管电压对PET/CT中CT剂量及图像质量影响的模体研究*

张连宇 梁子威 耿建华* 王弈斌 吴 宁 郑 容 周纯武

管电压对PET/CT中CT剂量及图像质量影响的模体研究*

张连宇①②梁子威③耿建华①③*王弈斌①吴 宁①②郑 容③周纯武②

目的：在保证图像质量的前提下，为降低PET/CT中CT扫描部分的辐射剂量提供数据依据。方法：用GE Discovery ST16型号PET/CT系统，在管电压分别为80 kV、100 kV、120 kV及140 kV条件下，对CT剂量模体和Catphan®500CT性能模体进行扫描。测量在各种管电压下的CT加权剂量指数(CTDIw)，计算给定螺距下的CT容积剂量指数(CTDIvol)；测量CT图像的相关性能指标；分析CT图像质量与CT剂量的关系。结果：CTDIvol随管电压的增加而线性增加；CT图像高对比度分辨力不受管电压影响；CT图像的低对比度分辨力、CT图像均匀性及噪声性能均随管电压的增加而提高，而性能提高规律并非线性。结论：CT图像性能均随剂量的增加而提高，而性能提高规律并非线性，当剂量达到一定值时，其图像性能随剂量的增加幅度变缓，因此，在保证一定的CT图像质量的条件下，可以通过降低管电压适当降低PET/CT检查中CT部分的辐射剂量。

正电子发射断层摄影术；体层摄影术，X射线计算机；辐射剂量；图像质量；管电压

[First-author’s address] PET-CT Center, Cancer Hospital, Chinese Academy of Medical Sciences, Bejing 100021, China; Department of Diagnostic Radiology,Cancer Hospital, Chinese Academy of Medical Sciences, Bejing 100021, China.

PET/CT是PET和CT的组合体，将PET和CT设计为一体，由一个工作站控制，同时获得功能及解剖影像的优势，使之成为临床中不可替代的诊断手段。然而，由于全身的CT扫描及放射性药物给受检者造成的高辐射未被引起足够认识。相比单独PET检查放射药物所产生的辐射剂量及常规局部CT扫描所产生的辐射剂量，PET/CT对受检者所产生的辐射剂量会明显加大[1-2]。本研究重点探讨在临床条件下管电压对PET/CT中CT的剂量及图像质量的影响，研究PET/CT扫描中CT辐射剂量及图像质量与管电压之间的关系，为临床中尽可能降低CT辐射剂量提供参考依据。

1 资料与方法

1.1 仪器设备

PET/CT为GE公司的Discovery ST-16型；CT性能检测模体使用美国模体实验室的Catphan®500 CT模体，由4个测量模块组成，其中包括CTP401线性模块、CTP528高对比度分辨力模块、CTP515低对比度分辨力模块以及CTP486固体水、CT均匀性模块；辐射剂量测量使用DCT 10笔形电离室测量仪。

1.2 CT性能检测模体扫描

除管电压外，其他扫描参数均选择临床PET/CT

中所用值。管电流固定为150 mA，螺距(Pitch)固定为1.75，层厚3.75 mm，层间距3.27 mm，扫描速度1 s/ rot。管电压扫描条件分别为80 kV、100 kV、120 kV及140 kV 4组。对Catphan®500 CT检测模体进行扫描。

1.3 CT剂量测量

用DCT 10笔形电离室测量仪，轴扫测量4种管电压时的CTDIw[3-6]。扫描速度1 s/rot，层厚10 mm。并计算在不同Pitch时的CTDIvol[3-4](公式1)：

1.4 CT性能指标

CT的性能参数决定CT图像质量。将各种扫描条件下得到的CT检测模体图像上传至影像数据传输及储存系统(picture archiving and communication systems，PACS)工作站，对模体中的各模块图像进行分析，测得各种扫描条件下线性、高对比度分辨力、低对比度分辨力、均匀性及噪声指标的值。

(1)高对比度分辨力。描述当物体与匀质背景的X射线线性衰减系数差异导致的CT值之差＞100 HU时所能够分辨该物体的能力[6]。对CTP528模块图像进行分析，将窗宽调至最小，调节窗位，用目测确定所能分辨的最高一级线对，即为高对比度分辨力[6]。

(2)低对比度分辨力。描述在目标物质与均质背景的X射线线性衰减系数相差＜1%时，能够分辨该目标物质的能力，通常以能区分开的目标物质的最小尺寸表示[5]。分析CTP515模块中心层面CT图像，调节窗宽、窗位，确定各对比度系列中所能分辨的最小一级孔径[3-6]。

(3)均匀性。均匀性即图像中均匀物质的CT值在空间上的一致性。分析CTP486模块中心层面CT图像。在中心用＞100个像素的ROI(面积约为1 cm2)测CT值，用相同ROI在所得图像边缘1 cm处取4点CT值。边缘对中心CT值的最大偏差的绝对值为均匀性(公式2)：

式中差值越小，其均匀性越好[5]。

(4)噪声水平。均匀物质图像在给定区域中的CT值对其平均值的变异。用中心区域CT值的相对误差来表示，分析扫描CTP486模块中心层面，测量所得图像中心区域CT值的标准偏差SD，则噪声水平为公式3：式中H值越大，噪声水平越高。

(5)图像CT值。测量不同的管电压下的CT值。分析CTP486模块中心层面，在中心勾画＞500个像素的ROI，测量其CT值平均值[6]。

1.5 CT性能指标与剂量的关系

在各种不同的扫描条件下，获得不同的CTDIvol及相应的各种性能指标。用SPSS分析CTDIvol与各CT性能指标的关系。

2 结果

2.1 4种球管电压轴扫CTDIw结果

在4种球管电压条件下轴扫所测得的CTDIw分别为10.79 mGy、20.36 mGy、32.25 mGy和46.19 mGy，见表1。

表1 4种球管电压下轴扫测得的CTDIw(mGy)结果

对表1中数据线性拟合得到CTDIw(mGy)随管电压的增加而线性增加(如图1所示)。

图1 CTDIw随管电压的变化示图

CTDIw(mGy)表达式为公式4：

由表1中的数据按照公式2计算得到4种管电压条件下由测量计算所得和机器给出的CTDIvol(mGy)，其结果见表2。

表2 4种球管电压下的CTDIvol(mGy)结果(Pitch=1.75)

表2显示，在其他条件不变的情况下，球管电压越大，CTDIvol越大。表明CT机器给出剂量报告中的CTDIvol与本研究测量所得基本一致。对表2中由测量计算得到的数据线性拟合得到CTDIvol(mGy)随管电压的增加而线性增加(如图2所示)，表达式为公式5：

图2 CTDIvol随球管电压的变化示图

2.2 不同管电压下的CT性能指标

(1)高对比度分辨力。当管电流固定为150 mA、Pitch固定为1.75及层厚为3.75 mm时，4种球管电压扫描条件下，CT图像高对比度分辨力不随管电压变化(见表3)。

表3 4种球管电压扫描条件下CT图像性能指标(螺距=1.75，层厚=3.75 mm)

(2)低对比度分辨力。表3显示，当管电流固定为150 mA、Pitch固定为1.75及层厚为3.75 mm时，4种球管电压扫描条件下，对比度为1%、0.5%及0.30%时CT图像低对比度分辨力在其他扫描条件不变的情况下，球管电压越大，低对比度下能分辨的物体越小，低对比分辨力越高。

(3)均匀性。表3显示，当管电流固定为150 mA、Pitch固定为1.75及层厚为3.75 mm时，4种球管电压扫描条件下，CT图像均匀性随管电压的增加而变优，且在80～120 kV之间变化幅度较大，而在120～140 kV之间变化幅度大幅降低。

(4)噪声。表3显示，当管电流固定为150 mA、Pitch固定为1.75、层厚为3.75 mm时的4种球管电压扫描条件下，CT图像噪声随管电压越大图像噪声越低。

(5)CT值。表3显示，在4种球管电压扫描条件下，4种物质的CT值，在同一种物质不同的管电压下，其CT值不同，且两种物质的CT值之差会随管电压的变化而变化。

2.3 CT性能指标与剂量的关系

由表2及表3的数据可得到各CT性能指标与剂量的关系。

(1)高对比度分辨力与剂量的关系。表3显示，CT图像高对比度分辨力不随管电压变化，因此高对比度分辨力不随剂量变化。

(2)低对比度分辨力。由表2及表3的数据所得到的CT低对比度分辨力与剂量的关系为：在其他扫描条件不变的情况下，通过改变管电压改变剂量，剂量越高，低对比分辨力越高(如图3所示)。

图3 CT低对比度分辨力与剂量的关系散点图

(3)均匀性。在其他扫描条件不变的情况下，通过改变管电压和剂量，CT图像均匀性与剂量的关系如图4所示。

图4 CT图像均匀性与剂量的关系散点图

(4)噪声。在其他扫描条件不变的情况下，通过改变管电压改变剂量，CT图像噪声与剂量的关系如图5所示。

3 讨论

PET/CT多为全身检查，受检者所受的辐射剂量为注射的放射性药物与全身CT造成的辐射剂量之和。对于PET，不同体重的受检者、不同的检查及不同机型所需注射18F-FDG剂量不同，在148～555 MBq

内，人体所受有效剂量为2.8～10.5 mSv[7]。而对其中的CT造成的剂量，由扫描参数决定，有报道受检者受到的有效剂量可达到80 mSv[8]。而每增加10 mSv辐射致癌概率会增加0.55‰，因此控制PET/CT中CT的剂量尤为重要[9]。

CT在PET/CT中的作用可分为3种：①只用作PET图像重建时的衰减校正；②解剖定位兼衰减校正；③CT诊断兼解剖定位和衰减校正，这3种情况所需的CT图像质量由低到高，差别较大[10]。因此，按照临床需求应尽量降低CT造成的辐射剂量，从而降低受检人群辐射致癌的风险。

本研究试验结果显示，当其他条件不变时在所测量的4个管电压范围内，CT的辐射剂量会随管电压的增加而线性增加[5]。但是，CT的辐射剂量随管电压的增加而增加与CT的辐射剂量随管电流的增加及Pitch的减少而增加的机制不同。X射线球管电压决定了发射X射线的硬度，即一个X射线光子的能量。如果X射线球管电压为120 kV，则发射X射线光子的最大能量为120 keV。X射线球管电流决定了发射X射线的强度，即X射线光子的个数，在CT扫描中发射的X射线光子的数量与管电流及总扫描时间成正比。X射线光子的数量越多，图像的信息量越多，图像质量则越好，但受检者的辐射剂量却越高。管电流越大，X射线光子的数量愈高，辐射剂量则愈大；降低Pitch能够增加总扫描时间，因此增加X射线光子的个数能够增大辐射剂量。在本研究试验中，在固定其他条件的情况下，当管电压增加时X射线光子的能量则增加，因此导致辐射剂量增加。按照试验结果，当管电流固定在150 mA，扫描速度为1 s/rot时管电压每增加10 kV，CTDIw则增加5.9 mGy。在临床螺旋采集条件下使用不同的Pitch，管电压每增加10 kV，CTDIvol增量不同，为5.9/Pitch(mGy)。由之前的研究[2]结果显示，当管电压固定在120 kV，扫描速度1s/rot时，管电流每增加10 mA，CTDIw增加2.2 mGy。在临床螺旋采集条件下使用不同的Pitch，管电流每增加10 mA，CTDIvol增量不同，为2.2/Pitch(mGy)。在Pitch相同时管电流减少27 mA和管电压减少10 kV时造成的辐射剂量减少相同。

图5 CT图像噪声与剂量的关系散点图

当管电流、Pitch及扫描速度固定时，降低管电压可降低辐射剂量，但是在管电压可调范围内，X射线光子能量的降低，会导致组织对X射线光子的吸收增加，使得用于成像的信息降低，因此会影响图像质量。本研究结果显示，低对比度分辨力、均匀性及噪声性能均随管电压的降低而降低。

本研究显示，随着管电压的不同，CT图像高对比度分辨力不随管电压变化，与不同管电流及螺距时的研究结果一致，均为7 Lp/cm，表明CT图像高对比度分辨力不随辐射剂量而变化[2]。CT图像高对比度分辨力可反映CT机对肺组织和骨组织的探测能力。本研究结果提示，在临床中以肺组织为兴趣器官时，可以尽量降低管电流及管电压值，以降低辐射剂量；对骨组织，由于骨组织对低能X射线光子有较强的吸收，不适宜采用降低管电压来降低辐射剂量[11-13]。对PET/CT而言，由于通常为固定各种参数进行全身扫描，应考虑管电流及管电压对其他性能指标的影响，尽量以较低的辐射剂量获得较高的图像质量。

CT值反映组织对X射线的吸收程度，物质CT值与其对X射线衰减系数成线性关系。实验结果显示，CT值随管电压的变化而变化，并且不同密度的物质，其CT值随管电压变化规律也不同。本研究结果提示，在临床中如果两次采集时所有的管电压不同，会导致相同组织CT值不同，两种不同组织的灰度差不同，因此在进行影像对比时，需慎重考虑由于管电压不同所产生的图像差异。

本研究结果显示，在低对比度情况下，随球管电压升高，能分辨的物体的直径减小，表明CT图像低对比度分辨力随电压增高而增加。但在对比度较低的情况下，低管电压对低对比度分辨力的影响较大。故在实质脏器的检测中，不宜采用降低管电压的方式来降低辐射剂量[14]。

CT图像均匀性及图像噪声是影响图像质量的重要因素，本研究结果显示，均匀性及噪声性能均随球管电压增高而改善。图4、图5均显示CTDIvol在＜18 mGy时，均匀性及噪声随剂量变化幅度明显加大；而在CTDIvol＞18 mGy后，随剂量的增加，均匀性及噪声的变化相对缓慢。提示在CTDIvol＞18 mGy后，不宜只为提高均匀性及降低图像噪声而再通过增加管电

压来增加剂量。

本研究结果显示，CT图像质量的各种性能指标除高对比分辨不随管电压变化外，其他各指标随管电压的变化而变化，在80～120 kV之间基本上可视为线性，但在各指标随管电压的变化时，在120～140 kV之间各指标随管电压的变化明显变缓(如图3～5所示)，而辐射剂量随管电压的变化呈线性增加，提示管电压从120 kV升至140 kV，造成较大的辐射剂量增加，而各种图像质量性能指标的改善较小，提示在扫描中管电压不宜选择140 kV。因此，在全身PET/CT检查中应兼顾所有器官组织的图像质量。对于局部检查，应根据具体器官的特性适当降低管电压及管电流以降低辐射剂量[15-16]。如肺的局部检查，可以同时降低管电压及管电流。

本研究中的剂量指标采取CTDIvol，而在临床中主要关注全身的有效剂量为CTDIvol、扫描长度和系数(K)三者的乘积。有研究报道，K与管电压相关，会随着管电压的增加而增加，因此，降低管电压会有效的降低受检者的有效剂量[17]。

本研究是对CT质量模体扫描，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，不能用于评估CT机性能指标达标情况。

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A phantom study on influence of tube voltage on CT dose and CT image quality in PET/CT/

ZHANG Lian-yu, LIANG Zi-wei, GENG Jian-hua, et al// China Medical Equipment,2015,12(4):1-5.

Objective: To examine how to decrease of radiation dose caused by CT in PET/CT while ensuring quality of CT image. Methods: CT dose phantom(DCT 10) and CT performance phantom (Catphan®500) were scanned in the tube voltage 80kV, 100kV, 120kV and 140kV with PET/CT(GE Discovery ST16). The image quality was evaluated by high contrast resolution, low contrast resolution, uniformity and noise. CTDIw and CTDIvol were calculated. The relationship between CT image quantity and CT dose was analyzed. Results: CT dose increased linearly with the tube voltage. The high contrast resolution of CT image was independent of the tube voltage. The performances of CT image, low contrast resolution, uniformity and noise, improved with increasing tube voltage, and it was nolinear. Conclusion: The performances of CT image improved with increasing CT dose. It improved more slowly when the CT dose reach to a certain value. The radiation dose by CT in PET/CT could be decreased appropriately under the guarantee of the quality of the CT image.

Positron-emission tomography; Tomography, X-ray computed; Radiation dose; Image quality; Tube voltage

10.3969/J.ISSN.1672-8270.2015.04.001

1672-8270(2015)04-0001-05

R814.42

A

张连宇,男,(1979- ),硕士，主治医师。中国医学科学院肿瘤医院PET/CT中心，从事影像诊断工作。

2015-01-04

国际科技合作项目(2009DFA32960)“PET/CT脑分子影像研究与应用平台及针灸中枢机理探索”；中国癌症基金会北京希望马拉松专项(LC2013A13)“PET/CT的辐射剂量和图像质量的模型研究”

①中国医学科学院肿瘤医院PET/CT中心 北京 100021

②中国医学科学院肿瘤医院影像诊断科 北京 100021

③中国医学科学院肿瘤医院核医学科 北京 100021

*通讯作者：gengjean@163.com