数字化断层融合(digital tomosynthesis,DTS)将数字平板探测器技术与传统断层技术相结合,与传统X射线平片二维影像中解剖结构重叠相比,可回顾性重建扫描容积内任意层面的图像,获得类似于CT三维容积扫描的断层影像。近年来DTS在骨骼系统的应用越来越受到重视^{[1, 2, 3]}。髋关节的DTS检查适用于股骨颈骨折、髋臼骨折等多种疾病,受众广泛,从辐射防护角度出发,其检查剂量应当受到重视,剂量比(dose ratio)是DTS摄影中控制扫描辐射剂量的参数,本研究通过设置不同的剂量比值,以确定骨盆数字化断层融合摄影参数中的最佳剂量比。

1. 研究对象:先期以带有完整软组织的人体骨盆标本进行预实验,认为剂量比值设置为6、7、8可能有临床意义。选择2013年4月至2013年10月在河北医科大学第三医院骨科就诊,需进行髋关节DTS检查的患者90例,其中男56例,女34例;年龄24~68岁,平均(34±9)岁,以随机数字表法分入6倍剂量比组(设定剂量比值为6)、7倍剂量比组(设定剂量比值为7)、8倍剂量比组(设定剂量比值为8)3组,每组30例,3组患者年龄、体重指数(BMI)经单因素方差分析检验,差异无统计学意义,具有可比性。所有检查经本院伦理委员会同意,患者均知情同意。

2. 仪器与方法:由美国GE Discovery XR650数字X射线摄影系统进行DTS摄影,平板探测器为碘化铯/非晶硅涂层,探测器尺寸为41 cm×41 cm,3 000像素×3 000像素,像素 大小143 μm,数据采集14 bit。对患者检查前先使用水模对机器进行实测剂量校正,图像剂量报告中的表面入射剂量(ESD)值和剂量面积乘积(DAP)值与实际测定的值偏差在±10％以内^[4]。患者体位为标准双髋关节前后位,X射线入射方向对双侧股骨大转子连线中点垂直入射,源像距(SID)为120 cm,曝光时对非检查部位(颈部、性腺等)进行屏蔽防护。使用机器内设的髋关节摄影条件:80 kV、320 mA、FOV 41 cm×30 cm,应用电离室自动曝光控制系统(AEC)。DTS扫描参数:重建起始高度50 mm,结束高度150 mm,层间距1 mm,采集因子为1,使用固定(FIXED)曝光模式。设置剂量比6、7、8,分别对3组患者进行DTS检查,得到90例DTS图像进行比较分析。

3. 图像质量评价方法: 由两名放射科资深医师对影像质量进行评判,分析图像质量,对每例图像进行评分,所有患者图像以随机数字表法进行编号,对评价者隐瞒患者的基本资料。根据影像质量控制的影像显示标准4分制评分^[5],满分4分的评分标准为:结构影像清晰可见,重要影像细节0.5 mm;股骨颈清晰显示,张力骨小梁、应力骨小梁等清晰可见;近端股骨松质和皮质、大小粗隆清晰显示;髋臼骨质显示清晰,髋臼负重区硬化带及骨小梁清晰可辨,与周围骨质对比良好。

4. 检查剂量评价方法:3组患者进行DTS检查时使用相同的FOV、kV、mA及SID,记录3组患者DTS检查的ESD值和DAP值,对其进行比较。

5. 统计学处理:计量资料数据以x±s表示。用SPSS 13.0统计软件对3组DTS扫描的ESD和DAP值及图像质量评分进行单因素方差分析,以SNK法对组间进行两两比较,P<0.05为差异有统计学意义。观察者间评分一致性比较采用组内相关系数(ICC)进行判断。

1. 观察者评分一致性的判定:观察者间的ICC 为0.92(95% CI 0.88~0.96),观察者内的ICC 为0.91(95% CI 0.86~0.93),可以认为2 名阅片者之间和每名阅片者内的评分具有一致性。

2. DTS检查剂量比较:3组不同剂量比值设定下DTS检查ESD和DAP值的差异有统计学意义(F=10.94、9.45,P<0.05,表 1)。可认为3组的检查剂量有差异。经SNK法对3组进行两两比较,ESD值和DAP值均是6倍剂量比组<7倍剂量比组<8倍剂量比组。

表 1(Table 1)

表 1 不同剂量组患者DTS检查剂量和成像质量的比较(x±s)

表 1 不同剂量组患者DTS检查剂量和成像质量的比较(x±s)

3. 图像质量的比较:3组不同剂量比值设定下图像质量评分的差异有统计学意义(F=139.26,P<0.05,表 1)。可认为3组的图像质量有差异。经SNK法对3组进行两两比较,6倍剂量比组的图像质量低于其他两组,而7倍、8倍剂量比组的图像质量差异无统计学意义,可视为7倍剂量比组和8倍剂量比组的图像质量无差别(图 1)。

图 1(Figure 1)

Fig. 1

图 1 3组不同剂量比设置下髋关节DTS图像 A. 女,34岁,6倍剂量比组图像,髋关节结构影像可见但细节显示不佳,无法清晰观察股骨颈的骨小梁等解剖细节;B. 男,42岁,7倍剂量比组图像,股骨颈的张力骨小梁、应力骨小梁显示清晰,股骨头坏死灶的骨质硬化及小囊变与周围正常骨质对比明显(箭头);C. 男,47岁,8倍剂量比组图像,髋臼的骨小梁稀疏区清晰显示,与周围骨质对比好(箭头),股骨颈的张力骨小梁、应力骨小梁显示清晰

DTS是一项结合了数字平板探测器与传统断层的断面成像技术,可以在一系列低剂量曝光后获取扫描容积内物体的多个角度的投影数据,通过计算机重建得出任意层面的断层图像^[6],并根据成像顺序逐个层面连续显示,使每一层感兴趣层面都能清晰的显示而不受周围组织重叠影响,从而清晰显示被检部位内部结构和周围组织关系。髋关节DTS检查因性腺在其曝光范围之内,根据ALARA(as low as reasonably achievable)原则,应寻求最佳检查剂量来实现低曝光剂量和高图像质量的平衡^[7]。

DTS成像的核心结构为平板探测器,以平板探测器代替了传统断层中的暗盒,通过二维的X射线投影数据重建出三维容积图像,实质上为DR的高级临床应用,因此,DTS的剂量研究应以DR的剂量研究为基础。容积成像(VolumeRAD)是DTS的商业应用(GE Discovery XR650数字化X射线摄影系统,美国),通过一个固定平板探测器采集多幅曝光图像。VolumeRAD图像采集包括两个部分:1跟踪:用于确定曝光设置和患者定位的DR摄影;2断层扫描:当X射线管通过弧形路线运行时,进行多个角度的低剂量曝光。曝光完成后,ESD和DAP作为患者的剂量报道显示在图像的DICOM标题中。剂量比是GE Discovery XR650摄影系统DTS扫描设置中的一个可以调节的参数值,作为倍数参数,基于跟踪剂量(DR摄影剂量)来控制DTS扫描的剂量:髋关节DTS检查时,先对患者髋关节做一次跟踪DR摄影(即拍摄1张髋关节平片),如剂量比设置为5,则意味着随后进行的DTS扫描剂量将为DR摄影的5倍。因为跟踪摄影时使用电离室自动曝光控制系统自动切断曝光过程,自动曝光控制系统可根据不同体型患者的年龄、性别、BMI等提供最佳的DR检查剂量,随后进行的断层扫描剂量是否合理则主要取决于剂量比的设定。在研究中观察到,将跟踪摄影的剂量乘以剂量比后获得的DTS剂量理论值与实际显示的DTS剂量值有轻微的差异,这个差异是由于机器、患者因素等系统误差造成的,剂量比改变时其对应的辐射量和图像质量的改变则不是简单的线性关系。有关DR研究证实:当辐射剂量过低时,生成的影像图像质量也较低;随着剂量的增加,图像质量也随之增加,量变发生质变,当剂量达到某一合理值时,图像质量达到一个满意的水平,随着剂量的增加图像质量不再增加^{[8, 9]}。DTS作为DR的高级应用,也遵循此成像规律。本研究即通过调节剂量比值,来探讨髋关节DTS成像的合理剂量值。

前期进行的的DTS辐射剂量优化研究显示,带有完整软组织人体骨盆标本DTS成像的最佳剂量比为7^[5],以此为参考,本研究设置剂量比6、7、8进行髋关节DTS扫描。当剂量比设定为6倍时,所得图像对比度较7倍和8倍两组差,结构影像可见但细节显示不佳,无法清晰观察股骨颈的骨小梁等解剖细节,对解剖结构只能辨认轮廓,髋臼骨质密度分辨率差,主观感觉图像整体比较模糊,影像透亮度不佳。7倍和8倍剂量比时,髋关节骨质结构影像细节清晰显示,股骨颈的张力骨小梁、应力骨小梁清晰可见,股骨头坏死灶的骨质硬化及小囊变等与周围正常骨质对比明显,髋臼骨质结构可细微显示,骨小梁稀疏处和周围骨质对比良好。3组之中剂量比设定为6倍时的检查剂量最低,但辐射剂量降低的同时影像清晰度也随之降低,与其他两组相比有较大的差别,必然会造成诊断质量的下降。7倍剂量比组的成像质量高于6倍剂量比组而检查剂量低于8倍剂量比组,髋关节DTS检查的剂量比设定为7倍是一个较好的选择。本研究的结论以前期标本实验和本次临床实验为基础,希望能为同行进行DTS低剂量研究提供一个方法上的参考,但本研究最佳剂量比参数值的合理性,还需更大样本的研究数据支持,在随后的研究中应进行多中心研究合作进行验证。

在研究中发现,DTS不同层面所成图像的分辨率是不同的,中心层面和临近中心层面上下一定范围内的层面影像是清晰的,距中心较远层面则比较模糊。分析原因为基于断层成像原理,因为扫描角度的限制,中间层面的图像位移较小,而两侧的图像位移较大,使得两侧的图像产生运动伪影。对于髋关节DTS成像而言,运动模糊多发生在软组织,由于骨组织位于扫描部位的中心,受到运动伪影的影响较小。与CT成像中层厚的概念不同,DTS与平片断层一样,其分层的依据为层间隔:DTS在特定的角度内曝光,得到不同角度的原始图像,计算机以这些采集的图像信息为基础进行数据计算及图像的重建,在需要重建的区域内设定重建图像的间隔,显示不同间隔层面的图像。本研究以1 mm的层间距对病变区域进行薄间隔重建,可以细致的观察病灶在不同层面的影像学表现,起到了类似CT薄层重建的效果。

有多个研究认为DTS的辐射剂量与CT相比有较大优势^{[1, 2, 3, 6]},但其在密度分辨率上的劣势也是客观存在的,作为DR的高级应用,DTS的密度分辨率实质上即是DR的密度分辨率,同样,DTS的空间分辨率与DR的空间分辨率也是一致的,平板探测器3 000×3 000的像素值高于常规CT的512×512,与CT的髋关节冠状重建图像相比,DTS的断层影像上可以清晰显示股骨颈张力骨小梁、应力骨小梁及其走行,对病变的空间定位要比CT直观。

DTS作为一新兴的数字断层成像技术,其扫描参数的优化、临床应用范围的确定等各方面的研究还有待深入。DTS的影像特征介于DR和CT之间,相对于CT的低辐射剂量和相对于DR平片的高质量断层影像是其临床应用价值所在,在实际工作 [LL]中,将髋关节DTS检查的剂量比设定为7,可较好地实现低曝光剂量和高图像质量的平衡,为髋关节诸骨骨折、股骨头坏死等常见疾病的诊断提供了方便快捷的检查手段。