自动管电流调节技术下螺距对胸部CT图像质量及辐射剂量影响的体模研究
引言
由于人口老龄化和空气污染等多种因素，自21世纪初期，肺癌已成为我国死亡率最高的恶性肿瘤[1-2]，胸部CT检查在肺癌、肺结核疾病的检出与诊断等方面具有一定的优势，尤其对于肺癌筛查，其检出率约为X线胸片的6倍，而辐射剂量却是X线胸片的几十甚至上百倍[3]，CT检查引起的辐射伤害逐渐引起人们的关注。自动管电流调制技术（Automatic Tube Current Modulation，ATCM）是保证图像质量的情况下能有效降低辐射剂量的方法。影响ATCM技术的因素很多[4-6]，如管电压、准直宽度、螺距等，应用ATCM技术对胸部CT的图像质量和磨玻璃密度结节的检出的影响尚未有相关研究，本文旨在探讨螺距对ATCM技术的影响，为临床优化胸部CT扫描方案提供参考。
1 材料与方法
1.1 胸部模型
采用Shimadzu PH-1胸部仿真模体，如图1所示，大小为43 cm×48 cm，胸围94 cm，重量为18 kg，主要成分为聚氨酯树脂SZ-50以及人工骨骼，模体内部肺纹理与人体无显著差别。模体内放置9个磨玻璃密度结节（Ground Glass Nodules，GGN）[7]，其直径为5、8、12 mm三种，将5 mm的GGN置于肺尖区，其余GGN随机置于体模的上、中、下肺野及内、中、外带。GGN的平均CT值为-437.44上、中、下肺野。
1.2 仪器与方法
采用GE Optima CT680对胸部仿真模体进行扫描，将模体放置扫描野等中心点水平，扫描范围自肺尖到肺底。扫描条件：管电压120 kVp，使用ATCM技术，管电流调节范围为10～560 mA，机架旋转时间为0.5 s/rot，准直宽度为40 mm（64×0.625），图像重建矩阵为512×512，层厚5 mm，层间距5 mm。重建条件：以标准算法ASIR30重建[8-9]。每组扫描覆盖范围一致（30 cm）。应用ATCM技术，分别以螺距为0.516:1、0.984:1和1.375:1进行扫描并记作A、B、C组，每组在设定噪声指数（Noise Index，NI）值为10、15、20、25、30时分别扫描。记录各组容积CT剂量指数（Volumetric CT Dose Index，CTDIvol），剂量长度乘积（Dose Length Product，DLP）。
图1 Shimadzu PH-1胸部仿真模体
注：a. 胸部仿真模体外观；b. 模型内部结构和固定放置的模拟结节。
1.3 测量图像噪声
所有的数据传到图像后处理工作站adw4.6，测量气管分叉处主动脉噪声值（120 mm2）和肝部上缘噪声值（200 mm2），每组图像测量3次。
1.4 图像质量评价
将各组图像传至PACS，由两名10年以上工作经验的放射科医生独立评价所有图像。应用固定窗宽、窗位：肺窗窗宽1600 HU，窗位-600 HU（图2）；纵隔窗窗宽400 HU，窗位40 HU （图3）。对GGN的清晰度采用4分制进行主观评分：4分，结节边缘清晰可见；3分，结节边缘稍显模糊；2分，结节边缘较模糊但结节仍可见；1分，结节不可见。共评价3次。
图2 肺窗
图3 纵隔窗
1.5 统计学分析
比较15组扫描的CTDIvol和DLP。应用SPSS 16.0统计学软件，采用单因素方差分析比较同一预设NI下不同螺距的图像客观噪声。应用非参数检验中的Kruskal-Wallis H检验比较相同预设NI下不同螺距的图像GGN主观评分。P＜0.05时差异具有统计学意义。应用Kappa检验判断两名放射科医师对图像诊断的一致性，Kappa值≥0.75为一致性较好，0.4～0.74为一致性中等，＜0.4为一致性较差。
2 结果
2.1 辐射剂量和扫描时间
A组在NI为10、15、20、25、30时的CTDIvol分别为 8.45、3.17、2.04、1.33、1.00，与 B组（10.86、4.77、2.67、1.67、1.15）比较分别降低了22.19%、22.22%、23.60%、20.36%、13.04%，如表1所示。
表1 各组在不同NI下的CTDIvol、DLP和扫描时间
NI A组 B组 C组CTDIvolDLP CTDIvolDLP CTDIvolDLP 10.00 8.45 284.24 10.86 370.52 9.87 354.85 15.00 3.71 124.71 4.77 164.73 4.53 162.90 20.00 2.04 68.81 2.67 91.20 2.53 90.86 25.00 1.33 44.82 1.67 57.76 1.61 58.00 30.00 1.00 33.74 1.15 39.41 1.12 40.32扫描时间 (s) 8.15 4.33 3.27
A、B、C组的扫描时间分别为8.15、4.33、3.27 s。受最低管电流的限制（最小输出为10 mA），NI为30时，在肺野中部的管电流输出均为10 mA，见图4。
图4 各层面管电流值
注：NI=30。
2.2 图像质量
2.2.1 客观评估
对 A、B、C三组在相同 NI扫描的图像质量进行客观评估，在气管分叉处胸主动脉和肝部上缘层面分别选择密度均匀的区域测量CT值，其标准差的大小代表该层面的客观噪声水平，测量结果见表2～3，数据显示三组扫描在相同NI扫描的图像噪声没有显著性差异（P＞0.05）。
2.2.2 主观评估
对三组扫描在相同NI下扫描得到图像的质量进行主观评估，评分结果，见表4。相同NI下，不同螺距扫描得到的CT图像主观评分无统计学差异。GGN评分一致性，见表5，一致性较好。毫安值的限制，螺距在0.516:1时的辐射剂量降低程度小于其他噪声指数下的辐射剂量降低程度，见图4。表1显示，A组的扫描时间为8.15 s，B组的扫描时间为4.33 s，一般患者可以完成10 s以内的憋气，应用ATCM技术使用小螺距可有效地降低辐射剂量。
3 讨论
降低CT扫描辐射剂量的方法很多，如降低管电压、管电流等，然而过度的降低往往导致病变的模糊与遗漏，ATCM技术是按事先设定的图像质量参考水平获取图像同时优化辐射剂量的方法。
螺距是影响ATCM技术重要的参数之一。本次研究显示螺距在0.516:1时，与0.984:1在噪声指数为10、15、20、25、30的辐射剂量分别降低了23%、23%、25%、22%、14%，两组扫描图像的客观噪声均无统计学差异（表2和表3），对于模体内GGN的主观评分亦无统计学差异（表4和表5），这一结果与张志伟等[10]应用GE（BrightSpeed Elite 16）扫描模体结论一致。NI为30时，由于受到最小
表5 不同预设NI及螺距条件下两名医生对GGN评分一致性
预设NI 0.516 Kappa值 0.984 Kappa值 1.375 Kappa值10 1.0 1.0 1.0 15 1.0 1.0 1.0 20 0.73 0.71 0.78 25 0.64 0.70 0.61 30 0.59 0.57 0.63
扫描长度一定时，增大螺距可以减少曝光时间，在固定管电流扫描时，可以有效降低辐射剂量[11-12]。本研究发现使用ATCM技术，当螺距比大于1时，辐射剂量并未随螺距比的增加而降低，螺距比在1.375:1与0.984:1比较在噪声指数为10、15、20、25、30的辐射剂量分别降低了4.2%、-0.1%、0.4%、-0.4%、-2.3%，两组扫描图像的客观噪声均无统计学差异（表2和表3），对于模体内GGN的主观评分亦无统计学差异（表4和表5），数据表明应用ATCM技术，螺距比增加并未带来明显的噪声和辐射剂量的降低。而Papadakis等[13]在对西门子公司16层螺旋CT在线角调制技术的研究发现螺距比在0.500:1～1.250:1间变化时辐射剂量降低的幅度不变。本研究显示螺距增大并未使辐射剂量降低，在相同的预设NI下，为了达到相同的图像质量，大螺距扫描会增大管电流输出，来弥补扫描时间上的减少，如图4所示。表1显示，A组和C组的扫描时间分别为8.15 s和3.27 s，而对于COPD病人等憋气困难患者，增大螺距可以显著减小扫描时间，对抑制运动伪影有一定帮助[14-15]。
表2 气管分叉处胸主动脉噪声值（120 mm2）
组别噪声指数NI 10 15 20 25 30 A 6.56±0.46 8.43±0.27 10.91±1.14 12.48±0.19 14.63±0.52 B 6.08±0.17 8.08±0.21 9.85±0.69 13.01±0.1 14.85±0.3 C 6.02±0.15 7.12±0.17 10.25±0.32 11.84±0.45 14.29±0.73 F值 3.071 2.050 1.147 1.394 4.089 P值 0.121 0.210 0.379 0.318 0.076
表3 肝部上缘噪声值（200 mm2）
组别噪声指数NI 10 15 20 25 30 A 9.83±0.27 14.2±0.2 20.5±0.34 26.12±0.54 33.15±0.24 B 9.45±0.21 14.35±0.41 20.64±0.47 23.95±0.17 30.98±0.5 C 9.44±0.46 13.94±0.33 20.04±0.42 24.66±0.42 30.25±0.42 F值 1.330 1.671 1.399 2.814 0.964 P值 0.333 0.265 0．317 0.137 0.433
表4 不同预设NI及螺距下对GGN的主观评分 （分）
NI 10 15 20 25 30 Pitch 0.5 1 1.4 0.5 1 1.4 0.5 1 1.4 0.5 1 1.4 0.5 1 1.4 4 54 54 54 54 54 54 52 50 48 30 32 27 20 19 15 3 0 0 0 0 0 0 2 4 6 24 22 25 24 24 30 2 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 2 10 11 9 1 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 P值 1 1 0.844 0.532 0.081
本研究的不足之处在于没有探讨螺距的改变对Z轴分辨率的影响。随着螺距的增大,层面敏感性曲线增宽,使影像在Z轴的空间分辨力下降[16-17]，Z轴分辨率的改变对多平面成像（Multiplanar Reconstruction，MPR）的影响需进一步探究。本研究应用GE OptimaCT680 CT机扫描，对于其他设备ATCM技术应用不同管螺距比扫描是否有相同的结果，需进一步研究。
4 结论
本文探讨了应用ATCM技术行胸部CT扫描时，螺距比的变化对图像质量及辐射剂量的影响。结果提示，小螺距比可以显著降低辐射剂量，大螺距比可以显著降低扫描时间，胸部CT扫描采用ATCM技术时，需根据患者的憋气情况合理设置螺距比，最好在扫描前对患者进行呼吸憋气训练，从而在保证图像质量的前提下实现辐射剂量的降低。
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