2025, Vol. 45
2. 山东第一医科大学第一附属医院(山东省千佛山医院)输血科 山东省肺癌研究所 山东省神经免疫研究所, 济南 250014;
3. 山东第一医科大学(山东省医学科学院)研究生部, 济南 250117
2. Department of Blood Transfusion, First Affiliated Hospital of Shandong First Medical University & Shandong Provincal Qianfoshan Hospital, Jinan 250014, China;
3. Graduate School, Shandong First Medical University and Shandong Academy of Medical Sciences, Jinan 250117, China
能谱CT因其多参数成像模式和定量分析物质的特点在临床中受到关注，但较传统单能CT模式辐射剂量偏高限制了临床应用[1]。近年来的研究显示宝石能谱成像(gemstone spectral imaging, GSI)的自动能谱成像协议选择(automatic spectral imaging protocol selection, ASIS)技术可以根据患者体型和预设参数实现个性化扫描[2-3]，从而降低辐射剂量。辐射剂量是预测电离辐射风险的重要依据，关于GSI辐射剂量的研究通常基于辐射剂量表中的标准指标[4-5]，而这些指标不能体现患者接受的实际剂量[6]。本研究旨在利用体模结合热释光剂量计(thermoluminescent dosimeter, TLD)实际测量并计算器官或组织吸收剂量(DT)及有效剂量(effective dose, E)，客观评价能谱CT成像中患者组织或器官所受实际辐射剂量，同时验证能谱ASIS技术低剂量CT成像的可行性，以推动能谱CT在临床中的更好应用。
材料与方法1.研究对象：ATOM系列成人男性剂量专用体模(美国CIRS公司)，该体模组织密度与人体相应组织相近, 等效性良好[7]。包括了头颈、胸腹和盆腔(图 1)，在放射敏感的器官位置有探测孔可以测量器官吸收辐射。模体水平分为25 mm厚的39段，每段上分布着直径5 mm的孔, 用于布放剂量计，孔在体模内器官的位置分布呈最优化，有利于精确地器官剂量测定。
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A.成人男性剂量专用体模；B.腹部定位像；C.模拟腹部轴位CT图像 图 1 ATOM系列辐射专用体模 A. An adult male dose-specific phantom; B. Abdominal positioning; C. CT image of simulated abdominal axis Figure 1 ATOM dose-special phantom |
2.扫描方案及图像重建：Discovery CT750 HD设备(GE医疗，美国)上采用不同条件对体模腹部进行扫描，范围从膈顶到髂前上棘。扫描时分别选择常规单能CT和GSI模式。常规单能CT模式管电压分别为120和80 kVp，自动管电流调制技术(automatic tube current modulation, ATCM)预设噪声指数(noise index, NI)为10 HU；GSI模式，应用ASIS技术，管电压80/140 kVp之间快速切换，预设目标非能谱扫描NI值分别为8、10、15和20 HU。3种扫描剂量方案参数列于表 1。
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表 1 3种扫描模式扫描参数 Table 1 Parameters of three scanning modes |
GSI图像则根据殷小平等[8]研究推荐，使用GSI浏览器重建70 keV的单能量图像。所有图像均采用40%适应性统计迭代算法(adaptive statistical iterative reconstruction, ASiR)进行重建。
3.器官或组织DT测定：器官DT测定使用GR-200A型TLD(北京光润意通辐射监测设备有限公司)，小圆片型LiF (Mg，Cu，P)，直径5 mm，厚0.8 mm。TLD测量仪[FJ-427A1型，中核(北京)核仪器厂]，量程范围0~9 999 Gy。TLD测量仪和元件经中国计量科学院检定并在有效期内，根据器官或组织对辐射的敏感性以及本课题的研究目的，TLD的数量分布为：眼部4个(左右各2)、甲状腺6个(左右各3)、胰腺6个、肾上腺2个、结肠18个、腰椎骨髓8个、腹部皮肤9个(肝区、脾区及肚脐周围皮肤表面各3)、睾丸2个，12个本底TLD。
4.有效剂量评估：有效剂量E的计算采用两种方法。
一是采用设备生成的剂量长度乘积(dose length product, DLP)来估算：
| $ E_{\mathrm{DLP}}=\mathrm{DLP} \times k $ | (1) |
式中，k为有效剂量转换系数，腹部转换系数为0.015 mSv·mGy-1·cm-1。
二是利用TLD元件计算的器官或组织DT值来估算：
| $ E_{\mathrm{TLD}}=\sum W_{\mathrm{T}} \times H_{\mathrm{T}} $ | (2) |
式中，WT为组织权重因子[9]；HT为器官或组织的当量剂量的平均值，而HT=WR×DT, WR为辐射权重因子, 医用X射线范围内WR为1[10]，因此得式(3)：
| $ E_{\mathrm{TLD}}=\sum W_{\mathrm{T}} \times D_{\mathrm{T}} $ | (3) |
式中，DT为单位质量的组织或器官吸收的辐射能量，计算如式(4)：
| $ D_{\mathrm{T}}=f \times X_i $ | (4) |
式中，f为辐射检定因子，表示照射量转换为吸收剂量的转换系数，取1.66×10-3 mGy/nC; Xi为体模内器官所受照射量, 由TLD元件算出。
将上述两种方法所得的E值进行对照，并分析两种方法的偏离程度，公式如下：
| $ \text { 有效偏离度 }=\left|\frac{E_{\mathrm{TLD}}-E_{\mathrm{DLP}}}{E_{\mathrm{TLD}}}\right| \times 100 \% $ | (5) |
另外，记录剂量表中的容积CT剂量指数(volume CT dose index, CTDIvol)。
5.客观图像质量评价：由1名有8年CT工作经验对图像扫描情况毫不知情的放射医师，在AW4.6工作站(美国GE医疗公司)中测量体模软组织的CT值和标准差(standard deviation, SD)。感兴趣区(region of interest, ROI)位置，注意避开伪影和探测孔，此外ROI大小的一致性通过复制粘贴来实现。测量值均测量3次求平均值。并通过下列公式计算信噪比(Signal-to-noise ratio, SNR)：SNR=CT软组织/SD软组织。
6.统计学处理：采用SPSS 19.0软件进行数据分析，计量资料采用 x±s表示，使用Shapiro-Wilk法检验正态性分布。符合正态性的采用单因素方差分析(ANOVA)，组间多重比较采用Bonferroni法，方差不齐时采用Welch′s ANOVA法，组间比较采用Games-Howell法。P < 0.05为差异有统计学意义。
结果1. 3种扫描模式辐射剂量的比较
(1) 3种扫描模式的CTDIvol和DLP值：当预设NI=10 HU时，3种扫描模式具有相似的CTDIvol和DLP值。在GSI扫描模式组中，CTDIvol和DLP随着预设非能谱NI的升高而逐步降低，即NI越高，CTDIvol和DLP值越小(表 2)。
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表 2 3种扫描模式不同NI的CTDIvol和DLP值 Table 2 CTDIvol and DLP values of different NIs under three scanning modes |
(2) 所测器官或组织DT的比较：不同扫描模式下各器官或组织DT值列于表 3。当NI=10 HU时，常规单能模式80 kVp组所测的器官或组织DT值均低于其他方案，尤其是腹部扫描野内的器官或组织，但常规单能模式120 kVp组和GSI扫描模式组的器官或组织DT值变化不大。随着GSI扫描模式组中NI值的增加，各器官或组织DT值逐渐降低，且扫描野内降低幅度大于扫野外。值得注意的是，当GSI扫描模式组中NI=15和20 HU时，扫描野外的器官DT值与常规单能模式80 kVp组相比变化不明显，但扫描野内各器官或组织DT值均低于常规单能模式80 kVp组。
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表 3 不同扫描模式各器官或组织DT值(mGy) Table 3 DT values (mGy) of various organs or tissues under three scanning modes |
(3) E值的对比：不同扫描模式E值列于表 4。结果显示除常规单能模式80 kVp组，经DLP法计算的E值较器官DT法的偏低，偏差为9%~20%。NI设定相同时，经DLP法计算的E值各组变化不大，但采用器官DT法时，其余两组的E值均高于常规单能模式80 kVp组。在GSI扫描模式组中E值随着NI的增加而逐渐降低，当NI为15和20 HU时，两种计算方式均显示其获得的E值将低于常规单能模式80 kVp组。
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表 4 3种扫描模式下DLP和TLD法所得有效剂量 Table 4 Effective doses measured using DLP and TLD under three scanning modes |
2.图像质量分析：所有扫描方案的图像示于图 2，SD值和SNR列于见表 5。3种扫描模式之间SD和SNR差异具均有统计学意义(F=65.52、35.09，P < 0.05)。但常规单能模式120 kVp组的SD、SNR与GSI扫描模式组中NI=15和20 HU组之间差异均无统计学意义(P>0.05)。GSI扫描模式的SD、SNR随着NI的变化而变化，并且除了NI=15和20 HU之间，其余不同NI之间的SD、SNR差异均具有统计学意义(SD: t=0.80~3.46; SNR: t=0.90~2.23，P < 0.05)。常规单能模式80 kVp组的SD显著高于其他组(t=1.46~5.57，P < 0.001)，图像的近椎体处软组织可见放射状细条纹伪影(图 2)。常规单能模式80 kVp组的SNR虽最低，但与常规单能模式120 kVp组、GSI扫描模式组中、NI=20 HU未见有统计学意义(P>0.05)。值得注意的是，当NI相同时，不管是SD还是SNR均显示GSI扫描模式组具有更优的图像质量(SD: t=3.32~4.77; SNR: t=1.28~1.63)，P < 0.001)。
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注：GSI. 宝石能谱成像；NI. 噪声指数；红色箭头为椎体周围放射状伪影 图 2 扫描方案的男性剂量体模轴位图 A. 常规单能模式，管电压120 kVp；B. 常规单能模式，管电压80 kVp；C.GSI模式NI=8 HU；D. GSI模式NI=10 HU；E. GSI模式NI=15 HU；F. GSI模式NI=20 HU Figure 2 Images of the phantom axis under various scanning protocols A. Conventional SECT mode with a tube voltage of 120 kVp; B. Conventional SECT mode with a tube voltage of 80 kVp; C. GSI mode with a NI of 8 HU; D. GSI mode with a NI of 10 HU; E. GSI mode with a NI of 15 HU; F. GSI mode with a NI of 20 HU |
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表 5 3种扫描模式客观图像质量SD和SNR值 Table 5 SD and SNR values of objective image quality under three scanning modes |
讨论
随着能谱技术的发展，能谱扫描模式得到优化，从固定管电流扫描到ASIS扫描模式[11]，为临床工作中降低X射线辐射剂量提供了可能。本研究采用腹部ATOM系列专用剂量模型，全面评估能谱CT对辐射剂量的影响，并与单能CT扫描模式进行对比，验证了能谱低剂量CT成像的可行性。
研究结果证实预设相同的NI时，能谱扫描模式与单能120 kVp的CTDIvol、DLP基本一致，这源于ASIS技术是以预设120 kVp非能谱扫描NI为参考[3]，自动选择与目标NI相匹配的CTDIvol，扫描范围相同则致使DLP相同，这与Lv等[12]在临床研究结果相一致。CTDI仅反映了CT设备输出的辐射剂量，而不能体现患者接受的实际辐射剂量[6]，为探寻各扫描方案真实辐射剂量本研究使用TLD元件对器官或组织DT进行测定。在相同的NI下，GSI扫描模式组和常规单能模式120 kVp组的器官和组织DT变化不大，即能谱CT联合ASIS技术未增加患者的辐射剂量[13]。预设NI=10 HU时，能谱模式与单能80 kVp模式虽然具有了相同的CTDIvol值，但能谱模式患者的器官DT结果略高，原因主要是管电压对器官DT的影响大于管电流的影响力[14]，即管电压对辐射剂量的影响呈幂指数性，而管电流仅为线性[15]。本研究还采用DLP和器官DT两种方式计算评估了患者E值，结果显示除了常规单能模式80 kVp组，采用DLP估算出的E值较器官DT测定的偏低，偏差度为9%~20%，说明在临床常规管电压扫描时低估了患者的实际受照剂量，低管电压扫描时反而高估了实际受照剂量。且与He等[15]和聂壮等[16]采用其他剂量估值法的结果相一致。
传统CT扫描中降低管电压虽然获得较低的器官DT，但其图像噪声显著增加[17]，尤其是降低管电压时会加重射线硬化伪影。GSI采用高、低电压(80/140 kVp)瞬间切换的模式进行数据采集，GSI浏览器可产生40~140 keV共101个单能量图像。单能量图像能准确的反映了不同物质在同一能量下真实的衰减特性[18]，能够有效减轻硬化效应的产生，显著降低图像噪声和伪影，这一结果在李成龙等[4]的研究中同样获得了充分体现。GSI联合ASIS技术的辐射剂量即使下降约36%，其图像噪声仍优于单能80 kVp模式(t=2.11，P < 0.001)，此外器官DT和E值也获得了降低。
本研究存在以下不足之处：①受研究条件限制，未对腹部所有器官DT值进行检测。②有效剂量仅通过体模的部分器官DT计算所得，并不代表成人男性腹部CT检查真实的有效剂量。③没有使用其他测算器官DT的方法，在后续的研究中会加强这方面的工作。
总之，能谱CT采用ASIS技术既可以实现能谱低剂量扫描，又可以获得优于传统单能80 kVp扫描方式的图像质量，对能谱CT在临床实践中的广泛应用有重要意义。
利益冲突 无
作者贡献声明 亓慧负责设计实验、数据分析和论文撰写；房平负责统计和分析；崔丁也、郑光英负责实验操作以及数据获取；李伟负责研究设计、论文修改
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