胸部低剂量CT的应用研究
引言
近年来，胸部低剂量CT检查作为当前热点研究方向，研究者很多。有些研究单纯从改变剂量入手[1-6]，有些从图像的性质入手[7-12]，还有些是直接从疾病的病理表现入手[13-15]。CT检查是使用X射线束对人体某部位一定厚度的层面进行扫描，原理为根据人体不同组织对X线的吸收与透过率的不同[16]，发现体内生理或病理性改变。但X射线作为辐射源，对人体有着一定程度的损害，X线剂量越大，受检者所受的伤害就越大。所以，在保证图像质量的前提下，如何尽量降低X线剂量，即低剂量CT，成了当前学界研究的一个重要方向。本文将对固定管电压为120 kV时，通过降低CT毫安量来降低检查剂量的方法进行讨论。
1 材料与方法
我们选取目前医疗市场上的应用较为广泛的国内外CT厂家，国内厂家包括东软医疗、明峰医疗、深圳安科和上海联影，国外厂家包括GE医疗、Siemens医疗、Philips医疗、东芝医疗和日立医疗。历时2年时间，地域覆盖吉林省、黑龙江省、辽宁省、浙江省和四川省的126家医院进行了522台次试验。
1.1 探究多参数设置对胸部低剂量CT影像质量的影响
1.1.1 实验模体
CT性能模体的型号为CATPHAN 500，生产厂家是美国模体实验室。
注：为保证数据准确可靠，项目研究期间定期溯源至国家基准。
1.1.2 实验方法
将CATPHAN 500置于扫描野中心，扫描条件为管电压120 kV，层厚5 mm，扫描时间1.0 s，在pitch:speed为0.562:1、0.938:1和1.375:1的三种条件下，设置毫安量分别为250、200、150、100、70、60、50、40、30以及20 mAs进行扫描，扫描模体时在周围不应有影响射线束的物质。
1.1.3 测量方法
（1）CT值、噪声、均匀性。在CTP486模块中心层面，在中心用大于100像素的ROI（面积约为1 cm2）测CT值及标准偏差SD，噪声N=SD×0.1%。在图像圆周相当于钟表时针3、6、9、12点的方向用相同ROI在边缘1 cm处取四点CT值，边缘对中心CT值的最大偏差为均匀性。
（2）低对比分辨力（密度分辨力）。在CTP515模块中心层面，同时调节窗宽和窗位，确定各对比度系列中所能分辨的最小一级孔径。
（3）高对比分辨力（空间分辨力）。在CTP528模块中心层面，同时调整窗宽和窗位，分辨最小的一组线对。用目测方法确定所能分辨的最高一级线对数。
1.2 模体实验探究低剂量CT图像质量的客观参考标准
（1）实验模体：胸部仿真模体。
（2）实验方法：将胸部仿真模体置于扫描野中心，使用5 mm的层厚，设置管电压120 kV，管电流分别为70、60、50、40、30以及20 mAs，按照 WS/T 391-2012《CT检查操作规程》[17]中的方法进行扫描。扫描模体时在周围不应有影响射线束的物质。
2 结果
在实验过程中，设定毫安秒和实际扫描中的毫安秒并非一个数值，对照表，见表1。
（1）根据国家计量检定规程JJG 961-2017《医用诊断螺旋计算机断层摄影装置(CT) X射线辐射源》[18]中要求低对比分辨力在1%对比度应能分辨模体中3 mm的圆孔和0.3%对比度应能分辨模体中6 mm的圆孔， 可见50 mAs以上的剂量都是符合要求的（表2）。由于低对比分辨力对肉眼观测是最直观的评价方法，所以在以下的试验中，我们对50 mAs以下的实验结果不再进行论述。采用相同螺距时低对比分辨力随mAs变化规律，见表2。
（2）通过数据分析，当管电流为1～100 mAs时，噪声随管电流增加急剧降低，100 mAs以上时噪声趋于平稳。其中，50～100 mAs的噪声极差值较1～50 mAs的噪声极差值低。这说明了低剂量检查必然伴随一定的噪声，50～100 mAs条件时噪声降低速度较为缓慢，50 mAs以下时，噪声急剧增长。采用不同螺距时噪声随毫安秒变化规律，见图1。
表1 设定mAs与实际mAs对照表
设定mAs pitch:speed=1.375:1 350——63 300——54 250 111 66 45 200 88 53 36 150 66 39 27 100 44 26 18 70 31 18 12 60 26 15 10 50 22 13 9 40 17 10 7 30 13 7 5 20 8 5 3实际mAs pitch:speed=0.562:1 pitch:speed=0.938:1
表2 采用相同螺距时低对比分辨力随毫安秒变化规律
mAs设定值mAs实际值低对比分辨力 (孔径直径：mm)(pitch:speed=0.938:1)0.30% 0.50% 1.00%250 66 3 3 2 200 53 3 3 2 150 39 4 3 2 100 26 4 4 2 70 18 4 4 3 60 15 6 5 3 50 13 6 5 3 40 10 8 5 3 30 7 9 7 4 20 5 15 7 5
图1 采用不同螺距时噪声随毫安秒变化规律
（3）通过数据分析，我们可以看到，不同管电流下的均匀性起伏波动很小，考虑到实验误差，结合国家标准，在该实验条件下，降低管电流对均匀性没有影响。采用不同螺距时均匀性随mAs变化规律，见表3。
表3 采用不同螺距时均匀性随mAs变化规律
mAs设定值pitch:speed=1.375:1 mAs实pitch:speed=0.562:1 pitch:speed=0.938:1际值均匀性mAs实际值均匀性mAs实际值均匀性250 111 4 66 5 45 6 200 88 5 53 4 36 3 150 66 4 39 4 27 4 100 44 4 26 4 18 5 70 31 4 18 5 12 5 60 26 5 15 5 10 3 50 22 4 13 5 9 5 40 17 4 10 5 7 4 30 13 5 7 6 5 5 20 8 4 5 4 3 5
（4）通过数据分析，降低毫安量时CT值波动极小。结合国家标准，CT值波动远小于标准中的波动范围。对于物体来说，CT值应该是固定的，但实际的机械误差难以避免。从该实验结果来说，在该实验条件下，低管电流条件对CT值没有影响。采用不同螺距时CT值随mAs变化规律，见表4。
表4 采用不同螺距时CT值随mAs变化规律
CT值(HU）250 111 2 66 3 45 4 200 88 3 53 2 36 1 150 66 2 39 3 27 3 100 44 2 26 2 18 3 70 31 2 18 3 12 3 60 26 3 15 3 10 2 50 22 2 13 3 9 3 40 17 2 10 3 7 3 30 13 3 7 3 5 3 20 8 2 5 2 3 4 mAs设定值pitch:speed=1.375:1 mAs实际值pitch:speed=0.562:1 pitch:speed=0.938:1 CT值(HU）mAs实际值CT值(HU）mAs实际值
（5）通过数据分析，降低毫安量至40 mAs以下时，空间分辨力略微降低。我们可以认为，当毫安量为50 mAs以上时，对空间分辨力没有影响。采用不同螺距时空间分辨力随mAs变化规律如表5所示。
（6）通过探究多参数设置对低剂量CT扫描图像质量的影响的结果我们可以得知，当毫安量降低到100 mAs时，噪声的影响开始增大；当毫安量降低到30 mAs以下时，低对比分辨力已经完全不能满足要求；就噪声来说，50 mAs以下的噪声将急剧升高，所以我们将胸部模体实验数值范围设定在 20～70 mAs。
肺部仿真模体的影像结果，见图2。从图像中我们可以看出，图2a可以看清仿真模体中的末端支气管，对一些仿真组织也有较高的辨识度，其噪声也在可忍受范围之内[1]。而图2b的图像质量有着断崖式的降低，图片颗粒感较强，也无法完全分辨清晰各组织边界。由此我们可以推荐，50 mAs为胸部低剂量CT筛查临床实验的最低剂量阈值。
表5 采用不同螺距时空间分辨力随mAs变化规律
空间分辨力250 111 7 66 7 45 7 200 88 7 53 7 36 7 150 66 7 39 7 27 7 100 44 7 26 7 18 7 70 31 7 18 7 12 7 60 26 7 15 7 10 7 50 22 7 13 7 9 7 40 17 7 10 7 7 6 30 13 7 7 6 5 6 20 8 7 5 6 3 6 mAs设定值pitch:speed=1.375:1 mAs实际值pitch:speed=0.562:1 pitch:speed=0.938:1空间分辨力mAs实际值空间分辨力mAs实际值
图2 肺部仿真模体的影像结果（右侧肺门层面）
注：a. 50 mAs条件下；b. 40 mAs条件下。
3 讨论
虽然低剂量这个概念已经在国内出现了十余年，从DR低剂量的探讨，到后来的CT平扫、CT增强的探讨，乃至肺癌筛查专家共识，部分医院甚至已经在常规检查中应用了低剂量参数，但仍未有一个通用的、行之有效的标准。考虑到CATPHAN模体是不同国家、不同厂家设备通用的行之有效的质控检测模体，所以我们选用了CATPHAN模体来进行剂量初筛，并通过仿真模体验证剂量范围。
CATPHAN模体中的部分模块体积足够小，模块间的间隔有大有小，各模块的密度也不尽相同，这一定程度上模拟了人体中的复杂状况；该模体也是检测CT性能的工具之一。我们使用模体进行低剂量测试，能保证CT设备的有效性，这也保证了我们所调节的毫安秒，是唯一的变量，同时也保证了实验得到的图像是质控合格的图像，具有相当的严谨性。
常规的肺部仿真模体拥有正常的肺纹理，精度较低，但足够作为筛查剂量的实验验证模体。根据《肺结节诊治中国专家共识（2018年版）》[19]，肺结节的大小被定义为3 cm及以下。由此可见，较小的肺结节大小可与末端支气管直径相当。若末端支气管可清晰分辨，则一般的肺结节能清晰分辨。实验中我们不考虑高密度钙化灶，只考虑一般实性结节。一般来说，能筛查出实性结节，后续无论是通过实验室检查还是增强扫描确诊疾病，其筛查意义都已经达到了。所以，使用仿真模体进行剂量验证，具有一定的严谨性。
我们选用了不同厂家不同型号的CT进行了522台次试验，最终得出的结果不尽相同，但是当剂量从70 mAs开始降低时，图像质量均开始大幅降低，当剂量降低到50 mAs以下后大部分CT得到的结果无法完全辨认图像轮廓，最后的仿真模体实验发生了同样的现象。
众所周知较高的放射剂量能获得较好的图像，过度地降低放射剂量会导致图像质量变差。当我们的毫安量从100 mAs开始降低时，图像的噪声增加，对比度和分辨力相应降低。为了降低剂量，我们必须适度的容忍一定程度的噪声，这是成像技术和后处理技术更新换代之前我们几乎无法解决的问题。
不同厂家、不同系列的CT所用的技术也不同，同样扫描条件产生的影像学结果可能会不尽相同。临床上，不同患者可能会因为体质差异需要相应的增减剂量。针对这些情况，给出一个剂量范围阈值供操作技师参考，使操作技师在阈值之上灵活选择剂量，是最科学的办法。
所以，只是单纯的降低剂量不应是我们的最终目的，与新的成像、后处理技术相结合，是更进一步的研究方向。
4 结论
低剂量CT扫描用作筛查，难点在于如何在剂量与图像质量间进行取舍。评价一副图像的好坏，不单要看噪声、均匀性等数值，诊断医师的意见也很重要。如前文所说，容忍一定量的噪声的情况下，如果剂量降低到一个数值以下，得到的图像无法确保诊断需求，那么这个数值就是我们所需求的剂量阈值。
本文通过不同厂家、不同CT进行对比试验，实验中使用了CATPHAN 500模体作为最初的剂量实验对象，并通过仿真模体进行验证，得到了一个实用于主流胸部CT的低剂量CT筛查的剂量阈值。
后续的研究方向，可以是通过临床试验进行数值校准，也可以是在CT机选择上进行广度更大的模体实验。相对来说，笔者更倾向于更多型号的CT机测试，以及新的后处理算法的应用。前者可以保证剂量范围的普适性，后者能够真正地让低剂量的取值范围，能够再向前走上一大步。
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Application of Low-dose Chest CT