第3代双源CT能谱纯化技术在儿童胸部CT检查中的可行性

刘 炜，刘婧娟，薛华丹，隋 昕，宋 伟，徐 凯，万伟琳，李正红，金征宇

中国医学科学院 北京协和医学院 北京协和医院 1放射科 2儿科，北京 100730

·Force CT专栏 论著·

第3代双源CT能谱纯化技术在儿童胸部CT检查中的可行性

刘 炜1，刘婧娟1，薛华丹1，隋 昕1，宋 伟1，徐 凯1，万伟琳2，李正红2，金征宇1

中国医学科学院 北京协和医学院 北京协和医院1放射科2儿科，北京 100730

目的评估第3代双源CT Sn100 kV与传统100 kV 2种不同管电压扫描方案对儿童胸部CT成像图像质量及辐射剂量的影响，探讨更加合理的儿童肺低剂量扫描参数。方法2015年12月12日至2016年6月30日在北京协和医院进行胸部平扫的连续45例患儿(研究组)，采用第3代双源CT能谱纯化技术扫描，管电压Sn100 kV。影像归档和通信系统中选取45例性别及年龄匹配患儿作为对照组，对照组采用第2代双源CT传统100 kV扫描。比较2种不同扫描技术的辐射剂量、肺窗及纵隔窗图像质量。图像质量评价采用5级评分法。辐射剂量及图像客观噪声组间比较行方差分析及t检验，图像质量评分组间比较行Mann-WhitneyU检验，医师对图像诊断一致性检验行Kappa分析。结果研究组的CT容积剂量指数为(0.24±0.11)mGy，较对照组的(3.10±1.18)mGy下降了92%(t=16.287，P=0.000)；研究组的平均剂量长度乘积和平均有效剂量分别为(7.13±4.72)mGy·cm和(0.11±0.06)mSv，明显低于对照组的(84.78±46.78)mGy·cm(t=11.077，P=0.000)和(1.23±0.61)mSv(t=12.334，P=0.000)。两组的图像噪声(t=-0.003，P=0.397)和对比噪声比(t=0.545，P=0.488)差异均无统计学意义。两组患者肺窗图像质量评分差异无统计学意义(医师1：U=796.000，P=0.055；医师2：U=889.500，P=0.277)；纵隔窗的评分差异有统计学意义(医师1：U=305.000，P=0.000；医师2：U=276.500，P=0.000)。以肺窗为判断标准，研究组的图像质量中位评分为4分(3～5分)，对照组为4分(3～5)分，所有图像质量均满足诊断要求。研究组的呼吸运动伪影(χ2=13.846，P=0.001)及心脏搏动伪影(χ2=53.519，P=0.000)均明显低于对照组。结论与传统100 kV扫描技术相比，在儿童胸部CT平扫中采用第3代双源CT能谱纯化技术减低了92%的辐射剂量，同时获得诊断可接受的肺窗图像质量。

能谱纯化技术；儿童；胸部；第3代双源CT

ActaAcadMedSin，2017,39(1)：21-27

辐射剂量的控制一直是儿童胸部CT检查的关注点。目前一般采取降低管电流、自动管电流调节技术[1- 3]、迭代重建技术[4- 5]等来减低辐射剂量，降低管电压也可以明显减少辐射剂量，但降低管电压的同时会增加噪声，能谱纯化技术(selective photon shield，SPS)通过滤过低能级射线，提高射线利用率为降低辐射剂量开辟了新途径[6- 7]。本研究评估了第3代双源CT Sn100 kV与传统100 kV 2种不同管电压扫描方案对儿童胸部CT成像图像质量及辐射剂量的影响，探讨了更加合理的儿童肺低剂量扫描参数，以期为今后的临床应用提供参考。

对象和方法

对象及分组2015年12月12日至2016年6月30日在北京协和医院门诊及住院的患儿45例(研究组)，入组标准：(1)0～14岁；(2)因疑肺部疾病需行胸部CT平扫；(3)可安静平卧，对于不合作患儿，待其熟睡或检查前30 min口服10%水合氯醛0.5 ml/kg 镇静后进行扫描。对照组为从影像归档和通信系统(picture archiving and communication systems，PACS)选取2015年1月至2015年12月北京协和医院第3代双源 CT装机前采用第2代双源行胸部CT平扫性别及年龄匹配的患儿45例。本研究经北京协和医院伦理委员会批准，所有患儿在行CT检查前，家长均签署了知情同意书。

扫描方法研究组采用第3代双源CT (SOMATOM Definition Force；Siemens Healthcare，Forchheim，Germany)，使用能谱纯化技术，管电压Sn100 kV，参考管电流180 mA，旋转时间0.25 s，大螺距Flash模式扫描，Pitch值3.0。对照组采用第2代双源CT(SOMATOM Definition Flash；Siemens Healthcare，Forchheim，Germany)，管电压100 kV，参考管电流168 mA，旋转时间0.5 s，Pitch值1.4。两组均采用CareDose 4D技术。所有扫描均在平静呼吸或吸气末屏气状态下完成，扫描范围从胸廓入口至肺底层面。

图像重建两组患儿的肺窗和纵隔窗图像重建层厚5 mm，间隔5 mm。第2代双源CT肺窗和纵隔窗Kernel值分别为I70f和I30f，重建算法采用正弦图确定迭代重建(sinogram affirmed iterative reconstruction，SAFIRE)进行，强度3。第3代双源CT肺窗和纵隔窗Kernel值分别Bl57和Br40，重建算法采用高级模拟迭代重建(advanced modeled iterative reconstruction，ADMIRE)，强度3。选择强度3是因为对照组来自第2代双源CT回顾性病例，均使用强度3，文献[8- 9]及笔者的应用经验认为强度3重建的胸部图像质量最佳，可减少图像噪声，同时避免过高强度使图像僵化失真。

辐射剂量每例患儿CT检查的CT容积剂量指数(CT dose index volume，CTDIvol)和剂量长度乘积(dose-length product，DLP)由设备自动计算获得并传输到PACS，全身有效剂量(effective dose，ED)值根据2011年美国医学物理师学会给出的不同年龄组胸部转换系数k与DLP的乘积估算出来[10]。0～0.5岁、0.5～1岁、1～5岁、5～10岁和10岁以上k值分别为0.039、0.026、0.018、0.013和0.014。

客观图像质量评价所用图像均传输到PACS系统，关闭和掩盖扫描参数数据和患儿相关信息，确定统一的肺窗和纵隔窗，肺窗窗宽1400 HU，窗位-600 HU。纵隔窗窗宽380 HU，窗位60 HU。由2名分别具有4年和12年工作经验的放射科医师各自在每幅图像气管分叉上方1cm层面气管内和主肺动脉设置10～20 mm2及40～50 mm2的感兴趣区(region of interest，ROI)进行CT值(HU)及标准差的测定，气管内CT值标准差代表图像客观噪声。因为胸部CT的对比主要是肺间质及肺内气体与支气管血管束之间的差异，所以对比噪声比(contrast to noise ratio，CNR)的计算公式为CNR=(肺动脉干CT值-气管内CT值)/气管内噪声。

主观图像质量评价和运动伪影2名医师分别在肺窗及纵隔窗上双盲法采用5分制进行图像质量评估：1分：差，图像噪声大，伪影重，组织结构显示不清，完全不能诊断；2分：较差，图像噪声较大，组织结构显示欠清，不能满足诊断要求；3分：中等，图像噪声较小，组织结构显示较清楚，基本满足临床诊断要求；4分：良，图像噪声小，组织结构显示清楚，可满足临床诊断要求；5分：优，图像噪声极小，组织结构显示清晰，完全满足临床诊断要求。评分3分以上的图像可以用于临床诊断。运动伪影由2名医师共同评价，协商一致。图像的运动伪影主要包括呼吸运动伪影和心脏搏动伪影，分为无伪影、微小伪影、明显伪影。

统计学处理采用SPSS 22.0统计软件，连续变量以均数±标准差表示，辐射剂量、图像噪声组间比较采用两独立样本t检验；年龄分布、图像质量评分的组间比较采用Mann-WhitneyU检验；计算kappa(κ)统计值的量，评价不同观察者之间的一致性；P<0.05为差异有统计学意义。

结 果

一般情况两组患儿在年龄(U=984.500，P=0.821)、各年龄段分布(P均>0.05)和性别方面(χ2=0.407，P=0.523)差异均无统计学意义(表1)。研究组16例5岁以下儿童均为平静呼吸状态完成扫描。对照组为回顾性病例，未记录扫描时屏气情况。

辐射剂量研究组的CTDIvol为(0.24±0.11)mGy，较对照组的(3.10±1.18)mGy下降了92%(t=16.287，P=0.000)；研究组的DLP和ED分别为(7.13±4.72)mGy·cm和(0.11±0.06)mSv，明显低于对照组的(84.78±46.78)mGy·cm(t=11.077，P=0.000)和(1.23±0.61)mSv(t=12.334，P=0.000)。

表1 两组患儿一般情况的比较(n=45)Table 1 Comparisons of general data between two groups(n=45)

客观图像质量对照组和研究组的图像噪声分别为(31.4±7.4)和(31.4±6.4)HU，差异无统计学意义(t=-0.003，P=0.397)；CNR分别为33.3±7.2和32.0±13.2，差异也无统计学意义(t=0.545，P=0.488)。

主观图像质量两组患者肺窗图像质量评分差异无统计学意义(医师1：U=796.000，P=0.055；医师2：U=889.500，P=0.277)；纵隔窗的评分差异有统计学意义(医师1：U=305.000，P=0.000；医师2：U=276.500，P=0.000)(表2)。以肺窗为判断标准，研究组的图像质量中位评分为4分(3～5分)，对照组为4分(3～5)分，所有图像质量均满足诊断要求(图1)。2名放射科医师图像质量分级的一致性检验：肺窗图像质量，医师1、2之间的κ值为0.854；纵隔窗图像质量，医师1、2之间的κ值为0.783；一致性较好。

运动伪影研究组的呼吸运动伪影(χ2=13.846，P=0.001)及心脏搏动伪影(χ2=53.519，P=0.000)均明显低于对照组(表3)。

CTDIvol：CT容积剂量指数；DLP：剂量长度乘积；ED：有效剂量

CTDIvol：CT dose index volume；DLP：dose-length product；ED：effective dose

A.女，13岁，肺窗图像质量评分5分，可见微小心脏搏动伪影(100 kV，CTDIvol4.51 mGy，DLP 179 mGy·cm，ED 2.33 mSv)；B. 男，4岁，肺窗图像质量评分4分，可见微小心脏搏动伪影和呼吸伪影(100 kV，CTDIvol3.19 mGy，DLP 64 mGy·cm，ED 1.15 mSv)；C、D. 男，4岁，肺窗和纵隔窗图像质量评分均为4分，无运动伪影(Sn100 kV，CTDIvol0.20 mGy，DLP 5.1 mGy·cm，ED 0.09 mSv)；E、F. 女，4岁，肺窗和纵隔窗图像质量评分均为3分，无运动伪影 (Sn100 kV，CTDIvol0.14 mGy，DLP 2.7 mGy·cm，ED 0.05 mSv)

A.a 13-year-old girl，the subjective image quality score of the CT image of the parenchymal window was 5，minor cardiac artefact is shown (100 kV，CTDIvol4.51 mGy，DLP 179 mGy·cm，and ED 2.33 mSv)；B.a 4-year-old boy，the subjective image quality score of CT image of the parenchymal window was 4，minor cardiac and breath motion artefacts are shown (100 kV，CTDIvol3.19 mGy，DLP 64 mGy·cm，and ED 1.15 mSv)；C，D.a 4-year-old boy，the subjective image quality score of CT images of the parenchymal and mediastinal windows were both 4，and no motion artefacts are shown (Sn100 kV,CTDIvol0.20 mGy，DLP 5.1 mGy·cm，ED 0.09 mSv)；E，F.a 4-year-old girl，the subjective image quality score of the CT images of the parenchymal and mediastinal windows were both 3，and no motion artefact is shown (Sn 100 kV，CTDIvol0.14 mGy，DLP 2.7 mGy·cm，ED 0.05 mSv)

图1 两组患儿胸部CT图像举例

Fig 1 Exmaples of CT images obtained from two groups

表2 两组患者主观图像质量评分比较(n=45)Table 2 Comparison of subjective image assessment between two groups(n=45)

表3 两组患者运动伪影评分比较(n=45)Table 3 Comparison of motion artefacts scores between two groups(n=45)

讨 论

儿童胸部CT检查的最大问题是辐射造成的损伤。传统100 kV射线中含有的低能量射线不易穿透而被人体所吸收，增加了人体的吸收剂量，同时增加了扫描图像的本底噪声。第3代双源CT在X线球管后设置了SPS，依靠安放在球管射线窗前的选择性光子滤过板去除低能量光子，使射线束迁移到高能量光谱，可有效提高射线的利用率，减小人体的吸收剂量，达到降低辐射剂量的目的。本研究结果显示，研究组比对照组辐射剂量减少近92%，平均ED为(0.11±0.06)mSv，达到相当于1张胸片的辐射剂量。Haubenreisser等[8]采用Sn100 kV进行成人胸部CT扫描，与传统100 kV扫描相比，剂量降低约90%，与本研究结果接近。

降低照射剂量必然导致图像噪声的增加、空间分辨率和图像质量的下降，肺部病变的发现依赖于病变与周围正常肺组织的对比和影像的噪声水平。因此，对于低或等密度病变，其在肺组织中的显示要比在实质性脏器中的显示明显，并且不易受影像噪声的影响。故在肺窗上观察肺部病变影响甚微。本研究中2名放射诊断医师分别评价肺窗图像质量，研究组和对照组评分无明显差异，中位数4分，所有病例均可以满足临床诊断的需要，不需要对患儿进行重复扫描。降低剂量后纵隔窗图像质量的降低主要由大血管和胸壁软组织对比度降低引起。本研究结果显示，2名观察者纵隔窗图像质量评估分值均较肺窗低，在研究组表现更为明显。评分2分不能满足诊断要求的大多为1岁以下幼儿，推测可能原因：幼儿纵隔内各脏器之间缺乏脂肪对比，幼儿手臂无法完全上举对胸部成像产生伪影，这几例患儿有效mAs为14～35 mAs，过低的管电流增加了图像噪声。

研究组大螺距扫描方式，胸部CT扫描时间不足1 s，所有平静呼吸的患者图像无呼吸伪影，部分病例可见由于心脏搏动引起微小伪影。而传统的扫描方式，部分无法呼吸配合的患者可能出现呼吸运动伪影，支气管血管束边缘模糊，部分影响诊断。笔者认为大螺距扫描方式对于无法配合屏气的患儿尤为适用。

本研究存在以下不足之处：(1)辐射剂量及图像质量均与患者体质量相关，对照组由回顾性选择的病例组成，PACS系统中无法得知患者的体质量指数(body mass index，BMI)，故两组无法进行BMI匹配，在本研究中我们选择了年龄及性别组成匹配的患者，以尽量消除体质量因素的影响。(2)对照组为回顾性病例，无法得知检查时患者的配合情况，影响呼吸伪影的评价。研究组中不能配合屏气扫描的都发生在5岁 及5岁以下儿童，对照组中5岁以下儿童构成比与研究组无统计学差异。(3)两组病例图像重建算法研究组使用ADMIRE，对照组使用SAFIRE，虽然都是迭代重建技术，但可能影响图像质量，我们选择了相同的强度3，尽量减少重建算法对图像质量的影像；(4)病例数相对较少，尤其低年龄组患者病例数少。(5)本研究尚未进行对胸部具体病变诊断效能的比较。Braun等[6]对25例治疗前后分别接受120 kV和Sn100 kV扫描的成人患者图像进行比较，认为对于胸膜病变、肺内结节或肺炎诊断信心无明显差异，而Sn100 kV对于肺间质病变及磨玻璃病变诊断信心下降。Martini等[9]应用Sn100 kV、管电流15 mA进行成人胸部扫描结合ADMIRE技术，认为诊断肺感染性病变与100 kV、40 mA扫描所得图像相当，诊断肺内磨玻璃结节敏感性降低。儿童患者中以肺炎居多，而间质病变相对少，因此SPS的应用将更加广泛。

国际放射防护委员会提出了剂量最优化原则，即在保证图像质量具有诊断价值的前提下尽可能降低患者的辐射量。笔者认为，对于儿童患者，在临床实践中如需多次复查，主要病变在肺内而非纵隔，应该选择SPS，即Sn100 kV进行扫描，以极低的辐射量来获取满足临床诊断要求的图像。而如果需要结合纵隔窗进行分析，则可根据评估病变的性质选择合理的扫描模式。

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Feasibility of Pediatric Chest CT Using Spectral Filtration on Third-generation Dual-source CT

LIU Wei1，LIU Jingjuan1，XUE Huadan1，SUI Xin1，SONG Wei1，XU Kai1，WAN Weilin2，LI Zhenghong2，JIN Zhengyu1

1Department of Radiology，2Department of Pediatrics，PUMC Hospital，CAMS and PUMC，Beijing 100730，China

JIN Zhengyu Tel：010- 69155442，E-mail：jin_zhengyu@163.com

Objective To prospectively investigate the radiation dose and image quality of pediatric chest CT using Sn100 kV on a third-generation dual-source CT (DSCT)in comparison to standard 100 kV chest CT. Methods From December 12，2015 to June 30，2016，45 consecutive pediatric patients referred for non-contrast chest CT scan in Peking Union Medical College Hospital were prospectively enrolled as study group. They were examined at 100 kV with a dedicated tin filter on a third-generation DSCT. These patients were retrospectively matched with 45 patients who were examined on a second-generation DSCT at 100 kV without tin filter. The radiation dose as well as the lung and mediastinal window image quality(IQ)of the two groups were compared and analyzed statistically. IQ was evaluated using a five-point scale (1=unevaluable，5=excellent). Differences of radiation dose and noise between the two groups were determined with variance analysis andttest，IQ with Mann-WhitneyUtest，and the consistency of diagnosis withKappatest. Results The average CT dose index volume of the study group was (0.24±0.11)mGy，which was decreased by 92% compared with the control group [(3.10+1.18)mGy] (t=16.287，P=0.000). Mean dose-length product and mean effective dose for study group were significantly lower than those of control group [(7.13±4.72)mGy·cmvs. (84.78±46.78)mGy·cm,t=11.077,P=0.000；(0.11±0.06)mSvvs.(1.23±0.61)mSv,t=12.334,P=0.000]. There was no significant difference between the two groups in terms of image noise (t=-0.003，P=0.397)and contrast to noise ratio (t=0.545，P=0.488). There was no significant difference between the two groups in lung window IQ (doctor 1：U=796.000，P=0.055；doctor 2：U=889.500，P=0.277)，while significant difference was seen concerning of the mediastinal window IQ (doctor 1：U=305.000，P=0.000；doctor 2：U=276.500，P=0.000). Referring to the lung window，the median IQ for the study group and control group was 4 (3- 5)and 4 (3- 5)，respectively. All imaging findings had acceptable IQ. The breath motion artifacts (χ2=13.846，P=0.001)and heart beat artifacts (χ2=53.519，P=0.000)of the study group were significantly lower than those of the control group. Conclusion Compared with standard 100 kV chest CT，the use of tin-filtered Sn100 kV on a third-generation DSCT provided 92% dose reduction in pediatric chest CT examinations while maintaining diagnostically acceptable lung window images.

tin filter technique；child；chest；third-generation dual-source CT

国家临床重点专科建设项目(2014)Supported by the National Key Clinical Specialist Construction Programs of China(2014)

金征宇 电话：010- 69155442，电子邮件：jin_zhengyu@163.com

R814.42

A

1000- 503X(2017)01- 0021- 07

10.3881/j.issn.1000- 503X.2017.01.005

2016- 12- 01)