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较低管电压联合Care Dose 4D技术对主动脉成像图像质量和辐射剂量的影响
李小会1, 刘国艳1, 刘小华1, 刘雪梅1, 吴昊2, 曹阳1     
1. 408300 重庆 垫江,重庆市垫江县人民医院放射科;
2. 400042 重庆,第三军医大学大坪医院野战外科研究所放射科
[摘要] 目的 采用单源光子CT较低管电压联合Care Dose 4D技术,评价主动脉成像图像质量和辐射剂量。方法 43例患者按照扫描管电压随机分为2组,即120 kV组(n=19)和100 kV组(n=24)。平扫采用固定管电压(100、120 kV),增强扫描采用自动管电压调节技术(Care kV),参考管电压预设为100、120 kV,平扫和增强扫描均联合Care Dose 4D技术。比较不同扫描条件下2组患者主动脉图像质量、CT值和辐射剂量变化,包括平均容积CT剂量指数(CTDIvol)、剂量长度乘积(DLP)和有效剂量(ED)。结果 平扫,2组主动脉上中下段CT值差异无统计学意义(P>0.05),100 kV组辐射剂量(CTDIvol、DLP、ED)明显低于120 kV组。平扫和增强扫描,100 kV组有效剂量ED较120 kV组分别降低41.36%和67.80%。Care 100 kV组主动脉各段的CT值均高于120 kV组(P < 0.05),两组主动脉成像图像质量评分差异无统计学意义(P>0.05)。结论 联合Care Dose 4D技术,Care kV低管电压能够明显降低主动脉CT血管成像辐射剂量,而图像质量不受影响。
[关键词] 体层摄影术     X线计算机     辐射剂量     CT血管成像     图像质量    
Effect of lower tube voltage combined with CARE Dose 4D on radiation dose and image quality of aorta CT angiography
LI Xiaohui1 , LIU Guoyan1 , LIU Xiaohua1 , LIU Xuemei1 , WU Hao2 , CAO Yang1     
1. Department of Radiology, Dianjiang People's Hospital, Chongqing, 408300;
2. Department of Radiology, Institute of Surgery Research, Daping Hospital, Third Military Medical University, Chongqing, 400042, China
Supported by the Special Fund of Science and Technology of Dianjiang County (djkjxm2015jsyfysfyy028)
Corresponding author: LI Xiaohui, E-mail:15223805260@163.com
[Abstract] Objective To evaluate the radiation dose and image quality of aorta CT angiography by combined usage of CARE KV and CARE Dose 4D technology. Methods A retrospective study was carried out on aorta CT angiography images of 43 patients. According to the tube voltage, they were assigned into 120 kV group (n=19) and 100 kV group (n=24). The plain scanning was performed at fixed tube voltage (100 and 120 kV), while the enhancement scanning was perform with CARE KV (tube voltage 100 and 120 kV). Both the plain and enhancement scanning were combined with CARE Dose 4D technology. The imaging quality scores, mean CT values of the plain scaning under different tube voltage, as well as the enhancement scanning, radiation doses, that is, average computed tomography dose index volume (CTDIvol), dose length product (DLP) and effective dose (ED) were compared between 2 groups. Results There were no significant differences in the mean CT values at upper, middle and lower sections of aorta in plain scans (P>0.05). The radiation doses (CTDIvol, DLP and ED) of 100 kV group was significantly lower than those of 120 kV group. In addition, ED was reduced by 41.36% and 67.80% in plain and enhanced scans, respectively in the 100 kV group when compared with the 120 kV group. The former group also had higher mean CT values of different sections of aorta (P < 0.05). But there was no difference in the imaging quality scores between 2 groups (P>0.05). Conclusion Aorta CT angiography using CARE KV100 together with CARE Dose 4D can ensure the image quality, and significantly reduce the radiation dose when compared with CARE KV120.
[Key words] tomography, X-ray computed     radiation dose     CT angiography     image quality    

随着CT技术的发展, X线的辐射风险逐渐引起社会的广泛关注。BRENNER等[1]研究发现1.5% ~2%肿瘤可能与CT辐射相关。有研究显示CT的年检查率仅占放射学检查的3%, 但辐射剂量却占34%, 甚至更高[2], 当成人腹部扫描接受的有效剂量为10 mSv时, 致癌风险就增加1/2 000[3]。其中主动脉CTA由于扫描范围广、组织结构复杂, 导致辐射剂量较高。在满足诊断需求的前提下, 尽可能降低辐射剂量, 即辐射防护最优化原则(as low as reasonably achievable, ALARA)是CT技术发展的重点方向。对低剂量研究主要从管电流、管电压、螺距、扫描长度及时间等方面展开, 经历了手动改变参数到关键部件的重大革新, 目前迭代重建技术已广泛应用, 有效地降低了CT扫描的辐射剂量。自动辐射剂量调整技术(Care Dose 4D和Care kV)能根据CT检查目的、受检者体型而自动调整管电流和管电压, 实现个性化智能扫描, 降低患者扫描辐射剂量[4-5]。本研究采用较低管电压联合Care Dose 4D技术, 与常规管电压扫描进行比较, 探讨对主动脉CT成像辐射剂量和图像质量的影响, 为主动脉的低剂量扫描有效应用提供临床依据。

1 资料与方法 1.1 一般资料

垫江县人民医院2016年3-10月完成主动脉CT成像43例。其中Care 100 kV组24例, 包括男性20例, 女性4例, 年龄19~83(60.0±16.8)岁;Care 120 kV组19例, 包括男性13例, 女性6例, 年龄27~78(56.2±14.0)岁。排除严重肝肾功能不全或者心功能不全、碘过敏、非正常体质量指数的瘦弱或肥胖患者以及主动脉夹层患者。研究经垫江县人民医院伦理委员会批准(审批号:L2015112702), 患者均签署知情同意书, 同意行光子CT全主动脉成像。

1.2 检查方法

扫描设备为西门子单源128层Stellar光子CT扫描仪, 患者仰卧位, 扫描方向自头向足侧, 行胸腹连续定位像(从胸廓入口至耻骨联合上缘)扫描后, 先平扫再增强。用双筒高压注射器经右侧肘静脉以3.0 mL/s快速团注碘佛醇(320 mg/mL)70 mL, 注射后随即注入生理盐水40 mL。采用人工智能触发Bolus tracking技术, 将感兴趣区(ROI)监测于降主动脉内, 触发阈值110 Hu, 触发后5 s启动扫描。扫描参数:平扫采用固定管电压(100 kV组、120 kV组)联合Care Dose 4D自动管电流条件技术, 增强扫描采用semi Care kV(预设管电压分别为100、120 kV), 联合Care Dose 4D自动管电流条件技术, 螺距为0.6, 层厚6 mm, 层间距6 mm, 旋转速度0.5 s。图像均在检查后采用自动迭代重建处理(iterative reconstruction, IR)。图像传输至Siemens工作站(软件版本syngo.via VB10)进行容积再现技术(volume rendering technique, VRT)后处理。

1.3 观察指标

1.3.1 一般测量指标和主动脉CT值测定

两组患者的一般资料测量包括体质量指数、扫描长度、促发阈值、到达时间。主动脉作为人体最大的动脉循环通路, 其CT值, 特别是增强后, 主动脉腔内的CT值与含碘造影剂体循环的血流动力学分布不均衡(层流或涡流), 或与主动脉管壁的弹性、管壁粥样斑块导致的部分容积效应均有一定的关系, 为了保证最小的测量偏倚, 采用文献[6]的检查方法。本研究分段测量主动脉各段平扫和增强后CT值, 包括上段(主动脉弓层面)、中段(胸12水平)、下段(腹主动脉分叉水平), 每次测量三次取其平均值, ROI=10 mm2

1.3.2 辐射剂量

分别记录平扫和增强扫描时自动显示的辐射剂量数值, 包括平均容积剂量指数(computed tomography dose index volume, CTDIvol)、剂量长度乘积(dose length product, DLP)、有效剂量(effective dose, ED)。ED=k×DLP(DLP转换为有效剂量的转换因子, k值为0.015 mSv ·mGy-1·cm-1)。

1.3.3 图像质量

由两名主治医师分别独立对两组图像进行综合评估, 图像质量评分, 参考文献[6]按照优、良、差三个等级采用1~3分级评分法:优(3分), 增强CT值≥200 Hu, 三级分支显示清楚;良(2分), 增强CT值>150~ < 200 Hu, 二级分支显示清楚;差(1分), 增强CT值≤150 Hu, 一级分支显示清楚。对评价不一致的, 经第三位高年资医师评价仲裁。

1.4 统计学处理

采用SPSS 18.0统计软件, 计量资料数据以x±s表示, 120 kV组与100 kV组比较采用独立样本Student's-t检验, 增强扫描与平扫比较用配对样本Student's-t检验。计数资料采用率或百分比表示, 两组比较采用χ2检验, 双侧检验, 检验水准α=0.05。多重比较行Bonferroni矫正。

2 结果 2.1 两组患者的一般资料比较

基于伦理学考虑, 本研究在两种不同管电压下观察的主动脉图像并非是同一扫描所得的同一样本, 但两组患者的基本资料包括性别比、年龄、体质量指数、扫描的长度、促发阈值、达到时间等, 经统计学分析, 差异均无统计学意义(P>0.05, 表 1), 可认为两组样本均来自同一总体, 对研究结果无明显影响。

表 1 两组患者临床资料比较
组别 n 性别
(男/女)
年龄
(岁, x±s)
体质量指数
(kg/m2, x±s)
扫描长度
(mm, x±s)
促发阈值
(Hu, x±s)
达到时间
(s, x±s)
100 kV组 24 20/4 60.0±16.8 21.32±2.32 383.10±32.25 119.63±14.42 20.38±3.27
120 kV组 19 13/6 56.2±14.0 22.28±3.68 385.17±26.92 121.05±15.33 18.89±2.73
统计值 χ2=0.618 t=0.792 t=1.045 t=0.224 t=0.313 t=1.568
P 0.432 0.433 0.302 0.842 0.756 0.125

2.2 两组患者CT值和辐射剂量比较

43例患者均一次智能促发成功。平扫100 kV组和120 kV的主动脉各段CT值差异无统计学意义(P < 0.05)。增强扫描, 100 kV组主动脉各段的CT值均明显高于120 kV组(P < 0.05), 上、中、下段的CT值分别增加17.8%、17.1%、18.4%。此外, 主动脉下段CT值最高(表 2)。

表 2 两组主动脉各段CT值比较(Hu, x±s)
组别 n 上段 中段 下段
平扫 动脉期 平扫 动脉期 平扫 动脉期
100 kV组 24 41.23±4.68 343.18±50.13 39.87±4.31 334.71±56.94 45.66±5.74 368.8±62.29
120 kV组 19 41.43±3.56 282.40±57.36 37.55±6.61 277.36±53.84 42.84±3.84 300.31±55.91
t 0.155 3.704 1.389 3.359 1.833 3.748
P值(矫正后) 2.634 0.003 0.516 0.006 0.222 0.003

100 kV组中, 平扫和增强的辐射剂量(CTDIvol、DLP、ED)均明显低于120 kV组(P < 0.05)。在100 kV低管电压下, 平扫和增强扫描, 有效剂量ED较120 kV组分别降低41.36%和67.80%(表 3图 1)。而对于同一组管电压患者, 平扫采用固定管电压联合Care Dose 4D技术, 而增强扫描启用了Care kV自动管电压系统, 其辐射剂量明显低于平扫, 100 kV和120 kV组增强扫描较平扫的有效剂量ED分别降低60.2%和27.7%(表 3)。

表 3 两组主动脉平扫和增强辐射剂量比较(x±s)
组别 n 平扫 增强
CTDIvol(mGy) DLP(mGy.cm) ED(mSv) CTDIvol(mGy) DLP(mGy.cm) ED (mSv)
100 kV组 24 3.56±1.37 142.49±58.94 2.14±0.88 1.58±0.83 56.94±18.36 0.85±0.28
120 kV组 19 6.66±2.93 243.07±83.60 3.65±1.25 5.37±1.84 175.88±36.34 2.64±0.55
t 4.591 4.624 4.624 8.823 13.97 13.97
P值(矫正后) < 0.01 < 0.01 < 0.01 < 0.01 < 0.01 < 0.01

A~C:男性, 41岁, BMI=21.56 kg/m2, 扫描长度399.8 cm, 促发时间19 s, 主动脉平扫CT值39 Hu, 辐射剂量(CTDIvol=5.1 mGy、DLP=211.5 mGy.cm、ED=3.17 mSv), 主动脉增强CT值218.27 Hu, 辐射剂量(CTDIvol=1.8 mGy、DLP=74.9 mGy.cm、ED=1.12 mSv), 图像质量评分为优(3分);D~F:男性, 50岁, BMI=21.93 kg/m2, 扫描长度393 cm, 促发时间18 s, 主动脉平扫CT值43 Hu, 辐射剂量(CTDIvol=2.06 mGy、DLP=84.4 mGy.cm、ED= 1.26 mSv), 主动脉增强CT值290 Hu, 辐射剂量(CTDIvol=1.05 mGy、DLP=42.8 mGy.cm、ED=0.642 mSv), 图像质量评分为优(3分) 图 1 120 kV组和100 kV组主动脉成像图像质量和辐射剂量对照

2.3 主动脉CT成像图像质量比较

两名阅片者通过3分法行主动脉图像质量评分, 100 kV和120 kV组图像质量评分分别为(2.54± 0.51)分和(2.53±0.51)分、(2.52±0.51)分和(2.68±0.48)分, 两组评分差异均无统计学意义(P>0.05)。两组患者主动脉成像图像质量评分见表 4

表 4 两组患者图像质量主观评分对照
组别 n 评价一 评价二
3分 2分 1分 3分 2分 1分
100 kV组 24 13 11 0 14 10 0
120 kV组 19 10 9 0 13 6 0

3 讨论

多层螺旋CT普及应用, 不可避免地增加了患者医源性辐射暴露。近年来, 为减少辐射剂量, 国内外学者作了多方面的研究, 常用方法有降低管电压、管电流以及大螺距、调整层厚及缩短扫描长度等, 均可以在一定程度上减少患者的辐射剂量[3-6], 其中CT自动曝光控制(automatic exposure control, AEC)是以降低辐射剂量为基本思路, 即根据受检者体型调整管电流或管电压, 同时兼顾图像质量和对比度。最近出现的光子探测器、Care Dose 4D智能管电流调节技术、Care kV智能管电压调节技术, 以及迭代重建技术的临床应用, 使得AEC技术更有效的降低剂量。

3.1 适当降低管电压对主动脉成像CT值的影响

既往研究认为[7-9], 管电压的高低与不同物质之间的对比度和被测物质CT值有关, CT图像噪声主要与探测器的光子数量有关, 直接降低管电压会导致发射光子的数量减低, 而使图像的噪声有所增加, 但是对于特定浓度的含碘对比剂而言, 适当的降低管电压可以增加强化后血管内含碘对比剂的CT值, 从而间接的补偿了低管电压导致的图像质量下降。本研究通过较低管电压(100 kV)组和常规管电压(120 kV)组的平扫和增强扫描比较, 显示平扫条件下两组主动脉各段CT值无统计学差异, 提示低电压低辐射适用于平扫, 管电压的高低不影响平扫的图像质量。而增强扫描, Care 100 kV组主动脉各段的CT值均明显高于Care 120 kV组, 其上段、中段、下段的CT值分别增加17.8%、17.1%、18.4%。究其原因主要是对于含碘对比剂而言, 当X线光子能量接近碘的K缘(33.2 keV)时, 其碘的CT值最大(63 kV), 与管电压120 kV相比, 100 kV的较低管电压缩小了光电子平均能量与碘K能级的差距, 更加接近于碘的K缘。因此, 低管电压条件下测得的主动脉含碘对比剂CT值较高, 从而增加了主动脉成像的对比度[9-10]

3.2 Care kV预设管电压联合Care Dose 4D应用对图像质量和辐射剂量的影响

管电压和管电流的调节是直接影响辐射剂量的关键因素, 单源Stellar光子CT中新近推出的Care kV联合Care Dose 4D技术已可常规应用于临床检查。智能管电流Care Dose 4D调节技术的原理是在扫描过程中, 根据患者体型(大小、体质量等)和扫描部位自动优化电流, 通过预设参考管电流保证各层图像质量一致, 再确定最合适的剂量, 最高能减少66%的剂量。而辐射剂量与管电压的平方呈正比, 适当降低管电压将更有利于降低辐射剂量, LESCHKA等[11]研究结果显示在心脏扫描中, 使用100 kV管电压代替常规120 kV可使辐射剂量降低24%, 而COPPENRATH等[12]运用模拟模型的研究结果显示可使得辐射剂量降低36%。在降低管电压的同时, 通过自动毫安调节技术降低了扫描时的有效管电流, 进而有效地降低患者的辐射剂量, 本研究结果显示在Care 100 kV组中, 平扫和增强的辐射剂量(CTDIvol、DLP、ED)均明显低于120 kV组, 其有效剂量ED较Care 120 kV组分别降低41.36%和67.80%, 而图像质量评分无差异, 并且能满足临床诊断需要。

智能管电压Care kV调节技术可根据患者的个体差异和检查目的自动设置最佳的kV值, 即在预设的检查目的下, 结合定位像、Care Dose 4D技术实现最优化的辐射剂量, 最终达到最小剂量的目的[10]。WINKLEHNER等[13]研究结果显示, 对于胸腹部CTA扫描时以常规120 kV为比较标准, 联合使用Care kV技术可使辐射剂量减少近25%, 本研究中, 在同一组管电压者中, 在其他扫描参数不变的前提下, 增强扫描启用Care kV技术, 辐射剂量明显低于平扫, 100 kV和120 kV组增强扫描较平扫的有效剂量ED分别降低60.2%和27.7%。综上所述, Care 100 kV联合Care Dose 4D技术能在保证图像质量的前提下进一步降低扫描时的辐射剂量。

3.3 CT低剂量主动脉成像其他辅助技术的应用

以二代双源为代表的CT发展进入了低剂量成像时代, Stellar光子CT所使用的集成回路探测器, 利用单个芯片的集成模数转换路径明显减少了信号损耗和散热过程, 从而达到减小电子噪声并提高图像的信噪比的目的。因此, 从理论上讲, 运用Stellar光子探测器可以以较低辐射剂量进行检查的同时, 减小图像噪声, 保持图像质量。在低剂量的辅助措施中, 除了Care Dose 4D、Care kV, 还包括大螺距扫描、前瞻性心电触发、心电门控技术和迭代重组算法等[14-17]。而要获得满意的主动脉血管成像, 关键在于靶血管内对比剂浓度达到峰值的时间。本组均采用Bolus-tracking自动触发技术, 在血管对比剂浓度最高且强化达到峰值时进行促发扫描, 同时充分利用生理盐水冲刷的持续压力, 保证了主动脉全程均处于高峰水平时完成全主动脉扫描, 既减少了对比剂量, 又降低了碘含量给患者带来潜在损害。

3.4 不足和展望

本研究未对扫描范围内腹部实质脏器的信噪比进行定量分析, 但主动脉检查的适应证主要是怀疑主动脉疾病患者, 图像质量的定性评分显示均能够满足诊断需要。其次, 未有测量参考管电压和参考管电流曲线, 未有对测量不同器官/部位作为参考。第三, 本研究仅分析了正常体质量指数患者, 未对BMI过轻或肥胖等患者进行分组, 将在以后的研究中加大样本进行研究。第四, 本研究未有考虑扫描时相对智能低剂量技术的影响。最后, 本研究仅比较以100 kV和120 kV为参考电压的Care kV扫描, 更低管电压(如80 kV)为参考管电压对剂量降低、保证图像质量的影响需要进一步研究。

综上, 本研究初步探讨了联合智能管电流和管电压技术对降低辐射剂量和提高对比度的影响。

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http://dx.doi.org/10.16016/j.1000-5404.201706078
中国人民解放军总政治部、国家科技部及国家新闻出版署批准,
由第三军医大学主管、主办

文章信息

李小会, 刘国艳, 刘小华, 刘雪梅, 吴昊, 曹阳.
LI Xiaohui, LIU Guoyan, LIU Xiaohua, LIU Xuemei, WU Hao, CAO Yang.
较低管电压联合Care Dose 4D技术对主动脉成像图像质量和辐射剂量的影响
Effect of lower tube voltage combined with CARE Dose 4D on radiation dose and image quality of aorta CT angiography
第三军医大学学报, 2017, 39(21): 2099-2104
Journal of Third Military Medical University, 2017, 39(21): 2099-2104
http://dx.doi.org/10.16016/j.1000-5404.201706078

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收稿: 2017-06-13
修回: 2017-08-11

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