中华放射医学与防护杂志  2022, Vol. 42 Issue (2): 144-149   PDF    
引用本文
张原生, 王晓成, 郭子泉, 王建明. 数字乳腺X射线摄影中管电流量优化的实验研究[J]. 中华放射医学与防护杂志, 2022, 42(2): 144-149, DOI: 10.3760/cma.j.cn112271-20210816-00327.
数字乳腺X射线摄影中管电流量优化的实验研究
张原生1 , 王晓成2 , 郭子泉3 , 王建明1     
1. 山西省人民医院放射科, 太原 030012;
2. 山西省人民医院病案统计科, 太原 030012;
3. 山西白求恩医院(山西医学科学院)放射科, 太原 030032
收稿日期: 2021-08-16
通信作者: 王建明, Email: 332854663@qq.com
[摘要] 目的 探讨数字乳腺X射线摄影中不同靶/滤过组合时降低管电流量(mAs)对图像质量与辐射剂量的影响。方法 不同靶/滤过组合时，以自动曝光模式(AEC)的mAs为基础，分别降低10%、20%、30%、40%、50%时对厚度为4.4 cm的模体进行曝光，测量所得图像的对比噪声比(CNR)、信噪比(SNR)、品质因子(FOM)与平均腺体剂量(AGD)。在满足图像质量要求的前提下，通过计算FOM，找出两种靶/滤过下最优mAs及相应的AGD。对模体中3种结构影像特征进行主观评价，同时比较计算AGD与显示AGD间关系。另外，对满足图像质量要求的mAs与密度曝光档位相对应，计算并比较两者mAs均值。结果 两种靶/滤过中显示AGD均小于计算AGD，Mo/Mo被低估22.5%~23.7%，计算AGD值与显示AGD值差异有统计学意义(F=4 982.86、5 555.48，P < 0.05)。W/Rh被低估13.1%~14.2%，计算AGD值与显示AGD值差异有统计学意义(F=18 859.09、15 973.55，P < 0.05)。Mo/Mo组合中，mAs降低20%时，FOM可增加9.6%为最大值，且计算AGD减少18.8%。W/Rh组合中，mAs降低10%，FOM可增加5.1%为最大值，且计算AGD减少11.9%。在满足图像质量的前提下，两种靶/滤过组合评价模拟纤维时，mAs降低30%；评价模拟钙化时，mAs降低20%；评价模拟肿块时，Mo/Mo组合mAs降低40%，W/Rh组合mAs降低30%；影像质量评分均与AEC无明显差异(P>0.05)。密度曝光档位(-1~-3)可与降低的mAs (10%~30%)对应。结论 不同靶/滤过组合时，调节管电流量可以在不影响图像质量的同时降低辐射剂量。
[关键词] 低剂量    辐射剂量    数字乳腺X射线摄影    
Experimental study on optimization of mAs in digital mammography
Zhang Yuansheng1 , Wang Xiaocheng2 , Guo Ziquan3 , Wang Jianming1     
1. Department of Radiology, Shanxi Provincial People's Hospital, Taiyuan 030012, China;
2. Medical Record Room, Shanxi Provincial People's Hospital, Taiyuan 030012, China;
3. Department of Radiology, Shanxi Bethune Hospital, Shanxi Academy of Medical Sciences, Taiyuan 030032, China
Corresponding author: Wang Jianming, Email: 332854663@qq.com
[Abstract] Objective To evaluate the effect of reducing mAs on image quality when different target/filter combinations are used in digital mammography. Methods In different target/filter combinations, based on the mAs of automatic exposure control(AEC), the reduction of mAs by 10%, 20%, 30%, 40% and 50% respectively were used to expose the phantom with 4.4 cm thickness. The contrast to noise ratio(CNR), signal to noise ratio(SNR), figure of merit(FOM) and average glandular dose(AGD) of the resulting image were calculated. While the image quality was ensured, the optimal mAs and the corresponding AGD under the two target/filter combination were conducted by calculating the FOM. The image features of three tissues of phantom were subjectively evaluated, and the relationship between the calculated AGD and displayed AGD was compared. The mAs that meets the image quality requirements is corresponded with the density exposure gear, and the average values of the mAs for two method were calculated and compared. Results In two targets/filters combinations, the displayed AGD was less than the calculated AGD, and Mo/Mo was underestimated by 22.5% to 23.7%. The calculated and displayed AGD values were statistically different (F=4 982.86, 5 555.48, P < 0.05). W/Rh was underestimated by 13.1% to 14.2%. The calculated and displayed AGD values were statistically different (F=18 859.09, 15 973.55, P < 0.05). In the Mo/Mo combination, when the mAs was reduced by 20%, the FOM could be increased by 9.6% for the maximum value, and the calculated AGD was decreased by 18.8%. In the W/Rh combination, when the mAs was reduced by 10%, the FOM was increased by 5.1% for the maximum value, and the calculated AGD was decreased by 11.9%. While the image quality was ensured, the mAs was reduced by 30% for evaluating simulated fibers, and by 20% for evaluating simulated specks in the two targets/filter combinations. For evaluating simulated masses, Mo/Mo combination reduced the mAs by 40%, and the W/Rh combination reduced the mAs by 30%. And the image quality scores in above were not significantly different from those in AEC method (P>0.05). The density exposure gear(-1 to -3) could correspond with the reduced mAs(10%-30%). Conclusions Under different target/filter combination, the tube mAs could be reduced when the image quality was ensured.
[Key words] Low dose    Radiation dose    Digital mammography    

目前中国女性乳腺癌的发病率位居恶性肿瘤之首，严重威胁女性的健康[1]。数字乳腺X射线摄影技术是筛查早期乳腺癌最简便有效的检查手段之一，但过量的摄影筛查所导致的辐射危害也不容忽视，特别是国际放射防护委员会(ICRP)在2007年第103号出版物[2]中明确指出乳腺组织的权重因子较之前0.05提升到0.12，进一步说明X射线摄影产生的辐射剂量应当得到重视。根据调查显示，受检者经过1次X射线摄影曝光，乳腺平均腺体剂量约为1.7 mGy[3]，同时由于乳腺摄影体位较多和数字乳腺体层融合技术的普及，导致受检者累积有效剂量增高。本研究旨在探讨降低管电流量对图像质量与辐射剂量的影响，为临床适宜剂量乳腺摄影筛查提供参考。

材料与方法

1.仪器设备: 使用美国豪洛捷(Hologic)2台不同的数字乳腺X射线摄影机，其中Hologic Selenia摄影机使用Mo(钼)/Mo(钼)作为靶/滤过组合，Hologic Selenia Dimensions摄影机使用W(钨)/Rh(铑)作为靶/滤过器组合。采用美国放射学会(American College of Radiology，ACR)认证的厚度4.4 cm的RMI-156模体(图 1)，腺体含量50%，模体由大小不等的6条纤维、5组钙化、5个肿块构成。采用丙烯酸圆盘测量信噪比(signal to noise ratio，SNR)。使用德国IBA型号为(MagicMaX-Universal)X射线多功能检测仪进行测量入射表面空气比释动能(entrance surface air kerma，ESAK)和半值层(half value，HVL)。

图 1 BMI-156乳腺模体 Figure 1 BMI-156 Mammography phantom

2.摄影方法与参数：分别采用Mo/Mo和W/Rh，摄影距离65 cm，焦点为0.3 mm，照射野18 cm× 24 cm，压力统一为18.1 kg。模体放置于探测器中心，模体胸壁侧与探测器胸壁侧对齐，施加压力，使模体尽量压迫牢固，把丙烯酸圆盘放置于模体的第一条纤维和第二条纤维之间固定位置上。ESAK和HVL测量数据使用德国IBA型号(MagicMaX-Universal)X射线多功能检测仪，并在可追溯的上海标准研究所二级标准剂量实验室中进行了校准。该剂量仪紧贴于模体侧方，并距胸壁边缘4 cm处，做CC位摄影，先采用自动曝光模式(AEC)摄影，重复曝光5次，记录Mo/Mo管电压为26 kV，管电流量为(93.32±1.28)mAs，W/Rh管电压为28 kV，管电流量为(96.68± 0.46)mAs。然后以两台设备所得kV和mAs值为依据，采用手动曝光模式(MEC)，依次将管电流量降低10%、20%、30%、40%、50%曝光，Mo/Mo组合对应管电流量依次为85、75、65、55、45 mAs；W/Rh组合对应管电流量依次为85、75、67.5、57.5、47.5 mAs。重复曝光5次，使用5MP Barco LCD双屏阅片，评价模体中3种结构影像特征，测量并比较不同管电流量的对比噪声比(CNR)、信噪比(SNR)、品质因子(FOM)与平均腺体剂量(AGD)。为提高临床应用价值，将满足图像质量要求的mAs与密度曝光档位相对应。采用AEC下，分别使用-1~-3密度曝光档位重复5次曝光，记录并把降低mAs的10%~30%分别与-1~-3档位相对应。

3. 辐射剂量：在数字乳腺摄影曝光后，设备根据摄影参数显示出AGD(简称“显示AGD”)。同时对乳腺摄影系统的管电流量、入射表面空气比释动能等数据测量，依据Dance等[4]的方法求出AGD，AGD= K·g·c·s (简称“计算AGD”)，式中，K为入射表面空气比释动能，Gy；g为平均腺体剂量转换因子的入射表面空气比释动能，Gy(Mo/Mo组合g=0.207，W/Rh组合g=0.318)；c为乳房腺体含量的因子(c=1.000)；s为靶/滤过产生的因子(Mo/Mo组合s=1.000，W/Rh组合s=1.042)。

4.客观评价：根据Hologic乳腺摄影系统分别选择图像上RMI-156模体的信号块80 mm2圆形区域和信号区域旁背景80 mm2圆形区域作为测量点，记录信号区和背景区的像素平均值(分别为M信号、M背景)和像素值标准差σ，由此计算图像的SNR、CNR，其中SNR=M信号/σ、CNR=M信号-M背景/σ。为了优化图像质量和辐射剂量的关系，采用FOM作为评价利益代价函数，其表达式为FOM=CNR2/计算AGD。

5.主观评价：由2名具有高年资的放射科医师进行双盲阅片。参考ACR影像特征评分标准，如果在正确位置和方向看到完整物体可记1分；如果只看到物体的一半或模糊的钙化点的3到4个，可记0.5分，看到小于一半的或看不清楚记0分。

6.统计学处理：采用SPSS 17.0软件进行分析。定量数据经正态性检验符合正态分布采用x±s表示。对于两种靶/滤过不同管电流量下的ESAK、计算AGD、显示AGD、CNR、SNR、FOM及影像主观评分结果比较经方差齐性检验采用随机区组方差分析，并以自动管电流量为参照物，采用Bonferroni法比较分析各手动管电流量下各指标的差异。P＜0.05为差异有统计学意义。

结果

1. 管电流量对辐射剂量的影响：两种不同靶/滤过组合时，mAs降低10%~50%，入射表面空气比释动能(ESAK)、计算AGD、显示AGD均呈下降趋势(Mo/Mo组合：F=6 019.43、4 982.86、5 555.48，P＜0.05，表 1；W/Rh组合：F=41 704.04、18 859.09、15 973.55，P＜0.05，表 2)。Mo/Mo组合的AEC与各组MEC(降低10%~50%)的ESAK差异均有统计学意义(t=22.81、53.98、84.50、116.40、142.81，P＜0.05)。Mo/Mo组合的AEC与各组MEC的计算AGD差异均有统计学意义(t=20.72、48.96、76.84、105.84、129.94，P＜0.05)。Mo/Mo组合的AEC与各组MEC的显示AGD差异均有统计学意义(t=22.66、53.65、81.51、113.28、136.98，P＜0.05)。W/Rh组合的AEC与各组MEC(降低10%~50%)的ESAK差异均有统计学意义(t=90.42、170.71、232.19、313.56、393.13，P＜0.05)。W/Rh组合的AEC与各组MEC的计算AGD差异均有统计学意义(t=61.99、115.87、157.93、213.28、263.47，P＜0.05)。W/Rh组合的AEC与各组MEC的显示AGD差异均有统计学意义(t=57.81、107.03、145.31、194.53、243.75，P＜0.05)。

表 1 Mo/Mo组合辐射剂量与客观图像质量的关系(x±s) Table 1 Relationship between radiation dose and objective image quality in the Mo/Mo combination(x±s)

Mo/Mo组合时，计算AGD随mAs的下降而下降，不同的管电流量各直线斜率分别为0.028、0.030、0.030、0.031和0.026，直线斜率接近；W/Rh组合时，计算AGD随mAs的下降而下降，各直线斜率分别为0.015、0.015、0.015、0.015和0.014，直线斜率接近。

2.计算AGD与显示AGD之间的关系：Mo/Mo组合的显示AGD比计算AGD低22.5%~23.7%，W/Rh组合的显示AGD比计算AGD低13.1%~14.2%。

3.CNR与SNR变化规律：随mAs的降低，Mo/Mo组合的CNR与SNR整体呈下降趋势(F=383.394、397.101，P＜0.05，表 1)；W/Rh组合的CNR与SNR都呈下降趋势(F=277.51、257.66，P＜0.05，表 2)。Mo/Mo组合的AEC与各组MEC(降低20%~50%)的CNR差异均有统计学意义(t=6.59、15.34、25.05、33.50，P＜0.05)。Mo/Mo组合的AEC与各组MEC(降低20%~50%)的SNR差异均有统计学意义(t=6.93、15.78、25.69、34.27，P＜0.05)。W/Rh组合的的AEC与各组MEC(降低10%~50%)的CNR差异均有统计学意义(t=3.81、10.78、15.38、23.25、31.21，P＜0.05)。W/Rh组合的AEC与各组MEC(降低10%~50%)的SNR差异均有统计学意义(t=3.50、10.43、14.86、22.45、29.95，P＜0.05)。

表 2 W/Rh组合辐射剂量与客观图像质量的关系(x±s) Table 2 Relationship between radiation dose and objective image quality(x±s)in the W/Rh combination

4. 降低管电流量对FOM与AGD的影响：在Mo/Mo组合的FOM值中，各MEC组均大于AEC组，其中mAs降低20%时，FOM值最大，为51.180±1.794，比AEC时增加9.6%，且计算AGD减少18.8%；Mo/Mo组合的AEC与各组MEC(降低10%~30%)的FOM差异均有统计学意义(t=4.42、4.62、3.29，P＜0.05)。W/Rh组合的FOM值中，mAs降低10%~40%时FOM增加，其中mAs降低10%时FOM值最大，为73.586±2.421，比AEC时增加5.1%，且计算AGD减少11.9%(表 1，2)。

5.密度曝光档位与管电流量的关系：使用两种靶/滤过时，密度曝光档-1~-3对应的mAs分别与降低mAs的10%~30%相对应(表 3)。

表 3 不同靶/滤过组合密度曝光档位下mAs与MEC降低mAs的关系(x±s) Table 3 Relation between decreasing mAs and MEC under different density exposure level in different target/filter combination(x±s)

6.主观评价：根据ACR标准最低要求, 纤维、钙化、肿块评分分别为5、4、4分，本研究对Mo/Mo、W/Rh组合，纤维主观评分不小于5分，mAs降低30%评分分别为(5.0±0)、(5.1±0.2)；钙化主观评分不小于4分，mAs降低20%评分分别为(4.0±0)、(4.0±0)；肿块主观评分不小于4分，mAs降低40%评分分别为(4.1±0.2)、(4.0±0)。

对Mo/Mo组合，评价纤维时，mAs降低40%(4.9±0.2)与50%(4.1±0.4)时与AEC组(5.3±0.3)比较，差异均有统计学意义(t=3.46、10.39，P＜0.05)；评价钙化时，mAs降低40%(3.8±0.3)与50%(3.5±0.4)时与AEC组(4.2±0.3)比较，差异均有统计学意义(t=3.46、6.06，P＜0.05)；评价肿块时，mAs降低50%(3.9±0.2)时与AEC组(4.5±0.5)比较，差异有统计学意义(t=3.46，P＜0.05)，其余情况影像质量评分无明显差别(P＞0.05，图 4)。

注：F.纤维；S.钙化；M.肿块；AEC.自动曝光模式；MEC.手动曝光模式。a与AEC同种影像特征比较，t= 3.46、3.46、10.39、6.06、3.46，P＜0.05 图 4 Mo/Mo组合降低mAs 10%~50%主观评价分数 Figure 4 Subjective score when decreasing mAs by 10%-50% of Mo/Mo combination

对W/Rh组合，评价纤维时，mAs降低40%(4.7±0.3)与50%(4.4±0.2)时与AEC组(5.3±0.3)比较，差异均有统计学意义(t=3.99、5.98，P＜0.05)；评价钙化时，mAs降低40%(3.4±0.2)与50%(3.1±0.2)时与AEC组(4.1±0.2)比较，差异均有统计学意义(t=7.25、10.35，P＜0.05)；评价肿块时，mAs降低40%(4.0±0)与50%(3.8±0.3)时与AEC组(4.7±0.4)比较，差异均有统计学意义(t=5.27、6.77，P＜0.05)。其余情况影像质量评分无明显差别(P＞0.05，图 5)。

注：F.纤维；S.钙化；M.肿块；AEC.自动曝光模式；MEC.手动曝光模式。a与AEC同种影像特征比较，t=3.99、7.25、5.27、5.98、10.35、6.77，P＜0.05 图 5 W/Rh组合降低mAs 10%~50%主观评价分数 Figure 5 Subjective score when decreasing mAs by 10%-50% of W/Rh combination

讨论

临床常用的AEC模式是根据腺体生理特点及压迫厚度自动调节参数进行摄影成像，但据Aminah等[5]的研究发现，获得相同CNR的条件下，使用AEC比MEC的AGD高11.8%，说明AEC产生的AGD不是最低剂量，会增加不必要的辐射危险。影响乳腺AGD的因素包括靶/滤过、管电压和管电流量等，本研究使用MEC依次降低mAs观测图像质量及辐射剂量，为临床适宜剂量乳腺摄影提供参考。

在乳腺X射线摄影中显示AGD评价辐射剂量通常不够精确，而计算AGD更为准确，且显示AGD低于计算AGD[6]。本研究结果显示，计算AGD与显示AGD差异有统计学意义。两种不同靶/滤过中，Mo/Mo组合显示AGD比计算AGD低估22.5%~23.7%；W/Rh组合显示AGD比计算AGD低估13.1%~14.2%。

SNR是评价图像质量的客观依据。入射光子数目的多少，决定了噪声的大小和辐射剂量的高低。本研究显示，随着mAs的减少，图像噪声逐渐变大，SNR值降低并且计算AGD降低。根据Hologic系统质量控制手册，在符合图像质量前提下，SNR值≥40。本研究两种靶/滤过在mAs降低30%时，SNR均不低于40，可满足图像质量要求。两种靶/滤过的SNR在mAs降低10%时与AEC组数值接近，随后mAs降低20%~50%时呈下降趋势。需要说明的是，Mo/Mo在AEC时的SNR比mAs降低10%时的SNR低，这可能与探测器一致性的偏差有关，两者相差0.017%，在2%的正常偏差范围内[7]。两种靶/滤过在CNR对比中，mAs降低10%时与AEC组数值接近，随后mAs降低20%~50%时呈下降趋势。本研究表明，与Mo靶相比，W靶能够提供更高的FOM，使用W/Rh组合相比于Mo/Mo组合，可将AGD降低48.8%~51.0%。对一定厚度模体，Mo/Mo在mAs降低20%时，FOM为最佳值(51.180±1.794)，其AGD可降低18.8%；W/Rh在mAs降低10%时，FOM为最佳值(73.586±2.421)，其AGD可降低11.9%。

本研究基于AEC各项参数，采用MEC下降低mAs的10%~50%，结果表明在符合ACR影像特征标准前提下，两种靶/滤过评价模拟纤维时，mAs降低30%时达到最低标准，其中Mo/Mo组合与W/Rh组合分别可降低计算AGD的29.5%与30.2%；在模拟钙化中，mAs降低20%时达到最低标准，Mo/Mo组合与W/Rh组合分别可降低计算AGD的18.8%与22.2%；在模拟肿块中，Mo/Mo组合mAs降低40%时达到最低标准，可降低计算AGD的40.6%，在W/Rh组合中mAs降低40%时，模拟肿块评分差异有统计学意义，与AEC模式主观评价不一致，且SNR值＜40，图像质量噪声偏高，因此mAs降低30%时图像质量符合最低标准，W/Rh可降低计算AGD的30.2%。所以，针对评价不同影像学特征，进行相应MEC调节mAs可以在不影响图像质量的同时降低辐射剂量。

在Hologic数字乳腺X射线摄影机中，密度曝光档位能够改变图像质量的根本在于调节mAs，因此只要获得相近的mAs，降低密度曝光档位与MEC下降低mAs就能够相互对应。本研究显示，当密度曝光档位下降，mAs也随之下降，且降低mAs的10%~30%分别与-1~-3档位相对应，但需要注意的是-3档的mAs比降低30%的mAs约低9%，导致摄影过程中曝光不足，图像质量明显下降。因此，使用密度曝光档位的-1、-2档可在适宜的辐射剂量下获得满意的图像质量。

本研究存在的局限性：①本研究只进行了模体研究，而在临床应用中患者乳腺压迫厚度和腺体成分的不同导致各项参数的调节差异较大，所以对真实乳腺腺体的参数调节是否与本实验研究一致，有待于今后进一步探讨。②本研究只是针对美国Hologic两种型号的数字乳腺X射线摄影机研究，且本研究只探讨了两种靶/滤过组合，存在一定局限性。③使用模体作为剂量学评估对象，其具有简便性和可重复性被大多数研究者所使用[5, 8-9]，但其噪声特征不能代表真实乳腺X射线摄影中的解剖学背景。因此，模体计算AGD将会比真实乳腺腺体低估约25%[10]。另外由于压迫厚度为4.2 cm，导致只能使用Dance列表中4 cm对应的g因子系数，计算AGD数值时有一定误差。

综上，本研究表明在不同靶/滤过组合时，调节管电流量可以在不影响图像质量的同时降低辐射剂量，为临床适宜剂量乳腺摄影提供参考。

利益冲突  无

作者贡献声明  张原生负责数据整理、模体实验设计及撰写论文；王晓成负责数据采集分析及实验数据整理；郭子泉负责协助数据分析及论文修改；王建明指导实验进行

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