低剂量CT成像质量控制检测实验研究

焦龙，于喜坤，刘师竺，张健，张鳆天，刘景鑫

1. 吉林大学中日联谊医院 放射线科，吉林 长春 130033；2. 吉林省医学影像工程技术研究中心，吉林 长春 130033；3. 长春市计量检定测试技术研究院，吉林 长春 130012

引言

近年来，随着CT设备的日渐普及，如今CT已经成为临床检查的首选项目之一，确保CT设备性能达到标准是得到良好的CT图像的基础[1]，所以CT设备性能检测至关重要[2]。随着技术的不断发展，业内对CT设备的理解越加深入，CT设备和其检查技术不断的升级、更新换代，CT设备及图像评价的方法也在日渐优化[3-4]，国内各地区也对地域差异引起的设备与图像差异进行了研究[5-7]。因此，研讨出一套更加适合如今CT发展需要的、普遍适用与全国范围的CT成像质量控制检测规范，是目前所迫切需要的[8]。

我们通过在国内多地域进行大范围的设备检测及相应的图像分析，得到了目前国内不同地域的正常使用中的CT设备的现状，对比参考国内外相关标准及相关研究[9-10]，得到了对于现行检测标准的相应修改意见。同时，通过数据分析和对比探究，得到了低剂量CT检查的最低剂量阈值。这对CT设备的检测以及临床研究和使用，都具有重大意义。

1 材料与方法

1.1 CT检测模体

我们选取目前医疗市场上国内外的主要CT厂家的产品，国外厂家包括GE、Siemens、Philips、东芝医疗（佳能）和日立，国内厂家包括东软医疗、明峰医疗、深圳安科和上海联影。在十三五国家重点研发计划的支持下，历时2年时间，地域覆盖五个省份，在126家医院中正常使用的CT上进行了522台次试验。CT检测模体，见表1。

表1 CT检测模体表

1.2 CT值（水）、均匀性、噪声

将CT检测模体圆柱轴线与扫描层面垂直并处于扫描野中心，采用头部扫描条件进行扫描。在螺距:速度（pitch:speed）为0.562:1、0.938:1和1.375:1的三种条件下，依次设置 mA 量为 300、250、200、150、100、70、60、50、40、30以及20 mA进行扫描。

选取图像中心大约500个像素点大小（约十分之一模体面积）的ROI，测量该ROI的平均CT值、标准偏差，其中平均CT值作为水CT值的测量值，标准偏差除以对比度标尺作为噪声的测量值n，见公式(1)。

式另外在图像圆周相当于钟表时针3、6、9、12点的方向，距模体影像边沿约10 mm处,选取大约500个像素点大小的ROI，分别测量这四个ROI的平均CT值,其中与图像中心ROI平均CT值的最大差值作为均匀性的测量值。

1.3 高对比分辨力（空间分辨力）

扫描条件参照1.2，选取图像调节适当的窗宽窗位，分辨出一组最小的线对数。

1.4 低对比度分辨力（密度分辨率）

扫描条件参照1.2，选取图像调节适当的窗宽窗位，分辨出各对比度系列中所能分辨的最小一级孔径。

2 结果

依据国家标准GB 17589-2011《X射线计算机断层摄影装置质量保证检测规范》[11]中对CT值、噪声、均匀性、空间分辨力和低对比分辨力的计量性能要求，作为CT影像质量控制的客观标准。我们对测量数据进行了大量统计分析。

我们统计分析了不同剂量下各CT设备间的性能参数测量数据，结果见表2。

表2 不同剂量下各CT设备性能评分（分，±s）

表2 不同剂量下各CT设备性能评分（分，±s）

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由表2可知，对于不同剂量下各CT设备间的CT值、均匀性、空间分辨力和低对比度分辨力4项指标P≥0.05，故其测量值差异无统计学意义，而噪声指标P≤0.05，故其测量值有显著性差异，为使结论能够适用于临床上大部分CT设备，我们在数据中选择了一组噪声相对不理想的数据进行分析，分析结果如下。

（1）CT值作为X射线衰减平均值，几乎不受毫安量和螺距的影响，见表3。目前国家标准中，CT值的数值范围要求为±6，实际结果远低于国家标准。当剂量为30 mAs时，CT值的数值范围仍然合格。实验中，未见此项数值不合格的CT设备。

表3 采用不同螺距时CT值随mAs的变化情况

（2）均匀性是整个扫描野中，均匀物质影像CT值的一致性，受毫安量和螺距影响不大，见表4。目前的国家标准中均匀性的数值范围要求为±5，实验结果远低于国家标准。当剂量为30 mAs时，均匀性的数值范围仍然合格。实验中，未见此项数值不合格的CT设备。

表4 采用不同螺距时均匀性随mAs的变化情况

（3）低对比可探测能力为CT机图像中能识别低对比的细节的最小尺寸。常规剂量时，低对比分辨力受毫安量和螺距影响不大，见表5。当螺距为pitch:speed=1.375:1，毫安量小于40 mAs时，结果不符合国家标准。目前的国家标准中低对比可探测能力的数值范围要求为＜3.0。实验中，常规剂量下此项数值的合格率为96.03%（取整两位小数，下同）。

表5 采用不同螺距时低对比可探测能力随mAs的变化情况

（4）高对比分辨力是在物体与背景的衰减程度上的差异与噪声相比足够大（大于100 HU）的情况下，CT成像时分辨不同大小物体的能力，受毫安量和螺距的影响不大。如表6。目前的国家标准中，对于常规算法的高对比分辨力的数值范围要求为＞5.0。当剂量为30 mAs时，CT值的数值范围仍然合格。实验中，常规剂量下未见此项数值不合格的CT设备。

（5）噪声是在均匀物质影像中，给定区域CT值对其平均值的变异，其大小可用感兴趣区中均匀物质的CT值的标准差除以对比度标尺表示。毫安量与噪声成反比关系，螺距与噪声成正比关系，见图1。目前的国家标准中，对噪声的数值要求范围为＜0.45。常规剂量时，三种螺距的噪声均符合国家标准；当剂量低于40 mAs时，三种螺距得到的结果均不能满足国家标准。实验中，常规剂量下此项数值的合格率为93.65%。

表6 采用不同螺距时高对比分辨力随mAs的变化情况

图1 采用不同螺距时噪声随mAs的变化情况

3 讨论

考虑到CT设备生产厂家较多，设备型号范围极广，根据使用情况不同，机器的工作状态不同，我们用了多种模体进行了长期、周密的实验，实验后进行了精确的数据采集和分析，并进行了多次验证，具有一定的先进性。

结果表明，对CT系统进行质量控制是保证良好CT影像质量的前提，而CT值、噪声、均匀性、高对比分辨力、低对比可探测能力又为CT系统性能参数的重中之重。虽然以上得出的结果不能完全评价影像质量，但作为图像质量的基础，设备性能是非常重要，不容忽视的。在检测的过程中我们发现，随着科学技术的发展，GB 17589-2011《X射线计算机断层摄影装置质量保证检测规范》中的部分数值标准已经不适用于现在的检测要求。CT值和均匀性的要求过于宽松[12-15]。通过国内多省市多家医院500余台次的实验我们发现，实验中得到的数据远低于标准中要求。CTDIw的标准过于严格。通过走访国内外的主流CT厂家我们得知，如今的CT设备出厂时就无法达到标准中要求的CTDIw数值。CT系统剂量偏差来源于系统曝光设置参数等误差的累积，且主要影响因素有以下几点：① CT系统设置管电流（mA）误差（行业内通用±10%）；② CT系统设置曝光时间误差（行业内通用±10%）；③ CT系统kV准确性要求±10%；④ CT系统滤过偏差。其中第①、②直接影响mAs（mAs即是mA与曝光时间的乘积），该参数直接与CTDI呈线性关系，假设两项都达到负极值，mGy可造成负偏19%（90%×90%达81%），若假设两项都达到正极值，mGy可造成正偏21%（110%×110%达121%）；第③导致的误差可能会更大，因为CTDI与kV的2.5（约）次幂成正比；系统的滤过和切片开缝都是引入剂量误差的原因，都是不可忽略的[16-18]。

噪声作为相当重要的参数，在实验中我们发现，使用时间越久的设备噪声数值表现越不理想，部分设备时隔半年左右后再次实验时噪声结果差异较大。如今，临床开具CT检查的数量较几年前已有较大体提升，CT设备使用频率增加，半年一次的检测间隔过长，不足以满足临床的需求。层厚的要求已经不符合如今的临床需求。现在国内的CT检查中，已经基本不采用8 mm的层厚，高分辨算法所使用的层厚也在0.625～1.25 mm之间。所以原有的层厚需求已经不再适用于如今的检测标准。

4 结论

根据以上实验结果与分析，参考国内外相关标准，我们建议将现有标准数值调整如下：

CT值状态检测评价标准建议修改为±4 HU；均匀性验收检测评价标准建议修改为±4 HU，状态检测评价标准建议修改为±5 HU；CTDIw验收检测评价标准建议修改为20%，状态检测评价标准建议修改为20%；噪声稳定性检测周期建议修改为每月；层厚验收检测、状态检测、稳定性检测评价标准建议都修改为：±1 mm（s＞2），±50%（2≥s≥1），±0.5 mm（s＜1）。

另外，我们在实验中发现，当放射剂量较低的时候，部分标准仍然适用，如CT值、均匀性、高对比分辨力[19-21]。但低于40 mAs时，噪声、低对比分辨力无法满足要求。所以我们建议，40 mAs可以作为低剂量检查的剂量阈值。