Study on the Influence of Head and Neck CTA Image Quality under Different Tube Voltages
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摘要: 目的：研究不同管电压对头颈部CTA图像质量的影响。资料与方法：收集亭林医院2021年9月至2022年1月临床怀疑头颈部血管疾病的患者共67例，其中男37例，女30例，平均年龄（68.94±11.68）岁，根据施加的管电压不同分成3组，将患者分配到A、B、C三组，A组为120 kV 23例、B组为100 kV 24例、C组为80 kV 20例。采用单因素ANOVA检验，比较3组间的主动脉弓、颈内动脉、大脑中动脉M1段以及胸锁乳突肌的CT值、SD值、SNR、CNR，以及图像质量主观评分、TDLP以及ED，采用Kappa检验法，检验两名医师主观评分的一致性。结果：3组间主动脉弓、颈内动脉、大脑中动脉M1段血管CT值及SD值差异有统计学意义；主动脉弓、颈内动脉、大脑中动脉M1段血管CT值及SD值随管电压下降而上升，上升幅度为15％～55％；3组间SNR及CNR差异无统计学意义；3组间的图像质量主观评分差异有统计学意义，B组＞A组＞C组，以B组评分最高；两名医师主观评分的Kappa=0.80，为高度一致；3组间TDLP以及ED有统计学差异，TDLP以及ED随管电压下降而下降，下降幅度为25％ 和39％。结论：根据CT辐射剂量诊断参考水平的要求，在进行头颈部CTA检查时，3种管电压以100 kV为最佳管电压条件。Abstract: Objective: To explore the influence on the image quality of head and neck CTA under different tube voltages. Materials and methods: A total of 67 patients with clinically suspected head and neck vascular diseases in Tinglin hospital from September 2021 to January 2022 were collected as the research objects, including 37 males and 30 females, with an average age of 68.94. According to the applied tube voltage, the patients were randomly assigned into groups A, B and C. There were 23 cases of 120 kV in group A, 24 cases of 100 kV in group B and 20 cases of 80 kV in group C. Single factor ANOVA test was used to compare the CT value, SD value, SNR, CNR of aortic arch, internal carotid artery, M1 segment of middle cerebral artery and sternocleidomastoid muscle among the three groups, and furthermore the subjective score of image quality, TDLP and ED. Kappa test was used to evaluate the consistency of subjective scores of the two physicians. Results: There were statistical differences in CT and SD values of aortic arch, internal carotid artery and M1 segment of middle cerebral artery among the three groups; The CT and SD values of aortic arch, internal carotid artery and M1 segment of middle cerebral artery increased with the decrease of tube voltage, with an increase range of 15%～55%. There was no statistical difference in SNR and CNR among the three groups; There was statistical difference in subjective score of image quality among the three groups; Group B > group A > group C, and group B showed the highest score; the kappa value of the subjective score of the two phsicianss=0. 80, which was highly consistent; There were statistical differences in TDLP and ED among the three groups, TDLP and ED decreased with the decrease of tube voltage, with the decrease ranges of 25% and 39%. Conclusion: According to the requirements of CT radiation dose diagnosis reference level, 100 kV is the best tube voltage condition for head and neck CTA.
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Keywords:
- head and neck CTA /
- tube voltages /
- image quality
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头颈部CTA作为一种无创血管成像技术，在诊断头颈部血管疾病、观察血管解剖以及血管以外疾病的血供来源等方面具有较高的敏感度和准确度[1-2]。由于头颈部CTA扫描范围大、辐射剂量大，影像科医师常采用降低管电压的方法来减少辐射剂量[3-5]。虽然辐射剂量会随管电压有效下降，但X线的质量和穿透力也会随之降低，势必造成图像噪声增大，最终影响到医生的诊断信心[6-7]。
根据国际辐射防护委员会（ICRP）在20世纪90年代初提出诊断参考水平（diagnostic reference levels，DRL）的要求，只要检查是合理的，就需在减少辐射剂量和保证图像质量之间寻找最佳的平衡[7-8]。因此，本文收集本院头颈部CTA共67例，观察不同管电压对头颈部CTA图像质量的影响以及辐射剂量的变化，旨在选取最佳的管电压条件。
1. 材料和方法
1.1 一般资料
收集亭林医院2021年9月至2022年1月临床怀疑头颈部血管疾病的患者共67例，其中男37例，女30例，平均年龄（68.94±11.68）岁。根据施加的管电压不同分成3组，随机将患者分配到A、B、C三组，A组管电压为120 kV 23例、B组管电压为100 kV 24例、C组管电压为80 kV 20例，3组间性别、年龄、身高、体重差异无统计学意义。纳入标准：①临床上怀疑头颈部血管疾病者；②一般状况良好，可以平卧并能顺利完成检查的患者。排除标准：①既往有碘过敏史或其他严重过敏者；②严重的肝、肾功能不全；③重度心功能不全，不能平卧者。
本研究项目经医院伦理委员会审核讨论并批准，所有入组患者及其家属对本研究的潜在风险已告知，并签署知情同意书。
1.2 机器设备、试剂和注射方案
应用联影U-64排螺旋CT及其联影工作站，美德瑞达双筒高压注射器Salient（DC009DW），18 G套管针；对比剂选用碘海醇注射液（扬子江药业350 mgI/mL）。注射方案为：20 mL生理盐水+50 mL对比剂+30 mL生理盐水，注射速率均为4.5 mL/s[1,9]。
1.3 检查方法
患者取仰卧位，双肩轻度下沉，双手置于两侧，右上肢肘静脉埋置18 G静脉套管针；扫描范围从颅顶至主动脉弓。ROI置于主动脉弓部，激发阈值为150 HU，激发后3 s开始扫描，扫描从颅顶开始，扫至主动脉弓结束。A组管电压120 kV、B组管电压100 kV、C组管电压80 kV。3组其他条件一致，平扫+增强均采用自动管电流调制技术，噪声值=10；扫描螺距0.98，层厚5.0 mm，层间距5.0 mm；增强后薄层重建层厚1.5 mm，重建层间距1.0 mm；在工作站上重建VR、MIP及CPI图像。
1.4 评判标准
1.4.1 图像客观评判
在3组横断位图像上分别测量主动脉弓、颈内动脉、大脑中动脉M1段以及胸锁乳突肌的CT值与标准差，测量时避开钙化灶。选用胸锁乳突肌的标准差代表背景噪声（SD），按照下列公式计算信噪比（signal-to-noiseratio，SNR），SNR=CT值/SD值；对比信噪比（contrast-to-noise ratio，CNR），CNR=（血管CT值 - 胸锁乳突肌CT值）/胸锁乳突肌SD值[10]。
1.4.2 图像主观评分
采用双盲法由两位高年资主治医师对3组患者的横断面图像、VR、MIP以及CPI图像质量进行评分（图1～图3）。评分标准采用5分法[6]，5分：图像质量好，血管与组织对比鲜明，细微解剖结构清晰，噪声小；4分：图像质量较好，血管与组织对比较好，解剖结构较清晰，噪声较小；3分：图像质量一般，血管解剖结构显示一般，噪声略大；2分：图像质量较差，血管解剖结构不清，噪声较重；1分：图像质量差，血管解剖结构不清，噪声极为严重。评分大于或等于3分视为满足诊断要求。
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图 1 管电压为120 kV的VR、MIP、CPI及头颅横断面图（a）～（d）分别为120 kV管电压的VR、MIP、CPI及头颅横断面图，图像质量较好，血管与组织对比较好，解剖结构较清晰，噪声较小，双盲5分值评价法，4分。头颈部CTA诊断：双侧颈内动脉起始部及C6段钙化斑块伴右侧颈内动脉C6段管腔轻度狭窄。Figure 1. VR、MIP、CPI and head cross-sectional drawing under pipe voltage of 120 kV![]()
图 2 管电压为100 kV的VR、MIP、CPI及头颅横断面图（a）～（d）分别为100 kV管电压的VR、MIP、CPI及头颅横断面图，图像质量好，血管与组织对比鲜明，细微解剖结构清晰，噪声小，双盲5分值评价法，5分。头颈部CTA诊断：右侧颈内C6-7段钙化斑块伴管腔轻度狭窄，双侧椎动脉走形迂曲。Figure 2. VR、MIP、CPI and head cross-sectional drawing under pipe voltage of 100 kV![]()
图 3 管电压为80 kV的VR、MIP、CPI及头颅横断面图（a）～（d）分别为80 kV管电压的VR、MIP、CPI及头颅横断面图，图像质量一般，血管解剖结构显示一般，噪声略大，双盲5分值评价法，3分。头颈部CTA诊断：右侧颈内起始部及C5-6段动脉钙化斑块伴C5-6段管腔轻度狭窄；左侧颈内动脉起始部混合斑块伴局部管腔轻度狭窄；左侧颈内C5-6段钙化斑块伴管腔中度狭窄。Figure 3. VR、MIP、CPI and head cross-sectional drawing under pipe voltage of 80 kV1.4.3 辐射剂量
分别记录3组扫描后机器自动生成的总辐射长度乘积（total dose-length product，TDLP），并计算有效辐射量（effective dose，ED），ED=TDLP×K，K为权重因子。因为头颈CTA检查范围覆盖头、颈、胸，所以K=1/3(0.002+0.005+0.017)=0.008[10]。
1.5 统计学方法
使用SPSS 19.0软件对所得数据进行统计学分析。①采用单因素 ANOVA检验，比较3组间的性别、年龄、身高、体重；3组间的主动脉弓、颈内动脉、大脑中动脉M1段以及胸锁乳突肌的CT值、SD值、SNR、CNR；3组间的图像质量主观评分；3组间的扫描后机器自动生成TDLP以及ED。②采用 Kappa检验法，检验两名医师主观评分的一致性，0.0～0.20为极低的一致性、0.21～0.40为一般、0.41～0.60为中等、0.61～0.80为高度和0.81～1为几乎完全一致。以P<0.05为具有统计学意义。
2. 结果
（1）本次研究共收集67例患者，并随机分配到A、B、C三组，3组基线一致，可比性良好。3组间机器自动生成TDLP以及ED差异有统计学意义，TDLP以及ED随管电压下降而下降，下降幅度为25％ 和39％（表1）。
表 1 三组病例一般资料、主观评分和辐射剂量之间比较Table 1. Comparison of general information, subjective score and radiation dose among the three groups项目 组别 统计检验 A组 B组 C组 F P 男/女 15/8 11/13 11/9 0.88 0.42 年龄/Y 66.83±11.76 69.00±11.59 71.15±10.55 0.78 0.46 身高/mm 165.04±8.67 161.96±6.70 162.65±7.28 1.05 0.36 体重/kg 67.17±12.60 62.04±8.05 62.30±9.16 1.85 0.17 主观评分 4.70±0.47 4.88±0.34 4.40±0.68 4.87 0.01 TDLP/mGy·cm 1169.57±116.07 873.17±56.98 716.70±44.38 180.75 0.00 ED/mGy·cm 9.63±0.96 7.18±0.47 5.90±0.37 180.75 0.00 （2）三组间主动脉弓、颈内动脉、大脑中动脉M1段血管CT值及SD值差异有统计学意义。主动脉弓、颈内动脉、大脑中动脉M1段血管CT值及SD值随管电压下降而上升，上升幅度为15％～55％。三组间SNR及CNR差异无统计学意义（表2）。
表 2 三组病例CT值、SD值、SNR及CNR之间比较Table 2. Comparison of CT value SD value, SNR and CNR among the three groups部位 参数 组别 统计检验 A组 B组 C组 F P 升主动脉 血管CT值/HU 296.61±69.92 342.13±76.21 460.50±130.44 17.11 0.00 SD 10.61±3.61 12.92±4.09 16.00±4.15 9.98 0.00 SNR 86.83±38.32 94.69±32.52 97.74±38.14 0.53 0.53 CNR 71.65±34.33 77.03±28.57 84.42±35.46 0.82 0.45 颈动脉分叉 血管CT值/HU 352.13±90.94 429.63±99.42 574.95±136.12 22.77 0.00 SD 5.00±2.83 5.79±6.22 7.40±3.03 4.01 0.02 SNR 103.80±48.11 119.34±45.70 121.33±41.98 1.00 0.38 CNR 88.63±44.04 101.67±41.96 108.00±39.43 1.21 0.31 大脑中动脉
M1段血管CT值/HU 334.21±69.42 385.00±85.53 502.50±110.17 19.94 0.00 SD 5.83±4.72 7.29±6.20 10.80±6.44 4.08 0.02 SNR 97.79±42.20 108.52±47.52 107.70±37.78 0.44 0.64 CNR 82.61±37.93 90.86±43.18 94.37±34.03 0.53 0.59 胸大肌 软组织CT值/HU 52.70±8.43 62.12±6.72 60.55±7.27 10.40 0.00 SD 3.74±0.92 4.08±1.86 5.15±1.93 4.32 0.02 （3）三组间的图像质量主观评分为：A组4.70±0.47、B组4.88±0.34、C组4.40±0.68，差异有统计学意义，B组＞A组＞C组，以B组管电压为100 kV时评分最高（表1）。采用Kappa检验法，检验两名医师主观评分的一致性，Kappa=0.80，为高度一致。
3. 讨论
头颈部CTA技术随着多排螺旋CT的不断普及，现在已经成为诊断及随访头颈部血管疾病的首选无创的影像学检查方法[1]，同时，随之产生的电离辐射问题也愈来愈受到关注[7]。为应对CT检查带来的日益累积的高辐射剂量问题，国际相关机构如联合国原子辐射影响科学委员会、国际放射防护委员会（ICRP）、国际原子能机构和WHO，已通过合作获得相关循证医学证据，并根据放射防护最低的合理辐射（as low as reasonably achievable，ALARA）原则，建立起CT辐射剂量诊断参考水平（diagnostic reference levels，DRL）——即在降低辐射剂量和保证图像质量之间寻找最佳平衡[7]，让受检者获得最大受益。为有效降低辐射剂量，通过自动管电流调制技术降低管电流和迭代算法重建现已经广泛为临床接受并使用。而根据CT辐射剂量诊断参考水平的要求使用多少管电压仍不明确，这也是本次研究的重点。
首先可以肯定的是降低管电压可以有效减少辐射剂量。王贤坤等[11]对60例头颈部CTA施加80 kV、100 kV、120 kV三组不同的管电压并结合迭代重建扫描技术，80 kV组和100 kV组的DLP、ED与120 kV组比较，辐射剂量降低了47.22％ 和26.31％、40.28％ 和19.91％。Ni等[12]对204例头颈部CTA施加120 kV和80 kV两种不同管电压，患者接受辐射剂量的差异达74％。本研究收集67例头颈部CTA中，施加80 kV和100 kV的TDLP、ED与120 kV组比较，TDLP以及ED下降幅度为39％ 和25％，与文献报道基本一致。
其次，不同管电压对头颈部CTA的图像质量有影响。
（1）众所周知，X线经过人体时会产生康普顿效应和光电效应；X线光子能量会随着管电压的下降而下降，当X线光子能量接近碘原子的K临界值（33 keV）时衰减值最大，这样导致所测得的CT值会随着管电压的下降而增高[13-15]。本研究结果显示：管电压从120 kV降到100 kV、80 kV时，大脑中动脉M1段血管的CT值分别为（334.21±69.42）HU、（385.00±85.53）HU、（502.50±110.17）HU，与学者的研究基本一致[10,16-18]。由于含碘血管腔的CT值是头颈部CTA图像质量的关键所在，也是观察血管病变和VR、MIP及CPI成像的基础。研究发现[16-18]血管腔内的CT值以350～550 HU时最佳，过低或过高都不利于血管细节的显示，会影响粥样斑块的显示和血管狭窄程度的判断。本研究大脑中动脉M1段血管CT值在管电压等于100 kV时最接近这个数值。同时，从本研究3组图像质量主观评分也可以看出管电压为100 kV时评分最高。两组数据都可以证明，管电压在100 kV时，图像质量最好。
（2）图像噪声是评价图像质量另外一个很关键的因素[10,19]。管电压一旦下降，X线的质量和穿透力都会随之下降。特别是颅内段血管，由于高致密颅骨的遮挡，X线光子到达探测器的数量便会减少，SD值增大，图像颗粒感明显增大，影响对病变细节的观察。本研究显示，管电压降至80 kV时，主动脉弓和大脑中动脉M1段的SD值明显上升，上升幅度为60％ 和86％，并不利于病变细节的观察。
（3）不同管电压对CT图像的SNR和CNR影响不大。由于血管CT值和SD值随着管电压的降低而同步升高，SNR和CNR是根据公式计算获得的，所以3组SNR和CNR数据无统计学差异。
综上所述，根据CT辐射剂量诊断参考水平的要求，在进行头颈部CTA检查时，3种管电压以100 kV为最佳管电压条件。
本次研究存在的不足：本组研究样本量较小，在后续的研究中，将进一步扩大样本量和细化研究，如管电压间距缩小至5～10 kV，来进一步证实本研究的实用性和有效性。
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图 1 管电压为120 kV的VR、MIP、CPI及头颅横断面图
（a）～（d）分别为120 kV管电压的VR、MIP、CPI及头颅横断面图，图像质量较好，血管与组织对比较好，解剖结构较清晰，噪声较小，双盲5分值评价法，4分。头颈部CTA诊断：双侧颈内动脉起始部及C6段钙化斑块伴右侧颈内动脉C6段管腔轻度狭窄。
Figure 1. VR、MIP、CPI and head cross-sectional drawing under pipe voltage of 120 kV
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图 2 管电压为100 kV的VR、MIP、CPI及头颅横断面图
（a）～（d）分别为100 kV管电压的VR、MIP、CPI及头颅横断面图，图像质量好，血管与组织对比鲜明，细微解剖结构清晰，噪声小，双盲5分值评价法，5分。头颈部CTA诊断：右侧颈内C6-7段钙化斑块伴管腔轻度狭窄，双侧椎动脉走形迂曲。
Figure 2. VR、MIP、CPI and head cross-sectional drawing under pipe voltage of 100 kV
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图 3 管电压为80 kV的VR、MIP、CPI及头颅横断面图
（a）～（d）分别为80 kV管电压的VR、MIP、CPI及头颅横断面图，图像质量一般，血管解剖结构显示一般，噪声略大，双盲5分值评价法，3分。头颈部CTA诊断：右侧颈内起始部及C5-6段动脉钙化斑块伴C5-6段管腔轻度狭窄；左侧颈内动脉起始部混合斑块伴局部管腔轻度狭窄；左侧颈内C5-6段钙化斑块伴管腔中度狭窄。
Figure 3. VR、MIP、CPI and head cross-sectional drawing under pipe voltage of 80 kV
表 1 三组病例一般资料、主观评分和辐射剂量之间比较
Table 1 Comparison of general information, subjective score and radiation dose among the three groups
项目 组别 统计检验 A组 B组 C组 F P 男/女 15/8 11/13 11/9 0.88 0.42 年龄/Y 66.83±11.76 69.00±11.59 71.15±10.55 0.78 0.46 身高/mm 165.04±8.67 161.96±6.70 162.65±7.28 1.05 0.36 体重/kg 67.17±12.60 62.04±8.05 62.30±9.16 1.85 0.17 主观评分 4.70±0.47 4.88±0.34 4.40±0.68 4.87 0.01 TDLP/mGy·cm 1169.57±116.07 873.17±56.98 716.70±44.38 180.75 0.00 ED/mGy·cm 9.63±0.96 7.18±0.47 5.90±0.37 180.75 0.00 
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表 2 三组病例CT值、SD值、SNR及CNR之间比较
Table 2 Comparison of CT value SD value, SNR and CNR among the three groups
部位 参数 组别 统计检验 A组 B组 C组 F P 升主动脉 血管CT值/HU 296.61±69.92 342.13±76.21 460.50±130.44 17.11 0.00 SD 10.61±3.61 12.92±4.09 16.00±4.15 9.98 0.00 SNR 86.83±38.32 94.69±32.52 97.74±38.14 0.53 0.53 CNR 71.65±34.33 77.03±28.57 84.42±35.46 0.82 0.45 颈动脉分叉 血管CT值/HU 352.13±90.94 429.63±99.42 574.95±136.12 22.77 0.00 SD 5.00±2.83 5.79±6.22 7.40±3.03 4.01 0.02 SNR 103.80±48.11 119.34±45.70 121.33±41.98 1.00 0.38 CNR 88.63±44.04 101.67±41.96 108.00±39.43 1.21 0.31 大脑中动脉
M1段血管CT值/HU 334.21±69.42 385.00±85.53 502.50±110.17 19.94 0.00 SD 5.83±4.72 7.29±6.20 10.80±6.44 4.08 0.02 SNR 97.79±42.20 108.52±47.52 107.70±37.78 0.44 0.64 CNR 82.61±37.93 90.86±43.18 94.37±34.03 0.53 0.59 胸大肌 软组织CT值/HU 52.70±8.43 62.12±6.72 60.55±7.27 10.40 0.00 SD 3.74±0.92 4.08±1.86 5.15±1.93 4.32 0.02
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