CT低剂量高分辨成像可行性研究体模实验

姚开情，吕发金

重庆医科大学附属第一医院 放射科，重庆 400016

引言

胸部低剂量CT和高分辨CT成像（High Resolution Computed Tomography，HRCT）在临床工作中的应用日益普遍。近年来，胸部低剂量CT因其超低的辐射剂量已逐渐代替DR检查用于健康体检中；而HRCT检查因其对胸部细小病变的显示优势也逐渐受到临床医师的青睐。HRCT于1985年被提出，基本内容是薄层扫描（1～2 mm），高分辨锐利算法重建和小视野模式的成像方法；它在20世纪90年代被认为是评估肺部可疑病变的有用工具。但传统的HRCT采用140～200 mA，2～3 s扫描时间，产生的辐射剂量也非常的高[1]。Zwirewich等[1]在1991年首次提出了胸部低剂量高分辨成像的概念，该研究发现120 kV，20 mA的低剂量HRCT获得的图像解剖信息与200 mA扫描的图像一致，没有明显降低空间分辨力和图像质量，但该研究只进行了两组扫描参数的对比，未将辐射剂量纳入观察指标。近年来胸部低剂量HRCT的相关研究均着重于对胸部疾病层面的研究，未进行扫描技术层面的研究[2-3]。

本研究采用不同管电压/管电流组合的扫描方案对体模进行扫描，评估不同重建算法、不同管电压和管电流对CT图像质量的影响[4-8]，探寻最佳的低剂量HRCT扫描方案，以期为临床胸部CT低剂量HRCT扫描提供理论依据及扫描参数选择，同时在满足临床诊断的高质量CT图像前提下，最大限度地减少对患者的辐射剂量。

1 材料与方法

1.1 检测设备

SIEMENS公司Somatom Force CT扫描仪，GE公司Discovery HD750 CT扫描仪，美国体模实验室Catphan 600性能体模。

1.2 扫描条件

1.2.1 Somatom Force CT

选择胸部CT扫描方案，旋转时间：0.5 s，准直宽度192×0.6 mm，螺距1.2，层厚：5 mm，层间距：5 mm，矩阵：512×512，卷积核 Br40、BI57，重建算法：滤波反投影（Filtered Back Projection，FBP）、ADMIRE3[9]；不同方案的扫描参数如下：固定管电压sn100、80、100和120 kV，固定管电流 15、20、25、30、40、50、60、70、80、90、100、150和 200 mAs（分别对应 36、48、60、72、96、120、144、168、192、216、240、360和480 mA），总共52组扫描条件。

1.2.2 Discovery HD750 CT

选择胸部CT扫描方案，旋转时间：0.5 s，螺距：1.375，准直宽度：40 mm，速度：55 mm/rot，探测器配置：64×0.625，层厚：5 mm，层间距：5 mm，重建类型：Lung、Stnd，矩阵：512×512，重建模式：Full，重建算法：FBP、ASIR 50%；不同方案的扫描参数如下：固定管电压80、100、120 kV，固定管电流35、50、60、70、95、120、145、170、190、215、240、360和480 mA，总共39组扫描条件。

1.3 Catphan 600性能体模

CTP528，高对比度分辨力模块（空间分辨力）：内含呈同心圆环状排布1～21线对/cm的高分辨力检测卡和2颗钨珠点源。空间分辨力以LP/cm或mm表示。21组线对组分别代表1～21 LP/cm。CTP515，低对比度分辨力模块（密度分辨力）：有外圈和内圈对比度靶块，外圈靶块尺寸2、3、4、5、6、7、8、9、15 mm，内圈靶块尺寸3、5、7、9 mm。外圈靶和内圈靶均有3种对比度水平：0.3%、0.5%、1.0%。密度分辨力，以百分单位毫米数（%/mm）或毫米百分单位（mm/%）表示。CTP486，图像均匀性模块：由一均匀材质构成，用来测量空间均匀性，CT平均值和噪声[10]。Catphan 600性能体模图片如图1所示。

图1 Catphan 600实物图及CTP528、CTP515、CTP486模块CT扫描图

1.4 检测方法及图像评价

在Somatom Force CT和Discovery HD750 CT上分别对Catphan 600的CTP528、CTP515、CTP486模块按照预设扫描条件进行扫描，记录容积CT剂量指数（Volume CT Dose Index，CTDIvol）值，将所有图像传至GE AW4.6后处理工作站。由2名具有5年及以上工作经验的放射科医师在对图像信息不知情的情况下进行独立阅片，评价图像的空间分辨力和密度分辨力，意见不同时经协商后达成一致；由一名医师对图像噪声进行测量和记录。在锐利图像（Lung/BI57）上评价图像空间分辨力，在平滑图像（Stnd/Br40）上评价图像密度分辨力和测量图像噪声。

1.4.1 空间分辨力、密度分辨力的评价

在CTP528锐利图像上调节窗宽、窗位至最佳值，记录未观察到短缺和粘连的线对结构的最高空间分辨力（LP/cm）；在CTP528平滑图像上选取外圈对比度为1.0%的孔径进行观察，确定能分辨的最小圆柱孔径，以能看到圆面积的80%为有效，记录其孔径作为密度分辨力（mm/1.0%），若无法分辨最大孔径，则用“#”表示，孔径越小代表密度分辨力越高。在CTP486平滑图像上设置5个相同大小的感兴趣区（Region of Interest，ROI）（ROI：150 mm2），分别放置于均匀图像的中心和上下左右四周（距离模块内圈边缘约10 mm），记录5个ROI的CT值标准偏差，取平均值作为图像噪声。

1.4.2 辐射剂量分组

将91组固定管电压/管电流组合CTDIvol值按照数值高低分为：低剂量组＜2 mGy；高剂量组＞8 mGy[11-12]。观察高、低剂量组合中辐射剂量与空间分辨力和密度分辨力主观评价的关系，探寻低剂量下最佳的空间分辨力与密度分辨力的电压与电流组合。

1.5 统计学处理

采用SPSS 25.0统计软件进行统计学分析。将Somatom Force CT的52组数据和Discovery HD750 CT的39组数据纳入分析，以比较不同重建算法对图像质量（主观评价、图像噪声）的影响。不同重建算法的比较采用Shapiro-Wilk（SW）正态分布检验，符合正态分布用(±s)表示，使用配对样本t检验进行分析；不符合正态分布用中位数与四分位数间距表示M (Q1,Q3)，使用配对样本秩和检验进行分析。若P＜0.05，表示差异有统计学意义。

2 结果

2.1 不同重建算法对空间分辨力、密度分辨力及图像噪声的影响

Force CT中ADMIRE3和FBP对空间分辨力、密度分辨力主观评价的影响无统计学差异（P＞0.05），对图像噪声的影响存在统计学差异（Z=-6.275，P＜0.001），ADMIRE3算法图像噪声更低。HD750 CT中ASIR 50%和FBP对空间分辨力、密度分辨力主观评价的影响无统计学差异（P＞0.05），对图像噪声的影响存在统计学差异（Z=-5.442，P＜0.001），ASIR 50%算法图像噪声更低（表1）。

表1 不同重建算法（IR、FBP）对空间分辨力、密度分辨力和图像噪声的影响

2.2 低剂量组与高剂量组辐射剂量与空间分辨力、密度分辨力关系（迭代算法数据组）

Force CT中低剂量组34例，高剂量组3例；HD750CT中低剂量组19例，高剂量组3例；Force CT和HD750CT中高、低剂量组空间分辨力存在部分重叠，密度分辨力无重叠（表2）。

表2 低剂量组与高剂量组中的辐射剂量与空间分辨力和密度分辨力主观评价情况

2.3 低剂量组中7 LP/cm空间分辨力对应的扫描参数组合、辐射剂量与密度分辨力情况（迭代算法数据组）

Force CT中低剂量组空间分辨力达7 LP/cm共8例，HD750 CT中低剂量组空间分辨力达7 LP/cm共6例。Force CT中CTDIvol值1.34～1.59 mGy，密度分辨力15～9 mm/1.0%；HD750 CT中CTDIvol值1.54～1.96 mGy，密度分辨力15～9 mm/1.0%。Force CT和HD750 CT低剂量组中7 LP/cm空间分辨力最佳的扫描参数组合：120 kV/25 mAs（60 mA），辐射剂量CTDIvol1.64/1.60 mGy，密度分辨力9 mm/1.0%（表3、图2）。

图2 不同管电压/管电流组合空间分辨力与密度分辨力显示图

3 讨论

本研究用FBP重建与迭代重建（ADMIRE3/ASIR 50%）进行对比研究发现，FBP重建与迭代重建对空间分辨力、密度分辨力主观评价的影响无统计学差异，但迭代重建（ADMIRE3/ASIR 50%）算法的图像噪声更低。总体而言，迭代重建算法优于FBP算法。这与以往的研究结果基本一致。Örgel等[13]在主动脉CT血管成像图像质量的研究中发现，ADMIRE重建的图像噪声和信噪比均优于FBP重建。唐世龙等[14]通过研究ASIR重建在儿童头部CT扫描中的应用时发现，在水模实验和临床试验中，ASIR组的图像噪声均优于FBP组，ASIR重建既可降辐射剂量，又能保证图像质量。

本研究通过不同的管电压和管电流组合对体模进行扫描发现：不同辐射剂量组（低剂量、高剂量组）中空间分辨力主观评价范围存在部分重叠，在一定的辐射剂量范围内，空间分辨力变化并不明显。这表明，单纯通过增加辐射剂量来提高对比度分辨力并不可取，这与张璞等[15]的研究结果基本一致。低剂量条件下可获得与高剂量条件一样高的空间分辨力，但密度分辨力不如高剂量。由本研究结果可知，在120 kV/25 mAs（60 mA）的扫描条件下，可实现最佳的低剂量高分辨成像，获得较好的图像质量，既满足低剂量需求，又满足高分辨成像。以往的临床胸部低剂量HRCT研究对扫描参数的设定并无理论依据的支持[2,16]。Chen等[2]在使用低剂量HRCT进行慢阻肺患者气道病理的定量评估时，将扫描条件设置为120 kV，40 mA。黄晓兵等[16]在研究低剂量HRCT在胸部病变中的应用价值时，将扫描条件设置为120 kV，40 mAs。本研究通过体模研究证实120 kV/25 mAs（60 mA）的扫描条件可实现最佳的低剂量高分辨成像，为临床胸部低剂量HRCT扫描参数的选择提供了理论依据和可供参考的选择。本研究在两个不同厂家生产的CT设备上进行体模实验，得到较为一致的结果，这证实本研究的结果是可靠的。

4 结论

管电压120 kV、管电流25 mAs（60 mA）的低剂量扫描方案，结合迭代重建算法可实现最佳的低剂量高分辨成像，为临床胸部低剂量HRCT扫描参数的选择提供了理论依据和可供参考的选择。本研究仅是体模研究，尚未将研究结果运用于临床试验，且存在以下不足：① 本研究是体模研究，无法显示自动管电压、自动管电流技术优势；② 本研究仅通过改变管电流和管电压、重建算法进行研究，未对其他扫描参数进行研究，以上不足也将是我们下一步的研究内容。