一種X線斷層融合的輻射劑量相關參數的測定方法與流程
2024-04-02 07:52:05
本發明屬於醫療技術領域，涉及一種計算X線輻射劑量的簡單方法，特別是涉及一種X線斷層融合的輻射劑量相關參數的測定方法。
背景技術：
1895年，德國物理學家倫琴發現了X射線，於同年為其夫人成功拍攝手掌的X線圖像。自1897年開始至今，X線成像技術正式應用於臨床，為患者進行平片拍攝、透視以及斷層融合(Digital Tomosynthesis，DTS)。例如，在胸部影像中，肺部的X線檢測對肺癌的早期發現具有重要的意義；骨折是急診檢查中最常見的病種，X線平片拍攝能夠對骨折位置做出快速和準確的診斷；針對全消化道造影，造影劑在X線透視下可以清楚顯示消化道的病變位置；而近些年發展起來的斷層融合技術，克服了組織結構重疊所造成的偽影。相比於X線平片，斷層融合提高了診斷率，對肺內病變具有高敏感性和高特異性。總而言之，斷層融合的全面應用對於患者的疾病檢測和醫師的輔助診斷都帶來了極大的好處，成為一種不可或缺的檢查手段。
然而，患者在受益於X射線檢查的同時，也在承受著X射線輻射可能帶來的身體損害。根據國際輻射防護委員會(International Commission on Radiological Protection，ICPR)第103號出版物的規定，本著「合理使用低劑量(As Low AsReasonably Achievable，ALARA)」的原則——用儘量少的X線輻射劑量來獲取滿足診斷需要的影像信息。因此，如何控制和計算X線輻射劑量受到越來越多的關注，也成為研究的熱點。
空氣比釋動能(Airkerma)、劑量面積乘積(Dose area product,DAP)和有效劑量(Effective dose,ED)三個參數常用來評估患者在接受X線檢查過程中所接受的輻射劑量。然而，在計算斷層融合的空氣比釋動能和劑量面積乘積時，需要將不同角度拍攝的圖像劑量參數進行單獨疊加，得到最後的輻射參數總量，而有效劑量則是在每張圖像劑量面積乘積值疊加的基礎上，乘以有效劑量轉換因子後得到。Magnus Bath等人提出了0.26m Sv Gy-1cm-2的轉換因子來計算有效劑量。但目前尚沒有一種計算空氣比釋動能和劑量面積乘積的簡單方法。
技術實現要素：
本發明的目的在於提供一種X線斷層融合的輻射劑量相關參數的測定方法，在基於斷層融合首張定位片(Scout view)曝光參數的基礎上，該方法能簡化和方便空氣比釋動能、劑量面積乘積和有效劑量這三個參數的計算。
本發明所述的X線斷層融合的輻射劑量相關參數的測定方法，包括以下步驟：
(1)X線球管一次性、連續、多角度曝光，所拍攝的圖像包括首張定位片以及多張斷層融合圖像，拍攝數目與計算機默認設置的層數有關；在首張定位片確定所拍攝的位置後，調整球管至預設的角度，平板探測器和球管做平行於患者的同步反向運動並採集信息，連續曝光的圖像傳送到後處理設備，通過計算機計算掃描容積內任意層面的圖像數據，採用像素偏移-疊加(Shift-add)算法，獲得平行於探測器平面的斷層圖像；
(2)在自動曝光模式下，X線斷層融合的球管負載(mAs)默認為定位片的10倍，將首張定位片的球管負載乘以劑量率(系統默認為10)得到系統總負載，然後平均分配到每張斷層圖像中；根據Renard序列(0.25，0.32，0.40等)的四捨五入原則，將每張斷層圖像的球管負載限制為最小的0.25mAs；每張斷層圖像的最小球管負載乘以斷層圖像的曝光總數後，得到整個斷層融合的球管總負載；
(3)將球管總負載除以定位片的球管負載，得到的比率再乘以定位片的空氣比釋動能，得到初步計算的斷層融合的空氣比釋動能；採用第一校正因子對該參數進行調整，所述第一校正因子為空氣比釋動能的實際疊加值與預測值的比值，得到最後預測斷層融合的空氣比釋動能；
(4)將球管總負載除以定位片的球管負載，得到的比率再乘以定位片的劑量面積乘積，得到初步計算的斷層融合的劑量面積乘積；採用第二校正因子對該參數進行調整，所述第二校正因子為劑量面積乘積的實際疊加值與預測值的比值，得到最後預測斷層融合的劑量面積乘積；
(5)由首張定位片和最後預測斷層融合的劑量面積乘積疊加後乘以有效劑量轉換因子0.26mSv·Gy-1cm-2，得到X線斷層融合的有效劑量ED。
本發明通過首張定位片的劑量參數，能夠比現有技術更為簡單地計算出患者在X線斷層融合攝影中的空氣比釋動能和劑量面積乘積，不需要對所有不同層面的曝光參數進行單獨疊加，因此，該方法具有簡便性和有效性。進而，可通過劑量面積乘積乘以轉換因子後得到X線斷層融合的有效劑量ED，而劑量面積乘積則由第一張定位片和最後預測斷層融合的劑量面積乘積疊加後得到。
附圖說明
圖1是基於斷層融合首張定位片的空氣比釋動能計算的示意圖。
圖2是基於斷層融合首張定位片的劑量面積乘積計算的示意圖。
圖3是胸部斷層融合拍攝過程及參數設置的示意圖。
圖4是胸部斷層融合的空氣比釋動能計算的示意圖。
圖5是胸部斷層融合的劑量面積乘積計算的示意圖。
具體實施方式
下面將結合本發明實施例中的附圖，對本發明實施例中的技術方案進行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實施例僅僅是本發明一部分實施例，而不是全部的實施例。基於本發明中的實施例，本領域普通技術人員在沒有做出創造性勞動前提下所獲得的所有其他實施例，都屬於本發明保護的範圍。
數位化斷層融合及其後處理技術是常規X射線檢查的一種重要補充和延伸方法，對深在部位和解剖結構複雜部位的病灶診斷有著獨特的優勢。近十幾年來，隨著計算機處理能力的提高和數字平板探測器的研製成功，數位化斷層融合技術和數位化重建在此基礎上應運而生，即X線球管一次性、連續、多角度曝光。所拍攝的圖像包括一張定位片以及多張斷層融合圖像，拍攝數目與計算機默認設置的層厚有關。在第一張定位片確定所拍攝的位置後，調整球管至預設的角度，平板探測器和球管做平行於患者的同步反向運動並採集信息，連續曝光的圖像傳送到後處理設備，通過計算機計算掃描容積內任意層面的圖像數據，採用像素偏移-疊加(Shift-add)算法，獲得平行於探測器平面的斷層圖像。
在X線斷層融合的拍攝中，所拍攝的部位放置於平板探測器與球管之間，拍攝過程中需要緊貼平板探測器，降低該部位與探測器之間的距離，以免起到放大效果。在進行站立位拍攝時，如胸部、腹部立位、肩關節、鎖骨等，球管與探測器的距離一般設置為180cm；在進行臥位拍攝時，如頭顱、脊柱、腹部臥位、四肢等，球管與探測器的距離一般設置為115cm。球管發出的X射線經過人體組織衰減後，最後到達平板探測器，轉換為電荷量形成圖像。
(1)基於斷層融合首張定位片的空氣比釋動能計算
對於GE公司DR(XR656,GE Healthcare,UK)的VolumeRAD系統來說，斷層融合的曝光參數可由首張定位片的參數所決定。在自動曝光模式(Automatic exposure control,AEC)下，斷層融合的球管負載(mAs)默認為定位片的10倍，然後平均分配到所有斷層圖像中。根據Renard序列的四捨五入原則，每張圖像的球管負載限制為最小的0.25mAs。每張圖像的最小球管負載乘以斷層圖像總數後，得到斷層融合的總負載。將總負載除以定位片的球管負載，得到的比率再乘以定位片的空氣比釋動能，則為斷層融合的空氣比釋動能。鑑於得到的空氣比釋動能與實際疊加值之間存在差距，需要校正因子對該參數進行調整。校正因子為實際疊加值與預測值的比值，具體計算流程如圖1所示。
在胸部斷層融合實驗過程中，平板探測器保持不動，X線球管在垂直方向上對胸部進行持續掃描，掃描角度為-15°到+15°，共拍攝60張低劑量圖像，時間約為10s，患者在這期間需要保持屏氣狀態。探測器與球管距離(Source image distance,SID)為180cm(如圖3所示)，電壓設定為120kV，使用自動曝光模式(Automatic exposure control,AEC)。
獲取首張定位片的曝光參數，球管負載和空氣比釋動能分別為1.16mAs和0.701mGy。定位片的球管負載乘以劑量率(系統默認為10)得到系統總負載11.6mAs。將總負載除以斷層圖像總數(胸部斷層融合的系統默認為60張)，平均分配到每張圖像的球管負載0.193mAs。根據Renard序列(0.25，0.32，0.40等)的四捨五入原則，每張圖像的球管負載最小限制為0.25mAs，再乘以斷層圖像總數60，為該斷層融合的球管總負載15mAs。將首張定位片的空氣比釋動能乘以球管總負載與定位片球管負載的比率，初步計算得到斷層融合的空氣比釋動能。但由於初步計算的空氣比釋動能與實際疊加值之間存在差異，所以需要校正因子0.972對該值進行調整，得到最後胸部斷層融合的空氣比釋動能，具體計算流程如圖4所示。
上述校正因子為實際疊加值與預測值之間的比值。本發明隨機挑選30名參與胸部斷層融合的患者，用於計算空氣比釋動能的校正因子。通過如圖4的方法，計算每名患者初步計算的空氣比釋動能與實際疊加值的比值(如公式1所示)，然後將30名患者的比值進行平均，得到空氣比釋動能的校正因子。
(2)基於斷層融合首張定位片的劑量面積乘積計算
對於GE公司DR(XR656,GE Healthcare,UK)的VolumeRAD系統來說，斷層融合的曝光參數可由首張定位片的參數所決定。在自動曝光模式(Automatic exposure control,AEC)下，斷層融合的球管負載(mAs)默認為定位片的10倍，然後平均分配到所有斷層圖像中。根據Renard序列的四捨五入原則，每張圖像的球管負載限制為最小的0.25mAs。每張圖像的最小球管負載乘以斷層圖像總數後，得到斷層融合的總負載。將總負載除以定位片的球管負載，得到的比率再乘以定位片的劑量面積乘積，則為斷層融合的劑量面積乘積。鑑於得到的劑量面積乘積與實際疊加值之間存在差距，需要校正因子對該參數進行調整。校正因子為實際疊加值與預測值的比值，具體計算流程如圖2所示。
在胸部斷層融合實驗過程中，平板探測器保持不動，X線球管在垂直方向上對胸部進行持續掃描，掃描角度為-15°到+15°，共拍攝60張低劑量圖像，時間約為10s，患者在這期間需要保持屏氣狀態。探測器與球管距離(Source image distance,SID)為180cm(如圖3所示)，電壓設定為120kV，使用自動曝光模式(Automatic exposure control,AEC)。
獲取首張定位片的曝光參數，球管負載和劑量面積乘積分別為1.16mAs和0.06dGycm2。定位片的球管負載乘以劑量率(系統默認為10)得到系統總負載11.6mAs。將總負載除以斷層圖像總數(胸部斷層融合的系統默認為60張)，平均分配到每張圖像的球管負載0.193mAs。根據Renard序列(0.25,0.32，0.40等)的四捨五入原則，每張圖像的球管負載最小限制為0.25mAs，再乘以斷層圖像總數60，為該斷層融合的球管總負載15mAs。將首張定位片的劑量面積乘積乘以球管總負載與定位片球管負載的比率，初步計算得到斷層融合的劑量面積乘積。但由於初步計算的劑量面積乘積與實際疊加值之間存在差異，所以需要校正因子0.924對該值進行調整，得到最後胸部斷層融合的劑量面積乘積，具體計算流程如圖5所示。
上述校正因子為實際疊加值與預測值之間的比值。本發明隨機挑選30名參與胸部斷層融合的患者，用於計算劑量面積乘積的校正因子。通過如圖5的方法，計算每名患者初步計算的劑量面積乘積與實際疊加值的比值(如公式2所示)，然後將30名患者的比值進行平均，得到劑量面積乘積的校正因子。
(3)X線斷層融合的有效劑量ED的計算
根據文獻報導，空氣比釋動能(Air kerma)和有效劑量(Effective dose,ED)兩個參數常用來評價患者在X線斷層融合檢查過程中所接受的輻射劑量。有效劑量ED為全身各個器官劑量與其權重因子乘積的總和，這種計算方法雖然準確，但是過程繁雜，而且需要對不同個體的各個器官進行仿真模擬。
本發明對於X線斷層融合有效劑量ED的計算直接引用文獻廣泛使用的有效劑量轉換因子0.26mSv·Gy-1cm-2。因此，X線斷層融合的有效劑量ED可通過劑量面積乘積乘以轉換因子後得到，而劑量面積乘積則由第一張定位片和最後預測斷層融合的劑量面積乘積疊加後得到。