第三代雙源CCTA掃描體型特異性劑量估計的臨床應用研究

聶壯，雷子喬，范文亮，楊明，余建明

1.華中科技大學同濟醫學院附屬協和醫院 放射科，湖北 武漢 430022；2.分子影像湖北省重點實驗室，湖北 武漢 430022

引言

心臟冠脈CTA成像（Coronary CT Angiography，CCTA）可無創性地實現對心臟冠狀動脈以及心肌的三維立體評估，是臨床中冠狀動脈相關疾病篩查的首選方案[1]。CT技術的發展使得CCTA篩查進一步普及[2]，同時臨床醫生和患者也越來越關注其輻射劑量水平，需要更為有效的指標對患者CCTA檢查所接受的輻射劑量水平進行個體化評估和管理。2011年美國物理師協會204工作組報告（AAPM work group 204）中提出體型特異性劑量估算值（Size Specific Dose Estimation，SSDE）[3]。SSDE最初應用于兒童患者輻射劑量的評估，之后其應用擴展到成人胸腹盆CT掃描的劑量評估[4-5]。Westra等[6]報道了使用SSDE評估胸部CTA的研究，探討SSDE在CT血管成像中劑量評估的可行性。本研究旨在探討使用SSDE對第三代雙源CCTA進行個性化輻射劑量評估的可行性，并與傳統的容積CT劑量指數（Volume CT Dose Index，CTDIvol）方法進行對比。

1 資料與方法

1.1 病例

回顧性分析了2019年8至9月之間的CCTA病例。納入標準：連續性納入采用前瞻性心電門控觸發軸掃方案完成檢查的CCTA病例。排除標準：冠脈搭橋術后，起搏器植入，以及由于金屬偽影可能造成輻射劑量估算不準的病例數據。本回顧性研究獲得了機構倫理審查委員會批準，并免去患者知情同意要求。

1.2 設備

（1）CT掃描儀：本研究所有CCTA病例均使用德國西門子SOMATOM Force CT進行掃描。Force CT為西門子第三代雙源CT，探測器準直器為0.6 mm×192，配有CARE kV管電壓技術、Care Dose4D智能電流技術以及ADMIRE迭代技術。

（2）高壓注射器：使用三腔式高壓注射器（CT MOTION，ulrich medical）。

1.3 掃描方案

（1）患者準備與掃描技術：去除患者體外金屬物品，掃描前3～5 min給患者舌下服硝酸甘油0.5 mg，有青光眼或其他硝酸甘油使用禁忌癥或不良反應患者除外。建立靜脈通道，連接心電門控電極，進行屏氣訓練。患者體位為足先進，雙臂上舉過頭伸直，掃描范圍為氣管隆突下1～2 cm至心臟膈面。掃描方案為前瞻性心電門控觸發軸掃模式，所有檢查均使用3個心動周期完成整個心臟數據采集。X線球管電壓采用CARE kV技術根據所掃描患者定位像進行自適應選擇，管電壓中位數為80 kV（管電壓范圍：70～120 kV）；同時采用Care Dose4D技術行實時管電流調制，參考管電流設置為110 mAs。準直器組合根據實際掃描范圍調整；螺距根據患者心率自適應，螺距中位數為0.85，平均球管旋轉時間為0.58 s。根據患者心率選擇相應時相原始數據重建圖像，圖像采集矩陣為512×512，重建層厚為0.75 mm，層間距0.5 mm，重建卷積核為Bv46，圖像重建聯合使用ADMIRE迭代重建技術。

（2）對比劑注射方案：對比劑使用碘邁倫（400 mg/mL）。本研究根據kV條件調整對比劑注射流速以適配所需的碘流率[7]，具體為：70 kV，2.5 mL/s；80 kV，3 mL/s；90 kV，3.5 mL/s ；100 kV，4 mL/s；110 kV 及以上，4.5～5 mL/s。對比劑注射量為掃描時間加上經驗值7 s之和再乘以注射流速計算所得，隨后同速注射生理鹽水30 mL。注射對比劑后，觸發掃描方式為團注追蹤法（Bolus-Tracking），在升主動脈設置一個ROI檢測區，設定CT閾值100 HU，達到閾值后即刻施加口令通知患者配合屏氣啟動掃描。

1.4 輻射劑量參數

記錄每個患者設備報告輻射劑量參數，包括CTDIvol和DLP。所有病例圖像數據再導入Radimetrics平臺（Radimetrics Inc，Bayer）進行相關輻射劑量參數值的計算分析，包括器官劑量、有效劑量）、患者水等效直徑（Water-Equivalent Diameter，WED）以及SSDE。患者器官劑量通過一系列對應男性和女性的標準化模擬人體數學模型，使用蒙特卡羅模擬推算[8]。本研究分別計算出患者掃描范圍內的表層臟器皮膚，深層臟器肺部以及受檢臟器心臟的輻射劑量。有效劑量通過應用國際放射防護委員會（ICRP103）提出的輻射敏感性權重因子進行計算[9]。

1.5 SSDE計算

本研究通過定位圖計算患者WED，WED為與人體有相同衰減特性的圓柱形水模的直徑，可體現患者身體密度與成分差異等體型特征[10]。然后根據美國物理師協會220工作組（AAPM Task Group 220）報告的轉換因子（基于32 cm體模）表[11-12]，按式(1)計算SSDE。

其中，fWED為不同WED對應的轉換因子。

1.6 統計學分析

數據統計分析使用R語言開源軟件。計數資料使用頻數或百分比表示。計量資料（CTDIvol、SSDE、DLP、有效劑量和器官劑量）進行Shapiro-Wilk正態性檢驗，為偏態分布故以中位數和四分位間距表示。SSDE分別與各器官劑量行相關分析。雙變量相關性分析，符合正態分布使用Pearson相關分析，偏態分布使用Spearman相關分析。分別行SSDE、CTDIvol與各器官劑量的線性回歸分析。P<0.05為差異有統計學意義。

2 結果

2.1 研究隊列

本研究共納入453例研究對象，其中男性265例，平均年齡（56.3±13.4）歲；女性188例，平均年齡（60.0±12.3）歲。患者WED平均值為（24.3±2.6）cm，其中大于32 cm的3例；掃描平均長度為（11.7±1.2）cm；管電壓中位數為80（Q1：70，Q3：90）kV，其中40%（181/453）患者使用 70 kV，28% （125/453）為80 kV，17%（80/453）為90 kV，11%（50/453）為100 kV，4%（17/453）為110 kV及以上。

2.2 輻射劑量參數

CTDIvol、DLP、有效劑量、SSDE及器官劑量（分別包括：人體表層臟器皮膚，深層臟器肺部以及受檢臟器心臟）結果以中位數和四分衛間距表示（Q1和Q3），見表1。

表1 輻射劑量參數

2.3 患者體型與輻射劑量

WED大于32 cm的3例中，患者的CTDIvol（平均值56.8 mGy）均高于SSDE（平均值54.1 mGy）（表2）。其余450例患者WED均<32 cm，CTDIvol中位數為14.9（11.2，20.0）mGy，SSDE中位數為19.2（14.9，24.6）mGy。CTDIvol較SSDE低約22.4%（19% ～ 24.8%），兩者間有統計學差異（P<0.05）（圖1）。

表2 WED大于32 cm的3例患者CTDIvol均大于SSDE

圖1 對于WED<32 cm的患者SSDE均>CTDIvol

2.4 SSDE相關分析

SSDE與器官劑量均為顯著性正相關。SSDE與器官劑量相關程度線性回歸分析組，皮膚：P<0.001，r2=0.96，斜率 =0.13 ；肺部：P<0.001，r2=0.93，斜率 =0.70；心臟：P<0.001，r2=0.95，斜率 =0.94。CTDIvol與器官劑量相關程度線性回歸分析組，皮膚：P<0.00.1，r2=0.94，斜率=0.16；肺部：P<0.001，r2=0.89，斜率=0.94；心臟：P<0.001，r2=0.94, 斜率 = 1.25。通過體型校準的SSDE相關度高于CTDIvol（圖2）。

3 討論

本研究使用SSDE對第三代雙源CCTA患者輻射劑量進行評估，SSDE與器官劑量表現出高度的正相關，表明SSDE可有效評估患者CCTA檢查中的吸收劑量，驗證了SSDE評估CCTA輻射劑量臨床應用可行性。

CCTA目前已成為冠心病的一線篩查手段，近年來在臨床中使用頻率快速增長，同時CCTA亦是CT檢查中輻射劑量最高的檢查之一[2,13]，相關輻射風險亦引起廣泛關注，所以需要一個有效輻射劑量參數對患者輻射劑量水平進行評估，指導掃描方案的優化。目前研究主要使用CTDIvol和DLP評估CCTA輻射劑量，但存在一定局限性。CTDIvol描述多排（層）螺旋 CT 在整個掃描容積范圍內的平均輻射劑量輸出，通過采用固定尺寸體模分別測量CT掃描儀在各種不同曝光條件的輻射劑量所得，其中應用于CCTA的一般是32 cm體模。所以CTDIvol反應了CT掃描儀的輻射輸出量，其數值決定于掃描協議中的曝光條件，不能反映患者個體化輻射劑量的差異。其次，CTDIvol是基于32 cm體模測量，該體模大于正常患者體型，特別是中國患者體型。Nickoloff等[14]研究發現對于相同掃描參數，6 cm 直徑體模所測量得到中心 CTDI 比 32 cm 尺寸體模大 3～5 倍。這意味著患者實際接受劑量與體型相關，故常規CTDIvol難以準確評估患者的實際吸收劑量[4]。DLP亦是使用標準尺寸體模測量的設備輸出輻射劑量，主要與掃描長度相關，也不能個性化反應患者的輻射劑量水平。SSDE是美國物理師協會204工作組報告中提出[3]，通過結合患者體型差異對CTDIvol進行修正的輻射劑量計算參數，主要是為了滿足更為準確的患者個體化輻射劑量評估和管理策略的需求，相關研究證實了SSDE用于兒童及成人患者體部CT掃描輻射劑量評估的可行性[4-6]。SSDE相對于傳統的CTDIvol等參數能夠個性化計算出患者輻射劑量[4]，有潛力成為一個更有臨床意義的CCTA輻射劑量評估指標。

Kidoh等[15]研究對37名患者CCTA檢查的CTDIvol與SSDE進行了對比，結果顯示SSDE平均比CTDIvol高出約34%，使用CTDIvol會低估患者輻射劑量。本研究隊列中亦得到相似趨勢，SSDE較CTDIvol高約22.4%（19%～24.8%）。此外本研究有3例患者WED>32 cm，這3例患者的SSDE均

患者器官劑量能真實反映患者身體實際吸收的輻射劑量以及輻射危害。本研究使用蒙特卡羅模擬估算患者的相關器官劑量，包括人體表層臟器皮膚，深層臟器肺部以及受檢臟器心臟。如圖2所示，SSDE與相關器官劑量線性相關度高于CTDIvol。與皮膚的線性相關度，SSDE的r2=0.96，稍高于CTDIvol的r2=0.94。本研究中SSDE與CTDIvol線性相關性的差異低于Westra等[6]在兒童CTA中的結果（SSDE：r2=0.96，CTDIvol：r2=0.91），這可能是因為本研究對象為成人，體型相較于兒童更接近于32 cm的體模。此外，本研究還對比了SSDE，CTDIvol與心臟和肺部兩個臟器線性相關度。肺部是輻射較為敏感臟器，SSDE與其線性相關度高于CTDIvol（SSDE：r2=0.93，CTDIvol：r2=0.89）。心臟是CCTA掃描中的直接輻射受體，SSDE的線性相關度稍高于CTDIvol（SSDE：r2=0.95，CTDIvol：r2=0.94）。本研究中，SSDE與各器官劑量的線性相關度均高于CTDIvol，SSDE可以更有效反應CCTA檢查過程中，被照射臟器的吸收劑量。所以SSDE有潛力成為CCTA檢查中評估器官劑量的代替參數，對于患者輻射危害的評估具有臨床意義，同時也可作為劑量優化的評估指標。

圖2 SSDE與CTDIvol分別與人體器官劑量的線性回歸分析

本研究存在一定不足：① 本研究病例均來自單中心，且時間跨度較小，可能存在一定偏差，未來需進一步擴大樣本驗證研究結果；② 因為是回顧性研究所以使用WED代表患者體型，未來研究中可引入患者身體質量指數進一步完善；③ 研究中使用蒙特卡羅進行臟器的估算，還需物理測量的進一步驗證，但相關研究也證實了蒙特卡羅評估臟器劑量的可行性[17]。

總之，CCTA因其掃描部位解剖成分的復雜性，使用傳統CTDIvol等參數不能有效評估患者實際吸收輻射劑量水平。使用WED進行患者體型個性化校準后的SSDE是更為準確的輻射劑量評估參數。應用SSDE可有效評估第三代雙源Force CCTA劑量水平，同時有利于患者個性化輻射劑量管理與優化。