劑量、層厚和射線質對CT圖像低對比可探測能力的影響研究

趙錫鵬,王嘉瑩,熊強,佟林全

(國家衛生健康委職業安全衛生研究中心,國家衛生健康委粉塵危害工程防護重點實驗室, 北京, 102308)

在放射診斷學成像中,X射線計算機斷層掃描(CT)相對于X射線攝影的顯著優勢,除斷層成像和三維立體重建外,另一個是高密度分辨力(即低對比可探測能力),即能夠較好的探測和區分密度相近的組織和小病灶。但CT檢查的輻射劑量相對較高,大約是普通X射線攝影的400倍。因此,保證CT成像質量,特別是保證對密度相近的組織和小病灶的低對比探測能力,降低漏診、誤診、減少不必要的重復檢查,對廣大患者和受檢者的健康和安全具有十分重要的意義。對CT設備定期的狀態檢測和穩定性檢測是保證低對比可探測能力在內的CT影像質量的關鍵途徑。現行CT性能檢測標準《X射線計算機體層攝影裝置質量控制檢測規范》[1]中細化了該指標的檢測條件:“設置層厚為10 mm,達不到10 mm時選擇最接近10 mm的層厚,掃描劑量CTDIw應不大于50 mGy,盡量接近50 mGy”,但未明確“接近10 mm”、“接近50 mGy”中的接近程度或者具體可選層厚和劑量的范圍以及具體可用管電壓范圍。因此,本研究分別測試了不同重建層厚、不同掃描劑量、相同劑量下不同管電壓等條件對低對比可探測能力的影響,驗證并補充低對比可探測能力的檢測條件,為進一步規范開展CT設備質量控制檢測和標準制(修)訂提供數據支持。

1 材料與方法

1.1 儀器設備

選用上海聯影醫療科技股份有限公司生產的uCT 760型X射線計算機體層攝影設備,生產日期為2021年4月,序列號:600495。管電壓可設置范圍為100、120、140 kV,常用管電流時間積可選范圍為200、240、290、350、400 mAs,射線總準直寬度可選為10、20 mm,常用重建層厚可選范圍為10、5、1.25、0.625 mm。

1.2 檢測模體

選用美國模體實驗室研發的Catphan 600型影像質量模體,該模體主要包括CTP404、CTP591、CTP528、CTP515和CTP486等5個模塊,其中CTP515模塊為低對比可探測能力模塊,模塊直徑15 cm、厚4 cm,分為“Subslice”和“Supra-slice”內外兩圈細節。其中,“Supra-slice”由1.0%、0.5%和0.3%的3組對比度細節組成,每一組對比度的細節又由10個不同直徑的圓孔組成(3組之間相應的低對比度細節大小相同),其結構示意圖見圖1。

圖1 CTP515模塊結構示意圖

本研究主要使用CTP515模塊的“Supra-slice”進行低對比可探測能力檢測結果的分析。

1.3 檢測與分析方法

(1) 掃描劑量對低對比可探測能力的影響:采用軸掃模式,重建層厚10 mm,算法H-SOFT-B,FOV:250 mm。通過選擇下拉菜單中管電壓和管電流時間積,分別在掃描劑量CTDIw約為70、60、50、40、30 mGy條件下,對CTP515進行掃描。

(2) 重建層厚對低對比可探測能力的影響:采用軸掃模式,掃描劑量約50 mGy,算法H-SOFT-B,FOV:250 mm,層厚分別選擇10、5、1.25、0.625 mm條件下,對CTP515進行掃描。

(3) 不同射線質(管電壓)對低對比可探測能力的影響:采用軸掃模式,固定掃描劑量約50 mGy或60 mGy,層厚10 mm,算法H-SOFT-B,FOV:250 mm,在管電壓為100、120、140 kV條件下,對CTP515進行掃描。

在上述3種測試條件下,分別調節窗寬、窗位使低對比度細節處于最清晰狀態,分別觀察并記錄3組對比度下可觀察到的最小細節直徑,影像中能分辨圓孔的基本輪廓即判斷為可觀察到該直徑的細節。最小的細節直徑與標稱對比度相乘,3個不同標稱對比度細節乘積的平均值作為低對比可探測能力的檢測值。

2 結果

2.1 掃描劑量對低對比可探測能力的影響

掃描劑量對低對比可探測能力的影響如表1、圖2所示。

表1 掃描劑量對低對比可探測能力的影響1)

(a) CTDIw=72.69 mGy

由表1和圖2可見,在層厚和重建算法等其他參數不變的情況下,隨CTDIw逐漸降低:①1.0%、0.5%和0.3%對比度下可觀察到的最小細節直徑均逐漸增大,即對細節可探測能力逐漸下降,0.5%和0.3%對比度下的細節探測能力下降最明顯。②對比度細節直徑乘積逐漸增大,CTDIw大于49.6 mGy時,該乘積值小于驗收檢測的限值2.5 mm;當CTDIw為41.4 mGy時該乘積值介于驗收檢測限值(2.5 mm)和狀態檢測的限值(3.0 mm)之間;當CTDIw進一步降至約25 mGy時,該乘積值已超過狀態檢測的限值3.0 mm。③其中,CTDIw由約49.6 mGy降低至41.4 mGy時,細節探測能力變化并不十分明顯。

2.2 重建層厚對低對比可探測能力的影響

重建層厚對低對比可探測能力的影響如表2和圖3所示。由表2和圖3可見,在掃描劑量和重建算法等其他參數不變的情況下,隨著重建層厚逐漸減小:①1.0%、0.5%和0.3%對比度下可觀察到的最小細節直徑明顯增加,即對細節可探測能力明顯下降,0.5%和0.3%對比度下的細節探測能力下降最顯著。②對比度細節直徑乘積逐漸增大,當層厚為10 mm時該乘積值小于驗收檢測的限值2.5 mm;當層厚為5 mm時該乘積值介于驗收檢測限值(2.5 mm)和狀態檢測的限值(3.0 mm)之間;當層厚為1.25 mm或更小時,該乘積值已遠超過狀態檢測的限值3.0 mm。

表2 重建層厚對低對比可探測能力的影響1)

(a) 層厚=10 mm

2.3 不同管電壓對低對比可探測能力的影響

對CT設備可選管電壓和管電流時間積進行組合,使不同管電壓下的掃描劑量相近,分析可觀察到的最小細節直徑。結果如表3和圖4所示。

表3 管電壓對低對比可探測能力的影響1)

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

由表3和圖4所見,100 kV和120 kV、120 kV和140 kV之間的模體影像中可觀察到的最小細節直徑和對比度細節直徑乘積沒有明顯區別。在劑量和層厚等其他條件相同的情況下,射線質對低對比可探測能力影響并不明顯。

3 討論

低對比度分辨力又稱密度分辨力,定義為可以從均一背景中分辨出來的特定形狀和面積的低對比度微小目標。該定義包含對比度限值和大小限值兩層含意。低對比度分辨力是CT成像系統的重要指標之一,能反映出人體組織結構的細微變化[2]。如果CT設備的低對比度分辨力不合格,則腫瘤等病變組織與正常組織混在一起難以區分。因此低對比度分辨力是CT設備成像的一個非常重要的性能參數。同時,當前在國際和國內CT檢查頻次高、增長速度快、輻射劑量高。因此,保證低對比可探測能力在內的CT影像質量,降低漏診、誤診率并減少不必要的重復照射,對廣大患者和受檢者的健康和安全具有十分重要的意義。國內CT設備性能檢測的現行標準WS 519—2019規定了檢測時層厚和劑量等關鍵條件,但未對“最接近10 mm的層厚”和“接近50 mGy”作進一步界定和細化,也未對具體可選用的管電壓范圍進行詳細規定。

本研究針對CT設備質量控制檢測中,掃描劑量、層厚和管電壓等因素對低對比可探測能力檢測結果的影響進行了測試和分析。首先,本研究在層厚和重建算法等其他參數不變的情況下,發現隨掃描劑量CTDIw逐漸降低,對1.0%、0.5%和0.3%對比度下的細節的可探測能力均逐漸下降,但CTDIw由約49.6 mGy降低至41.4 mGy時,細節探測能力變化并不十分明顯;隨掃描劑量CTDIw逐漸降低,對比度細節直徑乘積也逐漸增大,CTDIw大于49.6 mGy時,該乘積值小于驗收檢測的限值2.5 mm。當CTDIw為41.4 mGy時該乘積值為2.53 mm,略超過驗收檢測限值(2.5 mm)并滿足狀態檢測的限值要求(3.0 mm)。當CTDIw進一步降至約25 mGy時,該乘積值已超過狀態檢測的限值3.0 mm。其原因與掃描劑量降低,影像噪聲增大,影響了對比度差異本就很小的細節檢出能力。因此本研究建議,CT設備低對比可探測能力檢測時,CTDIw應小于并盡量接近50 mGy,最低不應小于40 mGy。本實驗結果與WS 519—2019標準要求一致,同時對CTDIw最低值提出了建議。

有研究報道不同重建層厚影響CT圖像噪聲,進而對低對比細節檢測能力有明顯的影響[3-4]。標準WS 519—2019也對此進行了說明,規定設置層厚為10 mm,達不到10 mm時選擇最接近10 mm的層厚,但其未對“最接近10 mm的層厚”的層厚下限作進一步界定。本研究發現,在掃描劑量和重建算法等其他參數不變的情況下,隨著重建層厚逐漸減小,1.0%、0.5%和0.3%對比度下可觀察到的最小細節直徑逐漸增加,即對細節可探測能力逐漸下降。其中,與10 mm層厚相比,5 mm層厚影像的細節可探測能力下降不十分明顯,從1.25 mm層厚開始細節探測能力迅速下降;隨著重建層厚逐漸減小,對比度細節直徑乘積也逐漸增大,當層厚為10 mm時該乘積值小于驗收檢測的限值2.5 mm。當層厚為5 mm時該乘積值超過驗收檢測限值(2.5 mm)但仍滿足狀態檢測的限值(3.0 mm)。當層厚為1.25 mm或更小時,該乘積值已遠超過狀態檢測的限值3.0 mm。因此,本研究建議,在CT設備低對比可探測能力檢測時:①層厚應首選10 mm,此結果與WS 519—2019標準要求一致;②達不到10 mm時應選擇不小于5 mm的層厚,標準中未明確層厚下限,本研究為CT性能檢測提供層厚選擇的建議。

另外,本研究測試了不同射線質,即相同管電流時間積不同管電壓條件下對低對比可探測能力的影響。由于CT設備可選管電壓和管電流時間積組合下140 kV的CTDIw不能達到接近50 mGy,因此在CTDIw接近60 mGy的水平下來比較140 kV和120 kV的低對比可探測能力差別。本研究結果顯示,100 kV和120 kV、120 kV和140 kV之間的模體影像中可觀察到的最小細節直徑和對比度細節直徑乘積均沒有明顯差別,單純射線質的變化對低對比可探測能力影響并不明顯。因此,實際低對比可探測能力檢測時,建議選擇100 kV以上的臨床常用管電壓。WS 519—2019標準未對管電壓設置提出具體要求,本研究為CT性能檢測時管電壓選擇提供了數據支持

4 結論

本研究測試了CT設備質量控制檢測過程中,掃描劑量、層厚和管電壓等因素對低對比可探測能力檢測結果的影響,建議CT設備低對比可探測能力檢測時,CTDIw應小于并盡量接近50 mGy,最低不應小于40 mGy;層厚應首選10 mm,達不到10 mm時應選擇不小于5 mm的層厚;單純管電壓對低對比可探測能力影響不大,可選擇100 kV以上的臨床常用管電壓。通過對檢測條件的進一步完善,即能保證實際檢測中對低對比可探測能力的檢測結果不會產生明顯偏差。本研究仍存在一定局限性,如未在其他多種型號的CT設備、未采用其他模體[5]進行測試等,后續將繼續開展相關研究。