Combined Application of Bismuth Shielding and Organ Dose-Modulation Techniques in Lung CT Scanning
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摘要:
目的：探讨联合应用铋屏蔽与器官剂量调制（ODM）技术在肺CT扫描中对降低表浅辐射敏感器官剂量的效果及对影像质量的影响。方法：基于临床肺CT扫描方案，对胸部模体进行四组扫描：不使用铋屏蔽和ODM（组1）；仅使用ODM（组2）；仅使用铋屏蔽（组3）；联合使用铋屏蔽和ODM（组4）。记录容积CT剂量指数（CTDIvol），并测量甲状腺和乳腺区域的皮肤剂量。重组5mm层厚横断面和冠状面图像，测算对比度噪声比（CNR）和品质因子FOM并对图像质量进行主观评价。对主观评分和CNR进行不同ODM扫描方式和是否使用铋屏蔽双因素无重复试验方差分析。结果：与组1相比，组2~ 4组 CTDIvol分别降低8.2%、−0.06%和8.8%，而甲状腺剂量分别降低17.9%、44.7%和47.3%，乳腺剂量降低12.43%、31.8%和41.1%。使用铋屏蔽和ODM后，图像CNR虽稍有下降，但差异不显著。组1主观评分最高，组4最低，各组间无统计差异。结论：联合应用铋屏蔽与ODM技术可在保证影像质量的同时，显著降低肺CT扫描中的辐射剂量。
Abstract:Objective: To investigate the efficacy of the combined application of bismuth shielding and organ dose-modulation (ODM) techniques in reducing doses to superficial radiosensitive organs and its effect on image quality during lung computed tomography (CT) scanning. Methods: Based on a clinical lung CT scanning protocol, four scanning groups are created on a chest phantom: Group 1, without bismuth shielding and ODM; Group 2, with ODM only; Group 3, with bismuth shielding only; and Group 4, with both bismuth shielding and ODM. Skin doses in the thyroid and breast regions are measured, and the volume CT dose index (CTDIvol) is recorded. Coronal images measuring 5 mm thick are reformed, and the contrast noise ratio (CNR) and figure of merit are calculated. The image quality is evaluated subjectively. The subjective scores and CNR are analyzed for different ODM methods and to determine whether bismuth shielding two-factor ANOVA is required. Results: Compared with the case of Group 1, the CTDIvol of Groups 2~4 decrease by 8.2%, −0.06%, and 8.8%, respectively; the thyroid doses decrease by 17.9%, 44.7%, and 47.3%, respectively; and the breast doses decrease by 12.43%, 31.8%, and 41.1%, respectively. Although the CNR of the images decreases slightly after bismuth shielding and ODM are performed, the differences are insignificant. Group 1 indicates the highest subjective score while Group 4 indicates the lowest, with no statistical difference between the groups. Conclusion: The combined application of bismuth shielding and ODM techniques can significantly reduce radiation doses during lung CT scanning while ensuring image quality.
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Keywords:
- lung CT scanning /
- ODM /
- bismuth shielding /
- CNR /
- radiation dose
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随着CT技术的快速发展和在临床上的广泛应用，其在疾病诊断中发挥了重要作用。然而，CT扫描过程中产生的电离辐射对患者健康构成了一定的威胁，医疗照射辐射剂量问题日益凸显，需要综合考虑辐射剂量和图像质量的影响[1]，尤其是对表浅辐射敏感器官如甲状腺、乳腺等的潜在危害日益受到关注，成为研究的热点[2]。在肺CT扫描中，由于扫描范围较大且临近较多的敏感器官和组织，因此如何有效降低辐射剂量成为一个亟待解决的问题。近年来，器官剂量调制（organ dose modulation，ODM）技术和铋屏蔽材料在降低CT扫描辐射剂量方面展现出了良好的应用前景。ODM是基于智能管电流Smart mA一种特殊的管电流调制方式，它强调保护位于患者前面的表浅辐射敏感器官，如眼晶体、乳腺、甲状腺、性腺等[3]，在保护表浅辐射敏感器官的同时，确保图像质量满足临床诊疗需求。铋屏蔽材料（bismuth shielding material）作为一种新型防护材料，可保护位于受检者前面的表面腺体组织[4-5]。
鉴于此，本研究旨在探讨联合应用铋屏蔽与ODM技术在肺CT扫描中对降低表浅辐射敏感器官剂量的作用及对影像质量的影响，为肺CT扫描的辐射剂量优化提供新的思路和方法，为优化临床CT扫描方法和降低患者辐射风险提供科学依据。
1. 材料与方法
1.1 实验材料
GE Revolution CT扫描仪；胸部模体（岛津公司PBU-2成人胸部拟人模体）；北京合悦达科技有限公司热释光剂量计（thermoluminescent dosimeter，TLD），热释光剂量片（LiF：Mg，Cu，P），检测仪器型号RGD-3 B热释光仪，修正系数0.821；Philips星云（IntelliSpace Portal，ISP）工作站；厚度为1 mm的甲状腺（8×14 cm2）和乳腺（20×42 cm2）铋屏蔽材料各1片，并在贴近皮肤面衬以厚度为1 cm的海绵片。
1.2 实验方法
1.2.1 扫描方法及参数
将胸部模体放置于CT扫描野等中心点，基于临床胸部扫描方案，扫描正侧双定位像。相同参数：使用智能管电压技术推荐的100 kV；开启前置模型自适应统计迭代重建（adaptive statistical iterative reconstruction-veo，ASiR-V）40%，开启智能管电流调制Smart mA（最大范围10~500），原始重建（Primary recon）参数为Lung算法下层厚0.625 mm，噪声指数NI为22；探测器宽度80 mm，旋转时间为0.5 s/rot，螺距0.992,扫描范围32 cm。共进行4组扫描：不使用铋屏蔽和ODM（组1）；在扫描起始至乳腺区域开启ODM，不使用铋屏蔽（组2）；在双侧甲状腺和乳腺区放置一层铋屏蔽材料（图1），不使用ODM（组3）；联合使用铋屏蔽和ODM（组4）。
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图 1 （a）在甲状腺和乳腺区域使用铋屏蔽；（b）使用热释光剂量片（TLD）测量辐射剂量Figure 1. (a) Illustration of bismuth shielding applied in thyroid and breast regions; (b) illustration of radiation-dose measurement using thermoluminescent dosimeters (TLDs)1.2.2 剂量测量与记录
将热释光剂量片（TLD）装袋编号，在每个扫描序列测量时左右各一分别固定于甲状腺和乳腺双侧的相同位置（图1）。记录容积CT剂量指数（volume CT dose index，CTDIvol）和TLD测量值，并分别计算每次扫描的甲状腺和乳腺区左右剂量均值（Dav1，Dav2）。
1.2.3 图像重建与重组
重建ASiR-V 40%的肺（Lung）算法0.625 mm层厚/0.625 mm间距及标准软组织（Stnd）算法1.25 mm/1.25 mm薄层图像。矩阵：512×512。窗宽窗位：肺算法图像
1500 /−700 HU，软组织算法图像400/40 HU。保持基线和对称性相同，重组乳腺中间层面（剂量测量层面，开启ODM有效区域和铋屏蔽覆盖区）横断面、平行于气管长轴重组5 mm层厚肺及软组织算法冠状面图像。1.2.4 图像质量评价
将冠状面图像沿Z轴方向平均分为8个部分，在每部分的匀质信号区勾画一圆形感兴趣区，记录CT值均值（Av）；在同部分的空气区或无肺纹理的肺野勾画感兴趣区，记录其均值Av′,标准差Sd。用公式CNR=(Av-Av′)/Sd计算出CNR。分别测算图像8部分的对比度噪声比CNR并计算均值得出CNRav。用公式FOM=CNR2av/Dav2计算品质因子（figure of merit，FOM），其中CNRav为对每幅图像8部分测得的CNR的均值，Dav2为本次扫描双侧乳腺区左右两个TLD测量值的均值。复制每个感兴趣区，分别在其他扫描序列肺及软组织算法冠状面图像上黏贴，保证每个序列冠状面图像各分区中各相应感兴趣区的位置及大小相同，测算CNR及FOM。由2名高年资放射诊断医师采用盲法对图像质量进行主观评价，①冠状面观察指标为：心脏、气管、左右胸壁、纵隔、肋膈角，②横断面观察指标为：心脏、气管、纵隔、乳腺、后胸壁；③图像质量优秀为5分，良好4分，满足诊断要求3分，图像有瑕疵但有一定临床意义2分，图像质量较差可能引起漏诊误诊1分。针对各指标分别评分，并对两名医师的评分求取均值。两名医师对质量评判结果不一致时，协商达成共识后评分。
1.2.5 统计学分析
使用SPSS 22软件对主观评分和8部分肺及软组织算法图像CNR进行不同ODM扫描方式和是否使用铋屏蔽双因素无重复试验方差分析。
2. 结果
2.1 辐射剂量
单独使用铋屏蔽不能降低CTDIvol；使用铋屏蔽降低甲状腺和乳腺区域辐射剂量的幅度大于ODM技术，两种技术联合使用时下降幅度更大。组2~组4与组1相比，CTDIvol分别降低8.2%、−0.06%、8.8%，甲状腺剂量分别降低17.9%、44.7%和47.3%，乳腺剂量分别降低12.43%、31.8%和41.1%（表1）。
表 1 CTDIvol和甲状腺及乳腺区域辐射剂量Table 1. Values of the CTDIvol and organ dose of thyroids and breasts组别 CTDIvol CTDIvol降幅 Dav1 Dav1降幅 Dav2 Dav2降幅 ODM-off，without 3.17 − 8.63 − 5.63 − ODM-on，without 2.91 8.2% 7.085 17.9% 4.93 12.43% ODM-off，with-Bi 3.19 −0.06% 4.769 44.7% 3.84 31.8% ODM-on，with-Bi 2.89 8.8% 4.551 47.3% 3.314 41.1% 注：ODM-off为不使用ODM，ODM-on从扫描起始至乳腺区域开启ODM；Dav1和Dav2分别为甲状腺和乳腺区剂量左右侧均值；with-Bi为使用铋屏蔽，without代表不使用铋屏蔽。 2.2 图像质量
组2~组4与组1相比，肺和组织算法图像的对比度噪声比依次有所降低（P > 0.05），而FOM因子在使用铋屏蔽并同时开启ODM时最大。组1主观评分最高，组4最小，但各组间无统计差异（P > 0.05）（表2、表3和图2）。
表 2 使用不同ODM和铋屏蔽技术时肺CT图像CNR及FOM因子比较Table 2. Comparison of CNR and FOM factors in lung CT images yielded by different ODM and bismuth-shielding technologies组别 CNR FOM 肺算法图像 软组织算法图像 肺算法图像 软组织算法图像 without with-Bi F P without with-Bi F P without with-Bi without with-Bi ODM-off 180.17 160.73 3.163 0.085 368.79 325.43 3.026 0.092 5865.12 6925.29 24649.63 28705.82 ODM-on 170.32 153.25 344.14 307.57 6032.55 7408.9 24786.34 29942.95 F 0.658 0.798 P 0.424 0.379 注：ODM-off为不使用ODM，ODM-on从扫描起始至乳腺区域开启ODM；CNR为对比度噪声比，FOM为品质因子；with-Bi为使用铋屏蔽，without代表不使用铋屏蔽。 表 3 使用不同ODM和铋屏蔽技术时肺CT图像主观评分比较Table 3. Comparison of subjective scores in lung CT images yielded by different ODM and bismuth-shielding technologies组别 肺算法图像 软组织算法图像 without with-Bi F P without with-Bi F P 冠状面 ODM-off 5 4.92 2.01 0.163 5 4.92 3.212 0.08 ODM-on 4.96 4.92 4.92 4.83 F 0.215 1.84 P 0.645 0.182 横断面 ODM-off 5 4.88 2.725 0.106 5 4.88 2.421 0.127 ODM-on 4.92 4.83 4.92 4.88 F 0.945 0.582 P 0.336 0.449 注：ODM-off为不使用ODM，ODM-on从扫描起始至乳腺区域开启ODM；with-Bi为使用铋屏蔽，without代表不使用铋屏蔽。 ![]()
图 2 在被检体和屏蔽材料之间加一层1 cm的海绵后，铋屏蔽造成的伪影对肺算法图像几乎没有影响，在软组织算法图像接近模体表面处有轻微影响注：（a）~（d）和（e）~（h）分别为组1~组4的肺及软组织算法图像。Figure 2. After adding a 1 cm-thick sponge between the patient and shielding material, the artifacts caused by bismuth shielding minimally affected the Lung Algorithm Images, with only a slight effect observed near the surface of the phantom in the soft-tissue algorithm images.3. 讨论
随着医学影像技术的不断进步，辐射剂量的降低成为了重要的研究主题。一项针对年龄小于22岁的患者进行CT检查的随访研究发现，累积剂量与罹患所有血液恶性肿瘤的风险有关，每100 mGy的超额相对风险为1.96[6]。综合考虑年龄依赖性的电离辐射辐射研究和正常生理发育，年轻人（胎儿、婴儿、儿童和青少年）和老年人均存在更大的脆弱性[7]。除了个人健康和生活质量的影响外，人口老龄化还对公共卫生带来多方面的影响，因此降低医疗照射中的辐射剂量可带来持续的长期健康效益。
使用ODM技术和铋屏蔽对辐射剂量的影响。本研究结果显示，使用ODM技术后，CTDIvol下降8.2%，所测量的甲状腺和乳腺区域的皮肤剂量下降的幅度更大（17.9%和12.43%），说明使用ODM技术可以有效的降低表浅辐射敏感器官的剂量。ODM技术开启时X射线管旋转至被检者前方100°角度范围和体部150°角度范围内降低管电流，而位于后部视图的其他角度范围内毫安值则不会发生变化[8]。王明月等[9]的研究在女性胸部CT扫描时应用ODM技术，可以在不改变图像质量的前提下，降低乳腺区辐射剂量，保护敏感器官。有文献报道，在扫描区域内利用铋屏蔽材料对射线敏感器官进行局部防护，有利于降低表浅辐射敏感器官的吸收剂量[10]。Karim等[11]的研究表明，在扫描平面内使用铋屏蔽可减少被检者接收的剂量，但使用铋屏蔽可能会对剂量调制造成影响。如果铋屏蔽与Smart mA 配合使用，应在扫描定位像之后再将铋屏蔽材料放置到相应的位置，以降低管电流调制技术过补偿。本研究严格按照厂商提供的操作说明使用铋屏蔽和ODM技术，结果显示，单独使用铋屏蔽不能降低CTDIvol，这表明在扫描过程中不会因铋屏蔽材料的介入影响剂量调制；但甲状腺和乳腺剂量分别降低44.7%和31.8%，降幅高于单独使用ODM时，表明铋屏蔽可以有效降低扫描范围内的器官剂量；而使用铋屏蔽并开启ODM后甲状腺和乳腺剂量分别下降47.3%和41.1%，可进一步对敏感器官提供保护作用。
使用ODM和铋屏蔽对图像质量的影响。本研究结果显示，开启ODM时和使用铋屏蔽后图像对比度噪声比CNRav下降不显著，本着图像质量优先（平方正比关系）的原则结合辐射剂量（反比）计算所得的肺及软组织算法图像的品质因子FOM均为同时开启ODM并使用铋屏蔽时最大，综合评估质量与辐射剂量确定联合使用ODM和铋屏蔽能够达到最佳利益代价比。不同体型被检者的尺寸、密度、不同解剖部位的形状可能不同，而胸部解剖结构和尺寸可能存在更大的差异，多数被检者的胸部前后径较短，而左右径较长，呈现“扁”体型，使用器官剂量调制技术时X射线管旋转至人体前方时降低mA，对图像质量影响相对较小，具备保持图像质量的条件，可根据被检者情况并结合临床诊疗需求灵活选用。李贝贝等[12]在胸部CT增强成像中应用自动预置技术结合ODM full技术，能够在满足图像质量和诊断需求的前提下，实现个体化低剂量扫描。为保证ODM减小辐射敏感器官剂量的有效性，同时保证使用ODM时优化的图像质量，必须将被检者中心置于扫描视野SFOV的等中心点。如果使用前后位（anterior-posterior，AP）定位像并且被检者位于扫描视野等中心点上方超过2 cm以上的位置使用AEC时，被检者敏感器官接受到的辐射剂量可能高于只使用铋屏蔽时，并对临近乳腺和胸壁组织造成线束硬化伪影，而在被检体和屏蔽材料之间加一层1 cm的海绵后，伪影减轻，金属铋的伪影对肺算法图像几乎没有影响，在软组织算法图像接近模体表面处有轻微影响。Wang等[13]的研究认为铋屏蔽材料的使用也可能带来一些其它方面的问题，比如可能增加图像噪声和线束硬化伪影，并有可能引起图像局部组织CT值的改变。牛延涛等[14]研究结果显示，可在屏蔽材料和被检体之间一定厚度的海绵，减少屏蔽材料带来的伪影，提高图像质量。本研究借鉴这种方法，在铋屏蔽材料接触被检体皮肤面附着了10 mm厚的海绵，显著减轻了铋屏蔽材料带来的放射状线束硬化伪影对乳腺、皮肤及浅层胸壁的影响，结果显示使用铋屏蔽时肺及软组织算法图像质量虽有所下降，但差异不显著，可在肺CT扫描中对乳腺和甲状腺进行适当铋屏蔽。Mannudeep等[15]研究表明，使用铋屏蔽可降低高达约40%~50%的敏感器官的辐射剂量，增加1~2 cm厚度的海绵垫，增加铋屏蔽材料与被检者皮肤之间的距离来改善图像质量，这与本研究结果具有一致性。但在临床实践中，由于被检者乳腺的尺寸、形状、位置可能会有所不同，应根据被检者具体情况个性化使用ODM开启的范围和铋屏蔽的尺寸。对于明确有胸壁病变的患者，或使用低剂量CT扫描技术在肋骨骨折检查时，应慎用铋屏蔽，建议单独使用ODM技术即可；而对于需要定期肺结节随访或肺癌筛查反复行肺CT检查的患者，或者对COPD患者使用大螺距低剂量肺部CT扫描时，推荐联合使用铋屏蔽和ODM技术。
本研究不足之处主要有：本研究所用的拟人胸部模体的体型和射线衰减能力与真实人体存在差异，且肱骨近端不能上举，这些差异可能对辐射剂量测量和图像质量评估带来误差，对实验结果的直接临床应用性有一定影响，有待进一步研究优化。
4. 结论
综上所述，在保持相当影像质量的同时，联合应用铋屏蔽和在表浅辐射敏感器官使用ODM技术相比仅使用ODM技术能更大幅度地降低辐射剂量。在临床肺CT扫描中在需要降低表浅辐射敏感器官剂量时，推荐联合应用铋屏蔽和ODM技术。
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图 1 （a）在甲状腺和乳腺区域使用铋屏蔽；（b）使用热释光剂量片（TLD）测量辐射剂量
Figure 1. (a) Illustration of bismuth shielding applied in thyroid and breast regions; (b) illustration of radiation-dose measurement using thermoluminescent dosimeters (TLDs)
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图 2 在被检体和屏蔽材料之间加一层1 cm的海绵后，铋屏蔽造成的伪影对肺算法图像几乎没有影响，在软组织算法图像接近模体表面处有轻微影响
注：（a）~（d）和（e）~（h）分别为组1~组4的肺及软组织算法图像。
Figure 2. After adding a 1 cm-thick sponge between the patient and shielding material, the artifacts caused by bismuth shielding minimally affected the Lung Algorithm Images, with only a slight effect observed near the surface of the phantom in the soft-tissue algorithm images.
表 1 CTDIvol和甲状腺及乳腺区域辐射剂量
Table 1 Values of the CTDIvol and organ dose of thyroids and breasts
组别 CTDIvol CTDIvol降幅 Dav1 Dav1降幅 Dav2 Dav2降幅 ODM-off，without 3.17 − 8.63 − 5.63 − ODM-on，without 2.91 8.2% 7.085 17.9% 4.93 12.43% ODM-off，with-Bi 3.19 −0.06% 4.769 44.7% 3.84 31.8% ODM-on，with-Bi 2.89 8.8% 4.551 47.3% 3.314 41.1% 注：ODM-off为不使用ODM，ODM-on从扫描起始至乳腺区域开启ODM；Dav1和Dav2分别为甲状腺和乳腺区剂量左右侧均值；with-Bi为使用铋屏蔽，without代表不使用铋屏蔽。 
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表 2 使用不同ODM和铋屏蔽技术时肺CT图像CNR及FOM因子比较
Table 2 Comparison of CNR and FOM factors in lung CT images yielded by different ODM and bismuth-shielding technologies
组别 CNR FOM 肺算法图像 软组织算法图像 肺算法图像 软组织算法图像 without with-Bi F P without with-Bi F P without with-Bi without with-Bi ODM-off 180.17 160.73 3.163 0.085 368.79 325.43 3.026 0.092 5865.12 6925.29 24649.63 28705.82 ODM-on 170.32 153.25 344.14 307.57 6032.55 7408.9 24786.34 29942.95 F 0.658 0.798 P 0.424 0.379 注：ODM-off为不使用ODM，ODM-on从扫描起始至乳腺区域开启ODM；CNR为对比度噪声比，FOM为品质因子；with-Bi为使用铋屏蔽，without代表不使用铋屏蔽。
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表 3 使用不同ODM和铋屏蔽技术时肺CT图像主观评分比较
Table 3 Comparison of subjective scores in lung CT images yielded by different ODM and bismuth-shielding technologies
组别 肺算法图像 软组织算法图像 without with-Bi F P without with-Bi F P 冠状面 ODM-off 5 4.92 2.01 0.163 5 4.92 3.212 0.08 ODM-on 4.96 4.92 4.92 4.83 F 0.215 1.84 P 0.645 0.182 横断面 ODM-off 5 4.88 2.725 0.106 5 4.88 2.421 0.127 ODM-on 4.92 4.83 4.92 4.88 F 0.945 0.582 P 0.336 0.449 注：ODM-off为不使用ODM，ODM-on从扫描起始至乳腺区域开启ODM；with-Bi为使用铋屏蔽，without代表不使用铋屏蔽。
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