管电压对胸部CT图像质量及辐射剂量的影响

袁颖，卢东生，钟朝辉

首都医科大学附属北京友谊医院 a.放射科；b.医学工程部，北京 100050

引言

随着CT设备的广泛应用，其辐射剂量引起的危害也逐渐引起人们的关注[1]，胸部CT检查在肺癌、肺结核等疾病的检出和对高危人群的普查等方面具有一定的优势，尤其对于肺癌筛查，其检出率约为X线胸片的6倍，而辐射剂量却是X线胸片的几十甚至上百倍[4]。自动管电流调制（Automatic Tube Current Modulation，ATCM）技术是降低X线剂量的有效手段[5-6]。在应用ATCM技术时，噪声指数（Noise Index，NI）和管电压的选择决定了图像质量和辐射剂量[7]。本文旨在讨论螺旋CT扫描在应用ATCM技术时不同管电压扫描对辐射剂量的影响，为临床优化胸部CT扫描方案提供参考。

1 材料与方法

1.1 胸部模型

采用Shimadzu PH-1胸部仿真模体（图1～2），大小为43 cm×48 cm，胸围94 cm，主要成分为聚氨酯树脂SZ-50以及人工骨骼，其内部肺纹理与人体无显著差别。体模内包含9个磨玻璃密度结节（Ground Glass Nodules，GGN）[8]，其直径为5、10及12 mm 3种，将5 mm的GGN置于肺尖区，其余GGN随机置于体模的上、中、下肺野及内、中、外带。GGN的平均CT值为（-450.43±6.57）HU。

图1 PH-1胸部仿真模体外观

图2 模型内部结构和固定放置的模拟结节

1.2 仪器与方法

采用GE Optima CT 680对胸部仿真模体进行扫描，将模体放置扫描野等中心点水平，扫描范围自肺尖到肺底。扫描条件：机架旋转时间为0.8 s，螺距比0.984:1，矩阵512×512，准直宽度40 mm（64×0.625)，层厚5 mm，层间距5 mm。重建条件：以标准算法ASIR30重建[9-10]。每组扫描覆盖范围一致。应用ATCM技术，以管电压80、100、120 kVp分别进行扫描并记作A、B、C组，3组管电流调制范围取设备允许的最大范围，分别为10～400、10～480、10～560 mA，设备根据指定的NI和病人情况在此范围内确定实际曝光的毫安值。每组分别设定NI值为10、15、20、25、30进行扫描。记录各组容积CT剂量指数（Volume CT dose index，CTDIvol），剂量长度乘积（Dose Length Product，DLP）。

1.3 图像质量评估

1.3.1 客观评估

应用图像后处理工作站adw 4.6，选择气管分叉处和肝部上缘两个层面进行测量。在此两个层面选择密度均匀的区域测量CT值，其标准差的大小代表图像的客观噪声水平。测量面积分别为70 mm2和500 mm2。15组图像客观噪声的测量均在同一层面的同一位置，共测量3次数据，取平均值。

1.3.2 主观评估

将组图像传至PACS，关闭图像扫描参数及其它相关信息，由两名资深放射科医生独立评价所有图像。应用固定窗宽、窗位：肺窗窗宽1600 HU，窗位-600 HU（图3a）；纵隔窗窗宽400 HU，窗位40 HU（图3b）。对GGN的清晰度采用4分制进行主观评分：4分，结节边缘清晰可见；3分，结节边缘稍显模糊；2分，结节边缘较模糊但结节仍可见；1分，结节不可见。共评价3次。

图3 肺窗及纵隔窗示意图

1.4 统计学分析

采用SPSS 17.0统计学软件，对15组不同扫描的CTDIvol、DLP进行比较。应用单因素方差分析比较同一预设NI下3种管电压图像的客观噪声。应用非参数检验中的Kruskal-Wallis H检验比较相同预设NI下3种管电压的GGN主观评分。P＜0.05时差异具有统计学意义。应用Kappa分析检验两名放射科医师对图像诊断的一致性，Kappa值≥0.75为一致性较好，0.4～0.74为一致性中等，＜0.4为一致性较差。

2 结果

2.1 辐射剂量

B组在NI为15、20、25、30时的CTDIvol分别为5.19、2.91、1.86、1.29，与 A组的 CTDIvol（5.4、3.12、1.97、1.35）比较分别降低了3.89%、6.73%、5.58%、4.44%，C组的CTDIvol（4.81、2.68、1.72、1.19）与A组比较分别降低了10.93%、14.10%、12.69%、11.85%，见表1。

表1 管电压对CTDIvol、DLP的影响

2.2 图像质量评估

2.2.1 客观评估

对5组NI图像的质量进行客观评估，在气管分叉处和肝部上缘层面分别选择密度均匀的区域测量CT值，其标准差的大小代表该层面的客观噪声水平，测量结果，见表2～3。

2.2.2 主观评估

对5组NI图像的质量进行主观评估，由两名有经验的放射科医生采用双盲法对GGN进行主观评分，评分结果见表4。评分一致性见表5，根据表5所示，GGN评分一致性较好。沿角度平面（xy平面）和（或）长轴（z轴）方向上，实时调制管电流输出，减少不同投照角度上不必要的X线输出和（或）按照事先设定的图像质量参考水平获取图像同时优化辐射剂量的方法，目前已经成为剂量优化方面非常有效的工具[11]。然而辐射剂量与管电压的幂指数呈正比，幂指数是随CT管球的滤过类型和形状改变而不同的[12]。有文献报道，在固定毫安秒的情况下，管电压从120 kVp降低到100 kVp可使辐射剂量下降30%左右[13]。本文旨在探究应用自动管电流调制技术时，管电压设置对辐射剂量的影响。

表2 不同NI条件下气管分叉处客观噪声（±s）

表2 不同NI条件下气管分叉处客观噪声（±s）

注：测量面积为70 mm2。

管电压 (kVp) 10 15 20 25 30 80 5.89±0.51 7.49±0.31 8.82±0.51 14.24±0.32 16.95±0.22 100 4.62±0.19 7.32±0.22 8.86±0.4 14.36±0.84 16.66±0.52 120 4.87±0.26 6.95±0.23 8.91±0.21 14.64±0.48 16.33±0.45 P值 0.019 0.074 0.667 0.309 0.707

表3 不同NI条件下肝部上缘客观噪声（±s）

表3 不同NI条件下肝部上缘客观噪声（±s）

注：测量面积为500 mm2。

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表4 不同NI条件下管电压对GGN的主观评分的影响（次）

图4 NI为10时不同层面的管电流值

表5 GGN评分一致性的Kappa值

在ACTM模式下，固定NI和管电压时，管电流随图像层数而变化，形成管电流曲线。固定NI时，不同管电压下，管电流随图像层数的曲线，见图4（以NI=10为例）。

3 讨论

自动管电流调节技术是基于个体化因素、解剖结构的不对称性以及扫描区域内组织构成对X线衰减差异较大的事实，

结果提示，使用低管电压进行ATCM扫描，除NI为10时，图像噪声有显著差异外（P＜0.05），其他NI下3种管电压扫描图像的客观噪声均无统计学差异（表2～3），对于模体内GGN的主观评分亦无统计学差异（表4～5），这一结果与Rampado等[14]的研究结果一致。NI为10时，A组80 kVp由于受CT高压发生器设置，管电流最大限值为400 mA，不能满足图像NI为10的条件（图4），CTDIvol为8.31，而B组和C组的CTDIvol分别为11.35和10.98。如表1所示，相同管电压条件下扫描，CTDIvol随着NI增大而减小。不同管电压辐射剂量比较显示，B组在NI为15、20、25、30时的CTDIvol分别为15.19、2.91、1.86、1.29，与 A 组（5.4、3.12、1.97、1.35）比较分别降低了 3.89%、6.73%、5.58%、4.44%，C组（4.81、2.68、1.72、1.19）与A组比较分别降低了10.93%、14.10%、12.69%、11.85%。由此可见，在相同的图像NI下，CTDIvol随管电压增大而减小。

80 kVp管电压扫描，在NI为10时，由于受最大管电流调制限制，不能满足设置的图像噪声水平。相同NI下，管电压越高，管电流输出越少，而在低管电压下，明显增加管电流的输出，由于图像噪声对管电压非常敏感，管电压的变化对肿瘤检出率的影响高于管电流对其的影响，因此在临床上进行早期肿瘤的筛查或微小病灶检查时不宜采取降低管电压的方法。然而，低管电压的ATCM技术主要用于血管成像[15-16]或过小体型患者低剂量胸部扫描[17-18]。由于碘对比剂对X衰减敏感度较人体组织敏感，低管电压扫描常用于胸部的血管成像扫描来增加组织对比和减少造影剂用量。

本研究的不足之处在于没有明确低管电压胸部扫描的适用人群。使用高管电压（120 kVp以上）结合ATCM技术对辐射剂量的影响需要进一步研究。本研究应用GE Optima CT680 CT机扫描，对于其他设备自动管电流调制技术应用不同管电压扫描是否有相同的结果，需进一步研究。

4 结论

本文探讨了应用自动管电流调节技术行胸部CT扫描时，管电压的变化对图像质量及辐射剂量的影响。结果提示，胸部CT扫描采用自动管电流调制技术时，要根据检查目的等因素，合理地设置管电压，从而在保证图像质量的前提下实现辐射剂量的降低。

[1]Hoshino C.The cancer risks of medical radiation exposure associated mainly with CT scans[J].J Japan Prim Care Ass,2015,38(4):369-382.

[2]赖宝艺,孙华平.多排螺旋CT动态增强扫描对肺孤立性结节鉴别诊断价值[J].医学影像学杂志,2015,(12):2274-2277.

[3]Swensen SJ,Jett JR,Hartman TE,et al.CT screening for lung cancer: five-year prospective experience[J].Radiology,2005,235(1):259-265.

[4]New York Early Lung Cancer Action Project Investigators.CT screening for lung cancer: diagnosis resulting from the New York Early Lung Cancer Action Project[J].Radiology,2007,243(1):293-294.

[5]Lee KH,Lee JM,Moon SK,et al.Attenuation-based automatic tube voltage selection and tube current modulation for dose reduction at contrast-enhanced liver CT[J].Radiology,2012,265(2):437.

[6]Peng Y,Ma D,Zhang Q,et al.Use of automatic tube current modulation with a standardized noise index in young children undergoing chest computed tomography scans with 64-slice multi-detector computed tomography[J].Acta Radiol,2009,50(10):1175-1181.

[7]Sookpeng S,Martin CJ,Gentle DJ,et al.Relationships between patient size, dose and image noise under automatic tube current modulation systems[J].J Radiol Prot,2014,34(1):103-123.

[8]徐岩,贺文,陈卉.迭代重建技术对低剂量CT图像质量和肺磨玻璃密度结节体积测量准确性的影响[J].中华放射学杂志,2013,47(10): 926-931.

[9]吴瑶媛,王万勤,刘斌,等.FBP、ASiR和VEO三种重建算法对常规剂量胸部CT图像质量的影响[J].中国医学影像技术,2012,28(3):575-578.

[10]陈疆红,贺文,赵丽琴,等.适应性统计迭代重建技术降低胸部低剂量CT图像噪声的效果[J].中国医学影像技术,2011,27(12):2398-2402.

[11]王倩,赵心明.多层螺旋CT自动管电流调制技术及应用进展[J].医学综述,2013,19(4):702-706.

[12]于红,李惠民,李霄麟,等.腹腔动脉CT血管成像固定毫安秒低剂量技术探讨[J].中华放射学杂志,2009,43(7):688-692.

[13]Sigalcinqualbre AB,Hennequin R,Abada HT,et al.Lowkilovoltage multi-detector row chest CT in adults: feasibility and effect on image quality and iodine dose[J].Radiology,2004,231(1):169.

[14]Rampado O,Marchisio F,Izzo A,et al.Effective dose and image quality evaluation of an automatic CT tube current modulation system with an anthropomorphic phantom[J].Eur J Radiol,2009,72(1):181-187.

[15]邹平,薛跃君.64排螺旋CT双下肢血管成像低电压扫描的初步研究[J].临床放射学杂志,2013,32(9):1340-1342.

[16]Shin HJ,Song SK,Lee JH,et al.Feasibility of low-concentration iodinated contrast medium with lower-tube-voltage dual-source CT aortography using iterative reconstruction: comparison with automatic exposure control CT aortography[J].Int J Cardiovas Imag,2015,32(1):53-61.

[17]孙记航,于彤,段晓岷,等.基于模型的迭代重建算法优化低管电压儿童胸部CTA图像质量[J].中国医学影像技术,2015,(2):302-305.

[18]Wang XX,Zhong YM,Hu LW,et al.A prospective evaluation of the contrast, radiation dose and image quality of contrastenhanced CT scans of paediatric abdomens using a lowconcentration iodinated contrast agent and low tube voltage combined with 70% ASIR algorithm[J].Int J Clin Pract,2016,70(9):16-21.