Exposure dose calculation of digital tomosynthesis and in comparison with other chest examinations

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(1.Department of Radiology, Nanfang Hospital of Southern Medical University, Guangzhou 510515, China;2.Department of Radiology, Nanhai Hospital, Southern Medical University, Foshan 528200, China)

·方法技術(shù)學(xué)·

Exposure dose calculation of digital tomosynthesis and in comparison with other chest examinations

MALe1,ZHUMingxin2,QINGenggeng1,HEZilong1,CAIYuxing1*,CHENWeiguo1

(1.DepartmentofRadiology,NanfangHospitalofSouthernMedicalUniversity,Guangzhou510515,China;2.DepartmentofRadiology,NanhaiHospital,SouthernMedicalUniversity,Foshan528200,China)

Objective To propose a simple method of calculating exposure dose in chest tomosynthesis (DTS) whose validity was verified, and to compare the expose paremeters of DTS with other chest examinations of digital radiology (DR), dual energy subtraction (DES), low-dose CT (LDCT) and conventional CT. Methods Thirty subjects were recruited for the DTS examination. Based on the exposure parameters from scout view, a calculation method and two correction factors were proposed and validated for air kerma and dose-area product (DAP) calculation. Besides, 30 subjects participated in the DR examination, 30 for DES examination, 30 for LDCT examination and another 30 for CT examination. The difference of effective dose (ED) among five chest examinations was investigated. Results Two correction factors of 0.97 and 0.93 for air kerma and DAP were determined, respectively. Small average differences of (0.5±0.4)% and (0.3±0.3)% were found between estimated values and actual values. ED of DR, DES, DTS, LDCT, CT had statistical significance (F=1 148.09,P<0.01), and besides the ED of DR and DES had no difference, there were significant differences between each other two imaging methods (allP<0.05). Conclusion A simple method to estimate DTS exposure dose is proposed and validated with no need to superimpose the dose from each image. DTS has lower exposure dose when compared with LDCT and CT, and provides three-dimensional imaging for obtaining more information when compared with DR and DES.

Thorax; Tomosynthesis; Radiation dosage

數(shù)字X線攝影(digital radiography, DR)是胸部疾病檢查最常用的影像學(xué)手段，具有成像速度快、輻射劑量低、價格便宜等優(yōu)點(diǎn)。但由于骨組織對肺組織的重疊遮擋，肺內(nèi)小結(jié)節(jié)易被漏診。胸部雙能量減影(dual energy subtraction, DES)通過高千伏和低千伏連續(xù)兩次曝光，可將骨組織和肺組織分離，有效去除重疊的肋骨等高密度骨質(zhì)對肺小結(jié)節(jié)的影響[1]。數(shù)字?jǐn)鄬尤诤?digital tomosynthesis, DTS)作為一種低劑量的胸部斷層成像方式，通過有限角度的連續(xù)、快速曝光，可重建出一系列斷層圖像[2-3]。相比DR和DES，胸部DTS可避免深在部位和復(fù)雜部位的組織重疊，減少呼吸運(yùn)動所造成的圖像偽影[4]。研究[4-5]證實(shí)，胸部DTS可提高病灶的檢出率和診斷率，為臨床治療提供重要影像資料。目前，CT仍是胸部疾病檢查的金標(biāo)準(zhǔn)，但由于其費(fèi)用高、輻射劑量大等缺點(diǎn)，極大地限制了其在臨床的廣泛應(yīng)用[6]。低劑量CT(low-dose computed tomography, LDCT)在保證圖像質(zhì)量的前提下，通過降低X線球管電流強(qiáng)度可達(dá)到降低輻射劑量的目的[7]，但臨床尚未廣泛應(yīng)用。Kumar等[8]以CT作為金標(biāo)準(zhǔn)，發(fā)現(xiàn)DES診斷肺內(nèi)小結(jié)節(jié)的敏感度和特異度均高于DR，而DTS則顯著優(yōu)于DR(P<0.003)，但該研究未對輻射劑量進(jìn)行分析。

空氣比釋動能、劑量面積乘積(dose-area product, DAP)和有效劑量(effective dose, ED)常用來評價患者在X線檢查過程中所接受的輻射劑量[9-10]。但在計(jì)算胸部DTS的空氣比釋動能和DAP時，常需對不同角度拍攝的圖像劑量(系統(tǒng)默認(rèn)60張)進(jìn)行疊加，得到最后的輻射總量[9]。本文在基于DTS首張定位片曝光參數(shù)的基礎(chǔ)上，提出一種計(jì)算空氣比釋動能和DAP的簡單方法；同時提出兩個校正因子對劑量參數(shù)進(jìn)行調(diào)整，并對該計(jì)算方法和兩個校正因子進(jìn)行驗(yàn)證，將胸部DTS與DR、DES、LDCT、CT成像方式的ED進(jìn)行對比。

1 資料與方法

1.1一般資料 收集2016年6月—2016年8月進(jìn)行胸部檢查的患者150例，年齡23～67歲，中位年齡44.5歲，身高155～180 cm，平均(165.4±8.3)cm，體質(zhì)量43～80 kg，平均(68.2±6.5)kg，體質(zhì)量指數(shù)(body mass index, BMI)為(23.9±2.9)kg/m2。接受胸部DR、DES、DTS、LDCT、常規(guī)CT檢查各30例，男、女分別15例。本研究獲得本院倫理委員會的批準(zhǔn)，所有患者均簽署知情同意書。

1.2 方法

1.2.1 空氣比釋動能和DAP計(jì)算方法的提出與驗(yàn)證 采用GE XR656 VolumeRAD DR系統(tǒng)。實(shí)驗(yàn)過程中，平板探測器保持靜止，X線球管在垂直方向上對胸部掃描，掃描角度-15°～+15°(圖1)，共拍攝60張低劑量圖像，時間約10 s。探測器與球管距離(source image distance, SID)180 cm，電壓120 kV，自動曝光模式(automatic exposure control, AEC)[11]，記錄60張斷層圖像在設(shè)備上顯示的空氣比釋動能和DAP實(shí)際值。

對于VolumeRAD系統(tǒng)，胸部DTS的曝光參數(shù)可由第一張定位片決定。AEC曝光模式下，斷層融合的球管負(fù)載(mAs)默認(rèn)為定位片的10倍，然后平均分配到60張圖像。根據(jù)Renard序列的四舍五入原則，每張圖像的球管負(fù)載限制為最小，即0.25 mAs[9]。每張圖像的最小球管負(fù)載乘以60后，獲得斷層融合的總負(fù)載。將總負(fù)載除以定位片的球管負(fù)載，獲得的比率再乘以定位片的空氣比釋動能和DAP，則為空氣比釋動能和DAP的預(yù)測值[9]。計(jì)算流程見圖2。對空氣比釋動能和DAP與實(shí)際疊加值采用校正因子調(diào)整。隨機(jī)挑選15例患者用于計(jì)算空氣比釋動能和DAP的校正因子(實(shí)際值與預(yù)測值的比值)。

剩余的15例患者用于驗(yàn)證計(jì)算方法和校正因子的準(zhǔn)確性，胸部斷層融合曝光參數(shù)的實(shí)際值由60張圖像的空氣比釋動能和DAP分別疊加，作為標(biāo)準(zhǔn)參考值；預(yù)測值通過以上所提方法和校正因子計(jì)算。通過預(yù)測值與實(shí)際值相比較，觀察兩者的相對偏差值，驗(yàn)證該方法的有效性。

1.2.2 不同胸部成像方式下的輻射劑量對比 胸部DR和DES檢查：采用GE XR656 DR系統(tǒng)，SID設(shè)置為180 cm，AEC曝光模式；胸部DR的球管電壓120 kV，DES的高壓為120 kV，低壓為60 kV，記錄空氣比釋動能和DAP值。LDCT和常規(guī)CT檢查：采用Siemens Somatom Sensation 64層CT機(jī)，常規(guī)球管電壓120 kV，層厚1.0 mm，螺距0.8，掃描時間5～8 s；LDCT采用自動管電流掃描技術(shù)(Automatic tube current modulation, ATCM)，范圍為20～200 mA，噪聲指數(shù)為14，余參數(shù)同常規(guī)CT。

圖1 胸部斷層融合控制及工作流程 圖2 預(yù)測空氣比釋動能和DAP的計(jì)算方法流程

圖3 胸部DTS的空氣比釋動能(A)和DAP(B)隨角度變化

采用ED評價5種胸部成像方式的X線輻射劑量，胸部DR、DES、DTS、LDCT和CT檢查的ED計(jì)算見公式1～5[12-14]。

EDDR=DAP(正位+側(cè)位)*0.18 mSv/(mGy·cm2)

(1)[12]

EDDES=DAP(高千伏+低千伏+側(cè)位)*0.18 mSv/(mGy·cm2)

(2)[12]

EDDTS=DAP(定位片+60張斷層)*0.26 mSv/(mGy·cm2)

(3)[13]

EDLDCT=DLP*0.014 mSv/(mGy·cm)

(4)[14]

EDCT=DLP*0.014 mSv/(mGy·cm)

(5)[14]

1.3 統(tǒng)計(jì)學(xué)分析 采用SPSS 20.0統(tǒng)計(jì)分析軟件，先行Kolmogorov-Smirnov正態(tài)性檢驗(yàn)，對DAP的預(yù)測值與實(shí)際疊加值進(jìn)行比較采用配對樣本t檢驗(yàn)；對5種胸部成像方式下的ED行方差齊性檢驗(yàn)，采用單因素方差分析，兩兩比較采用Tamhane'sT2檢驗(yàn)。P<0.05為差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。

2 結(jié)果

DAP的預(yù)測值與實(shí)際值、5種成像方式下的ED均符合正態(tài)分布(P>0.05)。15例患者的空氣比釋動能和DAP的校正因子分別為0.97和0.93。余15例患者預(yù)測值與實(shí)際值差異無統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(空氣比釋動能：t=-1.2，P=0.247；DAP：t=1.7，P=0.105)，兩者平均相對偏差分別為(0.5±0.4)%和(0.3±0.3)%。

采集胸部DTS中，掃描角度-15°～+15°時，60張圖像的空氣比釋動能和DAP的均值和標(biāo)準(zhǔn)差見圖3。空氣比釋動能為-15°～-10°、-5°～+7°、+12.5°～+15°時，均值基本保持一致，在0°附近，最大為0.0131 mGy； DAP在0°附近，DAP最大為0.1514 dGy·cm2，向兩側(cè)角度增大時，DAP逐漸降低。

胸部DR、DES、DTS、LDCT、CT的ED分別為(0.12±0.04)mSv、(0.15±0.04)mSv、(0.24±0.01)mSv、(1.97±0.44)mSv及(6.44±0.71)mSv，差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(F=1 148.09，P<0.01)，且除胸部DR與DES差異無統(tǒng)計(jì)學(xué)意義外，余成像方式兩兩比較差異均有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P均<0.05)。

3 討論

本文首先提出一種計(jì)算胸部DTS輻射劑量的簡單方法，并進(jìn)行驗(yàn)證。根據(jù)配對樣本t檢驗(yàn)(P>0.05)以及較小的相對偏差值，證實(shí)可通過首張定位片的劑量參數(shù)來預(yù)測DTS的空氣比釋動能和DAP，不需要對每張圖像的劑量參數(shù)進(jìn)行疊加。

本研究所提計(jì)算方法需要兩個校正因子，空氣比釋動能和DAP的校正因子分別為0.97和0.93，可對空氣比釋動能和DAP進(jìn)行參數(shù)調(diào)整。在胸部DTS的投射過程中，球管需在垂直方向的不同角度對患者進(jìn)行連續(xù)、快速曝光，導(dǎo)致SID發(fā)生改變。在0°時SID預(yù)設(shè)為180 cm，隨著角度的增大，SID也逐漸增大，在±15°時SID最大約為186.5 cm。另外，X線球管在平板探測器上的照射野也發(fā)生改變，0°時為最大值，隨著角度的增大而減小[10]。在0°附近時，空氣比釋動能和DAP的值最大，隨著角度的增大而減小(圖3)。提示SID和照射野的變化會影響輻射劑量參數(shù)，且兩者間有一致的變化趨勢。因此，需要校正因子對預(yù)測的劑量參數(shù)進(jìn)行調(diào)整。

在此基礎(chǔ)上，本研究將胸部DTS與其他4種成像方式(DR、DES、LDCT、CT)的ED進(jìn)行對比。雖然張殿星等[15]將DTS與DR、LDCT、CT 4種胸部成像方式的輻射劑量進(jìn)行對比研究，但使用Fluke RS 330型肺-胸體模代替患者，標(biāo)準(zhǔn)化的體模完全忽略個體因素差異對輻射劑量的影響，結(jié)果的可信度降低，且體模實(shí)驗(yàn)缺乏可重復(fù)性。CT作為胸部病灶診斷的金標(biāo)準(zhǔn)[8]，本研究發(fā)現(xiàn)其ED遠(yuǎn)高于其他4種胸部成像方式(P<0.05)。而DTS作為一種低劑量的胸部斷層成像方式，ED高于DR和DES，與Sabol等[10]的結(jié)論一致。胸部DES是在平片DR的基礎(chǔ)上，多曝光1張低千伏圖像，通過重建算法，有效分離胸部圖像中的骨組織和肺組織[16]，因此ED稍高于DR。

在肺內(nèi)小結(jié)節(jié)的診斷方面，DTS的敏感度和特異度均高于DR和DES[8,17]。相比于LDCT和常規(guī)CT，DTS具有明顯的低輻射劑量優(yōu)勢；而相比于DR和DES，DTS還可通過三維成像提供更多的信息。雖然LDCT已逐步進(jìn)入臨床應(yīng)并獲得認(rèn)可，但如廣泛應(yīng)用于肺癌篩查，可能導(dǎo)致經(jīng)濟(jì)效益比欠佳、射線量增加、肺癌患者后續(xù)過度檢查等[18-19]。因此，DTS作為普通X線平片的一種重要補(bǔ)充，在胸部病灶的檢查方面有望進(jìn)一步推廣。

綜上所述，本文提出并驗(yàn)證一種計(jì)算胸部DTS輻射劑量的簡單方法，且DTS的ED稍高于DR和DES，遠(yuǎn)小于LDCT和常規(guī)CT，可為DTS的應(yīng)用提供劑量依據(jù)。

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廣東省科技計(jì)劃項(xiàng)目基金(2016ZC0058、2015B020233002、2015B020233008)、廣州市科技計(jì)劃項(xiàng)目基金(201604020058)。

馬樂(1988—)，男，廣東茂名人，碩士，技師。研究方向：數(shù)字化影像技術(shù)研究及醫(yī)學(xué)圖像處理。E-mail: male2@mail2.sysu.edu.cn

蔡裕興，南方醫(yī)科大學(xué)南方醫(yī)院放射科，510515。E-mail: cai_yuxing@163.com

2016-09-05

2016-11-29

胸部斷層融合輻射劑量的計(jì)算和與其他胸部成像方式的劑量對比

馬 樂1，朱明欣2，秦耿耿1，何子龍1，蔡裕興1*，陳衛(wèi)國1

(1.南方醫(yī)科大學(xué)南方醫(yī)院放射科，廣東 廣州 510515；2.南方醫(yī)科大學(xué)附屬南海醫(yī)院放射科，廣東 佛山 528200)

胸部；斷層融合；輻射劑量

R445

A

1003-3289(2017)01-0050-04

目的 提出一種計(jì)算胸部數(shù)字?jǐn)鄬尤诤?DTS)輻射劑量的簡單方法，并驗(yàn)證該方法的有效性；并比較DTS與胸部數(shù)字X線攝影(DR)、雙能量減影(DES)、低劑量CT(LDCT)、常規(guī)CT的輻射劑量。方法 對30例患者進(jìn)行DTS檢查，基于曝光參數(shù)提出及驗(yàn)證一種計(jì)算空氣比釋動能和劑量面積乘積的簡單方法和校正因子。另收集接受DR、DES、LDCT和CT檢查患者各30例，比較5種成像方式的有效劑量。結(jié)果 空氣比釋動能和劑量面積乘積的校正因子分別為0.97和0.93，兩參數(shù)預(yù)測值與實(shí)際值間的相對偏差為(0.5±0.4)%和(0.3±0.3)%。胸部DR、DES、DTS、LDCT、CT的ED差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(F=1 148.09，P<0.01)，且除胸部DR與DES差異無統(tǒng)計(jì)學(xué)意義外，余成像方式兩兩比較差異均有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P均<0.05)。結(jié)論 本文所提出的預(yù)測DTS輻射劑量的簡單計(jì)算方法，不需對每張斷層圖像的劑量進(jìn)行疊加。相比于LDCT和CT，DTS具有低劑量優(yōu)勢；相比于DR和DES，DTS可通過三維成像提供更多信息。

10.13929/j.1003-3289.201609009