为19.5 g。

2 仿真辐照体模评价图像质量

采用仿真辐照体模评价图像质量多用于CT扫描方面，评价CT图像的指标多采用器官断层图像上感兴趣区(region of interest，ROI)内的噪声、信噪比及相邻组织间的对比噪声比。

2.1 噪声

CT图像的噪声水平描述均匀物质CT图像在给定区域中的CT值对其平均值的变异程度，用ROI中像素CT值的标准差(standard deviation，SD)表示，噪声越高，图像质量越差。Jackson等[1]用仿真体模研究PET/CT中CT的图像质量，在7种预设定的噪声指数(noise index，NI)是水平下分别测得纵膈(主动脉弓)和肝脏的噪声平均SD，用CT值(inHu)表示，测得：NIs-10.0，7.5 inHU、9.8 inHU；NIs-12.5，7.8 inHU、9.8 inHU；NIs-15.0，7.9 inHU、10 inHU；NIs-17.5，8 inHU、9.8 inHU；NIs-20.0，9.8 inHU、11.7 inHU；NIs-22.5，11.3 inHU、13.5 inHU；NIs-25.0，12.5 inHU、15.0 inHU。在7种预设定的Nis下，测得的噪声SD的实际水平，当NIs在10～25时，仿真体模中纵膈的噪声在9～15 inHU范围内变化，而肝脏的噪声在7.5～12.5 in HU范围内变化。

Rampado等[10]利用在仿真体模分别测量肺、腹部及肩部的实际噪声的SD与理论预设NI的差异如下。①肺：NI-15，SD-15；NI-18，SD-16；NI-21，SD-19；NI-24，SD-20；NI-27，SD-22；NI-30，SD-24；②腹部：NI-15，SD-15；NI-18，SD-18；NI-21，SD-22；NI-24，SD-24；NI-27，SD-27；NI-30，SD-31；③肩部：NI-15，SD-21；NI-18，SD-26；NI-21，SD-32；NI-24，SD-36；NI-27，SD-40；NI-30，SD-36。为此得出结论，在腹部实际噪声与理论噪声基本相同；在肩部，由于电流的自动调节未能补偿，由于锁骨所带来的衰减效应，实际噪声要高于理论噪声，其差异可达35%～60%；在肺组织这种低密度器官中，实际噪声低于理论噪声(约20%)。同时这种实际噪声与理论噪声的差异是成线性关系的，因此可以对实际噪声做出预期，为在不同器官的扫描中设置个性化的剂量打下理论基础。Schindera等[11]在自动管电流模式下，设定管电压为140 kVp、120 kVp、100 kVp及80 kVp，分别测得NI为14.0±0.6、13.8±0.3、14.2±0.6及14.9±0.5，故在自动管电压模式下管电压的高低与图像噪声无明显相关性。

采用噪声指标来描述仿真模体图像质量操作简单，在图像工作站上可直接获得结果数据，噪声水平的高低可直接反映该部位的CT值的变异程度，但不能反映与相应的组织器官CT值之间的关系及与相邻组织或器官间的关系。

2.2 信噪比

噪声比的延伸是“信号—噪声比”，即信噪比(signal-to noise ratio，SNR)，等于ROI中信号强度与噪声水平之比，即SNR＝ROIIS/noise。信噪比可反映感兴趣区组织噪声与CT值之间的关系，信噪比越高，图像质量越好。信噪比的单位有时用分贝(dB)来表示，此时，图像信噪比可表达为：信噪比=10lg(CTROI/SDROI)。Schindera等[11]在研究质量时将ROIIS定义为组织密度的平均衰减值，noise是图像平均噪声值，采用4种不同的管电压对仿真模体进行CT扫描，其不同密度的模拟组织的信噪比分别为：①Tube1(5 mg l/ml)，140 kVp，SNR为3.2±0.2；120 kVp，SNR为4.0±0.1；100 kVp，SNR为5.3±0.9；80 kVp，SNR为7.0±0.6；②Tube1(7.5 mg l/ml)，140 kVp，SNR为6.7±0.3；120 kVp，SNR为8.6±0.3；100 kVp，SNR为10.5±1.1；80 kVp，SNR为13.7±1.0；③Tube1(10 mg l/ml)，140 kVp，SNR为10.1±0.3；120 kVp，SNR为12.6±0.1；100 kVp，SNR为15.7±1.3；80 kVp，SNR为20.0±0.9。其结论为信噪比与管电压成反比，与组织密度成正比。

2.3 对比噪声比

对比噪声比(contrast-to-noise ratio，CNR)是描述某感兴趣组织与相邻的图像质量的评价指标，主要根据感兴趣区的噪声或噪声指数。对CT图像，为ROI内平均CT值(CTROI)与该ROI内CT值标准差(SDROI)之比。不同作者根据所测数据及应用方向不同，使用不同的衡量方法：最常用的是标准差SDS[1,10-13]或标准差均数[11]。不同作者根据研究内容不同定义了不同的CNR，Schindera等[14]用噪声比衡量ROI软组织与周围脂肪组织的图像差异性，间接评价图像质量，CNR=[(ROIST-ROIFat)/SDST]。其中ROIST和ROIFat分别为ROI软组织与脂肪组织噪声值的差，SDST表示软组织噪声值的标准差，得到不同扫描方式下的CNR差异。Yamauchi-Kawara等[15]利用CNR分析在不同管电压下眼晶体辐射剂量与有效剂量的关系，将CNR定义为公式1：

Yamauchi-Kawara等[15]在管电压为120 kV、100 kV和80 kV时分别计算CNR，认为有效管电流与CNR2成连续的线性关系。其结论为：在管电流为252 mA下，管电压为100 kV时比120 kV时CNR2大约增加25%，80 kV与120 kV时测得CNR2基本处于相同水平。当有效管电流在252 mAs时，晶体辐射剂量与有效剂量在120 kV下最高为39.2 mGy，1.3 mSv；100 kV下减少为27.2 mGy，0.8 mSv；80 kV下最低为15.3 mGy，0.4 mSv。

3 受检者受照剂量评估方法

3.1 受检者的有效剂量

有效剂量(effective dose，ED)是度量体内或体外照射源(无论是均匀照射还是非均匀照射)造成的健康效应发生率的指标，用来评价电离辐射对人体的总的损伤程度，单位为希沃特(Sv)。在全身受到非均匀性照射的情况下，有效剂量等于受照组织或器官的当量剂量(HT)与相应的器官权重因子(WT)乘积的总和为公式2:

式中辐射权重因数WT反应不同的辐射类型的相对危害效应，该值越大，说明组织或器官对辐射损伤越敏感，可见在受到照射时各器官对于辐射的敏感性不同。

对CT扫描，辐射种类只有X射线，WT=1，DT,R为组织或器官中T中的平均吸收剂量，等于CTDIvol[16]。随着辐射生物效应及放射防护的研究发展，WT值一直在更新，目前最新的数值为2007年出版的ICRP103号出版物发布的数据：结肠、胃、肺、骨髓及乳腺均为0.12，性腺0.08，甲状腺、肝脏、食管及膀胱为0.04，皮肤、骨骼表面、脑及唾腺为0.01[17]。但我国现行的放射防护标准采用的WT数值性腺为0.20，红骨髓、结肠、肺及胃为0.12，膀胱、乳腺、肝脏、食道及甲状腺为 0.05，皮肤、骨表面为0.01[16]。

PET/CT中的辐射剂量分为PET部分和CT部分，PET产生的辐射取决于注射放射性药物的活度，PET-CT设备型号不同，所要求的注射剂量有一些差异，目前临床中绝大多数PET/CT检查使用的放射性示踪剂为18F-脱氧葡萄糖(18F-FDG)，按照体内不同器官对18F-FDG的摄取情况，可以得出对人体的有效剂量为0.019 mSv/MBq[17]。不同体重的患者、不同的检查及不同机型所需注射18F-FDG剂量不同，在148～555 MBq(4～15 mCi)内，人体所受有效剂量为2.8～10.5 mSv。因此，降低PET-CT受检者的剂量，主要从CT着手进行。

3.2 CT产生的有效剂量

3.2.1 剂量长度乘积估算法

全身有效剂量可以根据公式3估算：

式中k为全身组织相容系数，DLP为CT剂量报告读出的剂量长度乘积，DLP=CTDIvolL，其中CTDIvol为加权剂量指数，L为扫描范围。

公式(3)中k主要与受检者年龄及扫描身体部位相关，根据ICRP102报告，以躯干为例，对PET/CT的全身扫描方式，有效剂量转换因子k为：＜1岁时，k=0.044；1岁时，k=0.028；5岁时，k=0.019；10岁时，k=0.014；成人，k=0.015[18]。另有研究报道，k与管电压相关，k会随着管电压的增加而增加，因此降低管电压会有效的降低受检者的受照剂量[20]。Schindera等[11]在实验中测得自动管电流模式下的140 kVp、120 kVp、100 kVp和80 kVp 4种管电压千伏峰值时测得有效剂量分别为 5.38 mSv、4.06 mSv、3.89 mSv和4.15 mSv，表明由于自动管电流模式下的补偿效应影响，有效剂量并无显著区别。

3.2.2 估算CTDIvol法

Larson等[21]提出可以根据患者体型、有效管电流(mAs)算出相应的吸收剂量，称之为体型特异性剂量估计(size-specific dose estimate，SSDE)。SSDE较设备给出的剂量报告的CTDIvol更为精确。在实验中扫描胸部、上腹及盆腔，获得的SSDE剂量与剂量报告的CTDIvol比较，结果显示：SSDE均数为(6.10±3.10)mGy，CTDIvol均数为(6.06±3.02) mGy，两者相差(0.04±0.10)mGy，(0.8±1.8)% (P=0.03)。值得注意的是，64排CT剂量报告CTDIvol最大值较平均值高0.85 mGy，换成百分比为15.0%。利用估算的CTDIvol，计算获得有效剂量。

3.3 器官剂量测量法

3.3.1 MOSFET测量

金属氧化物半导体场效应晶体管(metal oxide semiconductor field effect transistor，MOSFET)为一种有多个探头的人体吸收剂量测量系统，可同时测量不同组织器官的吸收剂量，由此计算出有效剂量。Schindera等[14]在试验中使用24个MOSFET探头(TNRD-60，Thomson Nielsen，Ottawa，Canada，剂量探测器为TN-1002RD)，分别放置于肝右叶4个、胃4个、胆囊2个、左肾2个、脾1个、胰腺1个以及皮肤10个，在两种不同扫描条件下分别测得结果为：①探测器的配置16×0.625 mm，螺距1.75，转速17.5 mm，机架旋转时间0.5 s，管电压140 kV，管电流380 mA测得体模(未加脂肪层)得到肝脏30.0 mGy，胃31.3 mGy，胆囊28.5 mGy，左肾28.0 mGy，脾脏31.0 mGy，胰腺28.0 mGy，皮肤35.7 mGy；②探测器的配置16×1.25 mm，螺距1.375，转速27.5 mm，机架旋转时间1.0 s，管电压140 kV，380 mA，体模覆盖8 cm厚脂肪层得到肝脏30.7 mGy，胃33.8 mGy，胆囊29.8 mGy，左肾28.7 mGy，脾脏30.3 mGy，胰腺28.5 mGy，皮肤55.2 mGy。测得结果表明，采用方式②的情况下，用体模覆盖脂肪层的方法模拟肥胖患者，测得主要器官的吸收剂量与正常患者在方式①的情况下所采集得到的吸收剂量无明显差异，但皮肤的吸收剂量显著降低(方式②下有效剂量从86.0 mGy降至55.2 mGy)。

3.3.2 光电二极管探测器

硅光电二极管剂量计(silicon-photodiode dosimeter，SPD)测量系统与MOSFET功能相似，可测量CT扫描时局部器官的吸收剂量。Yamauchi-Kawara等[15]在体模中植入32个大小为2.0 mm×2.0 mm的二极管探测器(Hamamatsu S2506-04 photodiodes)测得头部CT平扫、CTP、CTA时不同扫描参数下的器官吸收剂量，并进行比较。

3.3.3 热释光剂量计

热释光剂量计(thermoluminescent dosimeters，TLD)，通过辐射引起的某些物质的热释光强度来反应辐射剂量的大小，广泛用于剂量学的各个领域，多用于检测个人剂量。Wu等[12]在Rando Alderson phantom体模靶器官内部的空洞中注入18F-FDG，并放置28个TLDs，来测量模体靶器官辐射剂量。

4 质量因数

质量因数(figure of merit，FOM)为同时考虑了图像质量及辐射剂量情况下，描述CT图像品质的一个指标。FOM等于信噪比的平方与有效剂量之比，即：FOM=SNR2/ED。FOM值可以评价信噪比与有效剂量的变化关系，并且考虑到了不同管电压模式下自动管电流与有效剂量的影响。Sebastian T指出可以通过降低管电压的方法提高FOM，显著减少辐射剂量，并保持较好的图像质量。Schindera等[11]在实验中测得140 kVp、120 kVp、100 kVp和80 kVp 4种管电压下不同密度的模拟组织的质量因数分别为：①Tube1(5 mg l/ml)，FOM 3.5、FOM 6.0、SNR 9.0和FOM 11.0；②Tube1(7.5 mg l/ml)，FOM 9.0、FOM 13.0、FOM15.0和FOM 16.0；③Tube1(10 mgl/ml)，FOM 13.0、FOM 16.0、FOM 17.0和FOM 19.0。结论为在组织密度相同情况下，管电压与质量因数成反比；质量因数与组织密度成正比。

综上所述，仿真辐照人体模型是一类主要用于测量体内辐射吸收剂量的模型，是按标准人体及其各器官组织形状大小而制作，用于各器官组织的材料具有与相应人体组织等效的辐射吸收性能，要研究这类问题使用仿真等效人体模型是合理的选择。对PET/ CT中CT图像，当剂量达到一定值后，依靠剂量增加带来的图像质量增加有限。在实际临床工作中，可以根据临床需求，适当选择扫描条件，实现在保证临床需求的图像质量条件下，降低受检者的受照剂量的同时，而不会显著降低图像质量，以达到降低受检人群辐射致癌概率的目标。

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Review of radiation dose and image quality in PET/CT with a anthropomorphic phantom

LIANG Zi-wei, GENG Jian-hua, et al
China Medical Equipment,2015,12(6):57-61.

Whole-body PET/CT scanning is accompanied by substantial radiation dose in clinic. A large proportion of the radiation dose for examination obtained from whole-boby PET/CT is from CT scan. So how to control radiation dose without impairing CT image quality determined by the clinic is particularly important. Anthropomorphic phantom is the best choice for the study of radiation dose and image quality in PET/CT. The article reviews the meaning of anthropomorphic phantom and the study about PET/CT image quality and radiation dose with the phantom, Then analyzes the relationship between image quality of CT in PET/CT and radiation dose in the practical application.

Positron-emission tomography; Tomography, X-ray computed; Image quality; Radiation dose; Anthropomorphic phantom

梁子威,男,(1987- ),硕士研究生，医师。中国医学科学院肿瘤医院核医学科及PET-CT中心，研究方向：核医学图像质量控制。

1672-8270(2015)06-0057-05

R817.4

A

10.3969/J.ISSN.1672-8270.2015.06.018

2015-03-25

国际科技合作项目(2009DFA32960)“PET/CT脑分子影像研究与应用平台及针灸中枢机理探索”；中国癌症基金会北京希望马拉松专项基金(LC2013A13)“PET/CT的辐射剂量和图像质量的模型研究”

①中国医学科学院肿瘤医院核医学科 北京 100021

②中国医学科学院肿瘤医院PET-CT中心 北京 100021

*通讯作者：gengjean@163.com