剂量、层厚和射线质对CT图像低对比可探测能力的影响研究

赵锡鹏,王嘉莹,熊强,佟林全

(国家卫生健康委职业安全卫生研究中心,国家卫生健康委粉尘危害工程防护重点实验室, 北京, 102308)

在放射诊断学成像中,X射线计算机断层扫描(CT)相对于X射线摄影的显著优势,除断层成像和三维立体重建外,另一个是高密度分辨力(即低对比可探测能力),即能够较好的探测和区分密度相近的组织和小病灶。但CT检查的辐射剂量相对较高,大约是普通X射线摄影的400倍。因此,保证CT成像质量,特别是保证对密度相近的组织和小病灶的低对比探测能力,降低漏诊、误诊、减少不必要的重复检查,对广大患者和受检者的健康和安全具有十分重要的意义。对CT设备定期的状态检测和稳定性检测是保证低对比可探测能力在内的CT影像质量的关键途径。现行CT性能检测标准《X射线计算机体层摄影装置质量控制检测规范》[1]中细化了该指标的检测条件:“设置层厚为10 mm,达不到10 mm时选择最接近10 mm的层厚,扫描剂量CTDIw应不大于50 mGy,尽量接近50 mGy”,但未明确“接近10 mm”、“接近50 mGy”中的接近程度或者具体可选层厚和剂量的范围以及具体可用管电压范围。因此,本研究分别测试了不同重建层厚、不同扫描剂量、相同剂量下不同管电压等条件对低对比可探测能力的影响,验证并补充低对比可探测能力的检测条件,为进一步规范开展CT设备质量控制检测和标准制(修)订提供数据支持。

1 材料与方法

1.1 仪器设备

选用上海联影医疗科技股份有限公司生产的uCT 760型X射线计算机体层摄影设备,生产日期为2021年4月,序列号:600495。管电压可设置范围为100、120、140 kV,常用管电流时间积可选范围为200、240、290、350、400 mAs,射线总准直宽度可选为10、20 mm,常用重建层厚可选范围为10、5、1.25、0.625 mm。

1.2 检测模体

选用美国模体实验室研发的Catphan 600型影像质量模体,该模体主要包括CTP404、CTP591、CTP528、CTP515和CTP486等5个模块,其中CTP515模块为低对比可探测能力模块,模块直径15 cm、厚4 cm,分为“Subslice”和“Supra-slice”内外两圈细节。其中,“Supra-slice”由1.0%、0.5%和0.3%的3组对比度细节组成,每一组对比度的细节又由10个不同直径的圆孔组成(3组之间相应的低对比度细节大小相同),其结构示意图见图1。

图1 CTP515模块结构示意图

本研究主要使用CTP515模块的“Supra-slice”进行低对比可探测能力检测结果的分析。

1.3 检测与分析方法

(1) 扫描剂量对低对比可探测能力的影响:采用轴扫模式,重建层厚10 mm,算法H-SOFT-B,FOV:250 mm。通过选择下拉菜单中管电压和管电流时间积,分别在扫描剂量CTDIw约为70、60、50、40、30 mGy条件下,对CTP515进行扫描。

(2) 重建层厚对低对比可探测能力的影响:采用轴扫模式,扫描剂量约50 mGy,算法H-SOFT-B,FOV:250 mm,层厚分别选择10、5、1.25、0.625 mm条件下,对CTP515进行扫描。

(3) 不同射线质(管电压)对低对比可探测能力的影响:采用轴扫模式,固定扫描剂量约50 mGy或60 mGy,层厚10 mm,算法H-SOFT-B,FOV:250 mm,在管电压为100、120、140 kV条件下,对CTP515进行扫描。

在上述3种测试条件下,分别调节窗宽、窗位使低对比度细节处于最清晰状态,分别观察并记录3组对比度下可观察到的最小细节直径,影像中能分辨圆孔的基本轮廓即判断为可观察到该直径的细节。最小的细节直径与标称对比度相乘,3个不同标称对比度细节乘积的平均值作为低对比可探测能力的检测值。

2 结果

2.1 扫描剂量对低对比可探测能力的影响

扫描剂量对低对比可探测能力的影响如表1、图2所示。

表1 扫描剂量对低对比可探测能力的影响1)

(a) CTDIw=72.69 mGy

由表1和图2可见,在层厚和重建算法等其他参数不变的情况下,随CTDIw逐渐降低:①1.0%、0.5%和0.3%对比度下可观察到的最小细节直径均逐渐增大,即对细节可探测能力逐渐下降,0.5%和0.3%对比度下的细节探测能力下降最明显。②对比度细节直径乘积逐渐增大,CTDIw大于49.6 mGy时,该乘积值小于验收检测的限值2.5 mm;当CTDIw为41.4 mGy时该乘积值介于验收检测限值(2.5 mm)和状态检测的限值(3.0 mm)之间;当CTDIw进一步降至约25 mGy时,该乘积值已超过状态检测的限值3.0 mm。③其中,CTDIw由约49.6 mGy降低至41.4 mGy时,细节探测能力变化并不十分明显。

2.2 重建层厚对低对比可探测能力的影响

重建层厚对低对比可探测能力的影响如表2和图3所示。由表2和图3可见,在扫描剂量和重建算法等其他参数不变的情况下,随着重建层厚逐渐减小:①1.0%、0.5%和0.3%对比度下可观察到的最小细节直径明显增加,即对细节可探测能力明显下降,0.5%和0.3%对比度下的细节探测能力下降最显著。②对比度细节直径乘积逐渐增大,当层厚为10 mm时该乘积值小于验收检测的限值2.5 mm;当层厚为5 mm时该乘积值介于验收检测限值(2.5 mm)和状态检测的限值(3.0 mm)之间;当层厚为1.25 mm或更小时,该乘积值已远超过状态检测的限值3.0 mm。

表2 重建层厚对低对比可探测能力的影响1)

(a) 层厚=10 mm

2.3 不同管电压对低对比可探测能力的影响

对CT设备可选管电压和管电流时间积进行组合,使不同管电压下的扫描剂量相近,分析可观察到的最小细节直径。结果如表3和图4所示。

表3 管电压对低对比可探测能力的影响1)

(a) 100 kV,400 mAs; CTDIw=51.22 mGy

由表3和图4所见,100 kV和120 kV、120 kV和140 kV之间的模体影像中可观察到的最小细节直径和对比度细节直径乘积没有明显区别。在剂量和层厚等其他条件相同的情况下,射线质对低对比可探测能力影响并不明显。

3 讨论

低对比度分辨力又称密度分辨力,定义为可以从均一背景中分辨出来的特定形状和面积的低对比度微小目标。该定义包含对比度限值和大小限值两层含意。低对比度分辨力是CT成像系统的重要指标之一,能反映出人体组织结构的细微变化[2]。如果CT设备的低对比度分辨力不合格,则肿瘤等病变组织与正常组织混在一起难以区分。因此低对比度分辨力是CT设备成像的一个非常重要的性能参数。同时,当前在国际和国内CT检查频次高、增长速度快、辐射剂量高。因此,保证低对比可探测能力在内的CT影像质量,降低漏诊、误诊率并减少不必要的重复照射,对广大患者和受检者的健康和安全具有十分重要的意义。国内CT设备性能检测的现行标准WS 519—2019规定了检测时层厚和剂量等关键条件,但未对“最接近10 mm的层厚”和“接近50 mGy”作进一步界定和细化,也未对具体可选用的管电压范围进行详细规定。

本研究针对CT设备质量控制检测中,扫描剂量、层厚和管电压等因素对低对比可探测能力检测结果的影响进行了测试和分析。首先,本研究在层厚和重建算法等其他参数不变的情况下,发现随扫描剂量CTDIw逐渐降低,对1.0%、0.5%和0.3%对比度下的细节的可探测能力均逐渐下降,但CTDIw由约49.6 mGy降低至41.4 mGy时,细节探测能力变化并不十分明显;随扫描剂量CTDIw逐渐降低,对比度细节直径乘积也逐渐增大,CTDIw大于49.6 mGy时,该乘积值小于验收检测的限值2.5 mm。当CTDIw为41.4 mGy时该乘积值为2.53 mm,略超过验收检测限值(2.5 mm)并满足状态检测的限值要求(3.0 mm)。当CTDIw进一步降至约25 mGy时,该乘积值已超过状态检测的限值3.0 mm。其原因与扫描剂量降低,影像噪声增大,影响了对比度差异本就很小的细节检出能力。因此本研究建议,CT设备低对比可探测能力检测时,CTDIw应小于并尽量接近50 mGy,最低不应小于40 mGy。本实验结果与WS 519—2019标准要求一致,同时对CTDIw最低值提出了建议。

有研究报道不同重建层厚影响CT图像噪声,进而对低对比细节检测能力有明显的影响[3-4]。标准WS 519—2019也对此进行了说明,规定设置层厚为10 mm,达不到10 mm时选择最接近10 mm的层厚,但其未对“最接近10 mm的层厚”的层厚下限作进一步界定。本研究发现,在扫描剂量和重建算法等其他参数不变的情况下,随着重建层厚逐渐减小,1.0%、0.5%和0.3%对比度下可观察到的最小细节直径逐渐增加,即对细节可探测能力逐渐下降。其中,与10 mm层厚相比,5 mm层厚影像的细节可探测能力下降不十分明显,从1.25 mm层厚开始细节探测能力迅速下降;随着重建层厚逐渐减小,对比度细节直径乘积也逐渐增大,当层厚为10 mm时该乘积值小于验收检测的限值2.5 mm。当层厚为5 mm时该乘积值超过验收检测限值(2.5 mm)但仍满足状态检测的限值(3.0 mm)。当层厚为1.25 mm或更小时,该乘积值已远超过状态检测的限值3.0 mm。因此,本研究建议,在CT设备低对比可探测能力检测时:①层厚应首选10 mm,此结果与WS 519—2019标准要求一致;②达不到10 mm时应选择不小于5 mm的层厚,标准中未明确层厚下限,本研究为CT性能检测提供层厚选择的建议。

另外,本研究测试了不同射线质,即相同管电流时间积不同管电压条件下对低对比可探测能力的影响。由于CT设备可选管电压和管电流时间积组合下140 kV的CTDIw不能达到接近50 mGy,因此在CTDIw接近60 mGy的水平下来比较140 kV和120 kV的低对比可探测能力差别。本研究结果显示,100 kV和120 kV、120 kV和140 kV之间的模体影像中可观察到的最小细节直径和对比度细节直径乘积均没有明显差别,单纯射线质的变化对低对比可探测能力影响并不明显。因此,实际低对比可探测能力检测时,建议选择100 kV以上的临床常用管电压。WS 519—2019标准未对管电压设置提出具体要求,本研究为CT性能检测时管电压选择提供了数据支持

4 结论

本研究测试了CT设备质量控制检测过程中,扫描剂量、层厚和管电压等因素对低对比可探测能力检测结果的影响,建议CT设备低对比可探测能力检测时,CTDIw应小于并尽量接近50 mGy,最低不应小于40 mGy;层厚应首选10 mm,达不到10 mm时应选择不小于5 mm的层厚;单纯管电压对低对比可探测能力影响不大,可选择100 kV以上的临床常用管电压。通过对检测条件的进一步完善,即能保证实际检测中对低对比可探测能力的检测结果不会产生明显偏差。本研究仍存在一定局限性,如未在其他多种型号的CT设备、未采用其他模体[5]进行测试等,后续将继续开展相关研究。