骨盆数字断层融合辐射剂量优化

吴慧钊 WU Huizhao

张泽坤 ZHANG Zekun

丁芳芳 DING Fangfang

吴文娟 WU Wenjuan

宋 岩 SONG Yan

骨盆数字断层融合辐射剂量优化

吴慧钊 WU Huizhao

张泽坤 ZHANG Zekun

丁芳芳 DING Fangfang

吴文娟 WU Wenjuan

宋 岩 SONG Yan

目的探讨骨盆数字断层融合（DTS）成像的最佳剂量比，以实现骨盆DTS的低剂量检查。资料与方法对18具骨盆标本进行3组骨盆DTS扫描和1组髋关节CT扫描，其中3组骨盆DTS扫描的剂量比参数值分别为6、7、10，比较4组所得图像质量评分和有效剂量。结果4组有效剂量差异有统计学意义（F=4632.06, P＜0.001），4组髋关节图像质量评分差异有统计学意义（F=1682.34, P＜0.001）。4组间检查剂量依次为：6DTS剂量比组＜7DTS剂量比组＜10DTS剂量比组＜CT组；DTS剂量比设置为6时所得图像质量低于其他3组，而DTS剂量比设置为7、10时的图像质量与CT无差别。剂量比设置为7时的DTS图像质量高而检查剂量小。结论剂量比影响骨盆DTS的检查剂量和图像质量，骨盆DTS检查的最佳剂量比为7，在此剂量比设置下，可以在保证诊断质量的前提下实现骨盆DTS的低剂量检查。

骨盆；放射摄影术；数字断层融合成像；体层摄影术，X线计算机；图像处理，计算机辅助；剂量效应关系，辐射

数字断层融合（digital tomosynthesis, DTS）在一些深在部位和复杂部位的影像显示及诊断准确性方面较数字X线摄影（digital radiography, DR）有较大优势，近年其在骨骼成像方面的应用逐渐受到重视[1,2]。骨盆DTS可以细致地观察骶髂关节、髋关节、髋臼、股骨头、股骨颈等解剖结构，对骨盆骨折、强直性脊柱炎、股骨头坏死等常见疾病的诊断有重要意义，性腺这一对X线最敏感的器官也在其曝光范围之内，根据放射防护最优化（as low as reasonably achievable, ALARA）原则[3]，应寻求最佳检查剂量来保护受检者。本研究以带有完整软组织的人体骨盆标本为研究对象，通过确定最佳剂量比来探索骨盆DTS低剂量检查的实现方法。

1 资料与方法

1.1 研究对象 选择河北医科大学第三医院骨科和河北省骨科生物力学重点实验室提供的18具带有完整软组织的人体标本，经福尔马林固缩处理，其中男性10例，女性8例；年龄35～65岁，平均（46±8）岁，所有标本均于河北医科大学第三医院放射科进行骨盆DTS扫描。

1.2 仪器与方法 使用GE Discovery XR650数字X线摄影系统进行DTS检查，其平板探测器为碘化铯/非晶硅涂层，探测器尺寸为41 cm×41 cm，3000像素×3000像素，像素大小143 μm，数据采集14比特。标本体位为标准骨盆前后位，X线入射方向对准耻骨联合上缘至双侧髂前上棘连线间的中点垂直入射，源-像距为120 cm。经工程师剂量校正，实验前DICOM图像标题文件中的剂量面积乘积（dose-area product, DAP，单位dGy·cm2）与实际测定的DAP偏差在±10%以内。DTS组扫描参数：重建起始高度20 mm，结束高度180 mm，层间距5 mm，采集因子为1，使用固定（FIXED）曝光模式。设置剂量比参数值为6、7、10分别对每具标本进行DTS检查并记录DAP值。

使用Siemens Somatom Sensation 64层螺旋CT机对标本髋关节进行CT检查。扫描参数：螺距0.9，视野300 mm，电压120 kV，电流采用自动毫安秒，得到18例CT图像，记录每例的容积剂量指数（CTDIvol）和实际扫描长度（L）。

1.3 图像质量评价 由2名放射科副主任医师采用盲法分析4组图像的成像质量，对每例图像进行图像质量评分。根据影像质量控制的影像显示标准[4]进行评分：1分，结构影像显示不清；2分，结构影像隐约可见；3分，结构影像可见；4分，结构影像清晰可见。

1.4 检查剂量 DTS检查的有效剂量（mSv）=DAP（dGy·cm2）×CCDAP（mSv/Gy·cm2）×1/10，CCDAP为DAP的转换系数，骨盆的CCDAP为0.29[5]。CT检查有效剂量（mSv）=DLP（mGy·cm）·K（mSv/mGy·cm），DLP为剂量长度乘积（dose length product, DLP），DLP=CTDIvol·L，K为转换系数0.014[1]。根据计算所得的有效剂量比较4组成像方式所需检查剂量。

1.5 统计学方法 采用SPSS 13.0软件，观察者间评分的一致性采用ICC评价，4组图像质量评分和有效剂量比较采用单因素方差分析，两两比较采用SNK-q检验，P＜0.05表示差异有统计学意义。

2 结果

2.1 观察者间评分的一致性 2名观察者间的ICC为0.91（95% CI为0.87～0.94），观察者内的ICC为0.93（95% CI为0.88～0.95），提示2名观察者间的评分一致性较高。

2.2 4组检查剂量和图像质量比较 剂量比设置为6、7、10的3组DTS及1组CT检查的有效剂量和图像质量评分见表1。4组有效剂量差异有统计学意义（F=4632.06, P＜0.001），组间两两比较，差异均有统计学意义（q=3.26～6.85, P＜0.05），4组检查剂量依次为：6DTS剂量比组＜7DTS剂量比组＜10DTS剂量比组＜CT组。4组髋关节图像质量评分差异有统计学意义（F=1682.34, P＜0.001），组间两两比较，6DTS剂量比组图像质量评分低于其他3组，差异有统计学意义（q=5.12、5.64、6.85, P＜0.05），7DTS剂量比组、10DTS剂量比组图像质量评分与CT组差异无统计学意义（q=2.74、2.96、2.85, P＜0.05）。

DTS剂量比设置为6时所得图像结构影像可见，但细节显示不佳，髋臼骨质对比度差，无法清晰地观察股骨颈的骨小梁等解剖细节（图1A）。剂量比设置为7、10时所得图像对解剖细节显示良好，股骨颈的张力骨小梁、应力骨小梁等清晰可见，髋臼骨质显示良好，髋臼负重区硬化带与周围骨质对比明显，对解剖细节的观察能力与CT冠状重建图像相仿（图1B～D）。

表1 4组有效剂量和髋关节图像质量评分比较

3 讨论

本研究使用Discovery XR650数字X线摄影系统进行DTS检查，其商业应用名称为容积成像（VolumeRAD）。与CT扫描定位像类似，DTS进行扫描时首先对被照体进行一次DR曝光以确定成像范围，DTS的检查剂量则大致为DR定位像曝光剂量×剂量比，剂量比是一个倍数参数，它与DR定位像一起控制着DTS扫描的总剂量：Discovery XR650骨盆DTS剂量比的出厂设置为10，则此剂量比设置下骨盆DTS的检查剂量约为骨盆DR摄影的10倍。

通过设置不同的剂量比对骨盆标本进行DTS扫描，本研究对不同剂量比获得图像的成像质量和检查剂量进行比较，确定了骨盆DTS检查的最佳剂量比。本研究结果发现，剂量比设置为6时所得图像结构影像可见但细节显示不佳，髋臼骨质对比度差，无法清晰地观察股骨颈的骨小梁等解剖细节。剂量比设置为7、10时所得图像则对解剖细节显示良好：股骨颈的张力骨小梁、应力骨小梁等清晰可见，髋臼骨质显示良好，髋臼负重区硬化带与周围骨质对比明显，对解剖细节的观察能力与CT冠状重建图像相仿，提示随着检查剂量的降低，图像质量也随之降低，必将降低诊断质量，造成漏诊、误诊。综合比较不同剂量比设置下DTS的图像质量和检查剂量，在获得较高质量图像的前提下，确定骨盆DTS的最佳剂量比为7。将此剂量比应用于临床骨盆DTS低剂量摄影，可以减少患者所受的辐射剂量，保护患者的辐射敏感器官。

图1 男，42岁。DTS剂量比设置为6时所得图像，骨盆结构影像可见但细节显示不佳，无法清晰地观察股骨颈的骨小梁（箭）等解剖细节（A）；剂量比设置为7时所得图像，股骨颈的张力骨小梁、应力骨小梁等清晰可见（箭头），可以清晰地显示髋臼的骨小梁稀疏区，与周围骨质对比好（箭，B）；DTS剂量比设置为10时所得图像，股骨颈的张力骨小梁、应力骨小梁等清晰可见（箭头），髋臼负重区硬化带及骨小梁稀疏区与周围骨质对比良好（箭，C）；CT组冠状重建图像，密度分辨率佳，股骨颈各组骨小梁显示较清晰（箭头），髋臼骨小梁稀疏区清晰显示（箭），对骨质结构细节的观察与剂量比设置为7、10时相似（D）

DTS在诊断隐蔽骨折、尺骨鹰嘴骨折、腕关节骨折、舟状骨骨折等中具有明显的优势[2,6-8]，但这些研究主要以四肢骨关节为研究对象，国内外尚未见到关于骨盆这一复杂解剖结构的DTS影像学研究报道。本研究显示，DTS可以克服骨盆诸骨骨质结构的重叠，清晰地显示解剖细节，提供较高质量的冠状面断层图像，对于髋关节复杂性骨折、股骨头坏死等常见疾病有重要的诊断价值。

当DAP已知时，可通过蒙特卡洛算法将DAP乘以DAP转换系数得到有效剂量的估计值[9,10]，以此可以比较DTS、CT这两种不同成像设备的检查剂量。CT在提供高质量断层和重建图像的同时，也具有高辐射危害，既往研究证实DTS在胸部、副鼻窦、腹部断层成像方面的检查剂量低于CT[11-13]，本研究则显示两种成像系统对髋关节解剖细节的观察无明显差异，但DTS的辐射剂量约为CT的1/3，DTS在辐射低剂量方面有一定的优势。与Vikgren等[11]的胸部DTS剂量研究结果和夏巍等[1]的四肢骨骼DTS剂量研究结果相比，本研究中骨盆DTS的辐射剂量相对较高，其原因为骨盆没有胸部的自然对比，厚度又较四肢厚，需要较多的辐射剂量来生成清晰的断层图像。

本研究的不足之处在于以经过福尔马林固缩的标本作为实验对象，与活体相比软组织没有良好的X线衰减等效性，但本研究的目的为骨组织成像，软组织的改变对骨组织的影响相对较小，而且用同质实验材料做不同成像技术的横向比较具有一定的价值，并规避了伦理学问题。

与DR平片类似，DTS成像的优势领域为骨骼系统成像[14-16]，相对于CT的低辐射剂量和相对于DR的高质量断层影像是其临床应用价值所在。DTS作为新兴的数字断层成像技术，其扫描参数的优化、临床应用范围的确定等还有待深入研究[17,18]。剂量比参数影响着骨盆DTS的检查剂量和成像质量，本研究从剂量比入手探索骨盆DTS的低剂量检查方法，在实际工作中设置剂量比为7，在保证诊断质量的前提下实现了骨盆DTS的低剂量检查，可以最大限度地保护患者免受不必要的辐射损害。

[1] 夏巍, 吴晶涛, 尹肖睿, 等. 数字合成体层成像低剂量特性在骨骼系统影像学中的研究.中华放射与防护杂志, 2012, 32(6): 656-659.

[2] 田军, 巩武贤, 张殿星, 等. 数字化断层融合在隐蔽骨折诊断中的应用. 中华放射学杂志, 2011, 45(6): 566-568.

[3] Stovis TL. The ALARA concept in pediatric CT: myth or reality? Radiology, 2002, 223(4): 5-6.

[4] 吴慧钊, 张泽坤, 吴文娟. 无线平板探测器在四肢小关节X线摄影中的临床应用. 中国医学影像学杂志, 2013, 21(6): 411-413, 416.

[5] Hart D, Wall BF. Radiation exposure of the UK population from medical and dental X ray examinations. NRPB-W4, Chilton: NRPB, 2002.

[6] Machida H, Yuhara T, Sabol JM, et al. Postoperative follow-up of olecranon fracture by digital tomosynthesis radiography. JpnJ Radiol, 2011, 29(8): 583-586.

[7] Ottenin MA, Jacquot A, Grospretre O, et al. Evaluation of the diagnostic performance of tomosynthesis in fractures of the wrist. Am J Roentgenol, 2012, 198(1): 180-186.

[8] Geijer M, Börjesson AM, Göthlin JH. Clinical utility of tomosynthesis in suspected scaphoid fracture. A pilot study. Skeletal Radiol, 2011, 40(7): 863-867.

[9] Jones DG. Estimation of effective dose in radiology from entrance surface dose and dose area product measurements. NRPB-262, Chilton: NRPB, 1994.

[10] 杨锦元, 黄穗, 刘帆, 等. 低剂量技术在儿童埋伏牙口腔全景摄影中的应用. 临床放射学杂志, 2013, 32(3): 403-405.

[11] Vikgren J, Zachrisson S, Svalkvist A, et al. Comparison of chest tomosynthesis and chest radiography for detection of pulmonary nodules: human observer study of clinical cases. Radiology, 2008, 249(3): 1034-1041.

[12] Neisius A, Astroza GM, Machida H, et al. Radiation dose of digital tomosynthesis for sinonasal examination: comparison with multi-detector CT. Eur J Radiol, 2012, 81(6): 1140-1145.

[13] Neisius A, Astroza GM, Wang C, et al. Digital tomosynthesis: a new technique for imaging nephrolithiasis. Specific organ doses and effective doses compared with renal stone protocol noncontrast computed tomography. Urology, 2013, 83(2): 282-287.

[14] Lacout A, Thariat J, El Hajjam M, et al. Insight into osteoarticular digital tomosynthesis: a pictorial essay. J Med Imaging Radiat Oncol, 2013, 57(1): 45-49.

[15] Levakhina YM, Duschka RL, Vogt FM, et al. A dual-axis tilt acquisition geometry for digital musculoskeletal tomosynthesis. Phys Med Biol, 2013, 58(14): 4827-4848.

[16] Göthlin JH, Geijer M. The utility of digital linear tomosynthesis imaging of total hip joint arthroplasty with suspicion of loosening: a prospective study in 40 patients. Biomed Res Int, 2013, 2013: 594-598.

[17] Machida H, Yuhara T, Mori T, et al. Optimizing parameters for fat-panel detector digital tomosynthesis. Radiographics, 2010, 30(2): 549-562.

[18] Tucker AW, Lu JP, Zhou O. Dependency of image quality on system confguration parameters in a stationary digital breast tomosynthesis system. Med Phys, 2013, 40(3): 031917.

（责任编辑 张春辉）

Optimization of Radiation Dosage in Pelvis Digital Tomosynthesis

PurposeTo study the optimal dose ratio of pelvis digital tomosynthesis (DTS) so as to achieve the low-dose examination in pelvis DTS.Materials and MethodsEighteen human pelvis specimens with soft tissue were examined with DTS scan and CT scan. The dose ratios of DTS were set up as 6, 7 and 10, respectively. Effective examination dose and image quality score were compared among the four groups (DTS-6, DTS-7, DTS-10, and CT group).ResultsThe four groups were signifcantly different with regard to effective examination dose (F=4632.06, P＜0.001) and image quality score (F=1682.34, P＜0.001). Among them the examination dose from low to high was that in DTS-6 group, DTS-7 group, DTS-10 group and CT group. Image quality score in DTS-6 group was signifcantly lower than that in other groups. DTS-7 group showed no difference with DTS-10 group and CT group in image quality score, but had signifcantly lower examination dose than the other two groups.ConclusionDose ratio affects examination dose and image quality of pelvis DTS. Dose ratio 7 is optimal in pelvis DTS, which ensures good image quality with effective low dose.

Pelvis; Radiography; Digital tomosynthesis; Tomography, X-ray computed; Image processing, computer-assisted; Dose-response relationship, radiation

河北医科大学第三医院放射科，河北省骨科生物力学重点实验室 河北石家庄

050051

吴文娟

Department of Radiology, the Third Hospital of Hebei Medical University, Hebei Province Biomechanical Key Laboratory of Orthopedics, Shijiazhuang 050051, China

Address Correspondence to: WU Wenjuan

E-mail: wenjwu@163.com

R445.3；R445.4

2013-10-21

修回日期：2014-02-17

中国医学影像学杂志

2014年 第22卷 第3期：221-224

Chinese Journal of Medical Imaging

2014 Volume 22(3): 221-224

10.3969/j.issn.1005-5185.2014.03.016