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研究分析CT检查基础上的正位定位像计算等效水直径

2020-07-07 485 上传者：管理员

摘要：目的研究基于CT检查的正位定位像计算等效水直径（Dw）的方法，用于计算CT检查的体型特异性辐射剂量（SSDE）。方法利用GE Revolution CT和LightSpeed VCT设备，设置管电压为80、100、120 kV分别扫描直径为16 cm和32 cm圆柱形CT剂量体模，获取正位定位像和断层图像。根据断层图像的CT值的定义获得体模材料相对于水的衰减系数，用于计算剂量体模的体模厚度转换为等效水厚度，再对定位像的灰度值与等效水厚度进行线性拟合获得刻度曲线。利用CT剂量体模和22例胸腹部检查数据验证基于定位像计算Dw的方法。结果基于定位像和断层图像计算CT剂量体模Dw的偏差小于3%。两种方法计算未成年人胸腹部CT检查的Dw变化趋势一致，计算胸腹部CT检查中间层面的Dw和所有断层Dw均值的偏差分别小于6.6%和7.5%。结论利用CT正位定位像和断层图像刻度定位像的灰度值与等效水厚度，建立基于定位像计算Dw的方法，可用于快速计算SSDE。

关键词：
CT
体型特异性辐射剂量
定位像
等效水直径
计算机断层成像
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在计算机断层成像（CT）检查中，设备显示的容积CT剂量指数（CTDIvol）和剂量长度乘积（DLP）为CT机在标准剂量体模的辐射剂量，而不是受检者的辐射剂量[1,2,3]。美国医学物理家学会（AAPM）先后发布204号、220号和293号报告提出基于体型特异性估算CT检查辐射剂量的方法，根据受检者的年龄、前后径、横径、有效直径、等效水直径估算体型特异性辐射剂量（SSDE)[4,5,6]，其中220号报告利用等效水直径Dw描述受检者体型特异性用于估算SSDE,Dw能够反映X射线在人体内的不同组织的衰减差异，较好地描述体型特异性[7,8,9,10,11]，更能准确反映体型特异性的辐射剂量，适用于估算受检者的个体化辐射剂量[12,13,14,15,16,17]。在220号报告中提出可根据CT定位像或断层图像计算Dw，但在实际应用中难以应用定位像计算SSDE，只能应用断层图像计算SSDE。Wang等利用躯干体模研究利用定位像计算等效水直径，通常单位不具备该体模[7,8]，其他研究者提出利用常用的CT剂量体模研究定位像计算等效水直径的方法，但未考虑管电压对定位像计算等效水直径的影响[18,19]，因此本研究利用不同管电压扫描CT剂量体模的正位定位像和断层图像，刻度定位像灰度值与等效水厚度的关系，建立基于定位像计算Dw的方法。在断层图像中组织器官重建不完全时[4,5,6]，在CT薄层扫描时产生的大量断层图像时[18]，以及在扫描CT横断面图像前计算SSDE优化扫描方案时[15,16,20,21,22,23,24]，可利用定位像快速计算Dw估算SSDE。

1、材料和方法

1.1实验设备与体模

CT设备为蚌埠医学院附属第一医院两台CT(Revolution CT和LightSpeed VCT,General Electric International Operations Co.），直径为16 cm和32 cm的圆柱形CT剂量体模，体模材料为聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA），长度为15 cm。将剂量体模的中心置于CT扫描孔的等中心，设置CT扫描参数如表1所示，扫描两种CT剂量体模获得正位定位像和断层图像。

1.2基于定位像计算等效水直径的方法

表1用于刻度定位像灰度和等效水厚度的CT扫描参数

1.2.1定位图像的灰度值与等效水厚度的刻度

利用图像处理分析软件ImageJ 1.52 s(National Institutes of Health，美国）读取CT正位定位像，选定感兴趣区域（ROI），应用软件的'Analyze'中的'Plot Profile'功能将图像转换成体模不同位置灰度值的曲线。首先利用Anam等的方法将不同位置的灰度值转换成对应位置的体模厚度Lp，如公式（1）所示[19]。

公式1

根据断层图像CT值的定义，推导出剂量体模材料的线性衰减系数相对水的线性衰减系数的比值，如公式（2）所示[25]。利用三种管电压扫描的剂量体模的断层图像和公式（2），推导出定位像的体模厚度转换为等效水厚度的转换因子，如公式（3）所示，三种管电压对应有三种转换因子。将体模的中心置于机架等中心处，假设灰度值和体模厚度线性相关，建立定位像的灰度值与等效水厚度的关系。利用数据处理分析软件OriginPro 8SR0(OriginLab Corporation,美国）线性拟合定位像的灰度值与相应位置的等效水厚度，得到不同管电压、设备和体模定位像灰度值与等效水厚度的刻度参数，用于根据CT检查的定位像计算Dw。

公式2

公式3

1.2.2利用断层图像和定位像计算Dw的方法

基于断层图像计算Dw，首先采用图像分割方法将断层图像中身体区域与CT床分开，并计算身体区域的图像面积和CT值的均值，根据220报告中所描述的利用断层图像计算Dw的方法[5]，如公式（4）所示。

公式4

AROI为ROI的面积，-C-T--(-x,--y-)ROI---为ROI内CT值的均值。

在基于定位像计算Dw时，首先获得定位像不同位置的灰度分布，根据等效水厚度与灰度值的刻度参数计算不同位置的等效水厚度，再根据220报告中利用基于定位像计算Dw的方法[5]，如公式（5）所示。S为定位像中像素宽度，其中Lw为等效水厚度。

公式5

1.3基于定位像计算等效水直径方法的验证

利用CT剂量体模和胸腹部CT检查数据验证基于定位像计算Dw的方法以断层图像计算的Dw为标准，验证基于定位像计算Dw的准确性，分别利用两种CT剂量体模的扫描数据和胸腹部CT检查数据对该方法进行验证。首先利用Revolution CT机扫描直径32 cm体模，设置管电压120 kV；再利用100 kV扫描直径16 cm体模，床高分别为157.5 mm和92 mm，获得正位定位像和断层图像。在临床中通常应用中间层的Dw或扫描范围内Dw的均值计算SSDE，有研究发现Dw的均值更适合计算SSDE[20,26]，因此回顾性地分析临床检查数据，比较两种方法计算Dw的均值和中间层的Dw。

经蚌埠医学院第一附属医院同意，利用该院放射科医学影像存储与传输系统（PACS），回顾性分析2019年1月～11月期间两台CT机的检查数据，设置病例筛选条件为：年龄范围为0～15岁、胸腹部CT图像、横断面图像重建完全、受检者手臂上举仰卧位，经上述条件筛选获得22例未成年人胸腹部CT检查的数据，其中男性13名，女性9名。分别利用基于正位定位像和断层图像方法计算不同位置的Dw并比较分析。根据医学数字影像与通信（DICOM）标准格式文件中存储的位置信息使定位像和断层图像相匹配，在定位像的图像标签（00201041）存储为该图像第一行像素的空间位置信息，再根据单个图像像素的高和宽，可确定各行像素的空间位置，将此位置与断层图像中标签（0020 1041）所存储的断层位置相对应，比较两种方法计算相同位置的Dw。

2、结果

根据表1中扫描参数分别扫描两种CT剂量体模的正位定位像和断层图像，并获取定位像中体模不同位置的灰度值分布（图1）。已知体模大小和灰度值，根据公式（1）将位置与灰度值曲线转换为体模厚度与灰度值曲线（图2）。由于定位像中体模图像边缘对应的剂量体模的边缘区域，容易受到CT床的影响，同时定位像经边缘锐化处理后改变了边缘的灰度值，因此等效水体模厚度小于等于20 mm的数据删除不用于线性拟合（图3）。两种剂量体模正位定位像的灰度值与等效水厚度的线性拟合结果如表2。

图1直径为32 cm的CT剂量体模正位定位像

利用断层图像计算Dw方法，计算两种CT剂量体模不同位置的Dw，与基于定位像计算的Dw比较（图4）。通过计算未成年人胸腹部CT检查的断层图像的Dw，以验证该方法在临床应用的可行性，根据DICOM文件头中位置信息匹配定位像与断层图像，将两种方法计算的Dw进行比较（图5）。

通常应用中间层的Dw或扫描范围内Dw的均值计算受检者的SSDE，描述CT检查的体型特异性辐射剂量。利用22例未成年人胸腹部CT检查数据，去除部分重建不全的断层图像，利用定位像和断层图像分别计算扫描范围中间位置的Dw和平均Dw（图6）。

3、讨论

利用CT的断层图像推导出体模材料与水的线性衰减系数的比值，由三种管电压扫描的断层图像获得三种比例参数，用于将体模厚度转换为等效水厚度，本研究采用三种管电压的断层图像推导得3种转换因子，与Anam等[19]研究所选用单一转换因子的方法不同。获得不同管电压时的等效水厚度与灰度值的曲线，如图2所示，可利用293号报告中不同管电压的CTDIvol与SSDE的转换因子[6]，提高头部体型特异性辐射剂量的精度。前期研究表明，管电流不影响扫描定位像的灰度值，断层图像的CT值是物质相对于水的衰减系数的数值与管电压相关，与管电流无关，因此管电流不影响研究结果。由图3可知，当管电流不变，X线的量与管电压的平方成正比，管电压80 kV时，X线的强度最低，剂量体模的中间区域灰度值波动较大，图像信噪比差，但不影响整体变化趋势。由线性拟合结果可知，管电压影响刻度曲线的斜率和截距，在利用定位像计算Dw时，根据不同的管电压选择对应的刻度参数，能够降低该方法的计算误差。为保证刻度条件和扫描条件一致，在扫描正位定位像时未关闭边缘增强功能，导致正位定位像中剂量体模两端的灰度值出现突变，因此比较两种方法的差异时忽略两端5 mm的数据。对于两种高度15 cm圆柱形剂量体模，对于直径16 cm体模，在轴向14 cm范围内两种方法的偏差均值小于1.8%，最大偏差2.8%；直径32 cm体模内部14 cm范围的偏差均值也小于3%。两个体模的定位像计算的Dw稍大于断层图像计算的结果，由于刻度时和验证时扫描定位像的床高度不同，X射线的放大效应将影响验证精度[27,28]，需进一步研究偏离等中心对该方法计算Dw的影响[29]。与Wang等提出基于定位像计算Dw的方法相比[7]，本研究的方法使用常规的CT剂量体模刻度简单，且两种误差较小。

图2三种管电压扫描直径为32 cm的CT剂量体模的体模厚度与灰度值的关系

图5中为两种方法计算的不同位置的Dw，结果表明两种方法的Dw偏差小于1 cm，且两种方法计算的Dw随轴向位置的变化趋势也一致。由图6可知，LightSpeed VCT机型的定位像与断层图像的Dw相比，所有断层图像范围内Dw均值的相对偏差范围-2.7%～5.8%，平均偏差0.9%；断层图像中间层和定位像中间计算的Dw偏差-4%～4%，平均偏差0.9%。Revolution CT的定位像和断层图像计算Dw均值偏差-0.2%～7.5%，平均偏差3.9%；中间层计算的Dw偏差范围-2.5%～6.6%，平均偏差2.2%。LightSpeed VCT机型的定位像计算的Dw与断层图像计算的结果偏差较小，两台CT机应用该方法计算的等效水直径的偏差都小于Anam等[19]的研究结果，与Burton等[27]的研究结果近似，因此该方法可基于正位定位像快速计算Dw，用于计算SSDE。国际电工委员会（IEC）建议CT设备厂商在新设备中增加计算和显示SSDE的功能[6]，意味着SSDE即将成为CT检查中的辐射剂量指标之一，基于定位像计算扫描范围的等效水直径的方法可用于集成到CT设备中用于计算SSDE，或验证CT设备显示的基于定位像计算SSDE。在基于SSDE计算CT检查个体化器官剂量中[30]，可在CT扫描前根据定位像计算等效水直径和扫描参数估算个体化器官剂量，用于优化CT检查方案。本研究的不足之处，未考虑摆位偏离等中心对刻度因子的影响，该方法仅适用于正位定位像，由于侧位定位像受凹陷形CT床的影响，不适用侧位定位像。

图3直径32 cm体模的等效水厚度与灰度值曲线及线性拟合的结果

表2两台CT设备定位像的等效水厚度与灰度值的线性拟合结果

图4基于定位像和断层图像计算直径为16 cm和32 cm的CT剂量体模不同位置的Dw

本研究利用直径为16 cm和32 cm圆柱形剂量体模的正位定位像和断层图像，对正位定位像中的像素值与等效水厚度进行刻度，建立基于定位像计算Dw的方法。利用CT剂量体模和临床胸腹CT检查数据对该方法的验证表明，基于正位定位像计算的Dw与基于断层图像计算的结果的误差较小，可用于快速计算体型特异性辐射剂量，避免了断层重建不全对估算个体化辐射剂量的影响，也可在CT断层图像扫描前估算SSDE用于优化CT扫描参数，降低CT检查辐射剂量。

图5基于定位像和断层图像计算胸腹部CT检查Dw

图6基于定位像和断层图像两种方法计算22例胸部CT检查的中间层Dw和所有断层Dw的均值

参考文献：

[23]梁保辉,陈志,徐榭. CT检查个体化辐射剂量估算研究现状[J].辐射防护, 2017, 37(2):153-60.

[24]张晓东,郭小超,王霄英.体型特异性剂量估计的最新概念及临床应用[J].中国医学影像技术, 2016, 32(12):1822-6.

[25]吉强,洪洋,周志尊,等.医学影像物理学(第4版)[M].人民卫生出版社, 2016.

梁保辉,付亚军,曹明娜.基于CT检查的正位定位像计算等效水直径[J].南方医科大学学报,2020,40(06):799-805.