不同采集條件對PET/CT中CT線性影響的研究*

張連宇 梁子威 耿建華* 王弈斌 吳 寧 鄭 容 周純武

不同采集條件對PET/CT中CT線性影響的研究*

張連宇①②梁子威①③耿建華①③*王弈斌①吳 寧①②鄭 容③周純武②

目的：探索不同采集條件下PET/CT中CT的CT值線性表現(xiàn)，為保障圖像質(zhì)量提供實驗依據(jù)。方法：采用GE Discovery ST-16型號的PET/CT系統(tǒng)，對Catphan?500型號CT質(zhì)量模體進行34次掃描，固定管電壓(120 kV)，在螺距為0.938、1.375、1.75時，管電流從30～210 mA，以20 mA為間隔，分別進行30組掃描；固定管電流及螺距，管電流150 mA，螺距為1.75，管電壓分別為80 kV、100 kV、120 kV及140 kV，分別進行4組掃描。測量CT質(zhì)量模體中CTP401模塊內(nèi)4種物質(zhì)的CT值，計算對比度標度。結(jié)果：固定管電壓，4種物質(zhì)的CT值及對比度標度基本不隨管電流及螺距變化，固定管電流及螺距，4種物質(zhì)的CT值及對比度標度隨管電壓改變，管電壓升高對比度標度降低。結(jié)論：CT值線性隨管電壓改變而變化，不隨管電流及螺距改變而變化。

正電子發(fā)射斷層攝影術(shù)；體層攝影術(shù)，X射線計算機；CT值線性；管電壓；管電流；螺距

[First-author’s address] 1.Department of Nuclear Medicine and PET-CT Center, Cancer Hospital, CAMS & PUMC, Beijing 100021, China. 2.Center of PET/CT Cancer, Department of Nuclear Medicine Cancer Hospital CAMS & PUMC, Beijing 100021, China.

放射性檢查會使受檢者受到放射線的照射，尤其是PET/CT檢查，受檢者不僅受到PET用放射性藥物發(fā)出射線的照射，還會受到CT的X射線更高劑量的照射[1]。過多的照射劑量會增加受照者的輻射風險[2-4]。不同采集條件下PET/CT中CT圖像質(zhì)量與輻射劑量關(guān)系的研究已有報道[5-6]。CT值線性描述組織CT值與其對X射線衰減系數(shù)的線性關(guān)系，是保證圖像質(zhì)量的重要參數(shù)，而不同采集條件對PET/CT中CT線性影響的研究鮮有報道，為此，本研究探討分析不同采集條件對PET/CT中CT線性的影響，為不同采集條件下保證圖像質(zhì)量提供實驗依據(jù)。

1 資料與方法

1.1 儀器設(shè)備

PET/CT機型為Discovery ST-16型(GE公司)； CT性能檢測模體使用Catphan?500 CT模體，由4個測量模塊組成，即CT線性模塊(CTP401模塊)、CT高對比度分辨力模塊(CTP528模塊)、CT低對比度分辨力模塊(CTP515模塊)及固體水、CT均勻性模塊(CTP486模塊)[7]。

1.2 CT性能檢測模體掃描

選擇臨床中可用的34種掃描條件對Catphan?500 CT檢測模體的CTP401模塊進行掃描。管電壓固定為120kV，螺距分別設(shè)定為0.938、1.375及1.75，在每種螺距下，CT管電流變化以20mA為間隔，從30～210mA，有30種掃描條件；管電流固定為150 mA，螺距固定為1.75，管電壓分別為80kV、100 kV、120kV及140kV，有4種掃描條件。其他條件均按臨床中常用的條件，層厚3.75mm，層間距3.27mm，掃描速度為1s/r。總共34種掃描條件。

1.3 CT值線性

CT值線性是描述樣本物質(zhì)CT值與其對X射線衰減系數(shù)的線性關(guān)系；利用CTP401模塊內(nèi)4個小圓柱體內(nèi)的樣本測量。4種樣本分別為空氣、低密度聚乙烯、丙烯和特氟隆，其密度不同、對X射線的衰減系數(shù)(μ值)不同，所對應(yīng)的CT值也不同。分別測量4種物質(zhì)的CT值，以μ值為橫坐標，CT值為縱坐標，通過4種樣本物質(zhì)的CT值和線性衰減系數(shù)在該坐標系中得到4個點。

1.4 統(tǒng)計學方法

對每種采集條件下得到的4個點，采用統(tǒng)計軟件SPSS作出擬合直線，用直線斜率的倒數(shù)(稱之為對比度標度)表示線性[7-10]。

2 結(jié)果

2.1 不同管電流及螺距下的CT值線性

管電壓固定為120kV，3種螺距，在10種管電流掃描條件下測得4種物質(zhì)的CT值(見表1、表2、表3)。模型中4種物質(zhì)對應(yīng)的X射線的線性吸收系數(shù)見表4[7]。

表1 在10種管電流下螺距=0.938時4種物質(zhì)的CT值(HU)

表2 在10種管電流下螺距=1.375時4種物質(zhì)的CT值(HU)

表3 在10種管電流下螺距=1.75時4種物質(zhì)的CT值(HU)

表4 不同管電壓時4種物質(zhì)對應(yīng)的X射線的線性吸收系數(shù)(cm-1)

表4結(jié)果顯示為，在對應(yīng)于不同管電壓時4種物質(zhì)對應(yīng)的X射線的線性吸收系數(shù)。

在對應(yīng)于30種掃描條件下，對4種物質(zhì)對應(yīng)的CT值隨其線性吸收系數(shù)的變化進行線性擬合，獲得30個線性擬合方程，30個擬合線性方程的相關(guān)系數(shù)R均達到1.000，并且擬合方程中的斜率及截距基本一致。按照這些線性擬合方程，獲得線性方程的斜率的倒數(shù)(對比度標度)，以此表示線性(見表5、如圖1所示)。

表5 在30種掃描條件下對比度標度(×10-4cm-1)

圖1 對比度標度隨管電流及螺距的變化示圖

表5及圖1結(jié)果顯示，CT值線性基本不隨管電流及螺距變化。

表7 在4種管電壓下CT值隨吸收系數(shù)變化的線性方程及其對比度標度

2.2 不同管電壓下的CT值線性

在4種管電壓掃描條件下，測得4種物質(zhì)的CT值見表6。

表6 在4種管電壓掃描條件下4種物質(zhì)的CT值(HU)

在對應(yīng)于4種管電壓掃描條件下，對4種物質(zhì)對應(yīng)的CT值隨其線性吸收系數(shù)的變化進行線性擬合，獲得4個線性擬合方程，4個擬合線性方程及其相關(guān)系數(shù)R2見表7。按照線性擬合方程，獲得不同管電壓下的線性方程的斜率的倒數(shù)(對比度標度)，以此表示線性，對比度標度隨管電壓的變化而改變(如圖2所示)。

圖2 對比度標度隨管電壓的變化示圖

表7及圖2結(jié)果顯示，CT值線性隨管電壓變化，管電壓越高，CT值隨衰減系數(shù)線性變化的斜率越大，其對比度標度越小。

3 討論

某種物質(zhì)的CT值等于該物質(zhì)對X射線衰減系數(shù)(μ物質(zhì))與水對X射線衰減系數(shù)(μ水)之差(μ物質(zhì)-μ水)與μ水之比乘以1000(物質(zhì)的CT值=(μ物質(zhì)-μ水)/μ水×1000)。CT值線性描述該物質(zhì)CT值與其對X射線衰減系數(shù)的線性關(guān)系。本研究結(jié)果顯示，4種物質(zhì)的CT值隨管電壓變化而單調(diào)變化，而隨管電流及螺距的變化基本上均在中位值的1%范圍內(nèi)波動，可以認為4種物質(zhì)的CT值不隨管電流及螺距而變化。X射線球管電流決定了發(fā)射X射線的強度，即X射線光子的個數(shù)，在CT掃描中，球管發(fā)射的X射線光子的數(shù)量與管電流及總掃描時間成正比，螺距決定了掃描相同的部位所需的時間，降低螺距值，能增加總掃描時間，因此增加了X射線光子的個數(shù)。X射線球管電壓決定了發(fā)射X射線的硬度，即一個X射線光子的能量。對同一種物質(zhì)，其對X射線的衰減系數(shù)與X射線的能量相關(guān)，而與X射線光子的個數(shù)無關(guān)，因此，4種物質(zhì)的CT值不隨管電流及螺距而變化，而隨管電壓而變化。本研究表4結(jié)果顯示，對空氣，4種管電壓下衰減系數(shù)均為0，其他3種物質(zhì)低密度聚乙烯、丙烯及特氟隆的衰減系數(shù)均隨管電壓的增加而降低，而4種物質(zhì)CT值隨管電壓的變化規(guī)律與衰減系數(shù)的變化規(guī)律并不一致，對空氣、低密度聚乙烯及丙烯3種物質(zhì)，隨著管電壓的升高CT值增加，而對特氟隆，CT值隨管電壓的增加而降低，因為低密度聚乙烯、丙烯及特氟隆的衰減系數(shù)隨管電壓的增加而降低的規(guī)律不同，并且CT值還與水的衰減系數(shù)相關(guān)。因此，提示在臨床中不同組織的CT值隨管電壓的變化會有不同的規(guī)律，如果兩次采集時所用的管電壓不同，會導致相同組織CT值不同，兩種不同組織的灰度差可能有較大的差異，在進行影像對比時，需慎重考慮由于管電壓不同所產(chǎn)生的圖像差異。

CT值線性反映物質(zhì)CT值與其對X射線衰減系數(shù)的線性關(guān)系，是保證圖像質(zhì)量的重要參數(shù)。描述CT值線性有兩種方式，一種為本研究采用的方法，由對比度標度來評價CT值線性；另一種方式是對4種樣品的CT值的測量值和其標準值進行比較，用其最大差值評價CT值線性[11]。或?qū)?種樣品的CT值的測量值和其標準值進行直線擬合，以擬合的直線方程斜率及相關(guān)系數(shù)來評價CT值線性[7,12]。

對比度標度的物理意義為物質(zhì)的CT值變化一個單位，對應(yīng)的衰減系數(shù)的變化量。本研究結(jié)果顯示，CT值線性基本不隨管電流及螺距變化，但是隨管電壓的增加而下降。表明在高管電壓下較小的衰減系數(shù)差異會在圖像上有較大的CT值差異，以提高對不同組織的辨識能力，提高圖像質(zhì)量，這點與之前的研究結(jié)果一致，增加管電壓可提高圖像質(zhì)量[6]。隨著管電壓的增高，受檢者受到的輻射劑量會線性增加，由圖2可見，對比度標度隨管電壓的變化并非線性，在管電壓＜120 kV范圍內(nèi)，對比度標度隨管電壓的增加，迅速下降；而在管電壓≥120 kV范圍內(nèi)，對比度標度隨管電壓的變緩，表明在該范圍內(nèi)，提高管電壓帶來的圖像質(zhì)量的提高有限。提示臨床中PET/CT掃描中不宜使用＞120 kV的管電壓，因為當管電壓＞120 kV后，受檢者輻射劑量會大幅增加，而圖像質(zhì)量的增加有限。

多種因素會影響物質(zhì)CT值的線性，如靶材料、探測器等硬件及重建算法等軟件相關(guān)，因此不同的設(shè)備其CT值的線性也會有差異，本研究只針對管電壓、管電流及螺距采集條件的變化對CT值的線性影響進行研究。

4 結(jié)語

CT值線性隨管電壓改變而變化，不隨管電流及螺距改變而變化。不同管電壓條件下獲得的圖像上組織的CT值及對不同組織的辨識能力會有差異。

[1]張連宇,耿建華.PET/CT中的CT劑量和質(zhì)量控制[J].中國醫(yī)學影像技術(shù),2011,27(11):2365-2367.

[2]ICRP.Managing patient dose in multidetector compured tomography(MDCT)[R].ICRP Publication 102,ICRP,2007.

[3]潘自強,周永增,周平坤,等.國際放射防護委員會2007年建議書[M].北京:原子能出版社,2008.

[4]徐志榮,徐汀,李晶,等.多層螺旋CT電離輻射的探討[J].中國醫(yī)學裝備,2011,8(12):20-22.

[5]張連宇,耿建華,王奕斌,等.PET/CT中CT的劑量與CT圖像質(zhì)量關(guān)系的研究[J].核電子學與探測技術(shù), 2012,32(3):365-370.

[6]張連宇,耿建華,王奕斌,等.管電壓對PET-CT中CT的劑量及圖像質(zhì)量影響的研究[J].中國醫(yī)學裝備, 2015,12(4):1-5.

[7]胡利豐,應(yīng)正巨,劉蛟.CT值線性的檢測與分析[J].中國輻射衛(wèi)生,2009,18(3):289-291.

[8]亓恒濤,秦維昌,宋少娟,等.CT值線性的測試[J].中華放射醫(yī)學與防護雜志,2007,27(6):587-588.

[9]林意群,馮曉剛,洪德明,等.用Catphan體模進行CT機的QA檢測方法研究[J].中國醫(yī)學物理學雜志, 1999,16(3):161-164．

[10]亓恒濤,秦維昌,劉傳亞,等.CT機質(zhì)量控制檢測的探討[J].醫(yī)學影像學雜志,2006,16(9):978-981.

[11]國家標準化委員會.GB 16361-2012臨床核醫(yī)學的患者防護與質(zhì)量控制規(guī)范[S].中華人民共和國衛(wèi)生部, 2012-06-29.

[12]American Association of Physicists in Medicine. Quality control in diagnostic radiology[R]. AAPM Report NO.74.2002.

Research on influences of different acquisition conditions on CT linearity in PET/CT

ZHANG Lian-yu, LIANG Zi-wei, GENG Jian-hua, et al
China Medical Equipment,2015,12(6):54-57.

Objective: To explore the linearity manifestation of CT in PET/CT under various scan-conditions to provide the experimental data to guarantee the image quali?ty. Methods: PET/ CT system of GE Discovery ST-16 was used to scan the phantom of Catphan500. Thirty groups of scanning were performed at Pitch 0.938, 1.375, 1.75, from 30 to 210 mA, at an interval of 20 mA, respectively, when tube voltage was fixed at 120 kV In addition, four groups of scanning were performed at the tube voltage (kV) were 80, 100, 120 and 140 kV, respectively when the tube current was fixed at 150 mA and Pitch was fixed at 1.75. Measuring the CT number of four materials in the module CTP401, the contrast scales were calculated. Results: The CT number of the four materials and contrast scale didn’t change with the tube current and Pitch when the tube voltage was fixed. However, when the tube current and Pitch were fixed, the CT number and contrast scale changed with the tube voltage. The contrast scale was decreased with the increasing tube voltage. Conclusion: CT number linearity changed with the tube voltage and was independent of the tube current and Pitch.

Positron-emission tomography; Tomography, X-ray computed; CT number linearity; Tube voltage; Tube current; Pitch

張連宇,男,(1979- ),碩士，主治醫(yī)師。中國醫(yī)學科學院腫瘤醫(yī)院PET-CT中心、中國醫(yī)學科學院腫瘤醫(yī)院影像診斷科，從事影像診斷工作。

1672-8270(2015)06-0054-04

R814.42

A

10.3969/J.ISSN.1672-8270.2015.06.017

2015-04-01

國際科技合作項目(2009DFA32960)“PET/CT腦分子影像研究與應(yīng)用平臺及針灸中樞機理探索”；中國癌癥基金會北京希望馬拉松專項基金(LC2013A13)“PET/CT的輻射劑量和圖像質(zhì)量的模型研究”

①中國醫(yī)學科學院腫瘤醫(yī)院PET-CT中心 北京 100021

②中國醫(yī)學科學院腫瘤醫(yī)院影像診斷科 北京 100021

③中國醫(yī)學科學院腫瘤醫(yī)院核醫(yī)學科 北京 100021

*通訊作者：gengjean@163.com