CT扫描及重建参数对放疗图像质量影响的研究

欧阳斌+丘敏敏+钟嘉健

[摘要] 目的 探讨CT模拟定位扫描协议中各项参数对CT图像质量的影响，为确定精确放疗定位图像的扫描协议参数提供依据。 方法 采用Philips16排大孔径螺旋CT模拟定位机扫描Catphan600模体和Philips图像校准模体，改变扫描及重建参数获取不同的图像序列，分析其对图像噪声、均匀度、不同物质的CT值、高对比度分辨力及低对比度分辨力等的影响。 结果 管电压、扫描部位及滤过器影响物质的CT值；管电压、管电流、重建层厚、滤过器及滤过器增强则影响图像的噪声；扫描部位影响图像的均匀度。图像高对比度分辨力与滤过器、滤过器增强相关，而低对比度分辨力则与噪声相关。 结论 通过全面系统的模体测试可充分了解CT扫描协议中各项参数对图像质量的影响，有利于确定精确放疗CT模拟定位扫描协议参数和设定CT值-电子密度曲线以确保精准放射治疗的实施。

[关键词] CT扫描协议；图像质量；参数；放射治疗

[中图分类号] R445.3 [文献标识码] A [文章编号] 1673-7210（2017）01（a）-0004-04

[Abstract] Objective To investigate the impact of CT scanning and reconstructed parameters on the quality of CT image， in order to provide basis for establishing the standard of high quality image for precision radiation therapy. Methods Catphan600 phantom and Philips image calibration phantom were scanned by Philips Big-Bore Brilliance CT. Images were acquired at different protocols varying scan and reconstruction parameters. The impact of scanning and reconstruction parameters on image noise， uniformity， the CT values， high and low contrast resolution were analyzed. Results The CT value of image was influenced by tube voltage， scanning site and filters used during scanning. The image noise was affected by tube voltage， tube current， reconstruction thickness， filter and filter enhancement. The uniformity of image was affected by the scanning site and scanning resolution. High contrast resolution was affected by filter， filter enhancement and image matrix， while low contrast resolution was affected by image noise. Conclusion Through the investigation of CT scanning protocol and reconstructed parameters on the quality of CT image may help establish the standard of high quality of image for precision radiation therapy.

[Key words] CT scanning protocol； Image quality； Parameter； Radiation therapy

高质量的CT模拟定位（CT simulation，CT-sim）图像是实施三维适形和调强放疗等精确放疗技术的前提。放疗用CT-sim图像有着比诊断用CT图像更高的要求，CT-sim图像需为放疗靶区勾画提供清晰的解剖结构信息和准确的空间位置信息，其CT值为放疗计划系统（treatment planning system，TPS）剂量计算提供准确的电子和物理密度信息。在CT-sim扫描协议中存在多项参数，确定每项参数对CT-sim图像的影响对保证图像质量、提高靶区勾画及剂量计算的准确度有着非常重要的意义。

已有研究顯示，CT工作参数包括管电压、管电流、重建层厚及扫描方式等，其中认为管电压对CT值的影响最为显著[1]；管电流、管电压、螺距对图像噪声的影响较大[2]；管电压、准直器、旋转时间、螺距对高对比度分辨力的影响显著[3]。这些研究主要限于管电压、管电流、螺距、层厚等参数对图像的影响，仍有许多参数未予以考虑。

本文主要针对中山大学附属第一医院Philips 16排大孔径螺旋CT-sim在扫描协议中需设定的参数进行研究，探讨各项参数对图像质量的影响，确定最优化的扫描协议参数设定以保证精确放疗顺利开展。

1 材料与方法

1.1 CT扫描定位系统

采用Philips 16排大孔径螺旋CT-sim（Philips，USA）进行扫描。图像扫描协议参数可分为扫描和重建参数，扫描参数在扫描完成后无法修改，在特定扫描条件下改变重建参数可获得相应的重建图像。

扫描参数包括扫描方式、管电压、管电流、扫描部位、准直器、图像分辨率等；重建参数包括重建层厚（可选择层厚与扫描方式相关）、滤过器（Filter）、滤过器增强等。各项参数及参数选项详见表1。

1.2 图像质量测试模体

采用Catphan 600（The Phantom Laboratory，USA）模体对CT图像进行测试。本研究主要使用该模体测量图像噪声（SD值）、图像均匀度、不同物质的CT值、高/低对比度分辨力等参数。不同物质的CT值（含空气、PMP、LDPE、聚苯乙烯、水、Acrylic、Delrin和Teflon8种材料）采用CTP404模块测量；高对比度分辨力采用CTP528模块测量获得可分辨的线对数；低对比度分辨力则采用CTP515模块测量获得最小可分辨的目标；图像噪声、图像均匀度采用CTP486模块测量。

采用CT机自带的头模及体模图像校准模体（Philips，USA），分别模拟头部和体部，以测试水的CT值和图像均匀度。图像扫描时改变单项参数，其余参数固定，分别扫描头/体模体，在CT图像工作站对图像进行分析。图像参数的测定方法及结果的分析参考国标JJG-1026-2007[4-5]和美国医学物理师协会（AAPM）TG66号报告[6]。

2 结果

2.1 扫描方式

在扫描协议参数设定相同时Helical模式图像噪声略小于Axial模式（9.9比11.9），其余图像参数无差异；螺旋扫描速度更快，可选择的重建层厚更多。

2.2 管电压

管电压不同时，不同物质CT值有较大的差异，不同管电压之间对应的CT值差异最小的为水（4 HU），最大者为Teflon（54 HU）；随管电压增加，图像噪声降低，低密度分辨力提高，其余图像参数无明显变化，辐射剂量随管电压增加而增加。见表2。

2.3 管电流

不同物质的CT值与管电流关系不明显，其差异仅为11 HU；随管电流增加，图像噪声降低，低密度分辨力提高，辐射剂量（CTDIvol）增加。见表3。

2.4 扫描部位

根据扫描协议选择的扫描部位对图像参数有一定的影响。当选择扫描部位为脑/头或颈/胸/腹/盆时，同组部位图像的不同物质的CT值、图像噪声、图像均匀性、辐射剂量之间无差异；但脑/头与颈/胸/腹/盆之间存在明显差异，两组间不同物质的CT值最大差异为42 HU。因此，在设定CT值-电子密度曲线时，需充分考虑扫描部位对CT值的影响，选择头部时，头模的图像均匀性较好，体部模体的均匀性较差；选择体部时则相反。见表4、5。

2.5 准直器

准直器主要影响重建图像的最小层厚、辐射剂量及高对比度分辨力。准直器越小，重建图像层厚越小，掃描时间越长，辐射剂量越大。准直器16*0.75 mm较16*1.5 mm者其高对比度分辨力提高约1组线对，但对低对比度分辨力及噪声的影响较小。

2.6 分辨率

高分辨率模式的图像噪声较标准模式有所增加（13.2比9.4），高对比度分辨力增加约1组线对，低对比度分辨力有所下降；对CT值及其他图像参数无明显影响。

2.7 重建层厚

图像噪声受图像重建层厚的影响较大，噪声与重建层厚的平方根呈反比；层厚越大，低对比度分辨力越高。重建层厚对其他图像参数的影响较小。

2.8 滤过器

不同滤过器的平滑/锐化程度不一致，影响扫描图像的CT值、噪声、高密度分辨力、低密度分辨力和图像均匀性等。不同滤过器对应的物质CT值和图像噪声存在明显差异，不同滤过器间的CT值最大差异可达220 HU。滤过器A/B/C与UA/UB/UC间的最大差异为85 HU；当选用更锐化的滤过器（YA/YB）时，水的CT值存在较大偏差，图像噪声增加，高密度分辨力提高，低密度分辨力降低。见表6。

2.9 滤过器增强

滤过器增强值越小，图像越平滑，噪声越低，低对比度分辨力提高；反之越锐化，噪声越高，高对比度分辨力提高。采用滤过器B时，不同强度的增强值其对应的噪声SD值依次为3.4、3.8、4.7、5.7、5.8、8、9.6、12、13.9；滤过器增强对其他图像参数影响较小。

3 讨论

多项研究显示，管电压对CT值影响较大[7-11]，需针对不同的管电压设定特定的CT值-电子密度曲线[1，12-13]，管电流则对CT值的影响较小。本研究表明，管电压、扫描协议中的扫描部位及重建滤过器对CT值的影响显著，在设定CT值-电子密度曲线时需充分考虑这些参数的影响；选用头部扫描协议时头模的图像均匀性更优，采用体部扫描部位时体模的均匀性更优；Catphan 600模体测得的图像均匀度头部组为10.5 HU，体部组为2.3 HU，其原因可能为不同部位对应CT机不同的硬件滤过器，头部组部位对含骨质较多的情况进行了优化，以改善图像均匀度，对于外圈为软组织时采用体部组条件可能更为合适。

不同类型的滤过器对应不同的图像重建算法，平滑算法（如UA、UB、UC等）可降低噪声，提升低对比度分辨力；而锐化算法（如YA、YB等）则增加噪声，提升高对比度分辨力。不同滤过器对应的物质CT值存在较大差异，需通过测量了解滤过器种类对CT值的影响。可对滤过器分组分别设定其对应的CT值-电子密度曲线；某些滤过器可使CT值发生明显偏离（YA、YB），或导致图像噪声太大（D），从而影响靶区及正常组织的勾画，放疗中应谨慎选用。对无特殊要求者，可考虑使用固定的滤过器及滤过器增强。

管电压、管电流、层厚、滤过器及滤过器增强等参数均可影响图像噪声。通常图像噪声小，低对比度分辨力高；图像噪声大，高对比度分辨力高。在临床工作中，可选取合适扫描协议参数控制图像噪声，获得满足临床要求的图像，且减少患者接受的辐射剂量。

影响图像均匀度的主要因素为扫描部位，如采用头部条件扫描直径较大模体时图像的均匀性较差。图像噪声较大时亦对图像均匀性产生一定的影响。

图像高对比度分辨力与图像的锐化程度（滤过器）相关，图像越锐化，高对比度分辨力越高。低对比度分辨力主要和噪声相关，噪声越低，低对比度分辨力越高。本研究结果与李庚等[14]报道一致。由于高/低对比度分辨力通过辨识模体图像线对数或低对比度目标，其结果判定存在一定的主观性；且从模体图像辨识的结果离散，尽管两幅图像存在一定差异，但对高/低对比度分辨力判定的结果可能相同。最好能引入数学方法对图像进行分析[15-17]，以更加客观准确地评估扫描图像参数。

使用模体测量可测试并量化评估扫描协议各参数对图像质量的影响。但模体的材料组成相对单一，模体形状规整，仅是临床情况的最简化模拟；Catphan600模体的直径仅20 cm，远小于临床患者的实际尺寸；对于形状复杂或小体积的目标仍需进步一测试各参数对其重建精确性的影响。本研究可为临床应用提供较好的参考依据，但临床情况较复杂，仍需根据患者实际情况及临床要求进行不断的探索。

通过全面系统的模体测试可充分了解CT扫描各参数对图像质量的影响，便于临床扫描协议参数的设定；明确了管电压、扫描部位及重建滤过器对不同物质CT值的影响，利于临床设定特定的CT值-电子密度曲线。临床应用中应充分注意扫描部位对图像均匀度的影响及扫描和重建参数对图像噪声的影响，以确保精准放射治疗的实施。

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（收稿日期：2016-09-26 本文编辑：程 铭）