中华放射医学与防护杂志  2017, Vol. 37 Issue (12): 950-956   PDF    
低剂量CT扫描用于胸部肿瘤粒子植入的可行性研究
郭妍妍1 , 霍彬2 , 程俊敏1 , 曹强2 , 霍小东2 , 周雪丽1 , 柴树德3 , 王海涛2 , 王俊杰4     
1. 300211 天津医科大学第二医院放疗科;
2. 300211 天津医科大学第二医院肿瘤科;
3. 300211 天津医科大学第二医院胸外科;
4. 100191 北京大学第三医院肿瘤放疗科
[摘要] 目的 探讨在粒子植入过程中降低扫描条件进行手术的可行性。方法 使用GE Lightspeed RT大孔径CT,分别使用120、100和80 kV,初始毫安数为150 mA,以20 mA的间隔递减至10 mA的扫描条件组合对GEMS模体和包含不同密度组织替代物的062 M模体进行扫描。对扫描剂量进行记录,测量图像感兴趣区的CT值、噪声值,计算信噪比(SNR)值和对比噪声比(CNR)值,评估图像质量,优化出较为适合的扫描条件。结果 随着管电压和管电流的降低,图像的信噪比降低。除120 kV,150~70 mA及100 kV,150~90 mA,其余条件下图像的SNR与标准图像差异有统计学意义(t=-12.710~3.717,P < 0.05)。随着管电压和管电流的降低,对比度差异较小的相邻组织的对比噪声比显著降低,当对比噪声比降到2以下时,图像质量过低无法评估。降低管电压和管电流对CT图像的高对比分辨力影响不大。结论 综合实验结果,使用管电压100 kV,管电流70 mA的扫描条件进行扫描时,其图像质量接近标准参数扫描图像。在粒子植入过程中,除第1次扫描外使用标准胸部扫描条件外,其余在反复扫描同一区域时可降低条件至100 kV,70 mA进行扫描,可使患者每次扫描接受的辐射剂量大幅下降。
[关键词] 低剂量CT     粒子植入     辐射剂量     图像质量    
The feasibility study of low-dose CT scanning in chest tumor with 125Ⅰ radioactive seed implantation
Guo Yanyan1, Huo Bin2, Cheng Junmin1, Cao Qiang2, Huo Xiaodong2, Zhou Xueli1, Chai Shude3, Wang Haitao2, Wang Junjie4     
1. Department of Radiotherapy, Second Hospital of Tianjin Medical University, Tianjin 300211, China;
2. Department of Oncology, Second Hospital of Tianjin Medical University, Tianjin 300211, China;
3. Department of Thoracic Surgery, Second Hospital of Tianjin Medical University, Tianjin 300211, China;
4. Department of Radiation Oncology, Peking University Third Hospital, Beijing 100191, China
Fund programs: National Natural Science Foundation of China (81572543); Natural Science Foundation of Tianjin(15JCYBJC28400)
Corresponding author: Wang Haitao, Email:peterrock@126.com
[Abstract] Objective To investigate the feasibility of reducing CT scanning dose in the process of 125I radioactive seed implantation. Methods GEMS phantom and 062 M phantom were scanned using GE Lightspeed RT large hole CT with 120 kV, 100 kV and 80 kV separately, and 150-10 mA (20 mA decreased progressively). The scanning dose, CT value and noise of the region of interest were recorded and the image quality was evaluated. Image signal-to-noise ratio (SNR) and contrast to noise ratio (CNR) values were calculated. Results With the decreasing of tube voltage and current, the SNR values were reduced accorgingly. The values had significant difference with those of standard images except the images acquired with 120 kV, 150-70 mA and 100 kV, 150-90 mA (t=-9.294-3.717, P < 0.05). With the decreasing of the tube voltage and current, the CNR decreased significantly. The image quality was too low to evaluate while CNR lower than 2. The high contrast resolution of the CT images were not affected obviously with the tube voltage and current lowering. Conclusions In the process of 125Ⅰ radioactive seed implantation, it is feasible to choose lower tube voltage and tube current (100 kV, 70 mA) to scan the same area repeatedly except for the first scan with standard chest scanning parameters. The patient radiation dose has fallen dramatically.
[Key words] Low-dose CT     125Ⅰ radioactive seed implantation     Radiation dose     Image quality    

CT引导放射性125Ⅰ粒子植入治疗实体肿瘤时,需要对患者的病灶部位进行反复的扫描,以观察进针位置和粒子排布情况。在扫描过程中如何在不影响图像质量的前提下降低患者的辐射剂量成为临床特别关注的问题[1]。降低管电压和管电流是降低辐射剂量的主要方式。本研究旨在探讨低管电压和管电流在CT引导放射性125Ⅰ粒子植入临床应用的可行性。

CT图像是由一定数目不同灰度的像素按矩阵排列,是人体组织器官对X射线吸收系数程度的反映。降低管电压和管电流会影响CT图像质量。CT图像质量的客观评判因子有信噪比(SNR)、空间分辨力和密度分辨力,以及均一性等。图像质量主要受到SNR的影响,而噪声又是密度分辨力的主要限制因素,密度分辨力又与空间分辨力相互制约。CT图像质量控制是CT扫描仪质量控制的重要组成部分,它包括对专用模体图像进行扫描测量。根据合理、可接受的尽可能低(ALARA)的辐射原则[2],对CT的使用应根据实际要求进行优化, 以期达到合理的辐射控制。

材料与方法

1.设备:本实验使用美国GE公司Lightspeed RT大孔径CT,GEMS模体(美国GE公司)以及包含不同密度组织替代物的062 M模体(美国CIRS公司)。

2.扫描条件:将GEMS模体(均匀水模体)用连接托架固定在CT床头,分别以120、100和80 kV,初始管电流为150 mA,以后以20 mA的间隔递减至10 mA的扫描条件进行扫描,层厚固定5 mm,螺距为0.75 :1,重建方式选为标准软组织重建。以同样方式扫描摆放在床上的062 M模体。

3.扫描参数记录:记录使用不同扫描条件扫描GEMS水模体的容积CT剂量指数(volume CT dose index,CTDIvol)值和剂量长度乘积(dose-length product,DLP)值。CTDIvol=CTDI/螺距。

记录不同扫描条件GEMS水模体图像的信号噪声比SNR=CT/SD。分别测量水模体图像上、下、左、右和中间感兴趣区(region of interest, ROI)的CT值和噪声值,ROI取180 mm2,计算水模体的SNR值[3]。以120 kV、90 mA条件图像的SNR值为基准,其余图像的数值分别与之相比较。

分别在不同扫描条件下,对GEMS模体的低对比度分辨力模块进行扫描,对图像中圆孔的CT值和圆孔周围背景的CT值以及噪声值进行测定。计算对比噪声比CNR=SNR-SNR背景[4]

分别在不同扫描条件下,对GEMS模体的高对比度分辨力模块进行扫描。线宽宽度和背景的CT值差异可以达到120 HU,模块中不同规格线对的宽度分别为1.6、1.3、1.0、0.8、0.6和0.5 mm。测量图像上线对的宽度。

分别在不同扫描条件下对062 M模体进行扫描。测定图像中肺、肌肉、脂肪和骨的组织替代模块的CT值和噪声值。分别计算肌肉相对水,脂肪相对水,骨相对水和肺相对水的CNR值。

4.统计学处理:采用SPSS 22.0软件进行统计学分析。图像SNR数据用x±s表示。对不同扫描组合条件下GEMS水模体图像的信号噪声比与标准胸部扫描条件扫描的结果经正态性检验近似符合正态分布,进行独立样本t检验。P<0.05为差异有统计学意义。

结果

1.不同扫描条件对辐射剂量的影响:表 1为不同组扫描条件下的扫描剂量。由表 1可见,相同管电流下100 kV管电压的CTDIvol和DLP值比120 kV的CTDIvol和DLP下降39%。80 kV管电压的CTDIvol和DLP值比100 kV的CTDIvol和DLP下降47%。相同管电压下,降低管电流也可降低扫描的CTDIvol和DLP值。管电压对辐射输出剂量的影响比管电流大。

表 1 不同扫描条件下的辐射剂量 Table 1 Radiation doses under different scanning conditions

2.不同扫描条件下图像的信号噪声比分析:表 2为不同扫描条件下GEMS水模体图像的信号噪声比。结果可以看出,120 kV、150~70 mA,100 kV、150~90 mA条件下图像的SNR没有显著差别。信噪比值越大,噪声越小,图像质量越好。噪声与各个体素吸收的辐射总量呈负相关,降低患者的辐射剂量会增加图像噪声,影响图像质量。

表 2 不同扫描组合条件下GEMS模体图像SNR比较(x±s) Table 2 The comparison of SNR of the GEMS phatom under different scanning combination conditions(x±s)

3.不同扫描条件对图像低对比度分辨力的影响:图 1显示了分别以120、100 kV,150、110、70 mA的组合扫描条件扫描的GEMS模体低对比度分辨力模块的图像结果。图 2为不同扫描条件下GEMS模体低对比度分辨力图像中圆孔(水)相对背景(聚苯乙烯)的对比噪声比。背景CT值为(16.65±1.45)HU,孔内为水的CT值,图像显示了不同管电压和管电流条件下的扫描图像分辨出背景上的圆孔结构的能力。随着管电压和管电流的降低,噪声变大,圆孔图像边缘逐渐模糊。圆孔相对背景的CNR值随管电压和管电流的降低而减小,改变管电压值对低对比图像影响较大。在CNR<2时,圆孔的边界难以分辨。

图 1 不同管电压管电流组合扫描的GEMS模体低对比度分辨力模块的图像 Figure 1 Low contrast resolution module of GEMS phatom with different combined scanning conditions

图 2 不同扫描条件下GEMS模体圆孔(水)相对背景(聚苯乙烯)的对比噪声比 Figure 2 CNR of circular hole (water) to the background(polystyrene) with different combined scanning conditions

4.不同扫描条件对图像高对比度分辨力的影响:表 3为不同扫描条件下GEMS模体高对比度分辨力图像的线宽宽度测量结果。图 3为分别以120、100 kV,150、110、70 mA的组合扫描条件扫描的GEMS模体高对比度分辨力模块的图像结果。可以看出管电压和管电流的降低,对高对比度分辨力即CT值差异大的细微结构显示的影响不大,小于低对比分辨力。

表 3 不同扫描条件下GEMS模体高对比度分辨力图像的线宽宽度测量结果(mm) Table 3 The measuring width of line for the high contrast resolution image of the GEMS phatom under different scanning conditions

图 3 不同管电压管电流组合扫描GEMS模体高对比度分辨力模块的图像 Figure 3 High contrast module of GEMS phatom with different combined scanning conditions

5.不同扫描条件对图像不同密度影像对比度的影响:图 4为不同管电压管电流组合扫描062 M模体的CT图像结果。图 5显示了不同扫描条件下062 M模体不同组织替代物与背景水的对比噪声比。降低管电压和管电流对肌肉组织[测量CT值为(52.17±1.63)HU]CNR值影响比较显著。其余组织随着扫描条件降低的影响较小。表 4为不同扫描条件下测量的062 M模体肌肉组织模块和骨组织模块的面积。可以看出,图像的空间分辨力随管电压和管电流值的改变而受到的影响。实际模块面积为706.84 mm2,随着管电压和管电流的降低测量,测量值变大,边界逐渐模糊如图 4所示。在100 kV,10 mA和80 kV,30、10 mA条件下,肌肉组织边界与背景难以区分,无法测量。

图 4 不同管电压管电流组合扫描062 M模体的图像 注:红色圆圈为测量模体中肌肉组织和骨组织的面积。圆圈内灰色部分代表肌肉组织,白色为骨组织 Figure 4 The image of 062 M phatom with different combined scanning conditions

图 5 不同扫描条件下062 M模体的不同密度组织替代物相对水的对比噪声比A.肌肉;B.脂肪;C.骨;D.肺 Figure 5 CNR of tissue substitutes for different densities to water with different scanning conditions A. muscle; B. fat; C. bone; D. lung

表 4 不同扫描条件下062 M模体肌肉组织模块和骨组织模块的面积(mm2) Table 4 The area of muscle tissue module and bone tissue module of 062 M phatom under different scanning conditions(mm2)

讨论

本研究用降低CT扫描参数管电流和管电压的方式降低患者受到的辐射剂量。这会增加图像噪声,影响图像质量。尤其降低管电压,会影响X射线质,增加高密度组织的CT值。这是由于CT成像原理主要是利用光子和人体发生光电效应来实现的。人体对射线的线性衰减系数是体内不同组织器官具有不同大小的CT值的关键。线性衰减系数主要受人体组织器官的有效原子序数和射线能量的影响。但是由于噪声的增加,相邻组织的CNR值依然会减小。降低管电压对空间分辨力的影响较小,对密度分辨力的影响比较显著。适当的降低扫描条件,降低信噪比要求,临床上是可以接受的[5]

肺癌粒子植入手术,会对病灶部分进行反复扫描。扫描区域内正常肺组织和女性的乳腺易受到CT辐射的损伤[6]。由于胸部的CT图像中主要组织结构有骨、肺、肌肉、脂肪和血管等组织结构。这些组织的CT值范围一般为:骨(150~1 000 HU)、肺(-900~-500 HU)、肌肉(40~75 HU)、脂肪(-90~-15 HU)和血管(20~50 HU)。可以看出肺组织内图像对比较大,降低扫描条件对其图像观察影响不大。但是肺癌的CT值与肌肉和血管的CT值比较接近[7],降低扫描条件会造成的感兴趣区由于图像质量下降呈现的边缘模糊。

容积剂量指数用来描述患者的扫描剂量,与患者吸收剂量不同。扫描剂量是机器出厂时,生产商用32body模体进行测试的输出剂量,不同的CT性能不同,得到的结果也有差异。患者吸收剂量受到很多因素影响,如患者的体厚、体重指数(BMI)。在两个患者扫描条件相同的情况下,小体积的患者较大体积的患者会受到更大的剂量[2, 8]。美国医学物理学家协会(AAPM)第204号报告推荐对不同体厚的患者使用不同的管电流进行扫描,以减少体厚较小的患者受到的辐射剂量[1]。有学者就不同体重指数对胸部CT扫描的影响进行了分析研究,发现根据体重指数选择管电流值对图像质量影响不大,但可以使患者受到的有效剂量大大降低[9]。本研究局限于所使用的模体不能完全模拟人体的组织解构,所得数据和结论仍需临床的验证。

此外,CT成像的多种参数都会影响CT的辐射剂量[10]。通常降低管电压(kV),减少旋转时间以及减少管电流(mA),增大螺距等都可以减少辐射剂量[11]。另外, 一些功能和方法的合理应用也可以减少辐射剂量,如重建算法的优化[12]和合理的扫描体位[13]等。此外扫描次数对辐射剂量的影响很大,如患者肿瘤体积较大;肿瘤位置靠近肋骨,需要通过钻骨进入肿瘤的,会增加手术难度;手术医生操作的熟练程度等。这些情况都会增加扫描次数。另外,不同诊疗目的对辐射剂量的要求也不尽相同,根据肿瘤的位置和患者的体积来筛选扫描条件,如个体化选择管电流或管电压的自动调制方式[14-16],在临床上的应用具有优越性。

综合考虑各个扫描条件图像的信号噪声比、对比噪声比结果以及辐射剂量值,本研究考虑选择100 kV,70 mA作为临床应用的条件。该条件下的图像信噪比虽然与标准参数扫描图像有明显差异,但是由实验结果显示,管电压100 kV,管电流70 mA的扫描条件在降低图像信噪比要求的同时,可以保证图像空间分辨率、密度分辨率和观察效果接近使用标准胸部扫描条件扫描的效果。在粒子植入手术中除首次扫描使用标准扫描条件外,其余在反复扫描同一区域时可降低条件至100 kV,70 mA进行扫描,可使患者每次扫描接受的辐射剂量及总剂量大幅下降。这个条件的确定依赖于CT机的性能和稳定性,推荐临床科室在用模体确定好图像噪声、信噪比和分辨力等图像质量后,再行确定适合自己科室CT机的扫描条件,其实际临床应用仍需要进一步研究。

志谢 中国北方放射性粒子多中心协作组(CNRBG)在本研究中给予帮助
利益冲突 本研究过程中,作者与其他单位或个人无影响结果和财务关系,在此对研究的独立性和科学性予以保证
作者贡献声明 郭妍妍负责构思、实验设计、数据整理与分析、收集文献和论文撰写;霍彬、柴树德、王海涛负责指导论文修改;程俊敏、曹强、霍小东、周雪丽负责实验数据整理及统计分析
参考文献
[1]
Nakajo C, Heinzer S, Montandon S, et al. Chest CT at a dose below 0.3 mSv:impact of iterative reconstruction on image quality and lung analysis[J]. Acta Radiol, 2016, 57(3): 311-317. DOI:10.1177/0284185115578469
[2]
Li B, Behrman RH. Comment on the "report of AAPM TG 204:size-specific dose estimates (SSDE) in pediatric and adult body CT examinations"[report of AAPM TG 204, 2011][J]. Med Phys, 2012, 39(7): 4613-4614. DOI:10.1118/1.4725756
[3]
Torfeh T, Beaumont S, Guédon JP, et al. Software tools dedicated for an automatic analysis of the CT scanner quality control images[J]. Med Imaging, 2007, 65104G. DOI:10.1117/12.707343
[4]
Baker ME, Dong F, Primak A, et al. Contrast-to-noise ratio and low-contrast object resolution on full-and low-dose MDCT:SAFIRE versus filtered back projection in a low-contrast object phantom and in the liver[J]. AJR Am J Roentgenol, 2012, 199(1): 8-18. DOI:10.2214/AJR.11.7421
[5]
秦维昌, 亓恒涛, 王巍. 接受适度噪声[J]. 中华放射学杂志, 2009, 43(7): 677-678.
Qin WC, Qi HT, Wang W. To accept the moderate noise[J]. Chin J Radiol, 2009, 43(7): 677-678. DOI:10.3760/cma.j.issn.1005-1201.2009.07.001
[6]
冀晓东, 葛夕洪, 沈文. 三种胸部CT检查方式对女性乳腺受照剂量的影响[J]. 中国辐射卫生, 2014, 23(4): 337-339.
Ji XD, Ge XH, Shen W. The effect of three kinds of chest CT examination on the dose of female breast[J]. Chin J Radiol Health, 2014, 23(4): 337-339. DOI:10.13491/j.cnki.issn.1004-714x.2014.04.020
[7]
张文, 于长海, 李英杰, 等. 肺癌CT值与肿瘤分化程度、病理类型及淋巴转移相关性的临床研究[J]. 临床肺科杂志, 2011, 16(10): 1554-1555.
Zhang W, Yu CH, Li YJ, et al. The study of relationship between CT value of lung cancer with its differenciation, pathological type and lymphnode metastasis[J]. J Clin Pulm Med, 2011, 16(10): 1554-1555. DOI:10.3969/j.issn.1009-6663.2011.10.036
[8]
Gabusi M, Riccardi L, Aliberti C, et al. Radiation dose in chest CT:Assessment of size-specific dose estimates based on water-equivalent correction[J]. Phys Med, 2016, 32(2): 393-397. DOI:10.1016/j.ejmp.2015.12.008
[9]
李亚林, 王巍, 马振申, 等. 体重指数(BMI)在宝石能谱CT胸部低剂量扫描中的应用价值[J]. 中国CT和MRI杂志, 2014, 12(7): 43-45.
Li YL, Wang W, Ma ZS, et al. Application value of BMI in chest low dose scanning of gem energy spectrum CT[J]. Chin J CT MRI, 2014, 12(7): 43-45. DOI:10.3969/j.issn.1672-5131.2014.07.14
[10]
白玫, 郑钧正. 多排(层)螺旋CT的辐射剂量表达及其影响因素探讨[J]. 辐射防护, 2008, 28(1): 1-12.
Bai M, Zheng JZ. Radation dosimetry and its influncing factors for the multi-detector/slice spiral CT[J]. Radiat Prot, 2008, 28(1): 1-12.
[11]
McCollough CH, Primak AN, Braun N, et al. Strategies for reducing radiation dose in CT[J]. Radiol Clin North Am, 2009, 47(1): 27-40. DOI:10.1016/j.rcl.2008.10.006
[12]
Vardhanabhuti V, Loader RJ, Mitchell GR, et al. Image quality assessment of standard-and low-dose chest CT using filtered back projection, adaptive statistical iterative reconstruction, and novel model-based iterative reconstruction algorithms[J]. AJR Am J Roentgenol, 2013, 200(3): 545-552. DOI:10.2214/AJR.12.9424
[13]
Niu Y, Wang Z, Liu Y, et al. Radiation dose to the lens using different temporal bone CT scanning protocols[J]. AJNR Am J Neuroradiol, 2010, 31(2): 226-229. DOI:10.3174/ajnr.A1807
[14]
曹国全, 蔡志敏, 陈勇春, 等. 低管电压联合迭代重建算法对胸部CT血管造影图像质量及辐射剂量的影响[J]. 中华放射医学与防护杂志, 2015, 35(5): 393-396.
Cao GQ, Cai ZM, Chen YC, et al. Influence of low tube voltage in combination with simultaneous iterative reconstruction algorithm on image quality and radiation dose in thoracic CT angiography:a chest phantom study[J]. Chin J Radiol Med Prot, 2015, 35(5): 393-396. DOI:10.3760/cma.j.issn.0254-5098.2015.05.020
[15]
王晓华, 张艳, 袁慧书. 自动管电压调制技术参考毫安秒对胸部CT平扫图像质量和辐射剂量的影响[J]. 中华放射学杂志, 2015, 49(3): 179-182.
Wang XH, Zhang Y, Yuan HS, et al. Effect of reference mAs in CARE kV technique on image quality and radiation dose in unenhanced chest CT[J]. Chin J Radiol, 2015, 49(3): 179-182. DOI:10.3760/cma.j.issn.1005-1201.2015.03.005
[16]
王明月, 董军强, 高剑波, 等. 器官剂量调制技术在女性胸部CT成像中对乳腺的保护作用[J]. 中华放射医学与防护杂志, 2016, 36(7): 530-533.
Wang MY, Dong JQ, Gao JB, et al. Organ dose modulation in chest CT scan in female:protection of breasts[J]. Chin J Radiol Med Prot, 2016, 36(7): 530-533. DOI:10.3760/cma.j.issn.0254-5098.2016.07.011