醫(yī)用CT檢測(cè)模體的演進(jìn)和問題分析

復(fù)旦大學(xué) 放射醫(yī)學(xué)研究所，上海 200032

引言

計(jì)算機(jī)體層攝影（Computer Tomography，CT）檢查的頻次逐年增加，CT檢查也成為最常用的放射診斷手段之一。Smith等[1]的調(diào)查指出CT檢查的數(shù)量以每年14%的速度增長(zhǎng)。王彬等[2]的研究也顯示2009年上海接受CT檢查的人數(shù)是1996年的4.2倍。ICRP87號(hào)報(bào)告和UNSCEAR 2008報(bào)告指出CT掃描涉及輻射暴露，在大多數(shù)情況下輻射劑量水平高于其他X射線檢查[3]。故與此同時(shí)，與CT掃描相關(guān)的劑量和風(fēng)險(xiǎn)一直是醫(yī)學(xué)物理學(xué)家和其他專業(yè)人士關(guān)注的問題。

在盡可能降低受檢者劑量的同時(shí)保證更優(yōu)質(zhì)的圖像質(zhì)量是CT的發(fā)展方向，隨之而來的是超寬探測(cè)器、自動(dòng)管電流調(diào)制技術(shù)、插值迭代重建算法等新的CT軟硬件技術(shù)層出不窮。而每一種新的診斷技術(shù)的出現(xiàn)，都意味著需要對(duì)影像質(zhì)量和輻射劑量進(jìn)行新的研究[4]。由于CT的影像質(zhì)量和輻射劑量測(cè)試主要依賴檢測(cè)物理模體，故CT的質(zhì)量測(cè)量方法和檢測(cè)模體也同樣隨著CT技術(shù)的革新而不斷發(fā)展，本文全面梳理CT檢測(cè)模體發(fā)展歷程，并提出當(dāng)前CT檢測(cè)模體所面臨的挑戰(zhàn)與發(fā)展方向。

1 常規(guī)CT劑量模體

20世紀(jì)70年代，隨著CT的問世，研究者們針對(duì)CT的輻射劑量表征與測(cè)量提出了多種方法，但這些方法基本都與Shope提出的CT劑量指數(shù)（CT Dose Index，CTDI）的概念相吻合[5-7]。CTDI的出現(xiàn)滿足了量化X射線扇形束在體模內(nèi)劑量分布的需求[8]。

其中，T代表標(biāo)稱斷層厚度，N代表一次掃描斷層層厚數(shù)，D(Z)代表垂直于斷層的Z向剖面的劑量分布。美國醫(yī)學(xué)物理師協(xié)會(huì)（American Association of Physicists in Medicine，AAPM）的第96號(hào)[9]和第111號(hào)報(bào)告[10]中對(duì)CTDI定義和CT劑量學(xué)的演進(jìn)進(jìn)行了較為詳細(xì)的介紹。

CTDI的測(cè)量主要由CT劑量模體[11]和輻射測(cè)量系統(tǒng)組合。輻射測(cè)量方法主要分為兩種：通過陣列探測(cè)器測(cè)量CT劑量曲線和使用電離室對(duì)平均信號(hào)積分[12-13]。傳統(tǒng)的劑量曲線的測(cè)量方法是使用熱釋光劑量計(jì)[14]，但現(xiàn)在的一些研究中也采用光釋光劑量計(jì)[15]、輻射感光膠片[16]或者金屬-氧化物半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)晶體管劑量計(jì)[17]進(jìn)行測(cè)量。目前CT劑量日常檢測(cè)中最廣泛使用的劑量計(jì)是100 mm長(zhǎng)的筆型電離室，用來測(cè)量平均劑量或者積分劑量，這種劑量計(jì)的使用最早是由Suzuki等[18]提出的。

國際電工委員會(huì)（International Electrotechnical Commission，IEC）建議CTDI測(cè)量模體采用聚甲基丙烯酸甲酯（Polymethyl Methacrylate，PMMA）作為材料[19]。傳統(tǒng)的劑量模體設(shè)計(jì)是由直徑為16 cm和32 cm的PMMA圓柱構(gòu)成（圖1），分別代表成人的頭部或軀干/腹部（直徑16 cm的圓柱體也可代表兒童的軀干部）。這些模體一般配有適合于插入筆型電離室以及其他位置敏感劑量計(jì)或其他陣列式探測(cè)器的孔道。為了獲得更詳盡的劑量信息，從傳統(tǒng)模體演變而來的新型模體也不斷應(yīng)運(yùn)而生。圖2和圖3分別是由PMMA材料組成的兒童/成人嵌套CTDI劑量測(cè)試模體和錐形束CT頭部劑量模體。圖3中的Sedentex CTDI頭部劑量模體由一組直徑為16 cm的PMMA板堆疊，不同的板塊之間可以互換，便于放置不同種類的劑量計(jì)，該模體為筆形電離室布設(shè)的孔道直徑和位置與傳統(tǒng)模體也不相同。

圖1 分立式CTDI兒童、成人頭部、成人體部劑量模體

圖2 嵌套式CTDI兒童、成人頭部、成人體部劑量模體

圖3 SedentexCT DI 頭部劑量模體

2 加長(zhǎng)CT劑量模體

早期CT的掃描速度慢，陽極熱容也比較低，射束的寬度比較窄，使用100 mm長(zhǎng)的電離室測(cè)量單層軸掃的劑量曲線積分不僅足以包括照射時(shí)的散射線，還可以有效節(jié)省時(shí)間。但是隨著多層CT的發(fā)展，越來越寬的Z軸射束準(zhǔn)直和更長(zhǎng)的掃描長(zhǎng)度限制了CTDI100的準(zhǔn)確性、臨床實(shí)用性[20]。

CTDI100在CTDI劑量模體不同點(diǎn)位測(cè)量效率較低，大約為60%到90%，可能大大低估CT掃描的實(shí)際累積劑量，在中心點(diǎn)位置會(huì)造成30%的誤差[21-22]。傳統(tǒng)的100 mm長(zhǎng)桿電離室已經(jīng)不能滿足CT質(zhì)控中的劑量測(cè)量要求。許多學(xué)者開始使用更長(zhǎng)的劑量模體來測(cè)試多層CT的劑量曲線。Mori等[23]將多個(gè)PMMA圓柱拼接在一起組成了總長(zhǎng)為900 mm的超長(zhǎng)圓柱模體，用以測(cè)量256層CT掃描的劑量曲線。Nakonechny等[22]嘗試使用300 mm長(zhǎng)的CIRS Model 002H5等效水體部模體估計(jì)真實(shí)患者所受縱向單層掃描劑量曲線。AAPM第111號(hào)報(bào)告中也提出可以使用直徑30 cm，長(zhǎng)度50 cm的快速注水模體來表示平均體型的成年人體部對(duì)射線的吸收和衰減[24]。

3 常規(guī)影像質(zhì)量模體

自20世紀(jì)70年代EMI公司推出商用CT裝置以來，這種新型成像設(shè)備的影像質(zhì)量便開始受到關(guān)注。但是此前并沒有規(guī)定CT成像的圖像質(zhì)量評(píng)估技術(shù)，因此人們提出使用幾何參數(shù)來量化CT圖像的主要特征[25]，如低對(duì)比度和高對(duì)比度背景下的空間分辨率[26-27]、圖像噪聲、層厚，以及某些偽影（運(yùn)動(dòng)、射束硬化、均勻性）[28-30]?；贛cCullough等[31-32]的研究，AAPM第1號(hào)報(bào)告發(fā)表了第一部關(guān)于CT影像質(zhì)量控制和劑量學(xué)的指南[33]。

AAPM的CT測(cè)試模體（圖4）曾被廣泛應(yīng)用于CT掃描裝置的影像質(zhì)量控制和驗(yàn)收測(cè)試，該模體包含了許多用于CT成像的圖像質(zhì)量性能評(píng)估模塊。但是AAPM模體需要往腔內(nèi)注水，使用較為不方便。因此，White等[34]在Goodenough等[35]開發(fā)出的環(huán)氧樹脂組織等效材料模體的基礎(chǔ)上不斷改進(jìn)，采用固體澆鑄技術(shù)和模塊化設(shè)計(jì)，解決了水浴模體容易吸水、漏水以及水源差異的問題。Catphan 500是目前市場(chǎng)上比較典型的模塊化模體（圖5），該模體可以提供有關(guān)圖像質(zhì)量參數(shù)的特定信息，如空間和對(duì)比度分辨率、光束硬化、均勻性和噪聲等[36]。已有研究者就定位光精度、進(jìn)床精度、機(jī)架傾斜角準(zhǔn)確性等方面對(duì)Catphan 500 CT性能測(cè)試模體做了進(jìn)一步改造和應(yīng)用研究，并在AAPM模體和Catphan模體的基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)了一套新型CT成像性能檢測(cè)模體[37-38]。

圖4 CIRS Model 610模體的設(shè)計(jì)符合AAPM對(duì)CT性能的建議

圖5 Catphan圖像質(zhì)量模體

CT系統(tǒng)的影像質(zhì)量評(píng)估標(biāo)準(zhǔn)定義與影像測(cè)試模體的發(fā)展密切相關(guān)。2000年，歐盟拓展了CT成像模式質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)指南的概念，建立了與患者劑量有關(guān)的質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)和設(shè)備性能的指導(dǎo)方針[39-40]。美國放射學(xué)會(huì)（American College of Radiology，ACR）也推出了相關(guān)的CT認(rèn)證項(xiàng)目。ACR CT模體（圖6）由4個(gè)等效水材料模塊組成。模體的直徑為20 cm，每個(gè)模塊的深度為4 cm。而我國也在2019年更新了《X射線計(jì)算機(jī)體層攝影裝置質(zhì)量控制檢測(cè)規(guī)范》，該標(biāo)準(zhǔn)適用于診斷用CT的質(zhì)量控制檢測(cè)，包括驗(yàn)收檢測(cè)、使用中CT的狀態(tài)檢測(cè)及穩(wěn)定性檢測(cè)。

4 自動(dòng)管電流調(diào)制模體

隨著多層螺旋CT技術(shù)的發(fā)展，有可能增加同一部位CT檢查所致患者的受照劑量。為了解決這一問題，研究者們提出了包括增加螺距和降低管電流等各種減少輻射劑量的策略[41]。如今，幾乎所有的CT系統(tǒng)都具備三維管電流調(diào)制技術(shù)，這一技術(shù)可以根據(jù)患者的體型和組織衰減來實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)掃描過程中的管電流從而降低患者受照劑量。由于不同CT制造商的自動(dòng)管電流調(diào)制系統(tǒng)的工作原理不同，這就需要借助模擬患者大小和形狀的物理模體來評(píng)估管電流調(diào)制模式下的圖像質(zhì)量以及輻射劑量，進(jìn)而對(duì)CT裝置自動(dòng)管電流調(diào)制的性能進(jìn)行評(píng)價(jià)。

目前最常見的自動(dòng)管電流調(diào)制模體主要是多個(gè)橢圓柱或圓柱材料的組合或堆疊，例如Kawashima等[42]使用了一組直徑不同的圓柱來測(cè)試不同機(jī)型CT在自動(dòng)管電流調(diào)制（Automatic Tube Current Modulation，ATCM）下的圖像質(zhì)量和劑量水平，而Sookpeng等[43]使用“婚禮蛋糕”模體與ImPACT圓錐模體進(jìn)行ATCM下CT圖像質(zhì)量比較。Deborah等[44]開發(fā)的新型ATCM模體由三個(gè)長(zhǎng)短軸半徑比為3:2的不同大小橢圓體構(gòu)成，相較于開發(fā)的CT模體，該模體缺少可以用于測(cè)量劑量的孔道結(jié)構(gòu)，但由于其橢圓柱之間沒有空氣間隙，減小了因模體模塊之間不連續(xù)造成的響應(yīng)。Justin等[45]的研究更進(jìn)一步，在由五個(gè)不同直徑圓柱部分組成的模體中加入了器官紋理特征。

但是，這些模體大多只能進(jìn)行個(gè)別圖像質(zhì)量參數(shù)的測(cè)量，或不能與真實(shí)人體對(duì)射線吸收和衰減建立聯(lián)系，所以目前仍未有統(tǒng)一用于評(píng)價(jià)自動(dòng)管電流調(diào)制的的標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試方法和物理模體。

2006年，Hurwitz等[49]使用性別特異性模體對(duì)女性乳房劑量進(jìn)行了研究。許多研究人員也嘗試使用仿真人模體對(duì)國際輻射防護(hù)委員會(huì)出版物103中性別相關(guān)的組織加權(quán)因子進(jìn)行研究[50]。

近年來，仿真人模體也常常被用于研究CT輻射輸出特性的研究中。Schindera等[51]使用CIRS仿真人模體（model 702）研究ATCM下不同體型患者受照劑量。Spampinato等[52]使用PBU-X-21胸部模體探究ATCM輸出劑量與圖像質(zhì)量的關(guān)系。我國仿真人模體的研究起步較晚，上世紀(jì)80年代初才開始仿真輻照體模及組織輻射等效材料的研究。四川大學(xué)林大全使用成都地區(qū)296名成人體型測(cè)量數(shù)據(jù)以及華西醫(yī)科大學(xué)人體解剖的臟器數(shù)據(jù)，研制出中國成人男性仿真胸部體模[53]，體模身高165.9 cm，體重57.5 kg。彭剛等[54-55]使用該模體對(duì)ATCM模式下不同噪聲指數(shù)的胸部器官吸收劑量進(jìn)行評(píng)估。

但是，由于仿真人模體結(jié)構(gòu)復(fù)雜，價(jià)格昂貴，劑量測(cè)量過程繁瑣，并且缺乏圖像質(zhì)量客觀評(píng)價(jià)模塊等的原因，仿真人模體并沒有在臨床得以廣泛應(yīng)用，目前主要應(yīng)用于器官劑量的驗(yàn)證測(cè)量。

5 仿真人模體在CT檢測(cè)中的應(yīng)用

為了更真實(shí)地模擬人體組織的輻射吸收特性和解剖學(xué)特征，仿真人模體被引入了醫(yī)學(xué)輻射防護(hù)。Alderson等[46]引入了與仿真人模體相關(guān)的等效組織材料的概念。這些劑量學(xué)模體將真實(shí)的人體骨骼嵌入了模擬軟組織的材料中，有的還包含了模仿肺部形狀的低密度材料[47]。其中Alderson模體還可以插入熱釋光劑量計(jì)或輻射感光膠片[48]。近年來，使用不同種類劑量計(jì)對(duì)仿真人模體進(jìn)行劑量測(cè)量已被廣泛應(yīng)用于CT劑量估計(jì)。RANDO模體（圖7）由一種用于模擬人體軟組織的專用聚氨酯材料構(gòu)成，該模體的組織等效材料模擬了人體肌肉組織、肺部組織和骨骼的有效原子序數(shù)和質(zhì)量密度。

圖6 Gammex公司生產(chǎn)的ACR/CT模體

6 討論與展望

自第一代CT機(jī)發(fā)明以來，CT檢測(cè)模體的發(fā)展便與CT機(jī)的探測(cè)器等核心部件以及成像能力的發(fā)展密不可分。最初為單層軸向掃描CT設(shè)計(jì)的CTDI頭部和體部模體為醫(yī)用CT的日常驗(yàn)收和檢測(cè)帶來了便利，而超寬射束CT的臨床應(yīng)用，使得傳統(tǒng)模體和劑量測(cè)量方法受到了限制，研究人員通過增加模體的長(zhǎng)度來克服這一缺陷。但是單一地增長(zhǎng)模體并不能滿足CT技術(shù)的飛速發(fā)展，自動(dòng)管電流調(diào)制技術(shù)已經(jīng)廣泛使用于現(xiàn)代CT掃描，均一的模體形狀不能實(shí)現(xiàn)調(diào)制，更多的研究開始著眼于如何使用簡(jiǎn)單的圓柱或者橢圓形狀組合實(shí)現(xiàn)管電流調(diào)制下CT性能的檢測(cè)。盡管許多研究已經(jīng)可以實(shí)現(xiàn)部分CT性能參數(shù)的測(cè)量，但是至今仍未有統(tǒng)一的測(cè)量方法和物理模體可用于自動(dòng)管電流調(diào)制技術(shù)的檢測(cè)與評(píng)價(jià)。另一方面，仿真人模體通過模擬真實(shí)人體組織器官的有效原子序數(shù)和質(zhì)量密度，較之其他物理模體可以更好地與人體吸收劑量建立聯(lián)系，但卻普遍存在個(gè)體笨重，測(cè)量過程操作復(fù)雜，缺乏必要的客觀圖像質(zhì)量檢測(cè)評(píng)價(jià)模塊等缺陷，未能得以廣泛應(yīng)用。我國的醫(yī)用CT檢測(cè)模體研制起步較晚，目前主要處于研究階段，一些研究者對(duì)模體的材料和結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)進(jìn)行了嘗試，但是這些研究成果并沒有廣泛應(yīng)用于臨床檢測(cè)。因此，緊跟CT技術(shù)的發(fā)展，有必要開發(fā)可以用于檢測(cè)與評(píng)價(jià)CT新技術(shù)的輻射劑量與圖像質(zhì)量模體，為CT裝置持續(xù)降低受檢者劑量與提高圖像質(zhì)量提供技術(shù)支持。

圖7 RANDO仿真人模體