Impact of Electrocardiogram Gating Technology on Radiation Dose in Dual-source Computed Tomography High Pitch Spiral Scanning Using a Phantom
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摘要:
目的：探讨心电门控与非心电门控时双源CT大螺距扫描辐射剂量的变化。资料与方法：采用双源CT对模体进行扫描，在自动曝光控制和非自动曝光控制时，分别采用心电门控和非心电门控技术以相同的参考电压100 kV和参考mAs（心电门控时400、480、560 mAs/rot；非心电门控时125、150、175 mAs）进行扫描，分析辐射剂量和图像噪声的变化。结果：自动曝光控制时，心电门控组400、480、560 mAs/rot和非心电门控组125、150和175 mAs的辐射剂量在3种自动管电压调制（全自动、半自动、关闭）时不相等（全自动：t=−6.247，P < 0.05；半自动：t=−6.247，P < 0.05；关闭：t=−9.475，P < 0.05），图像噪声不相同。非自动曝光控制时，心电门控组400、480和560 mAs/rot和非心电门控组125、150和175 mAs的辐射剂量相等（t=1.250，P=0.338），图像噪声相同。结论：自动曝光控制时，心电门控和非心电门控的辐射剂量不相等，图像噪声不相同。非自动曝光控制时，心电门控和非心电门控的辐射剂量相等，图像噪声相同。
Abstract:Objective: To investigate the variations in radiation dose during dual-source computed tomography (CT) high pitch spiral scanning with and without electrocardiogram (ECG) gating. Materials and Methods: A phantom was scanned using dual-source CT. Scanning was performed with ECG gating and non-ECG gating techniques under automatic exposure control and non-automatic exposure control, using the same reference voltage of 100 kV and reference amperages (ECG gating group 400, 480, and 560 mAs/rot; non-ECG gating group 125, 150, and 175 mAs). The variations in radiation dose and image noise were measured. Results: Under automatic exposure control, the radiation doses of the ECG gating group (400, 480, and 560mAs/rot) and the non-ECG gating group (125, 150, and 175mAs) were not equal; fully automatic tube voltage modulation, t=−6.247, P < 0.05; semi-automatic: t=−6.247, P < 0.05; and closed: t=−9.475, P < 0.05. There were also differences in the image noise. Under non-automatic exposure control, the radiation doses of the ECG gating group (400, 480, and 560mAs/rot) and the non-ECG gating group (125, 150, and 175mAs) were equal (t=1.250, P=0.338), and the image noise was equal. Conclusion: Under automatic exposure control, the radiation doses and image noise of ECG gating and non-ECG gating were not equal but under non-automatic exposure control, they were equal.
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Keywords:
- ECG gating /
- high pitch /
- computed tomography /
- automatic exposure control /
- radiation dose /
- noise
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随着CT技术的进步，主动脉CTA扫描的方法不断创新，主动脉CTA大螺距扫描一次能同时清晰显示主动脉和冠脉，扫描方法可为加心电门控的大螺距扫描和不加心电门控的大螺距扫描[1-2]。通常认为，同一物体进行多次CT扫描时，若辐射剂量相等，则图像质量相同，图像质量本质是图像噪声[3]。自动管电流和管电压调制技术是双源CT辐射剂量优化的两种自动曝光控制方式[4-5]。双源CT大螺距扫描可采用心电门控或非心电门控模式，大螺距扫描加心电门控适用于需要快速成像、需要选择合适的心脏搏动期相进行成像的情况，如：冠脉（常规冠脉、主动脉夹层Stanford A型的冠脉、经导管主动脉瓣置入术（transcatheter aortic valve implantation，TAVI）的冠脉、主动脉根部和心脏（左房肺静脉、瓣膜）等，大螺距扫描不加心电门控适用于需要快速成像的情况，如：冠脉、心脏、主动脉、肺、腹部脏器等需要避免心脏搏动和呼吸运动所致伪影者，以及儿童、老年、外伤、急危重症等不能配合或姿势受限等需要快速检查者，大螺距扫描加和不加心电门控两者都可应用于冠脉、主动脉根部和心脏。关于心电门控或非心电门控这两种模式对辐射剂量影响的对比研究不多，尚无定论[2, 6-7]，而辐射剂量是选择不同CT扫描方法的重要考虑因素。
本文在保证图像质量相同的情况下，即参考kV、参考mAs和自动曝光控制技术CARE Dose4D模式均相同，对心电门控和非心电门控时双源CT大螺距扫描的辐射剂量进行模体试验对比研究，以期为双源CT大螺距扫描中辐射剂量的优化提供参考，特别是在心电门控技术的应用上，期望能够在保证图像质量的同时减少辐射剂量。
1. 资料与方法
采用第3代双源CT（西门子公司SOMATOM Force），对西门子CT校正水模体（圆柱形，直径200 mm，高度130 mm）（图1）进行扫描，螺距3.2，球管转速0.25 s/rot，扫描床移动速度737 mm/s，准直2×96×0.6 mm，扫描长度为100 mm（图2），显示野为250 mm，层厚0.75 mm，层间隔0.75 mm，卷积核BV40，窗宽800 HU，窗位200 HU。自动曝光控制技术CARE Dose4D分为打开（On）和关闭（Off）两种模式，前者的CARE kV又分为自动打开（On）、半自动打开（Semi）和关闭（Off）3种模式，每种模式又分为心电门控和非心电门控两种模式。参考kV为100，根据设备制造商提供的公式[8]，
$$ \mathrm{mAs/rot=mAs\times 螺距，} $$ 参考mAs在心电门控时设为低、中、高3组400、480和560 mAs/rot，参考mAs在非心电门控时对应设为低、中、高3组125、150和175 mAs。心电门控扫描，采用设备自带的心电监测演示模式，操作步骤如下，在CT扫描主机界面上依次进行，Options→Configuration→HeartView→ECG Monitor Demo Mode（勾选），触发时相设为模拟心电信号心动周期的30%RR。扫描后，记录各组的辐射剂量容积CT剂量指数（volume CT dose index，CTDIvol），测量CT图像上水模CT值均值的标准差（即图像噪声），兴趣区（region of interest，ROI）分别置于水模长径（z轴）距离扫描起始位置25.0、37.5、50.0、62.5和75.0 mm处（图3）的圆心及距离圆心50 mm的0点、3点、6点、9点处（图3），ROI直径设为15 mm。
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图 3 兴趣区ROI在水模长径的位置注：沿z轴方向，距离扫描起始位置25.0、37.5、50.0、62.5、75.0 mm处。Figure 3. The position of the region of interest in the latitude direction of the water mold在4种自动曝光控制扫描模式（ⒶCARE Dose4D On CARE kV On、ⒷCARE Dose4D On CARE kV Semi、ⒸCARE Dose4D On CARE kV Off、ⒹCARE Dose4D Off）（表1）下，对心电门控和非心电门控的辐射剂量和图像噪声分别进行对比分析。
表 1 4种自动曝光控制CT扫描模式下心电门控与非心电门控的辐射剂量和图像噪声Table 1. Radiation dose and image noise of electrocardiogram (ECG)-gated and non-ECG-gated in four automatic exposure control computed tomography scan modes自动曝光控制 参考/mAs 辐射剂量CTDIvol/mGy 差值百分
比（%）统计检验 图像噪声/HU 统计检验 4种
扫描
模式CARE
Dose4DCAREkV 参考mAs
组别心电门控
/（mAs/rot）非心电
门控/mAs心电门控 非心电门控 t P 心电门控 非心电门控 z（t） P Ⓐ On On 低 400 125 1.33 1.07 24.299 −6.247 < 0.05 22.30
（21.30，23.05）27.46
（25.99，28.77）−5.899z < 0.05 中 480 150 1.59 1.27 25.197 20.48
（19.76，21.25）25.46
（23.99，27.03）−5.967z < 0.05 高 560 175 1.67 1.49 12.081 19.49
（18.37，20.17）23.07
（21.80，24.70）−5.860z < 0.05 Ⓑ On Semi 低 400 125 1.33 1.07 24.299 −6.247 < 0.05 21.73
（21.03，22.70）27.21
（25.35，28.48）−6.063z < 0.05 中 480 150 1.59 1.27 25.197 19.84
（19.07，20.53）25.02
（23.94，26.32）−6.045z < 0.05 高 560 175 1.67 1.49 12.081 19.53
（18.70，20.50）23.02
（21.75，23.96）−5.802z < 0.05 Ⓒ On Off 低 400 125 2.05 1.65 24.242 −9.475 < 0.05 16.37
（15.52，16.93）19.87
（18.96，20.76）−5.559z < 0.05 中 480 150 2.47 1.97 25.381 17.91±1.38 14.83±1.16 8.335t < 0.05 高 560 175 2.88 2.30 25.217 16.79±1.30 13.87±0.80 9.773t < 0.05 Ⓓ Off / 低 400 125 3.95 3.98 0.754 1.250 0.338 12.05
（11.33，12.67）11.62
（11.05，11.98）−1.756z 0.079 中 480 150 4.74 4.73 0.211 11.56
（10.50，11.77）10.58
（9.89，11.09）−1.834z 0.067 高 560 175 5.53 5.56 −0.540 10.15
（9.47，10.74）10.00
（9.35，10.37）−0.999z 0.318 统计学方法：采用SPSS 24.0统计软件进行数据分析,符合正态分布的计量资料以(
$ \bar{x} \pm s$ )表示,符合偏态分布的数据以M(Q1,Q3)表示。关于4种不同自动曝光控制条件下的辐射剂量和图像噪声，对心电门控与非心电门控组间数据符合正态分布者采用独立样本t检验，符合偏态分布的采用非参数Mann-Whitney U检验，对心电门控组内与非心电门控组内数据符合正态分布且Levene方差齐次性检验得到方差齐性者采用单因素ANOVA检验，其余采用相关样本的非参数检验，辐射剂量与噪声的相关性采用组间皮尔逊相关系数表示，以P < 0.05为差异有统计学意义。2. 结果
本试验共4种自动曝光控制扫描模式（Ⓐ、Ⓑ、Ⓒ、Ⓓ），3组参考mAs（低、中、高），组合成12种扫描方案分别对水模进行了心电门控模式和非心电门控扫描，共24次扫描，得到了24个辐射剂量值。在每次扫描的图像（图2）中，选择5幅图像（图3），在每幅图像上选择5个兴趣区ROI（图4）测量噪声值，在24次扫描的图像上共测量了600个图像噪声值。结果见表1，分析如下：
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图 4 兴趣区ROI在CT轴面图像的位置注：圆心及距离圆心50 mm的0点、3点、6点、9点处。CT图像位置：z轴75.0 mm处，扫描模式：CARE Dose4D On CARE kV On，心电门控模式，触发时相30%RR，参考kV 100，参考mAs 400 mAs/rot。噪声值：圆心24.98 HU，0点22.26 HU，3点22.90 HU，6点20.82 HU，9点19.97 HU。实际CTDIvol 1.33 mGy。Figure 4. Position of the region of interest in the computed tomography axis image1. 在4种不同自动曝光控制条件下，心电门控与非心电门控组间辐射剂量及图像噪声的比较：在开启CARE Dose4D（Ⓐ、Ⓑ、Ⓒ）条件下，心电门控与非心电门控辐射剂量及图像噪声均有统计学差异，心电门控者辐射剂量偏大，图像噪声偏小。在关闭CARE Dose4D（Ⓓ）条件下，心电门控与非心电门控时辐射剂量及图像噪声均没有统计学差异（表1）。
2. 在4种不同自动曝光控制条件下，心电门控组内及非心电门控组内辐射剂量及图像噪声的比较：
心电门控组内（F=32.03，P < 0.05）及非心电门控组内（F=40.24，P < 0.05）辐射剂量均有统计学差异。在开启CARE Dose4D（Ⓐ或Ⓑ或Ⓒ）条件下，其中的ⒶCARE kV On、ⒷCARE kV Semi和ⒸCARE kV Off三者之间辐射剂量无统计学差异，上述三者（Ⓐ或Ⓑ或Ⓒ）和关闭CARE Dose4D（Ⓓ）条件下的辐射剂量之间均有统计学差异（表2）。
表 2 心电门控组内及非心电门控组内4种自动曝光控制模式之间的辐射剂量差异及图像噪声差异Table 2. Radiation dose differences and image noise differences between the four automatic exposure control modes within the electrocardiogram (ECG) gated and non-ECG gated groups自动曝光控制
模式1自动曝光控制
模式2辐射剂量 图像噪声 P P 心电门控 Ⓐ Ⓑ 1.000 0.184 Ⓒ 0.231 < 0.05 Ⓓ < 0.05 < 0.05 Ⓑ Ⓒ 0.231 < 0.05 Ⓓ < 0.05 < 0.05 Ⓒ Ⓓ < 0.05 < 0.05 非心电门控 Ⓐ Ⓑ 1.001 0.411 Ⓒ 0.375 < 0.05 Ⓓ < 0.05 < 0.05 Ⓑ Ⓒ 0.375 < 0.05 Ⓓ < 0.05 < 0.05 Ⓒ Ⓓ < 0.05 < 0.05 心电门控组内(P < 0.05)及非心电门控组内(P < 0.05)图像噪声均有统计学差异。在开启CARE Dose4D（Ⓐ或Ⓑ或Ⓒ）条件下，其中的ⒶCARE kV On和ⒷCARE kV Semi两者之间图像噪声无统计学差异，上述两者（Ⓐ或Ⓑ）和ⒸCARE kV Off之间的图像噪声均有统计学差异，上述三者（Ⓐ或Ⓑ或Ⓒ）和关闭CARE Dose4D（Ⓓ）条件下的图像噪声之间均有统计学差异（表2）。
3 辐射剂量CTDIvol与噪声的相关性：随着辐射剂量CTDIvol升高，心电门控组及非心电门控组噪声均显著降低，呈负相关，差异有统计学意义（表3）。
表 3 辐射剂量CTDIvol与噪声的相关性Table 3. Correlation of the radiation dose volume computed tomography dose index (CTDIvol) and the noise组间皮尔逊相关系数r P 心电门控 −0.909 < 0.05 非心电门控 −0.955 < 0.05 3. 讨论
双源CT时间分辨率高，大螺距扫描时床进速度快，可用于扫描部分患者的心脏冠脉，特别是需要同时进行主动脉CTA扫描者，如经导管主动脉瓣置入术（TAVI）或主动脉夹层患者。
Beeres等[2]认为，双源CT大螺距扫描时，采用自动管电流和管电压调制技术（ⒶCARE Dose4D On CARE kV On），心电门控和非心电门控的区别仅在于扫描曝光的起始时间不同，而其余则完全相同，包括辐射剂量和图像质量。本文试验显示，心电门控与非心电门控时，在不采用自动曝光控制（CARE Dose4 d Off）的情况下，二者的辐射剂量和图像质量相同，反之，则不相同。其原因可能是由于自动曝光控制技术优化了辐射剂量。设备制造商指出，自动曝光控制时，CARE剂量所应用的mAs的平均值低于参考值。设备制造商提供了非自动曝光控制技术时心电门控mAs/rot和非心电门控mAs之间的换算关系[8]，而在自动曝光控制技术情况下，换算关系因为辐射剂量优化而发生改变，从而引起自动与非自动曝光控制情况下，辐射剂量和噪声的不同。另有Karlo等[6]认为，与非心电门控相比，心电门控时辐射剂量相等，图像质量更高，其中未提及自动曝光控制技术，本文与其不符。上述文献[2,6]中未显示参考kV和参考mAs，有待于进一步验证。李剑等[7]报道了自动曝光控制（CARE Dose4D On）条件下，心电门控辐射剂量低，图像质量一致的情况，文中未见显示心电门控时的参考mAs。李雪等[9]报道了自动曝光控制（CARE Dose4D On）条件下，在螺距不相同时，与非心电门控（螺距2.2）相比，心电门控（螺距3.4）的辐射剂量低，图像噪声高。文中仅给出了非心电门控扫描时的参考kV和参考mAs，而没有心电门控扫描时的对应值。通常认为，相同的扫描条件，如螺距、自动曝光控制技术、参考kV、参考mAs和mAs/rot等，是研究心电门控和非心电门控辐射剂量差异的先决条件。
André等[10]对不同厂家和不同型号CT设备进行了扫描条件的匹配，发现了噪声一致，但辐射剂量不一致的情况。另有薛水培等[11]报道了采用与不采用自动曝光控制技术时，辐射剂量不一致而噪声一致的情况，本文与其不符，上述文献均非大螺距扫描，有待于进一步验证。
王晓华等[12]认为，在自动曝光控制（ⒶCARE Dose4D On CARE kV On、ⒷCARE Dose4D On CARE kV Semi、ⒸCARE Dose4D On CARE kV Off）扫描中，辐射剂量降低时，图像噪声增加，本文的结果与其一致。常规认为，辐射剂量较高者，图像质量较好，临床中，在保证诊断质量的情况下，一般选择辐射剂量较低者。刘丹丹等[13]对自动曝光控制（ⒶCARE Dose4D On CARE kV On、ⒷCARE Dose4D On CARE kV Semi）进行了试验，认为与mAs相比，kV对辐射剂量的影响更大。该结论与Zheng[14]的研究结果一致。本文未对更多kV进行试验。上述文献[12-13]均非心电门控扫描，在心电门控时的情况有待于进一步验证。
王晨思等[15]认为，在采用自动管电流调制技术时，不同螺距不会增加或减少辐射剂量，但大螺距者因为运动伪影减少而图像质量相对较好。另有季文超等[16]认为，采用可变螺距者与采用常规螺距者相比，二者图像质量相同，但采用可变螺距即较大螺距者的辐射剂量较低。还有王诗耕等[17]认为，与高keV相比，低keV时辐射剂量较低，而图像质量不变。上述文献[15-17]均非心电门控扫描，均非大螺距扫描，因此，上述文献的结论是否同样适用于心电门控或大螺距扫描时的情况，有待于进一步验证。
本文的局限性。本试验仅对单一均质圆柱形水模体进行研究，未对不同尺寸、不同密度、不均质及不规则形模体进行研究，未进行不同kV、更多参考mAs、不同迭代重建算法及更多参数的试验，因此，需要更多的试验，对本文试验结果进行完善，但是，本文显示的不同情况下心电门控对辐射剂量产生影响的结论是客观的。
总之，对于水模体的双源CT大螺距扫描，自动曝光控制打开时，心电门控与非心电门控的辐射剂量和图像噪声均不相同，心电门控者辐射剂量偏高，图像噪声较低；自动曝光控制关闭时，心电门控与非心电门控的辐射剂量相等，图像噪声相同。预期该模体试验研究结果能为这种情况下患者的辐射剂量研究提供参考建议。
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图 3 兴趣区ROI在水模长径的位置
注：沿z轴方向，距离扫描起始位置25.0、37.5、50.0、62.5、75.0 mm处。
Figure 3. The position of the region of interest in the latitude direction of the water mold
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图 4 兴趣区ROI在CT轴面图像的位置
注：圆心及距离圆心50 mm的0点、3点、6点、9点处。CT图像位置：z轴75.0 mm处，扫描模式：CARE Dose4D On CARE kV On，心电门控模式，触发时相30%RR，参考kV 100，参考mAs 400 mAs/rot。噪声值：圆心24.98 HU，0点22.26 HU，3点22.90 HU，6点20.82 HU，9点19.97 HU。实际CTDIvol 1.33 mGy。
Figure 4. Position of the region of interest in the computed tomography axis image
表 1 4种自动曝光控制CT扫描模式下心电门控与非心电门控的辐射剂量和图像噪声
Table 1 Radiation dose and image noise of electrocardiogram (ECG)-gated and non-ECG-gated in four automatic exposure control computed tomography scan modes
自动曝光控制 参考/mAs 辐射剂量CTDIvol/mGy 差值百分
比（%）统计检验 图像噪声/HU 统计检验 4种
扫描
模式CARE
Dose4DCAREkV 参考mAs
组别心电门控
/（mAs/rot）非心电
门控/mAs心电门控 非心电门控 t P 心电门控 非心电门控 z（t） P Ⓐ On On 低 400 125 1.33 1.07 24.299 −6.247 < 0.05 22.30
（21.30，23.05）27.46
（25.99，28.77）−5.899z < 0.05 中 480 150 1.59 1.27 25.197 20.48
（19.76，21.25）25.46
（23.99，27.03）−5.967z < 0.05 高 560 175 1.67 1.49 12.081 19.49
（18.37，20.17）23.07
（21.80，24.70）−5.860z < 0.05 Ⓑ On Semi 低 400 125 1.33 1.07 24.299 −6.247 < 0.05 21.73
（21.03，22.70）27.21
（25.35，28.48）−6.063z < 0.05 中 480 150 1.59 1.27 25.197 19.84
（19.07，20.53）25.02
（23.94，26.32）−6.045z < 0.05 高 560 175 1.67 1.49 12.081 19.53
（18.70，20.50）23.02
（21.75，23.96）−5.802z < 0.05 Ⓒ On Off 低 400 125 2.05 1.65 24.242 −9.475 < 0.05 16.37
（15.52，16.93）19.87
（18.96，20.76）−5.559z < 0.05 中 480 150 2.47 1.97 25.381 17.91±1.38 14.83±1.16 8.335t < 0.05 高 560 175 2.88 2.30 25.217 16.79±1.30 13.87±0.80 9.773t < 0.05 Ⓓ Off / 低 400 125 3.95 3.98 0.754 1.250 0.338 12.05
（11.33，12.67）11.62
（11.05，11.98）−1.756z 0.079 中 480 150 4.74 4.73 0.211 11.56
（10.50，11.77）10.58
（9.89，11.09）−1.834z 0.067 高 560 175 5.53 5.56 −0.540 10.15
（9.47，10.74）10.00
（9.35，10.37）−0.999z 0.318 
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表 2 心电门控组内及非心电门控组内4种自动曝光控制模式之间的辐射剂量差异及图像噪声差异
Table 2 Radiation dose differences and image noise differences between the four automatic exposure control modes within the electrocardiogram (ECG) gated and non-ECG gated groups
自动曝光控制
模式1自动曝光控制
模式2辐射剂量 图像噪声 P P 心电门控 Ⓐ Ⓑ 1.000 0.184 Ⓒ 0.231 < 0.05 Ⓓ < 0.05 < 0.05 Ⓑ Ⓒ 0.231 < 0.05 Ⓓ < 0.05 < 0.05 Ⓒ Ⓓ < 0.05 < 0.05 非心电门控 Ⓐ Ⓑ 1.001 0.411 Ⓒ 0.375 < 0.05 Ⓓ < 0.05 < 0.05 Ⓑ Ⓒ 0.375 < 0.05 Ⓓ < 0.05 < 0.05 Ⓒ Ⓓ < 0.05 < 0.05
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表 3 辐射剂量CTDIvol与噪声的相关性
Table 3 Correlation of the radiation dose volume computed tomography dose index (CTDIvol) and the noise
组间皮尔逊相关系数r P 心电门控 −0.909 < 0.05 非心电门控 −0.955 < 0.05
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