64排螺旋CT不同劑量條件下心臟成像質(zhì)量的物理量化評價

費曉璐，李坤成，杜祥穎，白玫，劉彬，李鵬雨

首都醫(yī)科大學宣武醫(yī)院 醫(yī)學工程科，北京 100053

64排螺旋CT不同劑量條件下心臟成像質(zhì)量的物理量化評價

費曉璐，李坤成，杜祥穎，白玫，劉彬，李鵬雨

首都醫(yī)科大學宣武醫(yī)院 醫(yī)學工程科，北京 100053

本文針對多排螺旋CT心臟掃描模式，設計了6組不同的掃描參數(shù)，對能夠進行規(guī)律性搏動的心臟體模進行掃描，對圖像的質(zhì)量進行量化評價，對不同劑量掃描參數(shù)對圖像質(zhì)量的影響進行分析。

螺旋CT；心臟冠脈成像；輻射劑量；心臟體模

0 前言

心臟冠狀動脈多排（層）螺旋 CT（multi-detector spiral CT，MDCT） 血 管 成 像（computerized tomography angiography，CTA）技術正在日益成為心臟檢查的常規(guī)手段，但是被檢查者遭受較大輻射劑量的問題也成為引人關注的問題。眾所周知，MDCT心臟檢查以亞毫米層厚的掃描覆蓋全心，與常規(guī)胸部掃描相比，掃描劑量 必然大幅增 加[1-3]。由于冠狀動脈 CTA 的圖像質(zhì)量與輻射劑量成正比，臨床為了獲得更好的圖像質(zhì)量，有加大被檢查者輻射劑量的趨勢。隨著心臟 CTA 成像技術的廣泛應用，如何采用較低劑量完成MDCT心臟掃描，而所獲圖像質(zhì)量能夠滿足臨床診斷要求，已經(jīng)成為擺在我們面前最重要的課題之一。因此，采用低劑量進行冠狀動脈 CTA 掃描、并對所獲圖像質(zhì)量進行評估，具有顯著臨床意義。

我們設計6組劑量不同的掃描參數(shù)，對能夠進行規(guī)律性搏動的心臟體模進行掃描，選擇能夠表征圖像質(zhì)量的有效物理參數(shù)對圖像質(zhì)量進行量化評價，對不同劑量掃描參數(shù)對圖像質(zhì)量的影響進行分析。

1 材料與方法

1.1 體模

本研究應用GE公司CT圖像研究室提供的新型心臟動態(tài)體模[4-6]。該體模由 3 部分組成 ：① 動力部分，它的運動模式充分模擬人體左心室的搏動，并具有3個運動時相；② 解剖結(jié)構(gòu)模擬部分，由模擬左心室的球囊和模擬冠狀動脈的細管組成 ；③ 控制部分，通過編程來設定心臟體模的運動方式，可以設定每分鐘心跳從 0～150 bpm（beat per minute，bpm）范圍內(nèi)任意心率。

本研究設置體模運動速率為臨床檢查最常用的心率：55 bpm，模擬冠狀動脈內(nèi)預先灌入含碘對比劑，將 CT 值調(diào)整至 300 Hu（Hounsfield units）。

1.2 掃描及重建條件

本研究使用 GE 公司的 LS VCT 進行掃描，具體掃描參數(shù)為探測器寬度 64×0.625 mm，旋轉(zhuǎn)速度 350ms，螺距0.2。為了研究低劑量掃描對冠狀動脈成像的影響，本研究設置了6組不同的球管電壓電流掃描參數(shù)。如表1所示，球管電壓 100～140kV，球管電流 350～650mAs，相應的 CT輻射劑量指數(shù)（Computed Tomography Dose Index, CTDIvol）65.17～121.69 mGy。其中 1～4 組采用相同的電壓幅值，通過改變電流值達到改變輻射劑量的效果。第5組設定輻射劑量與第4組相同，降低電壓，提高電流。第6組設定輻射劑量與第2組相同，提高電壓，降低電流。設計最后兩組實驗的目的在于研究當輻射劑量一定時，采取何種電壓電流參數(shù)更能夠提高成像質(zhì)量。數(shù)據(jù)采用單扇區(qū)方法進行采集。

以 10% 的 R-R 間期為步長，在 R-R 間期的 0% ～90%區(qū)間對心臟掃描數(shù)據(jù)進行常規(guī)重建，挑選每組參數(shù)下研究目標受運動偽影影響最小的相位圖像作為進一步處理的數(shù)據(jù)基礎。

圖像采用標準重建函數(shù)進行重建，掃描野大小為130mm×130mm，圖像矩陣為 512×512，層厚 0.625mm。

1.3 圖像處理及分析

將獲得的體層圖像傳輸?shù)揭慌_離線工作站（D530 CMT, HP）上，基于 MATLAB 環(huán)境行進一步數(shù)據(jù)處理及分析。

本研究應用以下幾個物理參數(shù)評價成像質(zhì)量：

（1）圖像噪聲，由選定背景區(qū)域中的 CT 密度值的標準差計算得出。

（2）信號噪聲比（SNR）和對比度噪聲比（CNR），由公式 (1)和 (2)計算得出，公式 (1)和 (2)中，So是造影劑填充管腔區(qū)域的平均 CT 值，Sb是選定背景區(qū)域的平均 CT 值，是圖像的噪聲。

（3）邊緣銳利度，以 HU/mm 為單位，定義為血管壁與背景之間CT值變化曲線的斜率，即血管壁的線擴散函數(shù)，反映圖像的真實空間分辨力[7]。

邊緣銳利度按照如下方法實現(xiàn)客觀評估 ：① 讀取 CT影像數(shù)據(jù) ：CT 圖像數(shù)據(jù)是遵從國際標準 DICOM 格式的灰度數(shù)據(jù)，需先要根據(jù)設備查找表（modality lookup table，LUT）的信息，將原始數(shù)據(jù)變換成圖像對應的真實 CT 值。② 選取興趣區(qū) ：觀察者手動選定一個方形興趣區(qū)，該興趣區(qū)應該跨越從背景到造影劑灌注腔（或反向）的變化 ，如圖1 所示。③ 圖像處理 ：對興趣區(qū)內(nèi)的圖像數(shù)據(jù)逐行進行灰度分析，選每行的灰度曲線導數(shù)值最大點作為基準點，使各行對齊，將灰度變化的弧線轉(zhuǎn)化為直線，為求得線擴散函數(shù)做準備。④ 計算邊緣銳利度 ：按照線擴散函數(shù)定義，將處理后圖像進行列內(nèi)平均，求得代表該邊緣的平均線擴散函數(shù)。取線擴散函數(shù)的導數(shù)最大值，作為該擴散函數(shù)對應灰度曲線的邊緣 銳利度如圖1 所示。圖中黃色實線圈選定的興趣區(qū)用來測量背景的噪聲，藍色實線圈選定的興趣區(qū)用來測量造影劑填充管腔區(qū)域的平均CT值作為目標亮度水平。左邊的黃色虛線方框內(nèi)選定的興趣區(qū)用來測量造影劑填充腔邊緣銳利度。

圖1 多排（層）螺旋CT的動態(tài)心臟體模軸向成像上的興趣區(qū)

2 結(jié)果

本實驗過程順利，未出現(xiàn)任何技術問題，所獲圖像的質(zhì)量均滿足數(shù)據(jù)分析的要求。經(jīng)檢驗各組數(shù)據(jù)都符合正態(tài)分布。

表1 掃描參數(shù)及物理圖像質(zhì)量評價參數(shù)總結(jié)

表1 掃描參數(shù)及物理圖像質(zhì)量評價參數(shù)總結(jié)（續(xù)）

前4組圖像的噪聲、對比度噪聲比和信號噪聲比的測量值，組間差異有非常顯著性意義（P＜0.001）。實驗發(fā)現(xiàn)隨管電流降低，圖像噪聲增加、對比度噪聲比和信號噪聲比均下降。第5組圖像的噪聲水平與第4組相近，而其對比度噪聲比和信號噪聲比卻與第2組相近。第6組圖像的噪聲水平與第2組相近，但其對比度噪聲比和信號噪聲比介于第3與第4組之間。

表1詳細總結(jié)了6組掃描參數(shù)及其對應圖像質(zhì)量參數(shù)。第6組圖像的邊緣銳利度顯著低于其他5組，而第4組與管電壓相同的前3組比較，其邊緣銳利度略低。雖然第5組圖像模擬冠狀動脈的CT值顯著高于其他幾組，但是其邊緣銳利度與第（1～3）組無顯著性差異（如圖2 所示）。相關分析檢驗結(jié)果表明：圖像噪聲與劑量成反比關系（R=-0.978，P=0.001）， 但 與 電 壓 或 電 流 均 無 相 關 性（P＞0.05）；圖像的對比度噪聲比和信號噪聲比與管電流成正比關系（R=0.984，P＜0.001 和 R=0.953，P=0.003）；采用二元變量相關分析，邊緣銳利度與掃描參數(shù)均無顯著性相關關系；而采用偏相關分析時，邊緣銳利度與管電壓成反比關系（R = 0.883，P = 0.047）。

圖2 6組不同掃描條件下的邊緣銳利度（CT密度）曲線

3 討論

目前，應用 MDCT 進行心臟冠狀動脈檢查所面臨的主要安全問題是高電離輻射劑量[8]。在臨床上，我們通常應用調(diào)整管電壓和電流的方式來降低輻射劑量，但是這些調(diào)整對冠狀動脈的顯示判斷冠狀動脈狹窄率的具體影響還不清楚。因此，本實驗采取不同輻射劑量對模擬冠狀動脈狹窄的體模進行掃描，以研究低劑量對 CTA 冠狀動脈圖像質(zhì)量和判斷冠狀動脈狹窄程度的影響。

本實驗結(jié)果表明：在保持電流恒定的條件下，輻射劑量隨電壓降低而降低。由于輻射劑量與管電壓的平方乘以電流成正比，在需要維持輻射劑量恒定時，電壓的微小調(diào)整即引起電流值較大幅度的調(diào)整。本研究所用體模的重量固定，圖像噪聲僅受掃描參數(shù)的影響。由表1可以看出，作為電壓和電流的綜合作用，圖像噪聲最終僅與劑量成正相關關系。但是對比度噪聲比和信號噪聲比主要與電流相關。降低電流，對比度噪聲比和信號噪聲比也隨之降低，在一定范圍內(nèi)維持輻射劑量不變的前提下，提高球管電壓并不能增加圖像的對比度噪聲比和信號噪聲比。這是因為盡管增加電壓使輻射劑量大幅度增加，并導致圖像噪聲相應降低，但同時也引起被對比劑增強血管結(jié)構(gòu)透明度的降低，進而使冠狀動脈信號隨之降低。因此，當使用對比劑增強 CTA 技術時，調(diào)整球管電壓會導致圖像噪聲和對比劑增強部位信號同時增加或減少，以致電壓對對比度噪聲比和信號噪聲比的影響均很小。

跨越體模心臟邊緣的CT密度曲線實際上可以認為是獲得該圖像的 LSF，根據(jù) LSF 可以推算出該圖像的實際空間分辨力[9-10]。CT 密度曲線的變化越銳利，說明圖像信號中含有的高頻成份越多，因此其對應的實際空間分辨力也就越高。本實驗應用體模的搏動速率和其他掃描條件均相同，這種實際空間分辨力的差別，其實是圖像噪聲和對比度分辨能力對運動體模綜合影響的結(jié)果。本研究結(jié)果表明，低電壓條件下的CT密度曲線明顯比高電壓下的曲線變化銳利。在電壓幅值相同的前提下，低劑量下曲線的灰度變化相對比較緩慢。值得注意的是，盡管 120 kV 的前 3 組與100 kV 組的噪聲與信號強度有明顯差異，但是這 4 組曲線的變化銳利程度相似。由此可見輻射劑量與電壓同時對實際空間分辨力施加影響，但電壓的影響更為顯著。通過對邊緣銳利度與掃描參數(shù)的偏相關分析也驗證了這一點。因此當輻射劑量水平滿足噪聲的臨床最低要求時，通過適當降低電壓可以達到提高實際空間分辨力的目的。基于本研究數(shù)據(jù)，以及臨床40幅冠狀動脈CTA 造影體層圖像的驗證，臨床所能接受較好圖像質(zhì)量對應的噪聲閾值應該在 20Hu左右。

總之在 64 排（層）螺旋 CT 心臟成像中，在一定程度下降低劑量對成像質(zhì)量的影響不大。同時在維持劑量水平不變的條件下，使用低電壓和高電流的參數(shù)搭配有助于提高圖像的真實空間分辨力。

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Physical Quantitative Evaluation of Cardiac Imaging Quality at Different Dose Levels Using 64-row Detector CT

FEI Xiao-lu, LI Kun-cheng, DU Xiang-ying, BAI Mei, LIU Bin, LI Peng-yu
Medical Engineering Department, Xuanwu Hospital of Capital Medical University, Beijing 100053, China

Performs cardiac scans at six dose levels on pulsating cardiac phantom using 64-row detector CT. Evaluates the image quality by the physical parameters quantitatively and analyzes the effect of radian dose on the imaging quality.

spiral CT; cardiac coronary imaging; radiation dose; cardiac phantom

R814.42

A

10.3969/j.issn.1674-1633.2011.06.008

1674-1633(2011)06-0028-03

2008-04-23

2011-01-13

國家自然科學基金項目（30870751）；北京市衛(wèi)生系統(tǒng)高層次衛(wèi)生技術人才培養(yǎng)計劃項目（2009-3-57）。

本文作者：費曉璐，博士。

作者郵箱：feixiaolu@tsinghua．org．cn