Exposure dose calculation of digital tomosynthesis and in comparison with other chest examinations

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(1.Department of Radiology, Nanfang Hospital of Southern Medical University, Guangzhou 510515, China;2.Department of Radiology, Nanhai Hospital, Southern Medical University, Foshan 528200, China)

·方法技术学·

Exposure dose calculation of digital tomosynthesis and in comparison with other chest examinations

MALe1,ZHUMingxin2,QINGenggeng1,HEZilong1,CAIYuxing1*,CHENWeiguo1

(1.DepartmentofRadiology,NanfangHospitalofSouthernMedicalUniversity,Guangzhou510515,China;2.DepartmentofRadiology,NanhaiHospital,SouthernMedicalUniversity,Foshan528200,China)

Objective To propose a simple method of calculating exposure dose in chest tomosynthesis (DTS) whose validity was verified, and to compare the expose paremeters of DTS with other chest examinations of digital radiology (DR), dual energy subtraction (DES), low-dose CT (LDCT) and conventional CT. Methods Thirty subjects were recruited for the DTS examination. Based on the exposure parameters from scout view, a calculation method and two correction factors were proposed and validated for air kerma and dose-area product (DAP) calculation. Besides, 30 subjects participated in the DR examination, 30 for DES examination, 30 for LDCT examination and another 30 for CT examination. The difference of effective dose (ED) among five chest examinations was investigated. Results Two correction factors of 0.97 and 0.93 for air kerma and DAP were determined, respectively. Small average differences of (0.5±0.4)% and (0.3±0.3)% were found between estimated values and actual values. ED of DR, DES, DTS, LDCT, CT had statistical significance (F=1 148.09,P<0.01), and besides the ED of DR and DES had no difference, there were significant differences between each other two imaging methods (allP<0.05). Conclusion A simple method to estimate DTS exposure dose is proposed and validated with no need to superimpose the dose from each image. DTS has lower exposure dose when compared with LDCT and CT, and provides three-dimensional imaging for obtaining more information when compared with DR and DES.

Thorax; Tomosynthesis; Radiation dosage

数字X线摄影(digital radiography, DR)是胸部疾病检查最常用的影像学手段，具有成像速度快、辐射剂量低、价格便宜等优点。但由于骨组织对肺组织的重叠遮挡，肺内小结节易被漏诊。胸部双能量减影(dual energy subtraction, DES)通过高千伏和低千伏连续两次曝光，可将骨组织和肺组织分离，有效去除重叠的肋骨等高密度骨质对肺小结节的影响[1]。数字断层融合(digital tomosynthesis, DTS)作为一种低剂量的胸部断层成像方式，通过有限角度的连续、快速曝光，可重建出一系列断层图像[2-3]。相比DR和DES，胸部DTS可避免深在部位和复杂部位的组织重叠，减少呼吸运动所造成的图像伪影[4]。研究[4-5]证实，胸部DTS可提高病灶的检出率和诊断率，为临床治疗提供重要影像资料。目前，CT仍是胸部疾病检查的金标准，但由于其费用高、辐射剂量大等缺点，极大地限制了其在临床的广泛应用[6]。低剂量CT(low-dose computed tomography, LDCT)在保证图像质量的前提下，通过降低X线球管电流强度可达到降低辐射剂量的目的[7]，但临床尚未广泛应用。Kumar等[8]以CT作为金标准，发现DES诊断肺内小结节的敏感度和特异度均高于DR，而DTS则显著优于DR(P<0.003)，但该研究未对辐射剂量进行分析。

空气比释动能、剂量面积乘积(dose-area product, DAP)和有效剂量(effective dose, ED)常用来评价患者在X线检查过程中所接受的辐射剂量[9-10]。但在计算胸部DTS的空气比释动能和DAP时，常需对不同角度拍摄的图像剂量(系统默认60张)进行叠加，得到最后的辐射总量[9]。本文在基于DTS首张定位片曝光参数的基础上，提出一种计算空气比释动能和DAP的简单方法；同时提出两个校正因子对剂量参数进行调整，并对该计算方法和两个校正因子进行验证，将胸部DTS与DR、DES、LDCT、CT成像方式的ED进行对比。

1 资料与方法

1.1一般资料 收集2016年6月—2016年8月进行胸部检查的患者150例，年龄23～67岁，中位年龄44.5岁，身高155～180 cm，平均(165.4±8.3)cm，体质量43～80 kg，平均(68.2±6.5)kg，体质量指数(body mass index, BMI)为(23.9±2.9)kg/m2。接受胸部DR、DES、DTS、LDCT、常规CT检查各30例，男、女分别15例。本研究获得本院伦理委员会的批准，所有患者均签署知情同意书。

1.2 方法

1.2.1 空气比释动能和DAP计算方法的提出与验证 采用GE XR656 VolumeRAD DR系统。实验过程中，平板探测器保持静止，X线球管在垂直方向上对胸部扫描，扫描角度-15°～+15°(图1)，共拍摄60张低剂量图像，时间约10 s。探测器与球管距离(source image distance, SID)180 cm，电压120 kV，自动曝光模式(automatic exposure control, AEC)[11]，记录60张断层图像在设备上显示的空气比释动能和DAP实际值。

对于VolumeRAD系统，胸部DTS的曝光参数可由第一张定位片决定。AEC曝光模式下，断层融合的球管负载(mAs)默认为定位片的10倍，然后平均分配到60张图像。根据Renard序列的四舍五入原则，每张图像的球管负载限制为最小，即0.25 mAs[9]。每张图像的最小球管负载乘以60后，获得断层融合的总负载。将总负载除以定位片的球管负载，获得的比率再乘以定位片的空气比释动能和DAP，则为空气比释动能和DAP的预测值[9]。计算流程见图2。对空气比释动能和DAP与实际叠加值采用校正因子调整。随机挑选15例患者用于计算空气比释动能和DAP的校正因子(实际值与预测值的比值)。

剩余的15例患者用于验证计算方法和校正因子的准确性，胸部断层融合曝光参数的实际值由60张图像的空气比释动能和DAP分别叠加，作为标准参考值；预测值通过以上所提方法和校正因子计算。通过预测值与实际值相比较，观察两者的相对偏差值，验证该方法的有效性。

1.2.2 不同胸部成像方式下的辐射剂量对比 胸部DR和DES检查：采用GE XR656 DR系统，SID设置为180 cm，AEC曝光模式；胸部DR的球管电压120 kV，DES的高压为120 kV，低压为60 kV，记录空气比释动能和DAP值。LDCT和常规CT检查：采用Siemens Somatom Sensation 64层CT机，常规球管电压120 kV，层厚1.0 mm，螺距0.8，扫描时间5～8 s；LDCT采用自动管电流扫描技术(Automatic tube current modulation, ATCM)，范围为20～200 mA，噪声指数为14，余参数同常规CT。

图1 胸部断层融合控制及工作流程 图2 预测空气比释动能和DAP的计算方法流程

图3 胸部DTS的空气比释动能(A)和DAP(B)随角度变化

采用ED评价5种胸部成像方式的X线辐射剂量，胸部DR、DES、DTS、LDCT和CT检查的ED计算见公式1～5[12-14]。

EDDR=DAP(正位+侧位)*0.18 mSv/(mGy·cm2)

(1)[12]

EDDES=DAP(高千伏+低千伏+侧位)*0.18 mSv/(mGy·cm2)

(2)[12]

EDDTS=DAP(定位片+60张断层)*0.26 mSv/(mGy·cm2)

(3)[13]

EDLDCT=DLP*0.014 mSv/(mGy·cm)

(4)[14]

EDCT=DLP*0.014 mSv/(mGy·cm)

(5)[14]

1.3 统计学分析 采用SPSS 20.0统计分析软件，先行Kolmogorov-Smirnov正态性检验，对DAP的预测值与实际叠加值进行比较采用配对样本t检验；对5种胸部成像方式下的ED行方差齐性检验，采用单因素方差分析，两两比较采用Tamhane'sT2检验。P<0.05为差异有统计学意义。

2 结果

DAP的预测值与实际值、5种成像方式下的ED均符合正态分布(P>0.05)。15例患者的空气比释动能和DAP的校正因子分别为0.97和0.93。余15例患者预测值与实际值差异无统计学意义(空气比释动能：t=-1.2，P=0.247；DAP：t=1.7，P=0.105)，两者平均相对偏差分别为(0.5±0.4)%和(0.3±0.3)%。

采集胸部DTS中，扫描角度-15°～+15°时，60张图像的空气比释动能和DAP的均值和标准差见图3。空气比释动能为-15°～-10°、-5°～+7°、+12.5°～+15°时，均值基本保持一致，在0°附近，最大为0.0131 mGy； DAP在0°附近，DAP最大为0.1514 dGy·cm2，向两侧角度增大时，DAP逐渐降低。

胸部DR、DES、DTS、LDCT、CT的ED分别为(0.12±0.04)mSv、(0.15±0.04)mSv、(0.24±0.01)mSv、(1.97±0.44)mSv及(6.44±0.71)mSv，差异有统计学意义(F=1 148.09，P<0.01)，且除胸部DR与DES差异无统计学意义外，余成像方式两两比较差异均有统计学意义(P均<0.05)。

3 讨论

本文首先提出一种计算胸部DTS辐射剂量的简单方法，并进行验证。根据配对样本t检验(P>0.05)以及较小的相对偏差值，证实可通过首张定位片的剂量参数来预测DTS的空气比释动能和DAP，不需要对每张图像的剂量参数进行叠加。

本研究所提计算方法需要两个校正因子，空气比释动能和DAP的校正因子分别为0.97和0.93，可对空气比释动能和DAP进行参数调整。在胸部DTS的投射过程中，球管需在垂直方向的不同角度对患者进行连续、快速曝光，导致SID发生改变。在0°时SID预设为180 cm，随着角度的增大，SID也逐渐增大，在±15°时SID最大约为186.5 cm。另外，X线球管在平板探测器上的照射野也发生改变，0°时为最大值，随着角度的增大而减小[10]。在0°附近时，空气比释动能和DAP的值最大，随着角度的增大而减小(图3)。提示SID和照射野的变化会影响辐射剂量参数，且两者间有一致的变化趋势。因此，需要校正因子对预测的剂量参数进行调整。

在此基础上，本研究将胸部DTS与其他4种成像方式(DR、DES、LDCT、CT)的ED进行对比。虽然张殿星等[15]将DTS与DR、LDCT、CT 4种胸部成像方式的辐射剂量进行对比研究，但使用Fluke RS 330型肺-胸体模代替患者，标准化的体模完全忽略个体因素差异对辐射剂量的影响，结果的可信度降低，且体模实验缺乏可重复性。CT作为胸部病灶诊断的金标准[8]，本研究发现其ED远高于其他4种胸部成像方式(P<0.05)。而DTS作为一种低剂量的胸部断层成像方式，ED高于DR和DES，与Sabol等[10]的结论一致。胸部DES是在平片DR的基础上，多曝光1张低千伏图像，通过重建算法，有效分离胸部图像中的骨组织和肺组织[16]，因此ED稍高于DR。

在肺内小结节的诊断方面，DTS的敏感度和特异度均高于DR和DES[8,17]。相比于LDCT和常规CT，DTS具有明显的低辐射剂量优势；而相比于DR和DES，DTS还可通过三维成像提供更多的信息。虽然LDCT已逐步进入临床应并获得认可，但如广泛应用于肺癌筛查，可能导致经济效益比欠佳、射线量增加、肺癌患者后续过度检查等[18-19]。因此，DTS作为普通X线平片的一种重要补充，在胸部病灶的检查方面有望进一步推广。

综上所述，本文提出并验证一种计算胸部DTS辐射剂量的简单方法，且DTS的ED稍高于DR和DES，远小于LDCT和常规CT，可为DTS的应用提供剂量依据。

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马乐(1988—)，男，广东茂名人，硕士，技师。研究方向：数字化影像技术研究及医学图像处理。E-mail: male2@mail2.sysu.edu.cn

蔡裕兴，南方医科大学南方医院放射科，510515。E-mail: cai_yuxing@163.com

2016-09-05

2016-11-29

胸部断层融合辐射剂量的计算和与其他胸部成像方式的剂量对比

马 乐1，朱明欣2，秦耿耿1，何子龙1，蔡裕兴1*，陈卫国1

(1.南方医科大学南方医院放射科，广东 广州 510515；2.南方医科大学附属南海医院放射科，广东 佛山 528200)

胸部；断层融合；辐射剂量

R445

A

1003-3289(2017)01-0050-04

目的 提出一种计算胸部数字断层融合(DTS)辐射剂量的简单方法，并验证该方法的有效性；并比较DTS与胸部数字X线摄影(DR)、双能量减影(DES)、低剂量CT(LDCT)、常规CT的辐射剂量。方法 对30例患者进行DTS检查，基于曝光参数提出及验证一种计算空气比释动能和剂量面积乘积的简单方法和校正因子。另收集接受DR、DES、LDCT和CT检查患者各30例，比较5种成像方式的有效剂量。结果 空气比释动能和剂量面积乘积的校正因子分别为0.97和0.93，两参数预测值与实际值间的相对偏差为(0.5±0.4)%和(0.3±0.3)%。胸部DR、DES、DTS、LDCT、CT的ED差异有统计学意义(F=1 148.09，P<0.01)，且除胸部DR与DES差异无统计学意义外，余成像方式两两比较差异均有统计学意义(P均<0.05)。结论 本文所提出的预测DTS辐射剂量的简单计算方法，不需对每张断层图像的剂量进行叠加。相比于LDCT和CT，DTS具有低剂量优势；相比于DR和DES，DTS可通过三维成像提供更多信息。

10.13929/j.1003-3289.201609009