中华放射医学与防护杂志  2022, Vol. 42 Issue (12): 992-998   PDF    
引用本文
李贝贝, 张子敬, 赵明月, 王旭, 范勇, 王诗耕, 童小雨, 魏巍, 刘义军. 个体化低辐射剂量胸部增强CT成像的模体与临床研究[J]. 中华放射医学与防护杂志, 2022, 42(12): 992-998, DOI: 10.3760/cma.j.cn112271-20220803-00315.
个体化低辐射剂量胸部增强CT成像的模体与临床研究
李贝贝1 , 张子敬2 , 赵明月1 , 王旭1 , 范勇1 , 王诗耕1 , 童小雨1 , 魏巍1 , 刘义军1     
1. 大连医科大学附属第一医院，大连 116011;
2. 北京大学深圳医院，深圳 518000
收稿日期: 2022-08-03
通信作者: 刘义军，Email：yijunliu@126.com
[摘要] 目的 探讨自动预置技术(Auto-prescription)和全视野器官剂量调制(ODMfull) 技术相结合对胸部增强CT图像质量和辐射剂量的影响，探究个体化低辐射剂量胸部增强CT成像的可行性。方法 模体研究：分别采用4种扫描模式(A组，120 kVp+ Smart-mA；B组，120 kVp + Smart-mA+ODMfull；C组，Auto-prescription + Smart-mA；D组，Auto-prescription + Smart-mA + ODMfull)对PH-75模体(TR-I和TR-J)进行扫描，每组均重建后置40 % ~ 80 % ASIR-V (间隔20%)图像，记为A1-3 ~D1-3，评估图像质量和辐射剂量，获取最佳成像模式。临床研究：收集大连医科大学附属第一医院2021年11月至2022年7月临床已确诊肺内病变(肿块或实性结节)患者35例，且3个月内需进行2次胸部CT增强，第一次增强CT参数同模体研究中A1组，记为A患者；第二次增强CT检查采用模体研究中D2组参数，记为D患者。比较2组图像信噪比、对比信噪比、主观评分及病变的影像学表现。结果 模体研究：D组辐射剂量最低；对于2种尺寸模体，将A1作为对照组进行两两比较时，噪声值(SD)：B1、C1、D2组图像SD与A1差异无统计学意义，D1组SD高于A1，余各组SD低于A1(F=10.77、122.50，P＜0.05)；对比噪声比(CNR)：B1组图像CNR与A1差异无统计学意义，其余各组CNR均高于A1(F=136.20、30.21，P＜0.05)；主观评分：A2、C2、D2组图像主观评分与A1差异无统计学意义；余各组均低于A1(H=52.89、43.95，P＜0.05)。临床研究：D患者组kVp情况为80 kVp，22例；100 kVp，13例。D患者组图像信噪比(SNR)和CNR均高于A患者组(t=12.48、12.32，P＜0.05)。两位观察者对图像质量的评分一致性较好(kappa=0.75，P＜0.05)。两组图像的评分中位数均为(4，4)分(P＞0.05)。结论 在胸部CT增强成像中应用自动预置技术结合ODMfull技术，能够在满足图像质量和诊断需求的前提下，实现个体化低剂量扫描。
[关键词] 个体化    器官剂量调制技术    低剂量    计算机断层成像    
Feasibility of individualized low radiation dose chest enhanced CT imaging: phantom and clinical study
Li Beibei1 , Zhang Zijing2 , Zhao Mingyue1 , Wang Xu1 , Fan Yong1 , Wang Shigeng1 , Tong Xiaoyu1 , Wei Wei1 , Liu Yijun1     
1. The First Hospital of Dalian Medical University, Dalian 116011, China;
2. Shenzhen Hospital of Peking University, Shenzhen 518000, China
Corresponding author: Liu Yijun, Email: yijunliu@126.com
[Abstract] Objective To investigate the effect of the combination of Auto-prescription and ODMfull on image quality and radiation dose of chest enhanced CT inorder to explore the feasibility of individualized low radiation dose chest enhanced CT. Methods The phantoms PH-75 in two sizes were scanned with four scanning modes: group A, 120 kVp + Smart-mA; group B, 120 kVp + Smart-mA+ODMfull; group C, Auto-prescription + Smart-mA; group D, Auto-prescription + Smart-mA+ ODMfull. The images of each group were reconstructed with 40%-80% ASIR-V (interval 20%), recorded as A1-3-D1-3. Image quality and radiation dose were evaluated in order to obtain optimal scanning modes. Totally 35 cases(from the First Hospital of Dalian Medical University during November 2021 to July 2022) of chest enhancement CT were collected prospectively in the clinical study using the parameters of D2 group recorded as Dpatients. Patients in this group received chest enhancement CT scanning for the second time within three months. The CT parameters in first enhanced scanning recorded as Apatient were as same as those in group A1, and the parameters in second scanning recorded as Dpatient were as same as those in group D2. The SNRs, CNRs, subjective grading and imaging findings of the lesion in two groups were compared. Results In phantom study, the radiation dose of each group was statistically significant, and that in D group was the lowest. For two sizes of phantoms, A1 was uesd as the control group in pairwise comparison. The SDs of B1, C1, and D2 images had no statistical difference with that of A1 (P > 0.05), and SD of D1was higher than that of A1, and SDs of other groups were lower than that of A1(F=10.77, 122.50, P < 0.05). CNR of B1 had no statistical difference with that of A1, and the CNRs of other groups were higher(F=136.20, 30.21, P < 0.05). Subjective scores of A2, C2, D2 had no statistical difference with that of A1 and those of other groups were lower than that of A1(H=52.89, 43.95, P < 0.05). In clinical study, 80 kVp was uesd for 22 cases and 100 kVp was used for 13 cases in Dpatients group. SNRs and CNRs in the Dpatients group were all higher than those in the Apatients group (P > 0.05). The consistency of image quality scores for two observers was good (kappa = 0.754, P < 0.05). The median scores of the two groups were (4, 4). Conclusion Auto-prescription combined with ODMfull in chest enhanced CT imaging can achieve individualized low radiation dose with meeting the requirements of image quality and clinical diagnosis.
[Key words] Individualized    ODM    Low radiation dose    Computed tomography    

胸部增强CT检查是临床应用广泛的影像学检查，能够提高肺内病变的对比度，有利于对肺内病变进行定性及鉴别诊断。但由于其扫描的期相多，扫描范围涉及甲状腺、乳腺等辐射敏感器官，辐射剂量问题亟需得到改善[1]。研究表明，在符合临床诊断需要的条件下，基于体质量指数(body mass index，BMI)、胸围等体型指标的个体化千伏、毫安秒扫描方案更加符合辐射剂量最优化原则[2]，但个性化成像技术受操作者技术水平的影响较大，辐射剂量和成像质量较难把控。目前自动管电流调制(Smart-mA)技术、自动预置技术(Auto-prescription)及全视野器官调制(full field of organ dose modulation，ODMfull)技术[3]已广泛应用于临床，上述技术的联合应用，使得“一键式”个体化检查成为可能。其中利用Auto-prescription和ODMfull技术开展胸部增强CT的临床研究很少见。本研究采用不同尺寸的模体模拟不同人体的胸部，进行成像参数联合优化研究，基于模体的最佳扫描参数，探讨Auto-prescription结合ODMfull在胸部增强CT的临床应用价值。

材料和方法

本研究共涉及模体及临床研究共2部分内容，研究路线技术图如图 1所示。

图 1 技术路线图 Figure 1 Flow chart of the study

1. 模体研究

(1) 研究对象：采用日本Kyoto Kagaku公司PH-75型双能量CT质量控制模体，模体的主要材料由特殊水等价材料组成，模体共有2个尺寸，分别为30 cm × 20 cm × 18 cm，型号为TR-I，代表标准人体；36.3 cm × 26.2 cm × 18 cm，型号为TR-J，代表较大(胖)人体。在模体内柱体孔洞(内径为20 mm)中共置入8根可活动棒，包括1根碘棒(4 mgI/ml，CT值≈100 HU，约相当于肺恶性病变的强化CT值)和7根水当量棒(CT值≈0 HU)。

(2) 扫描方案：采用Revolution CT(GE Healthcare，Milwaukee, WI，USA)对2个尺寸模体分别以4种扫描模式进行扫描。A组：120 kVp + Smart-mA；B组：120 kVp + Smart-mA + ODMfull；C组：Auto-prescription + Smart-mA；D组：Auto-prescription + Smart-mA+ODMfull。其他成像参数均一致：螺旋扫描，扫描层厚5 mm，层间距5 mm，噪声指数(noise index，NI)11 HU，螺距0.992，转速0.5 s/r，探测器宽度80 mm，扫描范围为整个模体(18 cm)。

(3) 图像后处理：所有图像均采用标准算法(Stnd)重建，重建层厚1.25 mm，重建间隔1.25 mm，每组均重建后置40 % ~ 80 % ASIR-V(间隔20 %)3个亚组图像，共获得12组图像数据，记为A1-3~D1-3。

(4) 图像质量评价：将各组图像传至AW4.7工作站。在各组1.25 mm轴位重建图像中选取模体Z轴方向中间3个层面进行测量，分别于4 mgI/ml碘棒和水当量棒均匀处放置大小为70~80 mm2的感兴趣区(region of interest，ROI)，测量CT值和标准差(SD)值，每层测量3次并取其平均值。计算碘棒的对比噪声比(contrast-to-noise ratio，CNR)，计算公式：CNR=(CT4 mgI/ml碘棒-CT背景)/SD背景。

(5) 辐射剂量：记录各组扫描的容积CT剂量指数(volume CT dose index，CTDIvol)、剂量长度乘积(dose length product，DLP)、有效剂量(E)。

2. 临床研究

(1) 患者资料：收集大连医科大学附属第一医院2021年11月至2022年7月临床已确诊肺内病变(肿块或实性结节)患者35例。纳入标准：行常规胸部增强CT检查，遵医嘱3个月内在同一台CT复查的患者。排除标准：碘对比剂过敏者及肾功能不全者；胸部有金属植入物的患者；神志不清、躁动不安等不能配合完成检查者；3个月内患者体重骤变的患者。35例患者中，男25例，女10例，年龄(62.97±1.40)岁，基于模体研究结果，对于同一患者，根据扫描方案分为对照组(A患者)和试验组(D患者)。本研究经医院伦理委员会审核批准(伦理批件号：PJ-KS-KY-2022-133)，同时所有受检者均已知情并签署了知情同意书。

(2) 检查方案：采用美国GE Revolution CT扫描仪。A患者扫描参数同模体A1组，管电压120 kVp，Smart-mA(50~475 mA)，后置40 %ASIR-V重建算法。D患者扫描参数与模体D2组一致，管电压采用Auto-prescription技术，管电流为Smart-mA(80~720 mA)+ ODMfull模式，采用后置60 %ASIR-V重建算法。其余扫描及重建参数两组均一致：螺旋扫描，扫描层厚5 mm、NI=11 HU、转速0.5 r/s、螺距0.992、探测器宽度80 mm，前置40%ASIR-V、重建层厚1.25 mm，重建间隔1.25 mm，标准(Stnd)及肺(Lung)算法，扫描范围自C7至肋膈角。对比剂注射方案：应用德国欧力奇XD2001高压注射器经右侧肘正中静脉团注对比剂(碘佛醇，320 mgI/ml，江苏恒瑞医药股份有限公司)，对比剂总量按照1 ml/kg计算，流率为3.5 ml/s，对比剂注射结束以相同的流率跟注30 ml生理盐水。注射对比剂25 s后开始动脉期扫描、60 s后开始静脉期扫描。

(3) 图像客观评价：在两组动脉期、静脉期轴位图像上分别测量气管隆突层面降主动脉及同侧竖脊肌CT值及SD；ROI面积大小约100 mm2，尽量避开密度不均匀区，测量选定层及上下相邻2层共3个层面轴位图像并取其平均值。以同侧竖脊肌SD值作为背景噪声值，计算降主动脉SNR及CNR。计算公式为：SNR =CT降主动脉/SD降主动脉；CNR降主动脉=(CT降主动脉－CT背景)/SD背景。

(4) 图像主观评价：由两名具有5年以上工作经验的影像科医师对胸部CT轴位纵隔窗及肺窗图像进行五分制主观评分，对病变的影像学表现进行评估。如评分结果不一致，则由其中一名10年以上工作经验的医生主持讨论后确定。病变的影像学表现包括：①部位。②大小：记录病变最大截面的长径与短径值，并取平均值。③形态学特征：分叶、毛刺、空洞、胸膜牵拉、血管集束和空气支气管影。④与周边组织的关系：是否侵犯至血管、支气管等。评分标准参考文献[4]。

3.统计学处理：采用SPSS 24.0软件对所有模体研究和临床病例数据进行分析，计数资料采用x±s表示，等级资料采用频率或百分比表示。对模体研究中各组(A1-3~D1-3)图像质量间差异行单因素方差分析，采用Kruskal-Wallis H检验比较各组辐射剂量。采用配对样本t检验比较A患者和D患者组图像质量的差异，采用Kappa检验分析两名观察者主观评分。若观察者一致性较好则采用两组平均值进行后续分析，对主观评分进行Wilcoxon符号秩检验。P＜0.05为差异有统计学意义。

结果

1.模体研究

(1) 辐射剂量：采用Auto-prescription技术后，对于标准尺寸的模体，系统推荐和实际使用值为80 kVp；对于较大尺寸的模体，系统推荐和实际使用值为100 kVp。对于两种尺寸的模体，各组辐射剂量差异均有统计学意义，其中D组辐射剂量最低(H=10.39~10.42，P＜0.05，表 1)。

表 1 2种尺寸的模体不同扫描方式的辐射剂量 Table 1 Radiation dose for two sizes of phantoms in two different scanning modes

(2) 图像质量：SD值，将A1作为对照组进行两两比较时，A1组SD与B1、C1、D2的图像SD差异无统计学意义(P＞0.05)；D1组SD值高于A1组，余各组SD值均低于A组(F=10.77、18.49，P＜0.05)。CNR，将A1作为对照组进行两两比较时，B1组图像CNR与A1无统计学差异，其余各组CNR均高于A1(F=136.20、30.21，P＜0.05)，见表 2。两种尺寸的模体之间的图像SD、CNR差异无统计学意义(P＞0.05)。主观评分：两位观察者对图像质量的主观评价一致性较好(kappa=0.66，P＜0.05)。各组图像主观评分随ASIR-V增加先升后降。将A1作为对照组进行两两比较时，A2、C2、D2组图像主观评分与A1无统计学差异；余各组均低于A1(H=52.89、43.95，P＜0.05)。

表 2 不同组别4种扫描模式图像客观指标比较 Table 2 Comparison of objective indicators of images with four scanning modes under different groups

2.临床研究

(1) 患者资料：35例患者身高为(169.29±1.23)cm，体重为(67.20±1.54)kg，BMI为(23.45±050)kg/m2，3个月内患者BMI变化无变化。Auto-prescription技术能够同时综合定位像、基线协议及临床任务信息考虑，提供最佳kVp[5]。D组系统推荐和实际使用管电压值分别为80 kVp(22例，62.86 %)、100 kVp(13例，37.14 %)。

(2) 病变的影像学表现：A患者和D患者 2组均检出38个病变(肿块或实性结节)。共检出肿块34个，分别位于左肺上叶(7个)、左肺门(6个)、左肺下叶(7个)、右肺上叶(6个)、右肺中叶(3个)、右肺门(2个)，右肺下叶(3个)；肿块平均直径测量值分别为(3.82±0.44)、(4.06±0.43)cm；(2)实性结节：共检出4个，分别位于左肺上叶(1个)、左肺下叶(2个)，右肺下叶(1个)；在病变大小测量上，A患者和D患者差异无统计学意义(P＞0.05)；在病变形态学特征及与周边结构关系的观察方面(分叶、毛刺、空洞、气管支气管影、血管集束、血管支气管受侵程度及淋巴结)，两组一致性较好(ICC值=0.89~1.00)。

(3) 图像质量：D患者组动脉期及静脉期图像降主动脉CT值均高于A患者组，差异有统计学意义(t=9.95，t=12.03，P＜0.05)；D患者组图像背景SD值与A患者组差异无统计学意义(P＞0.05)。D患者组动脉期及静脉期图像SNR和CNR均高于A患者组，差异均有统计学意义(t=10.45、9.86、12.48、12.32，P＜0.05，表 3)；两位观察者对图像质量评分一致性较好(kappa=0.75，P＜0.05)，所有图像均满足临床诊断需求。两组图像的评分中位数均为4.0(4.0，4.0)分，差异无统计学意义(P＞0.05)。

表 3 两组图像客观指标比较 Table 3 Comparison of objective indicators of images between the two groups

(4) 辐射剂量：D患者组单期CTDIvol为(3.86±0.25)mGy，A患者组单期CTDIvol为(7.21±0.36)mGy，差异有统计学意义(Z=-4.53，P＜0.05)；D患者组单期DLP为(147.72±9.50)mGy·cm，A患者组单期DLP为(276.53±10.08)mGy·cm，差异有统计学意义(Z=4.30，P＜0.05)。

讨论

研究显示，在腹部血管、结肠等部位的CT检查中，可以根据患者BMI进行个体化的低剂量成像[6-8]。BMI能够反映患者的体型，但是仅凭BMI进行个性化的检查，很容易忽略肌肉和脂肪组织的分布，例如男性胸廓较大、女性乳房组织脂肪含量较多、向心型肥胖腹部脂肪比例较高、健身人群肌肉的比例较高。由于操作人员个人的实际临床技能有差异，CT个性化成像很难得到推广。而kV-assist技术、Auto-prescription技术、Care kV技术等能够根据患者定位像[9-10]，对扫描参数进行个性化调控，从而实现更加精准的个体化扫描。Li等[11]的研究发现，在胸部增强CT检查中应用kV-assist技术能够在保证图像质量的前提下尽可能的降低辐射剂量。除了改变管电压可以降低辐射剂量，ODM技术是在Smart-mA的基础上，将受检者前方120°的mA降低，从而降低辐射剂量，ODM技术可以降低10%左右的辐射剂量[12]。目前，对于不同扫描模式联合应用对胸部增强CT图像质量及辐射剂量的研究相对较少。

模体研究避免了临床伦理问题，对CT参数优化的可重复性好。通过模体研究，探究不同扫描模式联合应用对图像质量和辐射剂量的影响，能够为临床人体CT扫描提供可靠的参数优化方案。本研究利用两种尺寸的PH-75型号模体，对患者的体型进行了模拟，在模体中置入的4 mgI/ml碘棒材料，在120 kVp下CT值为100 HU左右，将4 mgI/ml碘棒模拟为肺内病变(肿块或实性结节)的强化状态。模体研究显示，与常规120 kVp相比，单独采用ODM技术与常规120 kVp相比，降低了15 %左右的辐射剂量。单独采用Auto-prescription技术，推荐管电压值分别为80和100 kVp，降低了25 %左右的辐射剂量，Auto-prescription与Smart-mA +ODMfull技术的联合应用，能够使辐射剂量的降低幅度达38.8 %，碘棒CNR显著提高，有利于富血供组织强化程度的显示。在肺部增强扫描中，低kVp扫描能使碘的衰减进一步增加，使图像对比度提高，辐射剂量明显下降，但图像噪声会相应增加。ASIR-V具有降噪、提高CNR的优势，因此，对各组图像进行40 %~80 %ASIR-V的重建，探究了能够保证图像质量的最佳ASIR-V权重。当ASIR-V权重增加时，其噪声降低，CNR增高，但ASIR-V权重并不是越高越好。结合60 %ASIR-V时，图像的噪声水平与120 kVp相近，但是在80 %ASIR-V时，图像主观评分降低，与既往研究结果相符[13-15]。结果表明，Auto-prescription技术可以实现个体化、低剂量的扫描，有利于提高图像的同质化。

本研究收集了临床确诊为胸部疾病(肿块/ 结节)的35例患者。每位患者于3个月内均接受了两次胸部增强CT扫描，将成像模式为120 kVp联合Smart-mA作为常规组(A患者组)，模体研究中最佳成像模式Auto-prescription、Smart-mA联合ODMfull技术作为低剂量组(D患者组)。对比分析了同一患者在不同辐射剂量条件下，两组图像主、客观评分、病灶显示细节之间的差异。不同于随机对照研究，本研究有倾向性地选择了对同一患者的图像质量进行分析，所纳入病例在3个月内体型及病变进展均无明显变化，避开因患者体型、临床表现、病变类型的不同对图像质量的影响。研究结果显示，两组图像质量均符合诊断要求，D患者组图像SNR、CNR明显提高。相比于A患者组，D患者组单期辐射剂量降低约40 %。在肺动静脉或支气管动脉等血管显示方面，则表现为低kVp组图像血管CNR有较大幅度的提高，因此，D患者组图像对肺动静脉或支气管动脉受侵情况的显示更好。病变大小、分叶、毛刺、胸膜凹陷、血管集束是诊断与鉴别诊断肺内病变重要CT影像特征[16]。A患者、D患者组在分叶、毛刺、血管集束、空洞、胸膜凹陷等形态学特征的显示中无明显差异。在病变大小的测量方面，2例患者在3个月的时间里病情得到了明显的改善，因此，两组病变大小的测量差异有统计学意义。

综上所述，在胸部增强CT扫描中，Auto-prescription技术与Smart-mA+ODMfull技术的联合应用能够大幅降低辐射剂量，且改善图像质量，有利于降低多次胸部增强CT检查的患者的累积辐射剂量。

本研究存在一定的局限性：模体研究中尺寸较单一，未涉及70/120 kVp。临床研究病例较少，患者BMI范围为19~31 kg/m2，后续将继续补充病例，进一步探讨。

利益冲突  无

作者贡献声明  李贝贝负责数据收集、数据分析与论文撰写；张子敬、赵明月参与论文写作的指导；王旭、范勇、王诗耕、童小雨、魏巍负责数据收集；刘义军负责项目的协调与论文写作的指导

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