2018, Vol. 38
为了降低CT受检者的辐射剂量[1]。相关研究人员探讨了很多方法，如自动管电流调制技术、不同重建算法、不同体位设计等，低管电压技术也是研究热点之一。有学者提出降低管电压的方法适用于CT血管成像检查[2-3]，不仅降低X射线的辐射剂量，提高对比度，还可以减少对比剂的用量。还有学者使用低管电压联合迭代算法，获得了更优的图像质量[4]。但是，随着管电压的降低和CT剂量指数下降，受检者的体表入射剂量是否也相应降低，值得研探。理论上讲，射线能量越低，光电效应的概率越大，CT扫描中人体表浅的辐射敏感器官如眼晶状体、甲状腺、乳腺等器官剂量可能会有一定程度增加。为了验证这一效应，本研究使用不同管电压对头颈部模体和胸部模体进行扫描，探讨管电压对受检者辐射剂量、表浅敏感器官剂量及影像质量的影响。
材料与方法1.仪器与材料：德国Siemens Somatom Definition Flash CT机；头颈部模体为美国CIRS公司711-HN头部诊断模体；胸部模体为日本岛津公司PBU-2成人胸部拟人模体；北京合悦达科技有限公司热释光剂量计(TLD)，RGD-3B热释光仪，刻度系数为0.894；荷兰Philips Extended Brilliance后处理工作站。
2.参数采集
(1) 头颈部模体：水平线位于外耳孔水平。定位像采集方式：侧位，探测器宽度为128× 0.6 mm，螺距为0.6，旋转时间为1.0 s，扫描野(FOV)为240 mm。应用自动管电流调制技术(CARE Dose 4D)，应用自动管电压调制技术(CARE kV)，参考管电压为120 kV，质量参考管电流为125 mAs；关闭CARE kV，管电压手动选择70、80、100、120和140 kV，参考管电流为125 mAs。TLD放置于眼球表面，左右各1个。
(2) 胸部模体：水平线位于腋后线水平。定位像采集方式：后前位+侧位，探测器宽度为128×0.6 mm，螺距为1.0，旋转时间为0.5 s，FOV为360 mm。应用CARE Dose 4D，应用CARE kV，参考管电压为120 kV，质量参考管电流为110 mAs；关闭CARE kV，管电压手动选择70、80、100、120和140 kV，参考管电流为110 mAs。TLD放置于乳腺表面，左右各1个。
3.图像分析：将所有扫描图像传输至荷兰Philips Extended Brilliance后处理工作站。头颈部模体在眼眶中心及C5椎体上缘层面选取2个圆形感兴趣区(ROI)，一个为密度均匀的软组织区域作为信号区，另一个是背景区，面积为200 mm2，计算对比噪声比(CNR)。胸部模体在肺尖及气管分叉处层面选取2个圆形ROI，感兴趣区选择条件与头颈部模体选择条件相同，面积为400 mm2，计算CNR，方法为：分子为信号区与背景区的平均CT值差值，分母为信号区标准差的平方与背景区标准差的平方之和的1/2次方。
4.剂量记录：用TLD测量各组扫描的眼晶状体和乳腺的辐射剂量(定位像扫描取3次测量的平均值)。定位像和螺旋扫描分别记录，再计算累积值。
记录机器上自动生成的容积CT剂量指数(CTDIvol)、管电流，定位像和螺旋扫描分别记录，再计算CTDIvol累积值。
5.品质因数(FOM)：FOM作为指标，其值是用于衡量图像质量和辐射剂量利益最优化的情况。FOM越大，则优化越好；反之，FOM越小，优化越差。FOM计算方法：CNR的平方与CTDIvol的比值。
结果1.头颈部模体扫描：定位像扫描时，CTDIvol和眼晶状体辐射剂量分别为0.090和0.048 mGy。手动管电压模式：CTDIvol累积值选择70 kV时最小(4.070 mGy)，140 kV时最大(25.670 mGy)；眼晶状体辐射剂量累积值选择70 kV时最小(0.779 mGy)，140 kV时最大(2.571 mGy)(表 1)。CNR值在眼眶和C5椎体上缘层面分别为51.30~118.36和80.78~173.12。FOM在眼眶层面80 kV最大，在C5椎体上缘层面120 kV最大，其范围分别为547.65~855.61和1 167.77~1 698.92(表 2)。自动管电压模式：管电压自动选择为120 kV，CTDIvol值为15.380 mGy，眼晶状体辐射剂量为2.037 mGy(表 1)。CNR值在眼眶和C5椎体上缘层面分别为100.64和162.30。FOM在眼眶和C5椎体上缘层面分别为658.54和1 712.70(表 2)。
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表 1 不同管电压时头颈部CTDIvol值和眼晶状体辐射剂量 Table 1 CTDIvol and eye lens dose of head-neck CT at different kVs |
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表 2 不同管电压时头颈部各层面的对比噪声比和品质因数 Table 2 CNRs and FOMs in different slices of head-neck phantom at different kVs |
2.胸部模体扫描：定位像扫描时，CTDIvol和乳腺辐射剂量分别为0.280和0.237 mGy。手动管电压模式：CTDIvol选择70 kV时最小(0.900 mGy)，140 kV时最大(7.400 mGy)；乳腺辐射剂量选择70 kV时最小(0.698 mGy)，140 kV时最大(3.452 mGy)(表 3)。CNR值在肺尖和气管分叉层面分别为50.15~129.58和49.63~115.40。FOM在肺尖和气管分叉层面都是70 kV最大，其范围分别为2 192.94~4 056.83和1 870.39~3 972.73(表 4)。自动管电压模式：管电压自动选择为80 kV，CTDIvol值为3.540 mGy，乳腺辐射剂量为4.799 mGy(表 3)。CNR值在肺尖和气管分叉层面分别为97.41和75.90。FOM在肺尖和气管分叉层面分别为2 910.65和1 767.12(表 4)。
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表 3 不同管电压时胸部CTDIvol值和乳腺辐射剂量 Table 3 CTDIvol and mammary gland dose of chest CT at different kV |
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表 4 不同管电压时胸部各层面对比噪声比和品质因数 Table 4 CNRs and FOMs in different slices of chest phantom at different kV |
讨论
选择不同管电压行头颈部CT扫描时，CTDIvol、眼晶状体辐射剂量及眼眶中心和C5椎体上缘层面的CNR值都是随着管电压的增大而增大。但是，在管电压不断增大的过程中，实际的管电流值变化不大，以预设参考值125 mAs为基准上下浮动，其浮动范围 < 12%，由此可见管电流对辐射剂量和图像质量的影响远远不及管电压变化所带来的影响大。FOM在眼眶层面时80 kV最大，在C5椎体上缘层面时120 kV最大，这是手动选择管电压时图像质量与辐射剂量最优化的管电压值。采用自动管电压调制时，管电压自动选择120 kV。在眼眶层面，自动120 kV与手动80 kV相比，CTDIvol和眼晶状体辐射剂量分别增加186%、44%，CNR提高了50%，FOM降低了23%。自动120 kV与手动100 kV相比，CTDIvol和眼晶状体辐射剂量分别增加40%、10%，CNR仅增加约13%，FOM降低约9%，由此可见，虽然自动120 kV时图像质量好，但辐射剂量也大幅增加，并且品质因数低，所以在常规CT扫描中，眼眶区域推荐手动100 kV。手动80 kV则适用于对于图像质量要求不高，又可大幅降低患者辐射剂量的CT血管成像检查。在C5椎体上缘层面，自动120 kV与手动120 kV相比，CTDIvol和眼晶状体辐射剂量分别降低13%、6%，CNR值降低6%，FOM增加1%，所以颈部区域的常规CT扫描推荐自动120 kV。
选择不同管电压行胸部CT扫描时，CTDIvol、乳腺辐射剂量及肺尖和气管分叉层面的CNR值同样也是随管电压增大而增大。但与头颈部模体不同的是，实际管电流值并没有围绕参考管电流110 mAs波动，而是随着管电压的增加而增加，从70 kV的50 mAs变化到140 kV的72 mAs。分析其原因可能是由于自动管电流调制技术中的Z轴调制技术，因胸部模体的前后径及左右径相差较大，而最后的管电流数值实际为扫描范围内各层管电流值的平均值，所以实际管电流与参考管电流差异较大。FOM在肺尖和气管分叉层面都是70 kV时最大，其次是100 kV，100 kV与70 kV相比，CNR值在肺尖层面高出74%、在气管分叉层面更是高出90%，70 kV图像质量较低，对于常规胸部CT扫描100 kV更适合，这是手动管电压模式时图像质量与辐射剂量的最优化值。采用自动管电压调制时，管电压自动选择80 kV。自动80 kV的参考管电压设置的是120 kV，实际扫描时设备会根据预设管电压进行自动调制[5]，自动80 kV与手动80 kV和手动120 kV相比，CTDIvol和CNR值都是介于两者之间，但是由于自动调制技术作用，乳腺层面mA在自动80 kV、手动80 kV和手动120 kV时分别为266、83和119 mA，使得自动80 kV的乳腺剂量远高于手动管电压模式。自动80 kV与手动最优化的100 kV相比，CTDIvol和乳腺剂量分别高出22%、112%，CNR值在肺尖层面升高11%，在气管分叉层面降低了19%，FOM在肺尖和气管分叉层面分别降低1%、48%，所以推荐手动100 kV行常规胸部CT扫描。在多数研究中，如主动脉、肺动脉及冠状动脉CT血管成像检查中，都会选择100 kV和80 kV进行对比[6-8]。本研究显示，手动100 kV与手动80 kV相比，CTDIvol和乳腺辐射剂量分别高出113%、82%，CNR值在肺尖层面高出70%，在气管分叉层面高出60%。由此可见，手动80 kV时辐射剂量会大幅下降，但图像质量也会明显下降，所以与头颈部实验相同，手动80 kV多用于CT血管成像检查中。通过本实验还可看出，手动70 kV与手动80 kV相比，CTDIvol和乳腺辐射剂量分别降低51%、78%，而图像质量在肺尖层面仅降低3%，在气管分叉层面降低19%。手动70 kV可以进一步大幅降低辐射剂量，但图像质量并无明显下降。那么在CT血管成像检查中，就可选用70 kV来进一步降低患者辐射剂量，但是70 kV的相关研究较少[9-10]，操作人员担心图像质量无法满足临床需求。随着CT检查设备的不断更新，图像重建算法的升级，应进一步探讨70 kV用于CT检查的可行性。
综上所述，对于常规CT扫描，手动100 kV适合眼眶区域扫描，自动120 kV适合颈部区域扫描，手动100 kV适合胸部扫描。在进行CT检查时，应在明确临床检查目的的前提下，进一步选择出适宜的管电压以及其他相关扫描参数。比如对于特定人群如年轻女性的胸部CT扫描，就应选择降低乳腺剂量的合理管电压和相关参数。这样才能更好地贯彻可合理达到尽可能低(ALARA)原则[1]，这也是每名放射工作人员的重要责任。
由于本实验进行的是模体研究，其组织结构与人体结构存在差异，因此对于射线的衰减存在一定的差异，其研究结果还有待进一步临床验证。本研究中的FOM值分母是CTDIvol值，反映的是整个头颈部或胸部模体的最优化情况，而并非针对表浅敏感器官的最优化选择。
利益冲突 本研究所有作者均于投稿前阅读并认可研究内容，不存在任何潜在利益冲突，排名无争议；本人与本人家属、其他研究者，未接受任何不正当的职务或财务利益，对研究的独立性和科学性予以保证作者贡献声明 刘丹丹负责数据整理、结果分析、论文撰写；崔莹负责数据采集和图像处理；赵波和张永县负责图像数据的测量和整理；牛延涛负责研究设计、论文修改、指导论文写作
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