費(fèi)曉璐,李坤成,杜祥穎,白玫,劉彬,李鵬雨
首都醫(yī)科大學(xué)宣武醫(yī)院 醫(yī)學(xué)工程科,北京 100053
64排螺旋CT不同劑量條件下心臟成像質(zhì)量的物理量化評價(jià)
費(fèi)曉璐,李坤成,杜祥穎,白玫,劉彬,李鵬雨
首都醫(yī)科大學(xué)宣武醫(yī)院 醫(yī)學(xué)工程科,北京 100053
本文針對多排螺旋CT心臟掃描模式,設(shè)計(jì)了6組不同的掃描參數(shù),對能夠進(jìn)行規(guī)律性搏動的心臟體模進(jìn)行掃描,對圖像的質(zhì)量進(jìn)行量化評價(jià),對不同劑量掃描參數(shù)對圖像質(zhì)量的影響進(jìn)行分析。
螺旋CT;心臟冠脈成像;輻射劑量;心臟體模
心臟冠狀動脈多排(層)螺旋 CT(multi-detector spiral CT,MDCT) 血 管 成 像(computerized tomography angiography,CTA)技術(shù)正在日益成為心臟檢查的常規(guī)手段,但是被檢查者遭受較大輻射劑量的問題也成為引人關(guān)注的問題。眾所周知,MDCT心臟檢查以亞毫米層厚的掃描覆蓋全心,與常規(guī)胸部掃描相比,掃描劑量 必然大幅增 加[1-3]。由于冠狀動脈 CTA 的圖像質(zhì)量與輻射劑量成正比,臨床為了獲得更好的圖像質(zhì)量,有加大被檢查者輻射劑量的趨勢。隨著心臟 CTA 成像技術(shù)的廣泛應(yīng)用,如何采用較低劑量完成MDCT心臟掃描,而所獲圖像質(zhì)量能夠滿足臨床診斷要求,已經(jīng)成為擺在我們面前最重要的課題之一。因此,采用低劑量進(jìn)行冠狀動脈 CTA 掃描、并對所獲圖像質(zhì)量進(jìn)行評估,具有顯著臨床意義。
我們設(shè)計(jì)6組劑量不同的掃描參數(shù),對能夠進(jìn)行規(guī)律性搏動的心臟體模進(jìn)行掃描,選擇能夠表征圖像質(zhì)量的有效物理參數(shù)對圖像質(zhì)量進(jìn)行量化評價(jià),對不同劑量掃描參數(shù)對圖像質(zhì)量的影響進(jìn)行分析。
1.1 體模
本研究應(yīng)用GE公司CT圖像研究室提供的新型心臟動態(tài)體模[4-6]。該體模由 3 部分組成 :① 動力部分,它的運(yùn)動模式充分模擬人體左心室的搏動,并具有3個(gè)運(yùn)動時(shí)相;② 解剖結(jié)構(gòu)模擬部分,由模擬左心室的球囊和模擬冠狀動脈的細(xì)管組成 ;③ 控制部分,通過編程來設(shè)定心臟體模的運(yùn)動方式,可以設(shè)定每分鐘心跳從 0~150 bpm(beat per minute,bpm)范圍內(nèi)任意心率。
本研究設(shè)置體模運(yùn)動速率為臨床檢查最常用的心率:55 bpm,模擬冠狀動脈內(nèi)預(yù)先灌入含碘對比劑,將 CT 值調(diào)整至 300 Hu(Hounsfield units)。
1.2 掃描及重建條件
本研究使用 GE 公司的 LS VCT 進(jìn)行掃描,具體掃描參數(shù)為探測器寬度 64×0.625 mm,旋轉(zhuǎn)速度 350ms,螺距0.2。為了研究低劑量掃描對冠狀動脈成像的影響,本研究設(shè)置了6組不同的球管電壓電流掃描參數(shù)。如表1所示,球管電壓 100~140kV,球管電流 350~650mAs,相應(yīng)的 CT輻射劑量指數(shù)(Computed Tomography Dose Index, CTDIvol)65.17~121.69 mGy。其中 1~4 組采用相同的電壓幅值,通過改變電流值達(dá)到改變輻射劑量的效果。第5組設(shè)定輻射劑量與第4組相同,降低電壓,提高電流。第6組設(shè)定輻射劑量與第2組相同,提高電壓,降低電流。設(shè)計(jì)最后兩組實(shí)驗(yàn)的目的在于研究當(dāng)輻射劑量一定時(shí),采取何種電壓電流參數(shù)更能夠提高成像質(zhì)量。數(shù)據(jù)采用單扇區(qū)方法進(jìn)行采集。
以 10% 的 R-R 間期為步長,在 R-R 間期的 0% ~90%區(qū)間對心臟掃描數(shù)據(jù)進(jìn)行常規(guī)重建,挑選每組參數(shù)下研究目標(biāo)受運(yùn)動偽影影響最小的相位圖像作為進(jìn)一步處理的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。
圖像采用標(biāo)準(zhǔn)重建函數(shù)進(jìn)行重建,掃描野大小為130mm×130mm,圖像矩陣為 512×512,層厚 0.625mm。
1.3 圖像處理及分析
將獲得的體層圖像傳輸?shù)揭慌_離線工作站(D530 CMT, HP)上,基于 MATLAB 環(huán)境行進(jìn)一步數(shù)據(jù)處理及分析。
本研究應(yīng)用以下幾個(gè)物理參數(shù)評價(jià)成像質(zhì)量:
(1)圖像噪聲,由選定背景區(qū)域中的 CT 密度值的標(biāo)準(zhǔn)差計(jì)算得出。
(2)信號噪聲比(SNR)和對比度噪聲比(CNR),由公式 (1)和 (2)計(jì)算得出,公式 (1)和 (2)中,So是造影劑填充管腔區(qū)域的平均 CT 值,Sb是選定背景區(qū)域的平均 CT 值,是圖像的噪聲。
(3)邊緣銳利度,以 HU/mm 為單位,定義為血管壁與背景之間CT值變化曲線的斜率,即血管壁的線擴(kuò)散函數(shù),反映圖像的真實(shí)空間分辨力[7]。
邊緣銳利度按照如下方法實(shí)現(xiàn)客觀評估 :① 讀取 CT影像數(shù)據(jù) :CT 圖像數(shù)據(jù)是遵從國際標(biāo)準(zhǔn) DICOM 格式的灰度數(shù)據(jù),需先要根據(jù)設(shè)備查找表(modality lookup table,LUT)的信息,將原始數(shù)據(jù)變換成圖像對應(yīng)的真實(shí) CT 值。② 選取興趣區(qū) :觀察者手動選定一個(gè)方形興趣區(qū),該興趣區(qū)應(yīng)該跨越從背景到造影劑灌注腔(或反向)的變化 ,如圖1 所示。③ 圖像處理 :對興趣區(qū)內(nèi)的圖像數(shù)據(jù)逐行進(jìn)行灰度分析,選每行的灰度曲線導(dǎo)數(shù)值最大點(diǎn)作為基準(zhǔn)點(diǎn),使各行對齊,將灰度變化的弧線轉(zhuǎn)化為直線,為求得線擴(kuò)散函數(shù)做準(zhǔn)備。④ 計(jì)算邊緣銳利度 :按照線擴(kuò)散函數(shù)定義,將處理后圖像進(jìn)行列內(nèi)平均,求得代表該邊緣的平均線擴(kuò)散函數(shù)。取線擴(kuò)散函數(shù)的導(dǎo)數(shù)最大值,作為該擴(kuò)散函數(shù)對應(yīng)灰度曲線的邊緣 銳利度如圖1 所示。圖中黃色實(shí)線圈選定的興趣區(qū)用來測量背景的噪聲,藍(lán)色實(shí)線圈選定的興趣區(qū)用來測量造影劑填充管腔區(qū)域的平均CT值作為目標(biāo)亮度水平。左邊的黃色虛線方框內(nèi)選定的興趣區(qū)用來測量造影劑填充腔邊緣銳利度。
圖1 多排(層)螺旋CT的動態(tài)心臟體模軸向成像上的興趣區(qū)
本實(shí)驗(yàn)過程順利,未出現(xiàn)任何技術(shù)問題,所獲圖像的質(zhì)量均滿足數(shù)據(jù)分析的要求。經(jīng)檢驗(yàn)各組數(shù)據(jù)都符合正態(tài)分布。
表1 掃描參數(shù)及物理圖像質(zhì)量評價(jià)參數(shù)總結(jié)
表1 掃描參數(shù)及物理圖像質(zhì)量評價(jià)參數(shù)總結(jié)(續(xù))
前4組圖像的噪聲、對比度噪聲比和信號噪聲比的測量值,組間差異有非常顯著性意義(P<0.001)。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)隨管電流降低,圖像噪聲增加、對比度噪聲比和信號噪聲比均下降。第5組圖像的噪聲水平與第4組相近,而其對比度噪聲比和信號噪聲比卻與第2組相近。第6組圖像的噪聲水平與第2組相近,但其對比度噪聲比和信號噪聲比介于第3與第4組之間。
表1詳細(xì)總結(jié)了6組掃描參數(shù)及其對應(yīng)圖像質(zhì)量參數(shù)。第6組圖像的邊緣銳利度顯著低于其他5組,而第4組與管電壓相同的前3組比較,其邊緣銳利度略低。雖然第5組圖像模擬冠狀動脈的CT值顯著高于其他幾組,但是其邊緣銳利度與第(1~3)組無顯著性差異(如圖2 所示)。相關(guān)分析檢驗(yàn)結(jié)果表明:圖像噪聲與劑量成反比關(guān)系(R=-0.978,P=0.001), 但 與 電 壓 或 電 流 均 無 相 關(guān) 性(P>0.05);圖像的對比度噪聲比和信號噪聲比與管電流成正比關(guān)系(R=0.984,P<0.001 和 R=0.953,P=0.003);采用二元變量相關(guān)分析,邊緣銳利度與掃描參數(shù)均無顯著性相關(guān)關(guān)系;而采用偏相關(guān)分析時(shí),邊緣銳利度與管電壓成反比關(guān)系(R = 0.883,P = 0.047)。
圖2 6組不同掃描條件下的邊緣銳利度(CT密度)曲線
目前,應(yīng)用 MDCT 進(jìn)行心臟冠狀動脈檢查所面臨的主要安全問題是高電離輻射劑量[8]。在臨床上,我們通常應(yīng)用調(diào)整管電壓和電流的方式來降低輻射劑量,但是這些調(diào)整對冠狀動脈的顯示判斷冠狀動脈狹窄率的具體影響還不清楚。因此,本實(shí)驗(yàn)采取不同輻射劑量對模擬冠狀動脈狹窄的體模進(jìn)行掃描,以研究低劑量對 CTA 冠狀動脈圖像質(zhì)量和判斷冠狀動脈狹窄程度的影響。
本實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明:在保持電流恒定的條件下,輻射劑量隨電壓降低而降低。由于輻射劑量與管電壓的平方乘以電流成正比,在需要維持輻射劑量恒定時(shí),電壓的微小調(diào)整即引起電流值較大幅度的調(diào)整。本研究所用體模的重量固定,圖像噪聲僅受掃描參數(shù)的影響。由表1可以看出,作為電壓和電流的綜合作用,圖像噪聲最終僅與劑量成正相關(guān)關(guān)系。但是對比度噪聲比和信號噪聲比主要與電流相關(guān)。降低電流,對比度噪聲比和信號噪聲比也隨之降低,在一定范圍內(nèi)維持輻射劑量不變的前提下,提高球管電壓并不能增加圖像的對比度噪聲比和信號噪聲比。這是因?yàn)楸M管增加電壓使輻射劑量大幅度增加,并導(dǎo)致圖像噪聲相應(yīng)降低,但同時(shí)也引起被對比劑增強(qiáng)血管結(jié)構(gòu)透明度的降低,進(jìn)而使冠狀動脈信號隨之降低。因此,當(dāng)使用對比劑增強(qiáng) CTA 技術(shù)時(shí),調(diào)整球管電壓會導(dǎo)致圖像噪聲和對比劑增強(qiáng)部位信號同時(shí)增加或減少,以致電壓對對比度噪聲比和信號噪聲比的影響均很小。
跨越體模心臟邊緣的CT密度曲線實(shí)際上可以認(rèn)為是獲得該圖像的 LSF,根據(jù) LSF 可以推算出該圖像的實(shí)際空間分辨力[9-10]。CT 密度曲線的變化越銳利,說明圖像信號中含有的高頻成份越多,因此其對應(yīng)的實(shí)際空間分辨力也就越高。本實(shí)驗(yàn)應(yīng)用體模的搏動速率和其他掃描條件均相同,這種實(shí)際空間分辨力的差別,其實(shí)是圖像噪聲和對比度分辨能力對運(yùn)動體模綜合影響的結(jié)果。本研究結(jié)果表明,低電壓條件下的CT密度曲線明顯比高電壓下的曲線變化銳利。在電壓幅值相同的前提下,低劑量下曲線的灰度變化相對比較緩慢。值得注意的是,盡管 120 kV 的前 3 組與100 kV 組的噪聲與信號強(qiáng)度有明顯差異,但是這 4 組曲線的變化銳利程度相似。由此可見輻射劑量與電壓同時(shí)對實(shí)際空間分辨力施加影響,但電壓的影響更為顯著。通過對邊緣銳利度與掃描參數(shù)的偏相關(guān)分析也驗(yàn)證了這一點(diǎn)。因此當(dāng)輻射劑量水平滿足噪聲的臨床最低要求時(shí),通過適當(dāng)降低電壓可以達(dá)到提高實(shí)際空間分辨力的目的。基于本研究數(shù)據(jù),以及臨床40幅冠狀動脈CTA 造影體層圖像的驗(yàn)證,臨床所能接受較好圖像質(zhì)量對應(yīng)的噪聲閾值應(yīng)該在 20Hu左右。
總之在 64 排(層)螺旋 CT 心臟成像中,在一定程度下降低劑量對成像質(zhì)量的影響不大。同時(shí)在維持劑量水平不變的條件下,使用低電壓和高電流的參數(shù)搭配有助于提高圖像的真實(shí)空間分辨力。
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Physical Quantitative Evaluation of Cardiac Imaging Quality at Different Dose Levels Using 64-row Detector CT
FEI Xiao-lu, LI Kun-cheng, DU Xiang-ying, BAI Mei, LIU Bin, LI Peng-yu
Medical Engineering Department, Xuanwu Hospital of Capital Medical University, Beijing 100053, China
Performs cardiac scans at six dose levels on pulsating cardiac phantom using 64-row detector CT. Evaluates the image quality by the physical parameters quantitatively and analyzes the effect of radian dose on the imaging quality.
spiral CT; cardiac coronary imaging; radiation dose; cardiac phantom
R814.42
A
10.3969/j.issn.1674-1633.2011.06.008
1674-1633(2011)06-0028-03
2008-04-23
2011-01-13
國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(30870751);北京市衛(wèi)生系統(tǒng)高層次衛(wèi)生技術(shù)人才培養(yǎng)計(jì)劃項(xiàng)目(2009-3-57)。
本文作者:費(fèi)曉璐,博士。
作者郵箱:feixiaolu@tsinghua.org.cn