醫(yī)用CT檢測模體演進(jìn)分析

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[摘要]計算機(jī)體層攝影（ComputerTomography，CT）是最常用的放射診斷手段之一，其輻射劑量和圖像質(zhì)量一直都是人們關(guān)注的話題。本文通過總結(jié)分析常規(guī)CT劑量模體、加長CT劑量模體、常規(guī)影像質(zhì)量模體和自動管電流調(diào)制模體以及仿真人體模體共5種醫(yī)用ct檢測模體演進(jìn)與發(fā)展方向，為研制新型CT劑量模體與影像質(zhì)量模體提供指引。

[關(guān)鍵詞]醫(yī)用CT；劑量模體；影像質(zhì)量模體

計算機(jī)體層攝影（ComputerTomography，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。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號報告和UNSCEAR2008報告指出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，與CT掃描相關(guān)的劑量和風(fēng)險一直是醫(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器、自動管電流調(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)量和輻射劑量測試主要依賴檢測物理模體，故CT的質(zhì)量測量方法和檢測模體也同樣隨著CT技術(shù)的革新而不斷發(fā)展，本文全面梳理CT檢測模體發(fā)展歷程，并提出當(dāng)前CT檢測模體所面臨的挑戰(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CT的輻射劑量表征與測量提出了多種方法，但這些方法基本都與Shope提出的CT劑量指數(shù)（CTDoseIndex，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]。CTDI=∫(1)+∞-∞NTdZD(Z)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（AmericanAssociationofPhysicistsinMedicine，AAPM）的第96號[9]和第111號報告[10]中對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的測量主要由CT劑量模體[11]和輻射測量系統(tǒng)組合。輻射測量方法主要分為兩種：通過陣列探測器測量CT劑量曲線和使用電離室對平均信號積分[12-13]。傳統(tǒng)的劑量曲線的測量方法是使用熱釋光劑量計[14]，但現(xiàn)在的一些研究中也采用光釋光劑量計[15]、輻射感光膠片[16]或者金屬-氧化物半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管劑量計[17]進(jìn)行測量。目前CT劑量日常檢測中最廣泛使用的劑量計是100mm長的筆型電離室，用來測量平均劑量或者積分劑量，這種劑量計的使用最早是由Suzuki等[18]提出的。國際電工委員會（InternationalElectrotechnicalCommission，IEC）建議CTDI測量模體采用聚甲基丙烯酸甲酯（PolymethylMethacrylate，PMMA）作為材料[19]。傳統(tǒng)的劑量模體設(shè)計是由直徑為16cm和32cm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16cm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或其他陣列式探測器的孔道。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劑量測試模體和錐形束CT頭部劑量模體。圖3中的SedentexCTDI頭部劑量模體由一組直徑為16cm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，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。

2加長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100mm長的電離室測量單層軸掃的劑量曲線積分不僅足以包括照射時的散射線，還可以有效節(jié)省時間。但是隨著多層CT的發(fā)展，越來越寬的Z軸射束準(zhǔn)直和更長的掃描長度限制了CTDI100的準(zhǔn)確性、臨床實用性[20]。CTDI100在CTDI劑量模體不同點位測量效率較低，大約為60%到90%，可能大大低估CT掃描的實際累積劑量，在中心點位置會造成30%的誤差[21-22]。傳統(tǒng)的100mm長桿電離室已經(jīng)不能滿足CT質(zhì)控中的劑量測量要求。許多學(xué)者開始使用更長的劑量模體來測試多層CT的劑量曲線。Mori等[23]將多個PMMA圓柱拼接在一起組成了總長為900mm的超長圓柱模體，用以測量256層CT掃描的劑量曲線。Nakonechny等[22]嘗試使用300mm長的CIRSModel002H5等效水體部模體估計真實患者所受縱向單層掃描劑量曲線。AAPM第111號報告中也提出可以使用直徑30cm，長度50cm的快速注水模體來表示平均體型的成年人體部對射線的吸收和衰減[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]，如低對比度和高對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（運動、射束硬化、均勻性）[28-30]。基于McCullough等[31-32]的研究，AAPM第1號報告發(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)量控制和驗收測試，該模體包含了許多用于CT成像的圖像質(zhì)量性能評估模塊。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，解決了水浴模體容易吸水、漏水以及水源差異的問題。Catphan500是目前市場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Catphan500CT性能測試模體做了進(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)計了一套新型CT成像性能檢測模體[37-38]。CT系統(tǒng)的影像質(zhì)量評估標(biāo)準(zhǔn)定義與影像測試模體的發(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（AmericanCollegeofRadiology，ACR）也推出了相關(guān)的CT認(rèn)證項目。ACRCT模體（圖6）由4個等效水材料模塊組成。模體的直徑為20cm，每個模塊的深度為4cm。而我國也在2019年更新了《X射線計算機(jī)體層攝影裝置質(zhì)量控制檢測規(guī)范》，該標(biāo)準(zhǔn)適用于診斷用CT的質(zhì)量控制檢測，包括驗收檢測、使用中CT的狀態(tài)檢測及穩(wěn)定性檢測。

4自動管電流調(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時調(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CT裝置自動管電流調(diào)制的性能進(jìn)行評價。目前最常見的自動管電流調(diào)制模體主要是多個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試不同機(jī)型CT在自動管電流調(diào)制（AutomaticTubeCurrentModulation，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模體由三個長短軸半徑比為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)行個別圖像質(zhì)量參數(shù)的測量，或不能與真實人體對射線吸收和衰減建立聯(lián)系，所以目前仍未有統(tǒng)一用于評價自動管電流調(diào)制的的標(biāo)準(zhǔn)測試方法和物理模體。

5仿真人模體在CT檢測中的應(yīng)用

為了更真實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或輻射感光膠片[48]。近年來，使用不同種類劑量計對仿真人模體進(jìn)行劑量測量已被廣泛應(yīng)用于CT劑量估計。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。2006年，Hurwitz等[49]使用性別特異性模體對女性乳房劑量進(jìn)行了研究。許多研究人員也嘗試使用仿真人模體對國際輻射防護(hù)委員會出版物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（model702）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165.9cm，體重57.5kg。彭剛等[54-55]使用該模體對ATCM模式下不同噪聲指數(shù)的胸部器官吸收劑量進(jìn)行評估。但是，由于仿真人模體結(jié)構(gòu)復(fù)雜，價格昂貴，劑量測量過程繁瑣，并且缺乏圖像質(zhì)量客觀評價模塊等的原因，仿真人模體并沒有在臨床得以廣泛應(yīng)用，目前主要應(yīng)用于器官劑量的驗證測量。

6討論與展望

自第一代CT機(jī)發(fā)明以來，CT檢測模體的發(fā)展便與CT機(jī)的探測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)計的CTDI頭部和體部模體為醫(yī)用CT的日常驗收和檢測帶來了便利，而超寬射束CT的臨床應(yīng)用，使得傳統(tǒng)模體和劑量測量方法受到了限制，研究人員通過增加模體的長度來克服這一缺陷。但是單一地增長模體并不能滿足CT技術(shù)的飛速發(fā)展，自動管電流調(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現(xiàn)調(diào)制，更多的研究開始著眼于如何使用簡單的圓柱或者橢圓形狀組合實現(xiàn)管電流調(diào)制下CT性能的檢測。盡管許多研究已經(jīng)可以實現(xiàn)部分CT性能參數(shù)的測量，但是至今仍未有統(tǒng)一的測量方法和物理模體可用于自動管電流調(diào)制技術(shù)的檢測與評價。另一方面，仿真人模體通過模擬真實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，但卻普遍存在個體笨重，測量過程操作復(fù)雜，缺乏必要的客觀圖像質(zhì)量檢測評價模塊等缺陷，未能得以廣泛應(yīng)用。我國的醫(yī)用CT檢測模體研制起步較晚，目前主要處于研究階段，一些研究者對模體的材料和結(jié)構(gòu)的設(shè)計進(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。因此，緊跟CT技術(shù)的發(fā)展，有必要開發(fā)可以用于檢測與評價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。

作者:楊揚 劉海寬 卓維海 單位:復(fù)旦大學(xué)