2020, Vol. 40
2. 浙江省人民医院杭州医学院附属人民医院放射科, 310014;
3. 杭州晟视科技有限公司, 311100
2. Department of Radiology, Zhejiang Provincial People's Hospital, People's Hospital of Hangzhou Medical College, Hangzhou 310014, China;
3. Shengshi Technology, Co., Ltd, Hangzhou 311100, China
伴随CT技术的发展和心血管病患病率的攀升，CT冠状动脉成像(CCTA)的检查数量持续递增，由此而产生的辐射风险引起业界的持续关注[1-3]。当前描述辐射剂量的指标通常为容积CT剂量指数(CTDIvol)与剂量长度乘积(DLP)。两个指标也通常用于扫描协议的制定和影像质量管理[4-5]。但CTDIvol基于标准体模，并未考虑患者因素对辐射剂量的影响，其结果与受检者的体型无关[6-7]，将其用于估算受检者的辐射剂量存在不确定性。DLP则是基于CTDIvol与扫描长度的乘积，也不能准确客观地反映患者所接受的辐射剂量。为此，美国医学物理学家学会(AAPM)以有效直径(deff)和水等效直径(dw)定量患者体型特征，提出了体型特异性剂量估算值(SSDE)的概念[6-7]。SSDE将患者的体型纳入其中，适合估算各种体型受检者CT检查的辐射剂量。相较于deff而言，基于横断面图像的dw测量过程耗时且计算较为复杂，但其弥补了deff缺乏组织衰减特征的不足[8-9]。研究表明，体质量指数(BMI)与deff正相关，但与dw的相关性尚未明确[10-11]。本研究拟建立BMI与dw的相关性，通过扫描前预计算的SSDE制定CCTA扫描方案，并探讨其可行性。
资料与方法1.模型病例一般资料：在2018年3月至2018年至5月，回顾性收集衢州市人民医院拟诊冠状动脉粥样硬化性心脏病而行CT冠状动脉成像(CCTA)患者作为模型病例，用于建立BMI与dw的回归方程。纳入标准：年龄＞18岁；心率≤ 65次/min。排除标准：冠状动脉金属支架植入术；机械瓣膜置换手术史；冠状动脉旁路移植术；扫描区域体表金属异物；明确的碘过敏史、肝肾功能不全。模型病例共90例，其中男性54例，女性36例，年龄33~87岁，平均年龄(63.00±11.77)岁；BMI为15.56~29.41 kg/m2，平均(23.29±2.98) kg/m2；dw为18.62~30.16 cm，平均(24.23±2.32)cm。
2.患者基线资料与分组：前瞻性收集2018年12月至2019年1月CCTA检查的患者67例，男34例，女33例，年龄24~80岁，平均年龄(60.57±10.98)岁；BMI为16.61~29.07 kg/m2，平均(22.88±2.87) kg/m2；dw为19.94~27.96 cm，平均(23.98±1.85)cm。纳入和排除标准与模型病例相同。按随机数表法将病例列入对照组和试验组。对照组32例，以CTDIvol为基础参数设定扫描方案；试验组35例，以SSDE为基础参数设定扫描方案。两种扫描方案预置的目标辐射剂量均为模型病例CTDIvol的上四分位数。两组患者临床基线资料差异均无统计学意义(P>0.05)。
3.SSDE计算：计算SSDE值的公式如下:
| $ \begin{array}{c} f=4.378094 \times \exp \left(-0.04331124 \times d_{\mathrm{w}}\right) \end{array} $ | (1) |
| $ \operatorname{SSDE}=f \times \mathrm{CTDI}_{\mathrm{vol}} $ | (2) |
公式(1)，f为体型转换因子，dw为水等效直径。公式(2)SSDE为体型特异性剂量估算值，CTDIvol为结构性剂量报告显示的容积CT剂量指数。
4.成像方案：使用日本佳能Aquilion ONE ViSON320排容积CT。患者心率≤65次/min。CCTA均采用前瞻性心电触发技术，采集时相73%~77% R-R间期。BMI＜24.0 kg/m2患者管电压为100 kV, BMI≥24.0 kg/m2为120 kV，机架转速0.275 s/周，探测器组合别为(240 × 0.5)、(256 × 0.5)、(280 × 0.5)和(320 × 0.5) mm，扫描范围为气管隆突下1 cm至心脏膈面，扫描视野为320 mm × 320 mm，采集矩阵512 × 512，重组层厚0.5 mm，层间隔0.25 mm。使用自适应迭代重建(AIR 3D)技术，噪声水平27 HU。对照组和试验组均以8 mGy为目标剂量，根据BMI设定管电压后分别基于CTDIvol和SSDE调整管电流，其余扫描参数相同。
使用双筒高压注射器，以4.5~5.0 ml/s速率注射对比剂0.6 ml/kg(350 mgI/ml，碘海醇，南京市扬子江药业)，同速跟注生理盐水30 ml。将Surestart监测兴趣区置于扫描范围中心层面的降主动脉，触发阈值为300 HU。
5.BMI与dw回归方程的建立：在源图像的基础上，附加重组层厚/层间隔均为5 mm的横断面图像。重建视野(FOV)尽可能大，纳入整个横断面图像的解剖结构，以准确计算dw。将附加重组的图像导入基于MATLAB开发的软件，自动计算所有层面的dw，计算方法见公式(3)。利用中心层面的dw作为因变量，通过线性回归分析，建立BMI与dw的回归方程：
| $ d_{\mathrm{w}}=2 \sqrt{\left(\frac{C T_{\mathrm{ROI} }}{1000}+1\right) \cdot \frac{A_{\mathrm{ROI}}}{\pi}} $ | (3) |
公式(3)CTROI为横断面图像的平均CT值，AROI为横断面图像的横截面积。
6.图像质量评价
(1) 主观评价：将图像传送至后处理工作站(Vitrea fX 6.0)进行后处理。后处理方式包括冠状血管长轴正交横断面、曲面重建(CRP)、最大密度投影(MIP)、容积重建(VR)。根据国际心血管CT学会(SCCT)冠状动脉18段分法[12]，随机调取图像，由两名副主任医师独立评估冠状动脉树图像质量。图像质量评价采用4分法: 4分图像质量优秀，图像噪声小，冠状动脉无伪影，血管段边缘锐利清晰；3分图像质量良好，图像噪声较小，轻度伪影，血管段边缘清晰；2分图像中等，图像噪声较大，有伪影，轻度影响管壁显示；1分图像质量为差，图像噪声严重，重度伪影，血管段无法评估。评分2~4分认为满足诊断图像质量要求。当两名医师评价结果不一致时，图像质量评级通过协商确定。重度钙化、闭塞远端及直径＜2 mm的血管段不作评估。
(2) 客观评估：重组层厚/层间隔均为3 mm的横断面图像，并上传至影像存储与传输系统(PACS)，利用PACS终端的电子测量工具进行相关数据测量。分别于左主干开口及同层面的升、降主动脉；右冠状动脉开口；扫描范围中心层面的右冠状动脉中段；右冠状动脉远段及同层降主动脉测量强化CT值，并计算所有兴趣区的平均CT值作为目标信号强度，测量兴趣区覆盖管腔，避开粥样硬化斑块；测量扫描范围中心层面室间隔的CT值作为背景信号强度，标准差作为图像噪声。计算图像的信噪比(SNR)和对比噪声比(CNR)。SNR=目标信号强度/背景信号强度。CNR=(目标信号强度-背景信号强度)/图像噪声。
7.辐射剂量估算：辐射剂量估算仅收集CCTA增强扫描的辐射剂量，不包括定位相扫描、钙化积分和动态监测所产生的辐射剂量。记录剂量报告显示的CTDIvol，根据公式(1)、(2)，结合dw与BMI的回归方程计算患者实际的SSDE。使用Bostani等[13]提出的方法，计算女性乳腺辐射剂量，见公式(4)。
| $ D_{\mathrm{bre}}=3.44 \times \exp \left(-0.045 \times d_{\mathrm{w}}\right) \times \mathrm{CTDI}_{\mathrm{vol}} $ | (4) |
式中，Dbre为乳腺组织的辐射剂量。
8.统计学处理：使用SPSS 25.0统计软件进行数据分析。计数资料以频数或百分比表示。连续变量资料进行Shapiro-Wilk正态性检验，符合正态分布以x±s表示，偏态分布以中位数(四分位间距) [M(Q1, Q3)]表示。使用Pearson相关分析和线性回归分析模型病例dw与BMI的相关性和相关程度，并生成回归方程。使用Pearson卡方检验两组图像优良率的差异；Mann-Whitney U检验比较CTDIvol和SSDE的差异，以及两组的SNR、CNR和CTDIvol的差异；两个独立样本t检验比较两组SSDE和Dosebre的差异。使用变异系数观察SNR、CNR、SSDE和Dosebre的分布情况。使用Kappa一致性检验评价两名医师对图像质量评估的一致性，k＞0.75表示一致性很好，0.40~0.75表示一致性中等，k＜0.40表示一致性差。P＜0.05为差异有统计学意义。
结果1.模型病例BMI与dw的回归方程：90例患者的dw为18.62~30.16 cm，平均(24.23±2.32)cm；体重为35.00~98.00 kg，平均(62.10±11.79)kg；BMI 15.56~29.41 kg/m2，平均(23.29±2.98) kg/m2。BMI与dw正相关(r=0.823, R2=0.677, P＜0.05)，线性回归方程为dw= 9.241+0.644×BMI。CTDIvol为7.1~11.1 mGy，中位值7.60 (7.30, 7.92) mGy。
2.对照组和试验组图像质量：除外解剖变异、重度钙化、闭塞和2 mm以下的血管段，共评估818个血管段。两名医师评估图像质量的一致性检验，k=0.815。所有血管段图像质量均满足诊断要求，其中4分血管段为54.16%(443/818)，3分血管段为39.85%(326/818)，2分血管段为5.99%(49/818)；未出现1分的血管段。对照组和试验组图像质量的优良率分别为94.10%(367/390)和93.93%(402/428)，差异无统计学意义(P＞0.05)。对照组和试验组中位SNR为21.08和24.39、CNR为17.24和19.94，差异无统计学意义(P＞0.05)；SNR的变异系数为46.55%(11.73/25.20)和40.96%(10.88/26.56)，CNR的变异系数为50.48%(10.06/19.93)和42.86%(9.39/21.91)。
3.对照组和试验组辐射剂量：67例患者CTDIvol为6.30(5.00, 8.10) mGy；SSDE为9.26(7.79, 12.38) mGy。CTDIvol较SSDE低估约31.97%，差异具有统计学意义(z=-7.17，P＜0.05)。试验组CTDIvol和SSDE分别较对照组降低约37.04%和35.77%，差异均具有统计学意义(z=-7.041，t=18.479，P＜0.05)；试验组女性Dbre较对照组降低约37.37%，差异具有统计学意义(t=15.079，P＜0.05)，具体结果列表 1。
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表 1 两组拟诊冠心病患者CTDIvol、SSDE及Dbre的比较[mGy, x±s, M(Q1, Q3)] Table 1 Comparison of CTDIvol, SSDE and Dbre between two groups of patients with coronary heart disease [mGy, x±s, M(Q1, Q3)] |
对照组和试验组SSDE的变异系数为9.89%(1.23/12.44)和8.76%(0.70/7.99)，Dbre为9.08%(1.14/12.55)和7.12%(0.56/7.86)。
讨论CTDIvol基于聚甲基丙烯酸甲酯标准体模计算，并未涉及具体的人体解剖结构信息[14-15]。为此，AAPM 220号报告结合图像横截面积和CT值，将dw作为体型指标[7]。基于dw的SSDE可更准确反映CT检查患者接受的辐射剂量，当前辐射剂量领域的研究也多以其为参考标准[7-9]。由于CTDIvol未考虑患者因素对辐射剂量的影响，其值与患者实际接受的辐射剂量并不一致。在胸部扫描时，大量含气的肺组织对X射线衰减显著低于标准体模，造成CTDIvol较SSDE显著低估[16-17]。与Gabusi等[16]和Kidoh等[17]的结果相似，本研究CCTA检查CTDIvol较SSDE低估约31.97%。准确计算SSDE要求利用横断面图像测量dw[7]，但横断面图像在扫描前无法获取。因此，扫描前计算SSDE需要使用易用性指标替代横断面图像，以获取dw值。本研究结果显示，在模型病例中BMI与dw强烈正相关，BMI可潜在的作为dw的替代指标用于扫描前SSDE的计算。
本研究以BMI与dw的回归方程为指导，进行扫描方案设定，结果显示两组图像质量差异没有统计学意义。但可能由于试验组BMI和dw略小的原因，试验组的SNR和CNR实际数值高于对照组。源于CCTA检查需要鉴别斑块特征的临床要求，试验组较高的影像质量指标可能给动脉粥样硬化斑块不同成分的区分带来一定程度的获益。再者，试验组SNR和CNR变异系数低于对照组，不同个体之间影像质量的同质化更有利于CCTA检查影像质量管理的施行。此外，本研究结果还显示试验组辐射剂量显著低于对照组，有利于降低患者的辐射风险，并且试验组SSDE和女性患者乳腺辐射剂量的离散程度小于对照组，有效减小了个体之间辐射剂量的波动，有利于CCTA检查辐射剂量诊断参考水平的制定。
冠状动脉是CCTA检查的靶器官，基于辐射防护最优化(ALARA)原则，诊断图像质量得到保证的同时需要考虑非目标结构的辐射损伤。女性受检时，放射敏感性较高的乳腺直接受X射线照射，存在较高的辐射风险[18]。尽管使用铋屏蔽可降低乳腺的辐射剂量，但以图像质量下降为代价[19]。本研究通过前置SSDE扫描方案的设定，有效地加强了CCTA检查乳腺的辐射防护，并且Dbre相对较低的变异系数可为不同女性患者之间乳腺的辐射防护措施的制定提供理论支持，也有利于乳腺辐射风险评估的管理。
本研究尚存在一些不足。本研究通过预实验建立dw与BMI的回归方程尚需要进一步的验证，但两者相关系数较高，并且正式试验的结果证实了该方程用于指导扫描方案设定的可行性。此外，本研究总体样本量相对较小，数据结果有待于扩大样本量进一步证实。
总之，以BMI与dw的回归方程为基础，检查前预计算SSDE，并用于设定CCTA方案具有可行性，保证图像质量的同时，可有效降低辐射剂量，有利于女性乳腺的辐射防护。
志谢 感谢杭州晟视科技有限公司对MATALAB软件开发的鼎力支持
利益冲突 全体作者无利益冲突，进行该研究未接受任何不正当职务及财务获益，并对本研究的独立性和科学性予以保证
作者贡献声明 何小龙负责病例收集、数据分析、论文撰写；祝峰负责病例收集和数据处理；吕颖果负责数据核对和文献整理；罗匡男负责软件开发；徐健负责指导研究方案设计和论文修改
| [1] |
Alhailiy AB, Kench PL, Mcentee MF, et al. Establishing diagnostic reference levels for cardiac computed tomography angiography in Saudi Arabia[J]. Radiat Prot Dosim, 2018, 181(2): 129-134. DOI:10.1093/rpd/ncx306 |
| [2] |
Mafalanka F, Etard C, Rehel JL, et al. Establishment of diagnostic reference levels in cardiac CT in France:a need for patient dose optimisation[J]. Radiat Prot Dosim, 2015, 164(1-2): 116-119. DOI:10.1093/rpd/ncu317 |
| [3] |
Geisel D, Zimmermann E, Rief M, et al. DNA double-strand breaks as potential indicators for the biological effects of ionising radiation exposure from cardiac CT and conventional coronary angiography:a randomised, controlled study[J]. Eur Radiol, 2012, 22(8): 1641-1650. DOI:10.1007/s00330-012-2426-1 |
| [4] |
Yu L, Fletcher JG, Shiung M, et al. Radiation dose reduction in pediatric body ct using iterative reconstruction and a novel image-based denoising method[J]. AJR Am J Roentgenol, 2015, 205(5): 1026-1037. DOI:10.2214/AJR.14.14185 |
| [5] |
Smith-Bindman R, Moghadassi M, Wilson N, et al. Radiation doses in consecutive CT Examinations from five university of California medical centers[J]. Radiology, 2015, 277(1): 134-141. DOI:10.1148/radiol.2015142728 |
| [6] |
American Association of Physicists in Medicine. Report of APPM TG 204: Size-specific dose estimates (SSDE) in pediatric and adult body CT examinations[R]. Alexandria: AAPM, 2011: 1-22.
|
| [7] |
American Association of Physicists in Medicine. Report of APPM TG 220: Use of water equivalent diameter for calculating patient size and size-specific dose estimates (SSDE) in CT[R]. Alexandria: AAPM, 2014: 1-23.
|
| [8] |
Imai R, Miyazaki O, Horiuchi T, et al. Local diagnostic reference level based on size-specific dose estimates:assessment of pediatric abdominal/pelvic computed tomography at a Japanese national children's hospital[J]. Pediatr Radiol, 2015, 45(3): 345-353. DOI:10.1007/s00247-014-3189-4 |
| [9] |
Bashier EH1, Suliman II. Radiation dose determination in abdominal CT examinations of children at Sudanese hospitals using size-specific dose estimates[J]. Radiat Prot Dosim, 2019, 183(4): 443-448. DOI:10.1093/rpd/ncy164 |
| [10] |
Boos J, Lanzman RS, Heusch P, et al. Does body mass index outperform body weight as a surrogate parameter in the calculation of size-specific dose estimates in adult body CT?[J]. Br J Radiol, 2016, 89(1059): 20150734. DOI:10.1259/bjr.20150734 |
| [11] |
Burton CS, Szczykutowicz TP. Evaluation of AAPM Reports 204 and 220:estimation of effective diameter, water-equivalent diameter, and ellipticity ratios for chest, abdomen, pelvis, and head CT scans[J]. J Appl Clin Med Phys, 2018, 19(1): 228-238. DOI:10.1002/acm2.12223 |
| [12] |
Leipsic J, Abbara S, Achenbach S, et al. SCCT guidelines for the interpretation and reporting of coronary CT angiography:a report of the Society of Cardiovascular Computed Tomography Guidelines Committee[J]. J Cardiovasc Comput Tomogr, 2014, 8(5): 342-358. DOI:10.1016/j.jcct.2014.07.003 |
| [13] |
Bostani M, McMillan K, Lu P, et al. Attenuation-based size metric for estimating organ dose to patients undergoing tube current modulated CT exams[J]. Med Phys, 2015, 42(2): 958-968. DOI:10.1118/1.4906132 |
| [14] |
Wilting JE, Zwartkruis A, van Leeuwen MS, et al. A rational approach to dose reduction in CT:individualized scan protocols[J]. Eur Radiol, 2001, 11(12): 2627-2632. DOI:10.1007/s003300101039 |
| [15] |
Bauhs JA, Vrieze TJ, Primak AN, et al. CT dosimetry:comparison of measurement techniques and devices[J]. Radiographics, 2008, 28(1): 245-253. DOI:10.1148/rg.281075024 |
| [16] |
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 |
| [17] |
Kidoh M, Utsunomiya D, Oda S, et al. Validity of the size-specific dose estimate in adults undergoing coronary CT angiography:comparison with the volume CT dose index[J]. Int J Cardiovasc Imag, 2015, 31(Suppl 2): 205-211. DOI:10.1007/s10554-015-0782-z |
| [18] |
Preston DL, Ron E, Tokuoka S, et al. Solid cancer incidence in atomic bomb survivors:1958-1998[J]. Radiat Res, 2007, 168(1): 1-64. DOI:10.1667/RR0763.1 |
| [19] |
Kalra MK, Dang P, Singh S, et al. In-plane shielding for CT:effect of off-centering, automatic exposure control and shield-to-surface distance[J]. Korean J Radiol, 2009, 10(2): 156-163. DOI:10.3348/kjr.2009.10.2.156 |