PET/CT已成为临床肿瘤诊疗中不可替代的手段^{[1, 2]}。随着PET/CT检查在肿瘤诊疗及肿瘤筛查中检查量的不断增加,全身PET/CT对受检者造成的辐射剂量也已引起广泛关注。前期使用CT质量控制模型对不同采集条件下PET/CT性能指标及剂量影响进行过研究^{[3, 4, 5, 6]},结果显示,CT性能指标随着剂量的降低而降低,然而CT质量控制模型无法模拟人体内环境中的吸收剂量及具体器官的图像质量。本研究以仿真人体模型作为实验对象,以前期对PET/CT有效剂量的研究结果为基础,对PET/CT中CT的图像质量与有效剂量的关系进行研究,为临床中尽可能降低CT辐射剂量提供参考依据。

1.仪器设备:PET/CT机型为美国GE公司的Discovery ST-16型,CT部分为LightSpeed 16层螺旋CT,仿真人体模型为RS-550模体(美国Radiology Support Devices有限公司),由头、颈、躯干、大腿上半部组成,器官及组织包括大脑、口咽、甲状腺、肺、纵隔、肝脏、胰腺、脾脏、双肾、肠管、骨骼、脂肪、肌肉等,各种器官组织的大小及密度与标准成年人一致。

2. CT扫描范围:与临床一致,头颈部为头顶至锁骨,87层,扫描长度281.22 mm;体部为下颚至股骨上端,207层,扫描长度673.62 mm。

3. CT扫描参数:扫描分别采用固定管电流模式和自动管电流模式,采集条件如下:1固定管电流模式,管电压固定为120 kV,螺距(pitch)固定分别为0.938、1.375、1.75,层厚3.75 mm,层间距3.27 mm(PET层厚),扫描速度0.8 s/转,管电流分别为30、50、70、90、110、130、150、170、190、210、230和250 mA。共36组扫描条件。2自动管电流模式(automatic tube current mode,ATCM),设置管电压为120 kV,螺距固定为分别为0.938、1.375、1.75,管电流区间为30~250 mA,其他扫描参数均选择临床PET/CT中所用值。共采用上述39种采集条件分别对Model RS-550仿真人体模型进行扫描。

4. CT图像质量指标:在各种扫描条件下得到仿真体模CT的图像,在美国GE Xeleris工作站上对腹部主要器官(肝脏、脾脏、胃、左肾)的CT图像进行分析,计算各种扫描条件下的图像质量指标:噪声、信噪比(Signal-to-noise ratio,SNR)及质量因数。

(1) 噪声:噪声描述均匀物质图像在给定区域中的CT值对其平均值的变异,用感兴趣区(region-of-interest,ROI)内CT值的标准偏差(SD)表示^{[7, 8, 9]}。它直接影响CT图像低对比分辨率(即密度分辨率),当病变组织与正常组织的衰减系数相差很小时,高噪声CT将无法有效分辨较小病灶。在仿真人体模型腹部各主要器官及组织中心层面画定ROI,记录不同扫描条件下的SD,如图 1所示。

图 1 不同管电流下腹部同层面CT图像 A.50 mA; B. 90 mA; C. 130 mA; D. 170 mA Figure 1 Images on the same level under the different tube currents A.50 mA; B. 90 mA; C. 130 mA; D. 170 mA

(2) 信噪比:SNR等于ROI中信号强度(感兴趣区内像素的平均值)与噪声水平之比,用公式(1)表示。信噪比与信号强度和噪声直接相关,信号强度越高、噪声越低,信噪比越高,图像清晰度越好。

(1)

式中,ROI_IS为感兴趣区内平均CT值,HU;SD为噪声值,HU。

(3) 质量因数:质量因数(figure of merit,FOM)是同时评价图像质量及辐射剂量的综合指标,等于图像信噪比(SNR)的平方与有效剂量(E)之比,用公式(2)表示。FOM的意义在于比较不同CT扫描方案间图像质量与潜在的辐射损伤风险的综合"性价比",FOM值越大的扫描方案综合性价比越高,相对更为合理。

(2)

1. 不同有效剂量下的图像噪声:固定管电压为120 kV,各组织器官的噪声随管电流的增加而降低,不同组织器官之间没有明显的差异。由图 2可见,噪声的总体趋势是随管电流增加而降低,管电流在30~110 mA之间,噪声降低幅度较大;管电流 > 110 mA时,噪声降低幅度明显减小。ATCM模式下噪声值显著低于固定管电流下的噪声值。

图 2 管电压为120 kV、螺距为0.938时腹部主要器官组织噪声值随管电流的变化 注:ATCM.自动管电流模式 Figure 2 The noise of major abdominal organ reduced along with the change of the tube current at 120 kV and pitch 0.938

按照前期对有效剂量随采集条件变化的研究结果,得出在39种采集条件下,不同器官组织图像噪声随有效剂量的变化如图 3所示。由图 3可见,在同一管电压下,噪声随有效剂量增加而降低,但降低趋势不呈线性:有效剂量 < 15 mSv时,噪声变化幅度较大;在有效剂量 > 15 mSv时,噪声始终维持较低水平,且变化幅度较小。相同螺距下,ATCM模式噪声显著低于固定管电流模式。

图 3 39种采集条件下腹部各器官噪声值随全身有效剂量的变化 Figure 3 The noise of major abdominal organ reduced along with the dose under 39 kinds of scanning condition

2. 不同有效剂量下的图像信噪比:在固定管电压为120 kV,各组织器官的图像信噪比随管电流的增加而增加。ATCM模式下,信噪比显著高于固定管电流。不同组织器官图像之间有微小的差异,肝区最大,脾脏最小,如图 4所示。

图 4 不同管电流在螺距0.938时腹部主要器官信噪比 注:ATCM.自动管电流模式 Figure 4 The SNR of major abdominal organ changed along with the dose under 39 kinds of scanning condition

39种采集条件下,不同器官组织图像信噪比随有效剂量的变化如图 5所示。由图 5可见,各器官图像信噪比随全身有效剂量增加而增加,但是在剂量较高时,增量变缓慢,不同器官图像信噪比有些差异。

图 5 39种采集条件下主要腹部器官组织图像信噪比随有效剂量的变化 注:ATCM.自动管电流模式 Figure 5 The SNR of major abdominal organ changed along with the dose under 39 kinds of scanning condition

3. 不同有效剂量下的图像质量因数:如图 6所示,固定管电压120 kV,腹部器官的质量因数随管电流的增加变化不显著。以肝脏为例,质量因数平均值:螺距0.938为1.48、螺距1.375为1.69,当螺距1.75为2.05,标准差分别为0.17、0.15和0.12。相同螺距下,ATCM模式的质量因数明显高于固定管电流。

图 6 螺距为0.938时腹部器官图像质量因数随管电流的变化 Figure 6 The FOM of major abdominal organ changed along with the tube current at pitch 0.938

如图 7所示,39种采集条件下质量因数随有效剂量增加变化不显著,但是,有效剂量相同时,不同的采集方式,其质量因数有明显的差异。以肝脏为例,3种螺距时,图像的质量因数有明显的差别,螺距=1.75时,质量因数最高。

图 7 39种采集条件下肝脏质量因数随全身有效剂量的变化 Figure 7 The FOM of liver changed along with the doesunder 39 kinds of scanning condition

研究PET/CT图像质量与有效剂量的关系需要大量不同参数的CT扫描,用志愿者显然是不可行的,使用CT质量控制模型则无法模拟人体内环境。仿真人体模型是主要用于测量体内辐射吸收剂量的模型,是按标准人及各器官组织形状大小制作,用于各器官组织的材料具有与相应人体组织等效的密度及辐射吸收性能,要研究这类问题使用仿真人体模型是合理的选择。

对腹部CT检查,噪声是影响图像质量的重要因素,高噪声水平可能掩盖低对比度实质器官的病变,例如肝脏、脾脏、胰腺等^{[9, 10]}。本研究结果显示,腹部主要实质器官的噪声水平总体上是随管电流增加而降低,当管电流在低于110 mA时,噪声随管电流增加而明显降低;当管电流高于110 mA时,噪声随管电流增加而降低的幅度明显变平缓。对于相同管电流下同一器官,随着螺距增大,噪声随之增加。在同一管电压下,噪声随有效剂量增加而降低,但降低趋势不呈线性:有效剂量 < 15 mSv时,噪声变化幅度较大;在有效剂量 > 15 mSv时,噪声始终维持较低水平,且变化幅度较小。可见随着辐射剂量增加噪声的降低幅度并不成比例,在图像质量已良好,即噪声较低的情况下,再增加辐射剂量,图像噪声改善也不大。

信噪比综合了信号强度与噪声值,比值越大,噪声对图像质量的影响越小,图像质量越好。Waaijer等^[11]研究信噪比的平方随管电流增加而增加。本研究结果与之相符。结果显示,信噪比随有效剂量增加而增加,但并不成线性,随着有效剂量越来越高,信噪比增加幅度越来越小。

质量因数是综合考虑图像信噪比与有效剂量的评价指标。本研究显示,质量因数随管电流及有效剂量的增加的变化趋势不显著。根据文献^{[7, 12]}及前期研究结果^[12],图像信噪比的平方和有效剂量均随管电流增加而线性增加,因此理论上,当以管电流为自变量时,质量因数不随管电流增加而变化,本研究结果验证了这一推论。本研究中,螺距1.75、管电流90 mA时和螺距 0.938、管电流50 mA时全身有效剂量同为5 mSv,但前者质量因数更高,因此,可以根据质量因数选取更合适的扫描方案。可见,在相同的有效剂量下,选择高管电流及螺距值比低管电流及螺距值更为合理。Fletcher等^[13]研究表明,常规CT质量因数在0.84~0.91之间,由于其所用的常规CT管电流较高、辐射剂量增加所致。可见由于对CT图像质量要求相对较低,PET/CT与常规CT比质量因数更高,但PET/CT的全身扫描,受检者所受的总辐射剂量仍高于常规CT的局部扫描。

自动管电流模式相对于固定管电流模式的图像质量有比较显著的提升,在相同螺距和E下,噪声值低、信噪比高、质量因数高。以螺距为0.938为例,固定管电流模式下噪声值为20~50,ATCM下噪声明显降低,为10~15;固定管电流模式下信噪比为1~5,ATCM下信噪比明显提升,为5~7;固定管电流模式下质量因数为1~2,ATCM下质量因数为2.5~4。在相同有效剂量下,自动管电流模式与固定管电流模式相比测得噪声值较低,信噪比和质量因数均较高。因此,临床常用的自动管电流扫描模式更符合图像质量高、辐射剂量低的原则。

根据CT在PET/CT中起的不同作用,对CT图像质量的要求也不同,如为PET衰减校正、解剖定位及诊断时所需的图像质量由低到高,差别较大^[11],其所致受检者的辐射剂量也有较大的差别。因此,按照临床需求应尽量降低CT造成的辐射剂量,例如,近期做过高质量常规CT病灶部位明确的受检者;PET延时扫描的受检者,不需要依赖PET/CT提供明确的解剖定位和影像诊断功能,因此,可以在PET/CT检查中适当降低管电流,采取更为低剂量的扫描方案,从而降低受检人群辐射致癌的风险。数据显示,我国PET/CT检查中CT的管电流设置范围为90~350 mA,且大部分 > 150 mA^[3],说明我国多采用高剂量方案,对于受检者承受的辐射风险没有得到普遍重视。目前已有多篇关于低剂量文献报道,认为在保证图像质量的前提下可以相对降低辐射剂量^{[14, 15, 16, 17]}。

患者体型较大或过于肥胖时,会增加噪声降低图像质量^[15]。本实验的对象为标准人体仿真体模,并未考虑到个体大小及体质量指数的差异,扫描条件采用的是临床扫描条件,而不是CT性能检测使用条件。因此,本研究中所有数据只用于评估临床情形下的图像质量,所得数据与真实人体也存在一定差异,所得规律尚需临床验证。