管電壓對(duì)PET/CT中CT劑量及圖像質(zhì)量影響的模體研究*

張連宇 梁子威 耿建華* 王弈斌 吳 寧 鄭 容 周純武

管電壓對(duì)PET/CT中CT劑量及圖像質(zhì)量影響的模體研究*

張連宇①②梁子威③耿建華①③*王弈斌①吳 寧①②鄭 容③周純武②

目的：在保證圖像質(zhì)量的前提下，為降低PET/CT中CT掃描部分的輻射劑量提供數(shù)據(jù)依據(jù)。方法：用GE Discovery ST16型號(hào)PET/CT系統(tǒng)，在管電壓分別為80 kV、100 kV、120 kV及140 kV條件下，對(duì)CT劑量模體和Catphan?500CT性能模體進(jìn)行掃描。測(cè)量在各種管電壓下的CT加權(quán)劑量指數(shù)(CTDIw)，計(jì)算給定螺距下的CT容積劑量指數(shù)(CTDIvol)；測(cè)量CT圖像的相關(guān)性能指標(biāo)；分析CT圖像質(zhì)量與CT劑量的關(guān)系。結(jié)果：CTDIvol隨管電壓的增加而線性增加；CT圖像高對(duì)比度分辨力不受管電壓影響；CT圖像的低對(duì)比度分辨力、CT圖像均勻性及噪聲性能均隨管電壓的增加而提高，而性能提高規(guī)律并非線性。結(jié)論：CT圖像性能均隨劑量的增加而提高，而性能提高規(guī)律并非線性，當(dāng)劑量達(dá)到一定值時(shí)，其圖像性能隨劑量的增加幅度變緩，因此，在保證一定的CT圖像質(zhì)量的條件下，可以通過(guò)降低管電壓適當(dāng)降低PET/CT檢查中CT部分的輻射劑量。

正電子發(fā)射斷層攝影術(shù)；體層攝影術(shù)，X射線計(jì)算機(jī)；輻射劑量；圖像質(zhì)量；管電壓

[First-author’s address] PET-CT Center, Cancer Hospital, Chinese Academy of Medical Sciences, Bejing 100021, China; Department of Diagnostic Radiology,Cancer Hospital, Chinese Academy of Medical Sciences, Bejing 100021, China.

PET/CT是PET和CT的組合體，將PET和CT設(shè)計(jì)為一體，由一個(gè)工作站控制，同時(shí)獲得功能及解剖影像的優(yōu)勢(shì)，使之成為臨床中不可替代的診斷手段。然而，由于全身的CT掃描及放射性藥物給受檢者造成的高輻射未被引起足夠認(rèn)識(shí)。相比單獨(dú)PET檢查放射藥物所產(chǎn)生的輻射劑量及常規(guī)局部CT掃描所產(chǎn)生的輻射劑量，PET/CT對(duì)受檢者所產(chǎn)生的輻射劑量會(huì)明顯加大[1-2]。本研究重點(diǎn)探討在臨床條件下管電壓對(duì)PET/CT中CT的劑量及圖像質(zhì)量的影響，研究PET/CT掃描中CT輻射劑量及圖像質(zhì)量與管電壓之間的關(guān)系，為臨床中盡可能降低CT輻射劑量提供參考依據(jù)。

1 資料與方法

1.1 儀器設(shè)備

PET/CT為GE公司的Discovery ST-16型；CT性能檢測(cè)模體使用美國(guó)模體實(shí)驗(yàn)室的Catphan?500 CT模體，由4個(gè)測(cè)量模塊組成，其中包括CTP401線性模塊、CTP528高對(duì)比度分辨力模塊、CTP515低對(duì)比度分辨力模塊以及CTP486固體水、CT均勻性模塊；輻射劑量測(cè)量使用DCT 10筆形電離室測(cè)量?jī)x。

1.2 CT性能檢測(cè)模體掃描

除管電壓外，其他掃描參數(shù)均選擇臨床PET/CT

中所用值。管電流固定為150 mA，螺距(Pitch)固定為1.75，層厚3.75 mm，層間距3.27 mm，掃描速度1 s/ rot。管電壓掃描條件分別為80 kV、100 kV、120 kV及140 kV 4組。對(duì)Catphan?500 CT檢測(cè)模體進(jìn)行掃描。

1.3 CT劑量測(cè)量

用DCT 10筆形電離室測(cè)量?jī)x，軸掃測(cè)量4種管電壓時(shí)的CTDIw[3-6]。掃描速度1 s/rot，層厚10 mm。并計(jì)算在不同Pitch時(shí)的CTDIvol[3-4](公式1)：

1.4 CT性能指標(biāo)

CT的性能參數(shù)決定CT圖像質(zhì)量。將各種掃描條件下得到的CT檢測(cè)模體圖像上傳至影像數(shù)據(jù)傳輸及儲(chǔ)存系統(tǒng)(picture archiving and communication systems，PACS)工作站，對(duì)模體中的各模塊圖像進(jìn)行分析，測(cè)得各種掃描條件下線性、高對(duì)比度分辨力、低對(duì)比度分辨力、均勻性及噪聲指標(biāo)的值。

(1)高對(duì)比度分辨力。描述當(dāng)物體與勻質(zhì)背景的X射線線性衰減系數(shù)差異導(dǎo)致的CT值之差＞100 HU時(shí)所能夠分辨該物體的能力[6]。對(duì)CTP528模塊圖像進(jìn)行分析，將窗寬調(diào)至最小，調(diào)節(jié)窗位，用目測(cè)確定所能分辨的最高一級(jí)線對(duì)，即為高對(duì)比度分辨力[6]。

(2)低對(duì)比度分辨力。描述在目標(biāo)物質(zhì)與均質(zhì)背景的X射線線性衰減系數(shù)相差＜1%時(shí)，能夠分辨該目標(biāo)物質(zhì)的能力，通常以能區(qū)分開(kāi)的目標(biāo)物質(zhì)的最小尺寸表示[5]。分析CTP515模塊中心層面CT圖像，調(diào)節(jié)窗寬、窗位，確定各對(duì)比度系列中所能分辨的最小一級(jí)孔徑[3-6]。

(3)均勻性。均勻性即圖像中均勻物質(zhì)的CT值在空間上的一致性。分析CTP486模塊中心層面CT圖像。在中心用＞100個(gè)像素的ROI(面積約為1 cm2)測(cè)CT值，用相同ROI在所得圖像邊緣1 cm處取4點(diǎn)CT值。邊緣對(duì)中心CT值的最大偏差的絕對(duì)值為均勻性(公式2)：

式中差值越小，其均勻性越好[5]。

(4)噪聲水平。均勻物質(zhì)圖像在給定區(qū)域中的CT值對(duì)其平均值的變異。用中心區(qū)域CT值的相對(duì)誤差來(lái)表示，分析掃描CTP486模塊中心層面，測(cè)量所得圖像中心區(qū)域CT值的標(biāo)準(zhǔn)偏差SD，則噪聲水平為公式3：式中H值越大，噪聲水平越高。

(5)圖像CT值。測(cè)量不同的管電壓下的CT值。分析CTP486模塊中心層面，在中心勾畫(huà)＞500個(gè)像素的ROI，測(cè)量其CT值平均值[6]。

1.5 CT性能指標(biāo)與劑量的關(guān)系

在各種不同的掃描條件下，獲得不同的CTDIvol及相應(yīng)的各種性能指標(biāo)。用SPSS分析CTDIvol與各CT性能指標(biāo)的關(guān)系。

2 結(jié)果

2.1 4種球管電壓軸掃CTDIw結(jié)果

在4種球管電壓條件下軸掃所測(cè)得的CTDIw分別為10.79 mGy、20.36 mGy、32.25 mGy和46.19 mGy，見(jiàn)表1。

表1 4種球管電壓下軸掃測(cè)得的CTDIw(mGy)結(jié)果

對(duì)表1中數(shù)據(jù)線性擬合得到CTDIw(mGy)隨管電壓的增加而線性增加(如圖1所示)。

圖1 CTDIw隨管電壓的變化示圖

CTDIw(mGy)表達(dá)式為公式4：

由表1中的數(shù)據(jù)按照公式2計(jì)算得到4種管電壓條件下由測(cè)量計(jì)算所得和機(jī)器給出的CTDIvol(mGy)，其結(jié)果見(jiàn)表2。

表2 4種球管電壓下的CTDIvol(mGy)結(jié)果(Pitch=1.75)

表2顯示，在其他條件不變的情況下，球管電壓越大，CTDIvol越大。表明CT機(jī)器給出劑量報(bào)告中的CTDIvol與本研究測(cè)量所得基本一致。對(duì)表2中由測(cè)量計(jì)算得到的數(shù)據(jù)線性擬合得到CTDIvol(mGy)隨管電壓的增加而線性增加(如圖2所示)，表達(dá)式為公式5：

圖2 CTDIvol隨球管電壓的變化示圖

2.2 不同管電壓下的CT性能指標(biāo)

(1)高對(duì)比度分辨力。當(dāng)管電流固定為150 mA、Pitch固定為1.75及層厚為3.75 mm時(shí)，4種球管電壓掃描條件下，CT圖像高對(duì)比度分辨力不隨管電壓變化(見(jiàn)表3)。

表3 4種球管電壓掃描條件下CT圖像性能指標(biāo)(螺距=1.75，層厚=3.75 mm)

(2)低對(duì)比度分辨力。表3顯示，當(dāng)管電流固定為150 mA、Pitch固定為1.75及層厚為3.75 mm時(shí)，4種球管電壓掃描條件下，對(duì)比度為1%、0.5%及0.30%時(shí)CT圖像低對(duì)比度分辨力在其他掃描條件不變的情況下，球管電壓越大，低對(duì)比度下能分辨的物體越小，低對(duì)比分辨力越高。

(3)均勻性。表3顯示，當(dāng)管電流固定為150 mA、Pitch固定為1.75及層厚為3.75 mm時(shí)，4種球管電壓掃描條件下，CT圖像均勻性隨管電壓的增加而變優(yōu)，且在80～120 kV之間變化幅度較大，而在120～140 kV之間變化幅度大幅降低。

(4)噪聲。表3顯示，當(dāng)管電流固定為150 mA、Pitch固定為1.75、層厚為3.75 mm時(shí)的4種球管電壓掃描條件下，CT圖像噪聲隨管電壓越大圖像噪聲越低。

(5)CT值。表3顯示，在4種球管電壓掃描條件下，4種物質(zhì)的CT值，在同一種物質(zhì)不同的管電壓下，其CT值不同，且兩種物質(zhì)的CT值之差會(huì)隨管電壓的變化而變化。

2.3 CT性能指標(biāo)與劑量的關(guān)系

由表2及表3的數(shù)據(jù)可得到各CT性能指標(biāo)與劑量的關(guān)系。

(1)高對(duì)比度分辨力與劑量的關(guān)系。表3顯示，CT圖像高對(duì)比度分辨力不隨管電壓變化，因此高對(duì)比度分辨力不隨劑量變化。

(2)低對(duì)比度分辨力。由表2及表3的數(shù)據(jù)所得到的CT低對(duì)比度分辨力與劑量的關(guān)系為：在其他掃描條件不變的情況下，通過(guò)改變管電壓改變劑量，劑量越高，低對(duì)比分辨力越高(如圖3所示)。

圖3 CT低對(duì)比度分辨力與劑量的關(guān)系散點(diǎn)圖

(3)均勻性。在其他掃描條件不變的情況下，通過(guò)改變管電壓和劑量，CT圖像均勻性與劑量的關(guān)系如圖4所示。

圖4 CT圖像均勻性與劑量的關(guān)系散點(diǎn)圖

(4)噪聲。在其他掃描條件不變的情況下，通過(guò)改變管電壓改變劑量，CT圖像噪聲與劑量的關(guān)系如圖5所示。

3 討論

PET/CT多為全身檢查，受檢者所受的輻射劑量為注射的放射性藥物與全身CT造成的輻射劑量之和。對(duì)于PET，不同體重的受檢者、不同的檢查及不同機(jī)型所需注射18F-FDG劑量不同，在148～555 MBq

內(nèi)，人體所受有效劑量為2.8～10.5 mSv[7]。而對(duì)其中的CT造成的劑量，由掃描參數(shù)決定，有報(bào)道受檢者受到的有效劑量可達(dá)到80 mSv[8]。而每增加10 mSv輻射致癌概率會(huì)增加0.55‰，因此控制PET/CT中CT的劑量尤為重要[9]。

CT在PET/CT中的作用可分為3種：①只用作PET圖像重建時(shí)的衰減校正；②解剖定位兼衰減校正；③CT診斷兼解剖定位和衰減校正，這3種情況所需的CT圖像質(zhì)量由低到高，差別較大[10]。因此，按照臨床需求應(yīng)盡量降低CT造成的輻射劑量，從而降低受檢人群輻射致癌的風(fēng)險(xiǎn)。

本研究試驗(yàn)結(jié)果顯示，當(dāng)其他條件不變時(shí)在所測(cè)量的4個(gè)管電壓范圍內(nèi)，CT的輻射劑量會(huì)隨管電壓的增加而線性增加[5]。但是，CT的輻射劑量隨管電壓的增加而增加與CT的輻射劑量隨管電流的增加及Pitch的減少而增加的機(jī)制不同。X射線球管電壓決定了發(fā)射X射線的硬度，即一個(gè)X射線光子的能量。如果X射線球管電壓為120 kV，則發(fā)射X射線光子的最大能量為120 keV。X射線球管電流決定了發(fā)射X射線的強(qiáng)度，即X射線光子的個(gè)數(shù)，在CT掃描中發(fā)射的X射線光子的數(shù)量與管電流及總掃描時(shí)間成正比。X射線光子的數(shù)量越多，圖像的信息量越多，圖像質(zhì)量則越好，但受檢者的輻射劑量卻越高。管電流越大，X射線光子的數(shù)量愈高，輻射劑量則愈大；降低Pitch能夠增加總掃描時(shí)間，因此增加X(jué)射線光子的個(gè)數(shù)能夠增大輻射劑量。在本研究試驗(yàn)中，在固定其他條件的情況下，當(dāng)管電壓增加時(shí)X射線光子的能量則增加，因此導(dǎo)致輻射劑量增加。按照試驗(yàn)結(jié)果，當(dāng)管電流固定在150 mA，掃描速度為1 s/rot時(shí)管電壓每增加10 kV，CTDIw則增加5.9 mGy。在臨床螺旋采集條件下使用不同的Pitch，管電壓每增加10 kV，CTDIvol增量不同，為5.9/Pitch(mGy)。由之前的研究[2]結(jié)果顯示，當(dāng)管電壓固定在120 kV，掃描速度1s/rot時(shí)，管電流每增加10 mA，CTDIw增加2.2 mGy。在臨床螺旋采集條件下使用不同的Pitch，管電流每增加10 mA，CTDIvol增量不同，為2.2/Pitch(mGy)。在Pitch相同時(shí)管電流減少27 mA和管電壓減少10 kV時(shí)造成的輻射劑量減少相同。

圖5 CT圖像噪聲與劑量的關(guān)系散點(diǎn)圖

當(dāng)管電流、Pitch及掃描速度固定時(shí)，降低管電壓可降低輻射劑量，但是在管電壓可調(diào)范圍內(nèi)，X射線光子能量的降低，會(huì)導(dǎo)致組織對(duì)X射線光子的吸收增加，使得用于成像的信息降低，因此會(huì)影響圖像質(zhì)量。本研究結(jié)果顯示，低對(duì)比度分辨力、均勻性及噪聲性能均隨管電壓的降低而降低。

本研究顯示，隨著管電壓的不同，CT圖像高對(duì)比度分辨力不隨管電壓變化，與不同管電流及螺距時(shí)的研究結(jié)果一致，均為7 Lp/cm，表明CT圖像高對(duì)比度分辨力不隨輻射劑量而變化[2]。CT圖像高對(duì)比度分辨力可反映CT機(jī)對(duì)肺組織和骨組織的探測(cè)能力。本研究結(jié)果提示，在臨床中以肺組織為興趣器官時(shí)，可以盡量降低管電流及管電壓值，以降低輻射劑量；對(duì)骨組織，由于骨組織對(duì)低能X射線光子有較強(qiáng)的吸收，不適宜采用降低管電壓來(lái)降低輻射劑量[11-13]。對(duì)PET/CT而言，由于通常為固定各種參數(shù)進(jìn)行全身掃描，應(yīng)考慮管電流及管電壓對(duì)其他性能指標(biāo)的影響，盡量以較低的輻射劑量獲得較高的圖像質(zhì)量。

CT值反映組織對(duì)X射線的吸收程度，物質(zhì)CT值與其對(duì)X射線衰減系數(shù)成線性關(guān)系。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，CT值隨管電壓的變化而變化，并且不同密度的物質(zhì)，其CT值隨管電壓變化規(guī)律也不同。本研究結(jié)果提示，在臨床中如果兩次采集時(shí)所有的管電壓不同，會(huì)導(dǎo)致相同組織CT值不同，兩種不同組織的灰度差不同，因此在進(jìn)行影像對(duì)比時(shí)，需慎重考慮由于管電壓不同所產(chǎn)生的圖像差異。

本研究結(jié)果顯示，在低對(duì)比度情況下，隨球管電壓升高，能分辨的物體的直徑減小，表明CT圖像低對(duì)比度分辨力隨電壓增高而增加。但在對(duì)比度較低的情況下，低管電壓對(duì)低對(duì)比度分辨力的影響較大。故在實(shí)質(zhì)臟器的檢測(cè)中，不宜采用降低管電壓的方式來(lái)降低輻射劑量[14]。

CT圖像均勻性及圖像噪聲是影響圖像質(zhì)量的重要因素，本研究結(jié)果顯示，均勻性及噪聲性能均隨球管電壓增高而改善。圖4、圖5均顯示CTDIvol在＜18 mGy時(shí)，均勻性及噪聲隨劑量變化幅度明顯加大；而在CTDIvol＞18 mGy后，隨劑量的增加，均勻性及噪聲的變化相對(duì)緩慢。提示在CTDIvol＞18 mGy后，不宜只為提高均勻性及降低圖像噪聲而再通過(guò)增加管電

壓來(lái)增加劑量。

本研究結(jié)果顯示，CT圖像質(zhì)量的各種性能指標(biāo)除高對(duì)比分辨不隨管電壓變化外，其他各指標(biāo)隨管電壓的變化而變化，在80～120 kV之間基本上可視為線性，但在各指標(biāo)隨管電壓的變化時(shí)，在120～140 kV之間各指標(biāo)隨管電壓的變化明顯變緩(如圖3～5所示)，而輻射劑量隨管電壓的變化呈線性增加，提示管電壓從120 kV升至140 kV，造成較大的輻射劑量增加，而各種圖像質(zhì)量性能指標(biāo)的改善較小，提示在掃描中管電壓不宜選擇140 kV。因此，在全身PET/CT檢查中應(yīng)兼顧所有器官組織的圖像質(zhì)量。對(duì)于局部檢查，應(yīng)根據(jù)具體器官的特性適當(dāng)降低管電壓及管電流以降低輻射劑量[15-16]。如肺的局部檢查，可以同時(shí)降低管電壓及管電流。

本研究中的劑量指標(biāo)采取CTDIvol，而在臨床中主要關(guān)注全身的有效劑量為CTDIvol、掃描長(zhǎng)度和系數(shù)(K)三者的乘積。有研究報(bào)道，K與管電壓相關(guān)，會(huì)隨著管電壓的增加而增加，因此，降低管電壓會(huì)有效的降低受檢者的有效劑量[17]。

本研究是對(duì)CT質(zhì)量模體掃描，掃描條件采用的是臨床掃描條件，而不是CT性能檢測(cè)使用條件。因此，本研究中所有數(shù)據(jù)只用于評(píng)估臨床情形下的圖像質(zhì)量，不能用于評(píng)估CT機(jī)性能指標(biāo)達(dá)標(biāo)情況。

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A phantom study on influence of tube voltage on CT dose and CT image quality in PET/CT/

ZHANG Lian-yu, LIANG Zi-wei, GENG Jian-hua, et al// China Medical Equipment,2015,12(4):1-5.

Objective: To examine how to decrease of radiation dose caused by CT in PET/CT while ensuring quality of CT image. Methods: CT dose phantom(DCT 10) and CT performance phantom (Catphan?500) were scanned in the tube voltage 80kV, 100kV, 120kV and 140kV with PET/CT(GE Discovery ST16). The image quality was evaluated by high contrast resolution, low contrast resolution, uniformity and noise. CTDIw and CTDIvol were calculated. The relationship between CT image quantity and CT dose was analyzed. Results: CT dose increased linearly with the tube voltage. The high contrast resolution of CT image was independent of the tube voltage. The performances of CT image, low contrast resolution, uniformity and noise, improved with increasing tube voltage, and it was nolinear. Conclusion: The performances of CT image improved with increasing CT dose. It improved more slowly when the CT dose reach to a certain value. The radiation dose by CT in PET/CT could be decreased appropriately under the guarantee of the quality of the CT image.

Positron-emission tomography; Tomography, X-ray computed; Radiation dose; Image quality; Tube voltage

10.3969/J.ISSN.1672-8270.2015.04.001

1672-8270(2015)04-0001-05

R814.42

A

張連宇,男,(1979- ),碩士，主治醫(yī)師。中國(guó)醫(yī)學(xué)科學(xué)院腫瘤醫(yī)院PET/CT中心，從事影像診斷工作。

2015-01-04

國(guó)際科技合作項(xiàng)目(2009DFA32960)“PET/CT腦分子影像研究與應(yīng)用平臺(tái)及針灸中樞機(jī)理探索”；中國(guó)癌癥基金會(huì)北京希望馬拉松專(zhuān)項(xiàng)(LC2013A13)“PET/CT的輻射劑量和圖像質(zhì)量的模型研究”

①中國(guó)醫(yī)學(xué)科學(xué)院腫瘤醫(yī)院PET/CT中心 北京 100021

②中國(guó)醫(yī)學(xué)科學(xué)院腫瘤醫(yī)院影像診斷科 北京 100021

③中國(guó)醫(yī)學(xué)科學(xué)院腫瘤醫(yī)院核醫(yī)學(xué)科 北京 100021

*通訊作者：gengjean@163.com