自動管電流調控技術下全腹部電腦斷層掃描對於骨盆區劑量評估

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自動管電流調控技術下全腹部電腦斷層掃描對於骨盆區劑量評估中華放射線技術學雜誌 C J Radiologic Tech 2012; 36(4): 186- 192

自動管電流調控技術下全腹部電腦斷層掃描對於骨盆區劑量評估

蘇峯毅

1

陳東明

1..2

林智勝

1

陳瑞芬

1

何永仁

1..2

陳俊光

1 1 _{中國醫藥大學附設醫院放射線部} 2 _{中國醫藥大學生物醫學影像暨放射科學系}

摘要

電腦斷層掃描貢獻約 50 %的醫療曝露之群體劑量，適當使用自動管電流調控技術可合理抑低受檢者的有效劑量，本研究探討在管電流調控技術下全腹部電腦斷層掃描可能給於骨盆區過高輻射劑量，依據 ICRP 87 號報告指出，腹部與骨盆的掃描，通常有使用相同管電流的慣例，骨盆區掃描管電流若降低至腹部區管電流的 1/3，可達成有效影像診斷品質，而實際減低劑量的可能性，本實驗結論顯示可減少高達 39 %有效劑量。依臨床全腹部掃描資料評估顯示，自動管電流調控技術在大部份病人中，骨盆區因衰減較高其管電流比腹部區高。因此我們推論在管電流調控技術下全腹部電腦斷層掃描給於骨盆區過高輻射劑量，其存在降低受檢者有效劑量的可行性。關鍵詞：電腦斷層掃描、自動管電流調控技術、有效劑量

前言

多切面電腦斷層掃描儀 (multislice computed tomography)技術的發展，能在短時間內提供大量影像資訊，因此臨床越來越多受檢者利用電腦斷層掃描進行診斷檢查，使CT對醫療照射集體劑量的貢獻越來越大，在過去的20年中，全球CT掃描的應用增加超過了800% [1]。人們越來越關注於輻射有效劑量對人體的潛在危害，並尋求在保證影像質量前提下有效降低輻射劑量的方法，自1990 年Naidich首次提出低劑量CT概念以來[2]，現在已發展出眾多降低劑量的方法應用於不同檢查目地，包括降低管電壓、管電流或使用自動管電流調控(automatic tube current modulation, ATCM)以降低受檢者劑量[3-6]。在檢查中，患者的衰減無論在不同投影角度還是在不同解剖區域都存在很大的差異，掃描採集過程中對管電流進行調控是CT劑量控制一個非常有效的方法。自動管電流調控技術(ATCM)主要可分為二種，分別為角度管電流調控技術 (angular modulation) 和縱向管電流調控技術 (Z-axis modulation)。角度管電流調控技術偵測各角度的解剖構造衰減值，而適當給予x-y平面上角度管電流調控改變。縱向管電流調控技術，根據CT定位像(scout view)運用數學運算方法估算垂直方向上的衰減，這些衰減分布的測量包含了患者尺寸、身材和每一Z軸位置上的衰減訊息，以此衰減分布為基礎，計算出掃描架每旋轉一圈的管電流值，管電流的調整基於用戶定義的雜訊指數(Noise Index)，以在縱軸方向不同解剖區域之間產生相對一致的影像品質(consistent imagine quality)。操作者跟據不同患者體型和臨床病情依診斷影像質量水平設定不同雜訊指數 (Noise Index)[7]。自動管電流調控系統不能直接降低患者劑量，但能使掃描方案與影像質量相關的方法結合在一起應用，如果影像質量設定得當，適應臨床任務，除肥胖患者以外，能使所有的劑量有所降低。而自動管電流調控系統的設置需要操作者理解雜訊指數(Noise Index)，以便能有效發揮自動管電流調控的作用[8]。

根據Annals of the ICRP 87指出，因減少管電流所造成的影像品質惡化，對身體高對比部位而言，並不是那麼嚴重的問題，身體內有一些高對比構造部位，例如胸部和骨盆的骨骼結構與軟組織或空氣間具有高對比度，在此情形下所作的攝影，是有可能保持診斷影像品質不變而容許減低管電流[9]。胸部CT的低劑量技術已為人所闡述[2]。在身體中腹部這樣低對比部位，如欲實現低劑量掃描，則明顯會有問題，在這種情況下，雜訊(noise)是一項限制因素。腹部與骨盆的掃描，通常有使用相同管電流的慣例，骨盆CT掃描管電流降低至腹部區域掃描管電流的1/3，可達成不被認為診斷影像品質明顯惡化，而實際減低劑量的可能性[9]。骨盆掃描可降低劑量的基本原因，在於腹部所通訊作者：陳東明聯絡地址：404 台中市育德路 2 號中國醫藥大學附設醫院放射線部聯絡電話：(04) 2205-2121 ext: 3331

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m

A

自動管電流調控技術下全腹部電腦斷層掃描對於骨盆區劑量評估包含的器官，例如肝臟，其分辨率(resolution )甚為重要，而骨盆則無類似構造，僅包含骨骼、膀胱和腸子。管電流的增加無法大幅度提升高對比部位的分辨率，但是會造成低對比區域的分辨率產生重大改變。因此，低管電流技術對骨盆掃描而言沒有任何問題，但腹部掃描的效果卻不令人滿意。本研究主要探討在自動管電流調控技術下，全腹部電腦斷層掃描時雜訊指數(Noise Index)依腹腔如肝臟等低對比度器官設定低雜訊指數(相對於為高管電流水平)，其可能給於骨盆區過高輻射劑量，探討存在降低患者輻射劑量可能性。

材料與方法

侖道假體(Rando phantom) 本實驗使用擬人型侖道假體進行自動管電流調控技診斷影像品質而調整劑量階(Dose steps)，進而改變雜訊指數(Noise index)，獲得重建影像具有相同的影像品質。減少 1 單位劑量階(Dose step)，改變增加 5%影像雜訊指數

(Noise index)和減少 10%管電流(mA)，可由此調整獲得 T 組中管電流減為原數值之 1/3。本實驗全腹部掃描條件設定管電壓 120KVp，Pitch:1.375，準直儀寬度 16×1.25，機架旋轉一圈為 0.8 秒，雜訊指數設定 11.00，管電流範圍為 10~390mA。有效劑量計算記錄掃描後體積電腦斷層劑量指標 (computed tomography dose index, CTDIvol)單位為 mGy 和劑量長度乘積 (dose length product, DLP) 單位為 cm·mGy，此二值的關係如(1)，其中 L 代表掃描長度其單位為 cm。歐盟 16262 號報告建議，有效劑量與劑量長度乘積有很大相關性，經大規模調查後，建立不同掃描部位的有效劑量轉換因子術下研究，探討骨盆區管電流降低對輻射劑量的影響。侖道假體模擬標準體型人體之衰減，假體內含有骨骼、軟組 (Conversion factor，EDLP)列表 1 [10]，以提供使用者一套織與肺臟，其器官位置相似於真人，其材質之有效原子序皆等價於人體器官。如圖 1 為侖道假體之定位像。實驗方法本實驗使用奇異公司 16 多切面電腦斷層掃描儀(GE Lightspeed 16 MDCT)，縲旋掃描並使用自動管電流調控技術，參考本院臨床全腹部掃描條件對侖道假體進行腹部 (橫膈膜至髂骨)、骨盆(髂骨至恥骨聯合)、全腹部掃描(橫膈膜至恥骨聯合)，其下區分兩組，O 組為原始臨床掃描參數條件，T 組其管電流減為原 1/3。以評估骨盆區管電流減為原 1/3 後與原始條件下全腹部掃描劑量差異值，腹部掃描維持低雜訊指數(Noise index:11.00)而骨盆掃描管電流降低為原 1/3 (Noise index:19.00)。自動管電流調控技術依據受檢者實際衰減值多寡及適當雜訊指數 (noise index)調整給於管電流值，考慮病患的疾病種類其所要求

350

300

250

200

150

100

50

0

簡易迅速評估有效劑量的方法。有效劑量可由劑量長度乘積與有效劑量轉換因子相乘後而得(2)， DLP=CTDIvol × L (1) E=DLP × EDLP (2) 有效劑量是一個計算出來的量，它反映了相當於全身照射下的一次非均勻照射的輻射危害。[11] 表 1：摘自歐盟 16262 號報告，不同掃描部位的有效劑量轉換因子(EDLP) [10] R o u t i n e of b od y C o n v e rs i on f a c t or , E DLP ( m Sv m G y -1 c m 1 )

Head

0.0023

Neck

0.0054

Chest

0.017 Abdomen

0.015 Pelvis

0.019

0

150

300

450

600

750

900

105 Z-axis

圖 1：侖道假體之定位像(反色階)，使用自動管電流技術，雜訊指數設定為 11.00，管電流最大最小範圍設定為 10~390mA，管電壓 120KVp，其掃描長度隨管電流變化如圖所示

(4)

(5)

檢查部位

_{O(original) T(one-third)}

_O

_T

_O

_T

(mSv mGy

-1

_cm

-1

₎

_O

_T

腹部

A(abdomen)

10.63

3.54

27.0

27.0 317.17 105.67

0.015

4.76

1.58 骨盆 P(pelvis)

15.44

5.15

20.0

20.0 352.80 117.63

0.019

6.7

2.23 全腹部 AP

(abdomen+pelvis)

12.67

4.23

47.0

47.0 631.60 210.68

臨床資料統計於 2011 年 09 月- 2011 年 12 月，隨機收集全腹部電腦斷層掃描 100 例患者(男性 55，女性 45)迴歸分析，使用本院臨床全腹部掃描條件於不同受檢者間，自動管電流調控技術運算給於管電流值差異分析，根據自動管電流調控技術的原理，其每一軸切面隨衰減值高低而調整管電流，我們區分腹部(橫膈膜至髂骨)和骨盆(髂骨至恥骨聯合)兩部位，記錄其每一重組軸切面管電流，計算兩部位平均管電流數值，並以身體質量指數(Body Mass Index, BMI)、性別區分。

結果

有效劑量評估依本實驗方法，使用侖道假體進行自動管電流調控技術下研究，根據公式(1)、(2)計算骨盆區管電流降低為 1/3(雜訊指數:19.00)後與原始條件下腹部與骨盆掃描(雜訊指數 11.00)劑量差異值。在有效劑量方面減少 39%，

[1-(EAO+EPT)/(EAO+EPO)]。表 2 說明，

在體積電腦斷層劑量指標 (CTDIvol) 中，骨盆 CTDIvol (15.44)大於腹部 CTDIvol (10.63)，這可由圖 1 說明，因骨盆區具有緻密骨骼結構為高衰減物，使 ATCM 計算給於侖道假體骨盆區高管電流值，管電流正比於 CTDIvol，因此 CTDIvol 骨盆大於腹部。在劑量長度乘積(DLP)中，掃描腹部和骨盆劑量長度乘積(DLP)總和為 DLPAO + DLPPO (669.97) 大於全腹部掃描劑量長度乘積 DLP(AP)o (631.60)，其增加百分比值 (DLPAO + DLPPO -DLP(AP)o)/ (DLP(AP)o)為 6.17%，在縲旋掃描中掃描起始點和結束點因重組影像資料需多掃描一些範圍稱為超範圍掃描(overranging)。臨床資料評估隨機收集本院臨床全腹部電腦斷層掃描 100 例受檢者(男性 55，女性 45)迴歸分析。依性別區分如下列圖 2 男性、圖 3 女性，X 軸為 BMI 值，Y 軸為骨盆區平均管電流除以腹部平均管電流比值(以下簡稱 P/A 比值)。BMI 主要是測量總體脂肪 (overall body fat) 和反應絕對質量 (absolute mass)，但 BMI 無法區分脂肪或肌肉，也無法暸解脂肪的分佈[12]。本國衛生署食品局定義，BMI 小於 18.5 為體重過輕，BMI 大於 27 達到肥胖定義。在多項式迴歸分析曲線所示，腹部、骨盆區隨 BMI 增加平均管電流增加，但男性、女性在腹部、骨盆區因 BMI 增加平均管電流增加幅度有所差異性，主要因素為隨著 BMI 增加代表總體脂肪的增加，但男性與女性脂肪容易堆積分布的位置大不相同，一般而言；男性肥胖體型多會似蘋果型(腰圍大於臀圍)；女性肥胖體型多會似西洋梨型(臀圍大於腰圍)。隨 BMI 增加，男性圖 2(a)所示，體脂肪易堆積於腹部導致腹部平均管電流由小於骨盆區到略大於骨盆的趨勢。女性圖 3(a)，骨盆區除了高衰減骨結構外更易堆積大量脂肪組織導致 ATCM 計算給於骨盆區比腹部有更高管電流值。 P/A 比值分布圖，由於本院臨床全腹部掃描條件最大管電流設定 390mA，最小管電流設定 150mA。男性、女性在體重過輕病患中，ATCM 計算給於腹部、骨盆區管電流數值都等於或略大於最小管電流，使其 P/A 比值接近 1。隨著 BMI 增加，總體脂肪的增加，男性圖 2(b)，體脂肪多集中於腹部導致腹部與骨盆區有相近似衰減程度或腹部衰減程度大於骨盆區，使 P/A 比值在 1.22~0.65 範圍。女性圖 3(b)，體脂肪多易堆積於臀部，骨盆區除了高衰減骨骼結構外更堆積大量脂肪組織導致 ATCM 計算骨盆區比腹部有更高管電流值，其 P/A 比值幾乎都大於 1。當 BMI 值增加達到肥胖定義，其 ATCM 計算給於腹部或骨盆區管電流數值可能達到最大管電流設定值 390mA，使男女性其 P/A 比值都趨近 1。

表 2：O 組為原掃描參數條件(noise index 11.00)，T 組管電流降低為原 1/3 (noise index:19.00)

CTDIvol (mGy)

Scan

length(cm)

DLP

Conversion factor

EDLP

E=DLP × EDLP

(mSv)

(6)

(7)

m A P/ A r at io P/ A r at io m A 400. 0 360. 0 R2 = 0.69 R2 = 0.82 320.0 280.0 240.0 200.0 160.0 120. 0 12 14 16 18 20 22 24 26 28 30 32 34 BMI 腹部平均管電流骨盆區平均管電流多項式 (骨盆區平均管電流R2_{= 0.69)} _{多項式(腹部平均管電流R}2_{= 0.82)}

(a)

1.80 1.60 1.40 1.2 0 1.0 0 0.8 0 0.6 0 12 14 16 18 20 22 24 26 28 30 32 34 BMI 圖 2：男性 55 例，BMI 範圍 13.84 ~32.49 ， P/A 比值範圍 0.65~1.22，年齡範圍 41~81 歲 (a) 腹部、骨盆平均管電流與 BMI 分布圖及多項式迴歸分析曲線(冪次 3) (b) P/A 比值與 pelvis/abdomen

(b)

BMI 分布圖 400.0 360.0 320.0 280.0 R2 = 0.61 R2 = 0.63 240.0 200.0 160.0 120.0 14 16 18 20 22 24 26 28 30 32 BMI 腹部平均管電流骨盆區平均管電流多項式(骨盆區平均管電流R2 = 0.61) 多項式(腹部平均管電流R2 = 0.63)

(a)

1.80 1.60 1.40 1.2 0 1.0 0 0.8 0 0.6 0 12 14 16 18 20 22 24 26 28 30 32 34 BMI 圖 3：女性 45 例，BMI 範圍 16.01~30.26, P/A 比值範圍 0.9~1.75，年齡範圍 43~85 歲 (a) 腹部、骨盆平均管電流與 BMI 分布圖及多項式迴歸分析曲線(冪次 3) (b) P/A 比值與 pelvis/abdomen

(b)

BMI 分布圖

(8)

(9)

tu

be

c

ur

re

nt

(m

A

)

相似 BMI 值其相對 P/A 比值個體差異大，雖然個體差異大，但實際觀察到骨盆平均管電流大於腹部平均管電流的趨勢，尤其在女性患者，在本資料中差異最大者骨盆平均管電流約為腹部平均管電流的 1.75 倍，如圖 4 掃描長度隨管電流變化(X 軸為掃描距離，Y 軸為管電流)。

討論

使用自動管電流調控技術可有效降低輻射劑量輻射劑量受管電流、管電壓、

350

310

270

230

190

150

110

0 30 60 90 120 150 180 210 240 270 300 330 360 390 420 450 480 510 540 Z- axis(cm) 螺距、描掃範圍等多種參數的影響，改變這些參數均可增加或減少圖4：46歲女性患者，BMI=22.15，骨盆平均管電流與標準差(295.6+ 38.06)mA，腹部平均管電流與標準差(169.2+ 15.51) mA，P/A比值為1.75 有效劑量。輻射劑量與管電流成線性關係[13]。文獻指出大多數檢查部位自動管電流調控技術可合理抑低受檢者 5~47% 的有效劑量，其中以全腹部掃描劑量降低最多 47%[14]。使用自動管電流調控技術可有效降低全腹部電腦斷層輻射劑量[15]，但可能過於依賴 ATCM 技術忽略其它影響因素，造成給於骨盆區過高管電流使其存在降低有效劑量的可能性。降低全腹部電腦斷層有效劑量的可行性由本文推論在自動管電流調控技術下其骨盆區可能給於過高輻射劑量，由兩方面得到論證，1.根據 ICRP 87 號報告指出，骨盆區具有高對比度特性，骨盆區掃描管電流降低至腹部區掃描管電流的 1/3，可達成不被認為診斷影像品質明顯惡化，而實際減低劑量的可能性[9]，依本實驗結果顯示可減少高達 39 %有效劑量。2.依臨床掃描資料評估顯示，目前因掃描技術與方法的選擇，使骨盆區的劑量不減反增。自動管電流調控技術下全腹部電腦斷層掃描，在骨盆區除了有高衰減骨骼結構外，隨 BMI 值增加總體脂肪增加，體脂肪易堆積分部位置不相同，男性易堆積於腹部與臀部，女性易堆積於臀部，這些因素都使 ATCM 計算骨盆區因衰減較高導致管電流比腹部區更高。論證 1 說明，在全腹部掃描下，骨盆區與腹部相比較，骨盆區因具有高固有對比度，在此情形下所作的攝影，是有可能保持診斷影像品質不變而容許減低管電流，降低輻射劑量。論證 2 說明，在自動管電流調控技術下全腹部電腦斷層掃描，因骨盆區具有高衰減，使 ATCM 計算給於骨盆區高管電流，兩論證相背而馳，因此可推斷受檢者在自動管電流調控技術下全腹部電腦斷層掃描有效劑量是有降低的可行性。臨床應用對輻射劑量的影響縱向管電流調控目的是確保一致的雜訊水平，而不考慮局部的對比特性，這樣有時候會增加劑量，如本文探討從腹部到骨盆整個軀體掃描。適當雜訊水平和固有對比度的改變這兩個因素都要考慮，因為像骨盆腔此類結構影像的雜訊水平會由於本身固有對比度高因此容許高雜訊水平，劑量降低可能不僅是衰減降低的結果，也可能源至於高對比特性[8]。固腹部和骨盆區應設定不同的雜訊指數，目前儀器設定上，無法在一次連續掃描中，對不同掃描部位設定所需雜訊指數，假使在不同掃描部位設定不同雜訊指數，其必須考慮 1.分斷掃描造成交接處需要重疊掃描 (overlap) 否則會增加遺漏病灶的可能性 2. 超範圍掃描 (overranging)，本實驗中增加 6.17%，都相對導致了輻射劑量增加。

結論

在自動管電流調控技術下全腹部電腦斷層掃描給於骨盆區過高輻射劑量，使存在有效劑量合理降低的可能性。輻射防護原則應該盡可能達到合理的抑低水平 (as low as reasonably achievable, ALARA)。全腹部電腦斷層掃描，不同掃描區應依臨床診斷影像品質需求設定適當雜訊指數，腹腔設定低雜訊指數(高管電流水平)，骨盆區設定高雜訊指數(低管電流水平)並同時考慮自動管電流調控對掃描區衰減特性和掃描區固有對比度改變兩項影響因素，使其更合適設定掃描區雜訊指數，以降低受檢者輻射劑量。目前臨床使用，不同掃描區設定不同雜訊指數只能分斷掃描，其可能造成問題包括需要重疊掃描、超範圍掃描等都將導致劑量增加，與本文探討降低輻射劑量相背而馳，提出假設在未來儀器生產商能提供更多元應用於臨床設定，以符合臨床多元掃描方式，如在單次通過(single-pass)

(10)

(11)

掃描中不同掃描區依不同診斷影像品質要求設定不同雜訊指數，其更能有效降低受檢者輻射劑量。文獻指出，因 MDCT 技術進步掃描採集時間的不斷縮短，存在增加掃描長度以包括多個身體區域的一種傾向 [16]，或者外傷患者往往在一次成像中進行連續興趣區域的掃描，比如頸、胸、腹和骨盆腔，或胸部和腹部，其在一次連續掃描中都使用相同雜訊指數(Noise index)其更突顯問題的重要性，也是未來探討的方向。

誌

謝

本研究承蒙中國醫藥大學附設醫院經費補助，特此致謝，研究計劃編號 DMR-97-089。

參

考

文

獻

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自動管電流調控技術下全腹部電腦斷層掃描對於骨盆區劑量評估中華放射線技術學雜誌 C J Radiologic Tech 2012; 36(4): 186- 192

The Dose Assessment for the Pelvic Area During Whole Abdominal Computed

Tomography with Automatic Tube Current Modulation Technique

Feng-Yi Su

1

, Tung-Ming Chen

1,2

, Chih-Sheng Lin

1

, Jui-Fen Chen

1

, Yung-Jen Ho

1,2

, Chun-Kuang Chen

1

1 _{Department of Radiology, China Medical University Hospital}

2 _{Department of Biomedical Imaging and Radiological Science, China Medical University}

Abstract

Computed tomography has contributed about 50% of the collective dose from medical exposure, appropriate using automatic tube current modulation technique can reasonably lower the patients’ effective dose. This study analyze the possibility that pelvic region receives high radiation dose during whole abdominal computed tomography with auto tube current modulation technique. Base on Annals of the ICRP 87, it is a common practice to use the same current tube whenever abdomen and pelvis are to be scanned. Substantial dose reduction, without any recognizable deterioration in diagnostic image quality, may be achieved if pelvic CT is performed at almost one-third. In this study, we can reduce the effective dose up to 39% less. The clinical whole abdomen scanning parameters evaluation shows that the automatic tube current modulation technique gives higher tube current in pelvic region due to its higher attenuation than abdomen region in most patients. This implies that the computed tomography gives high radiation dosage to the pelvic region hence the possibility of lowering recipients’ effective dosage.

自動管電流調控技術下全腹部電腦斷層掃描對於骨盆區劑量評估

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