摘要目的:探讨数字乳腺X线摄影中不同乳腺压迫厚度时管电流量与影像质量的关系。方法:全数字乳腺摄影机中采用钼-铑靶滤过组合，对27 cm厚度的CDMAM模体选择适宜的管电压，不同管电流量下，进行手动曝光，参数（压迫厚度、管电压、管电流量）设定分别为2 cm、27 kVp、1090 mAs，3 cm、29 kVp、20120 mAs，4 cm、29 kVp、20200 mAs，5 cm、30 kVp、40220 mAs，6 cm、31 kVp、40260 mAs和7 cm、32 kVp、80280 mAs，计算图像影像质量因子（IQF）、对比噪声比（CNR），记录平均腺体剂量（AGD）。通过计算品质因子（FOM），找出各种厚度下最优管电流量及对应的AGD。根据27 cm压迫厚度下优化参数表和机器在各种厚度下自动曝光特性，列出27 cm厚度下自动曝光参数调整表。同时对不同厚度下IQF、CNR和AGD进行Pearson相关分析，对CNR和管电流量进行曲线拟合。结果:在钼-铑靶滤过组合下，不同压迫厚度时，随着管电流量增加，AGD线性增加，FOM先增加后下降或平缓变化。AGD和CNR在27 cm厚度下均呈高度正相关，r值均>0.97，P均<0.01。AGD和IQF在26 cm时呈高度正相关，r值均>0.87，P均<0.01。参考IQF和FOM因子，不同压迫厚度下，管电压和管电流量适宜匹配参数分别为2 cm、27 kVp、2030 mAs，3 cm、29 kVp、3050 mAs，4 cm、29 kVp、80100 mAs，5 cm、30 kVp、80120 mAs，6 cm、31 kVp、100140 mAs，7 cm、32 kVp、80120 mAs。压迫厚度-自动曝光档的设置对应关系为2 cm-1档、3 cm-2档、4 cm-3档、5 cm-2档、6 cm-0档、7 cm–1档。结论:不同乳腺压迫厚度下，具有适宜的管电流量范围，临床实践中应选择相应的自动曝光条件。
我国乳腺癌发病率居女性癌症首位[1]，乳腺X线摄影可以显示乳腺内肿块和细小钙化，是乳腺疾病首选的筛查方法[2]，但同时由乳腺X线摄影带来的电离辐射风险也逐渐增大。2007年国际辐射防护委员会将人体乳腺组织辐射危害的组织权重系数从0.05（60号报告）提高到0.12（103号报告）。在乳腺X线摄影中，由于加压后乳房的厚度差异大，管电压、管电流量（即管电流和曝光时间的乘积）和靶-滤过材料等将对数字乳腺X线摄影的影像质量与辐射剂量产生一定程度的影响。笔者旨在探讨数字乳腺X线摄影中，在已优化的适宜滤过材料和适宜管电压下，不同乳腺压迫厚度下管电流量对影像质量和辐射剂量的影响。
资料与方法
一、实验材料
美国Hologic Selenia全野数字乳腺X线摄影机，荷兰Artinis CDMAM 3.4对比度细节模体（简称CDMAM模体）及配套的聚甲基丙烯酸甲酯（polymethyl methacrylate，PMMA）板，美国放射学院（American College of Radiology，ACR）乳腺X线摄影认证（RMI 156）模体。
二、实验方法
1．摄影参数和数据采集：
钼（molybdenum，Mo）靶，源像距65 cm，焦点尺寸0.30 mm，照射野18 cm×24 cm，附加滤过铑（rhodium，Rh）厚度均为0.03 mm，将CDMAM模体放置于探测器的中间，模体胸壁侧与探测器胸壁侧对齐，RMI 156模体附带信号块放置于CDMAM模体表面，信号块中心位置在模体胸壁侧1 cm，右边界5 cm并避免覆盖CDMAM模体的数据区域。CDMAM模体腺体构成相当于50%腺体和50%脂肪含量。
采用CDMAM模体（含PMMA板）厚度由27 cm变化，将CDMAM模体放置于模体中间位置，在前期实验优化靶滤过和优化管电压下[3]，选择不同的管电流量进行曝光（表1），2、3 cm厚度下，管电流量间隔设置为10 mAs，其他厚度下间隔设置为20 mAs，从而确定优化管电流量范围。在优化靶滤过和优化管电压和优化管电流量下，根据成像设备自动曝光数据，进行优化条件下调整自动曝光档。
表1不同乳腺压迫厚度下的管电压、滤过材料和管电流量选择
2．数据分析方法：
采用Image J影像处理分析软件对实验拷贝的图像进行测量分析，分别选择图像上RMI 156模体的信号块80 mm2圆形区域和信号区域旁背景80 mm2圆形区域作为测量点，记录信号区和背景区的像素平均值和像素值标准差，由此计算图像对比噪声比（contrast noise ratio，CNR）。采用CDMAM模体影像质量因子（image quality figure，IQF）作为影像质量评价指标，IQF值是图像空间分辨率和密度分辨率共同作用的结果，其值越大，代表能探测到微小细节的能力越好，影像质量越高。记录平均腺体剂量（average glandular dose，AGD）。为了优化影像质量和辐射剂量的关系，采用品质因子（figure of merit，FOM）作为评价的一个利益代价函数[4]。通过FOM找出各种厚度下最优管电流量及对应的AGD，根据27 cm压迫厚度下优化参数表和机器在各种厚度下自动曝光特性，列出27 cm厚度下自动曝光参数调整表。
三、统计学方法
应用IBM SPSS 19.0软件进行统计分析。Kolmogorov-Smirnov检验计量资料是否符合正态分布，符合正态分布的影像质量指标CNR、IQF与AGD之间的关系进行Pearson相关性评价，对CNR和管电流量进行曲线拟合回归分析。P<0.05为差异有统计学意义。
结果
一、管电流量与CNR、IQF和AGD表现
在Rh滤过时，固定管电压，随管电流量增加AGD增加，CNR和IQF均呈增加趋势，并逐渐增加至饱和状态。CNR与管电流量成幂次函数模型关系，确定系数R2>0.99，幂指数各厚度下平均值为0.532，接近0.5，且压迫厚度越大，对应的函数系数越小（图1）。AGD和CNR在27 cm厚度下均呈高度正相关，r值分别为0.973、0.980、0.977、0.986、0.989和0.992，P均<0.01。AGD和IQF在26 cm时呈高度正相关，r值分别为0.913、0.988、0.883、0.923和0.879，P均<0.01；而在7 cm时，AGD和IQF不具有相关性（r=0.693，P>0.05）。
图1数字乳腺X线摄影在不同压迫厚度（27 cm）下对比噪声比（CNR）和管电流量的关系曲线。随着管电流量增加，CNR在各厚度下均增加，CNR与管电流量呈幂次函数模型关系，确定系数R2>0.99，幂指数各厚度下平均值为0.532，压迫厚度越大，对应的函数系数越小
图2数字乳腺X线摄影在不同压迫厚度（27 cm）下影像质量因子（IQF）和管电流量的关系曲线。随着管电流量增加，IQF在各厚度下均增加，很快达到饱和，在厚度大于5 cm时，IQF值处于较低水平
图3数字乳腺X线摄影在不同压迫厚度（27 cm）下平均腺体剂量（AGD）和管电流量的关系曲线。随着管电流量增加，AGD与管电流量成正比，不同压迫厚度的直线斜率相差不大
图4数字乳腺X线摄影在不同压迫厚度（27 cm）下CNR2与管电流量的关系曲线。随着管电流量增加，CNR2在各厚度下呈近似线性关系，模体厚度越小，CNR2值越大，斜率越大
图5数字乳腺X线摄影在不同压迫厚度（27 cm）下品质因子（FOM）与管电流量的关系曲线。在25 cm厚度时，FOM值与管电流量关系曲线有明显的最大值，在6、7 cm时，曲线无明显最大值，接近常数，对应IQF值随着管电流量增加不明显，很快达到饱和不再上升。图中圆圈所示为FOM最大值和管电流量的适宜匹配组合
随着管电流量增加，IQF比CNR提前达到饱和，随着管电流量增加，IQF在各厚度下均增加，很快达到饱和，在厚度>5 cm时，IQF值处于较低水平，CNR和AGD的相关性比IQF更大（图2）。从IQF和CNR变化规律可知，当管电流量超过一定值时，影像质量无明显上升趋势，且厚度越大（>5 cm时），图像质量保持在较低的水平，而辐射剂量则线性增长。
二、FOM表现
在Rh滤过时，27 cm压迫厚度下，固定相应的管电压，随着管电流量增加，AGD与管电流量呈正比，27 cm压迫厚度下各直线斜率分别为0.029、0.131、0.025、0.023、0.023和0.022，直线斜率相差不大（图3）。CNR2与管电流量为近似一次函数关系，且压迫厚度越小，CNR2值越大，斜率越大（图4）。在25 cm厚度时，FOM值与管电流量关系曲线有明显的最大值，在6、7 cm时，曲线无明显最大值，接近常数，对应IQF值随着管电流量增加不明显，很快达到饱和不再上升（图5）。
参考IQF和FOM因子，铑滤过下，27 cm压迫厚度下辐射剂量和影像质量的适宜匹配关系见表2。
表2
铑滤过下行数字乳腺X线摄影不同压迫厚度下辐射剂量和影像质量的适宜匹配关系
三、摄影参数优化
不同模体厚度时，Rh滤过和管电压匹配下自动曝光档（-14）对应的管电流量如表3所示。对照表2，表3的数据可以得出，使用Rh滤过时，压迫厚度-自动曝光档的设置对应关系为2 cm-1档、3 cm-2档、4 cm-3档、5 cm-2档、6 cm-0档、7 cm–1档。
表3不同压迫厚度下适宜滤过和管电压匹配条件时自动曝光模式的管电流量（mAs）
讨论
一、管电流量对影像质量评价指标的影响
管电流量是描述辐射剂量大小的一种简单的曝光参数。管电流量不直接影响X线光子的质量，却影响其数量，其大小和辐射剂量成正比。管电流量基本不影响射线对比度，但对影像的噪声水平影响较大。低管电流量会导致噪声过高，掩盖影像的细节造成影像质量下降，高管电流量可以降低影像噪声水平，提高图像质量，却导致高的辐射剂量。笔者发现，管电流量与影像质量呈正比，但随着管电流量的增加，影像质量则很快达到饱和，而辐射剂量却线性增加。因此，需要在各压迫厚度下寻找在相当的影像质量下一个合理的辐射剂量区间来优化曝光参数。
在模体实验中，假设透过物体的X线光子数为nA，被照体厚度为d，入射光子数为n0，n0∝管电流量，nA=n0·e−μd，μ为衰减系数[5]，ACR模体信号块厚度为d0，其对应区域透过的X线光子数nd0=n0·e−μ（d+d0），与背景区域的光子数nA的差为（nA-nd0）=n0·e−μd（1-e-μd0）。本研究中，乳腺机器探测器为直接转换非晶硒探测器，其像素值与光子数成正比，则背景区域平均像素值M背景与信号区平均像素值M信号之差为（M背景-M信号）∝（nA-nd0）∝n0·e−μd（1-e-μd0）。对固定模体，μ和d0为常数，1-e-μd0为常数。同一厚度下，随着管电流量增加，n0成正比增加，像素平均值差也与管电流量成正比，（M背景-M信号）∝管电流量。标准差σ与管电流量成幂指数约为0.5，幂次函数关系（σ∝mAs0.5）[6]，由像素差和标准差计算的CNR=（M背景-M信号）/σ∝mAs0.5，与本研究拟合曲线结果基本一致。同时，CNR随管电流量增加而增加，且增加速度越来越慢，逐渐达到饱和。对于不同乳腺压迫厚度时，像素差与厚度呈负指数关系，即厚度越大，像素差越小，同样计算出的CNR就更小，对应的系数值越小。所以在厚度27 cm下，影像质量指标CNR与管电流量成幂指数0.5左右的幂次函数关系，且厚度越大，CNR越小。在数字影像评价中，常用CNR作为数字影像评价的客观指标[6]。
对图像质量的主观评价，国内外学者多采用RMI 156模体的钙化、肿块、纤维评分，不少学者认为RMI 156模体不适用数字乳腺摄影系统对图像质量的评价[7]，欧盟也推荐使用类似CDMAM对比度细节模体进行影像质量评价[8]。CDMAM模体IQF用客观的评分去评价物体显示的对比度细节，通过CDMAM软件计算，去除了阅读者之间的主观差异，更为准确地反映影像质量[9]。笔者通过CDMAM影像质量评分去指导数字乳腺摄影的临床条件。IQF随管电流量增加逐渐增加，并逐渐增加到饱和。IQF和CNR随着管电流量增加而呈增加趋势，且存在相关关系，但变化规律并不完全重合。在厚度（25 cm）IQF变化规律和CNR一致。由于影像空间分辨率对IQF计算结果影响较大，随着管电流量增加，噪声水平下降，对模体细节的识别能力很快达到极限而保持饱和状态。当模体厚度增加时，散射线的含有量增加，同时模体成像产生的几何模糊也增大，各因素严重影响模体细节的显示，所以影像的空间分辨率保持在较低的水平，IQF值则提前达到饱和状态并处于较低水平（6、7 cm）。
二、管电流量与FOM变化规律
在数字乳腺摄影中，经常应用FOM因子作为影像质量和辐射剂量优化的计算指标。本研究中，在同一厚度下，固定管电压，由CNR与管电流量变化规律得出CNR2与管电流量近似呈一次函数关系（CNR2∝管电流量）。与此同时，AGD与管电流量成正比。由CNR2和AGD计算的FOM因子理想情况下为常数。但由于在不同厚度下，较小管电流量时，CNR与管电流量的关系的幂指数稍有差异，计算的FOM值也呈现出一定的先上升后下降（25 cm）或先上升后达到平衡的变化规律（6、7 cm），并在某个管电流量附近有相对极大值。由从本研究中FOM曲线结合IQF曲线变化规律可以得出各乳腺压迫厚度下的管电流量优化范围，从而给临床提供剂量优化指导。
三、乳腺压迫厚度与曝光补偿档的关系
研究结果显示，厚度越厚，曝光档越大（25 cm厚度）。随着厚度增加，散射线含量增加，需要增加更多的X线来维持所需对比度，因此需把密度档往大的方向调整。在乳腺摄影中散射线含量随着厚度增加显著增大，当厚度为6 cm时，散射线与原发射线比达到0.7左右，通过滤线栅后散射线仍占不少比例[10]，严重影响图像对比度，CNR值也处于较低水平。同时，厚度增加会引起图像的几何模糊，空间分辨率也有一定下降，影像质量也处于相对低水平。当管电流量增加到一定程度时，影像质量基本饱和而无明显改善。根据IQF因子变化的规律，当厚度>5 cm时，过多增加管电流量对影像质量无显著影响，且影像质量保持在较低水平，IQF与CNR、AGD在7 cm厚度时不具有相关性。因此，在6 cm时密度档调整至0、7 cm厚度调至-1即可，在不明显降低IQF的前提下，可以大大降低患者的辐射剂量，达到剂量优化的目的。
在临床乳腺摄影中，压迫厚度对影像质量影响较大，厚度越大，散射线越多，对比度差，同时空间分辨率降低，导致影像质量不高。对乳腺进行压迫是乳腺X线摄影中非常重要的操作，压迫可以使乳腺厚度降低，乳腺所受的AGD降低，同时降低几何模糊，提高空间分辨率，减少散射线，提高对比度等，是提高乳腺X线摄影图像质量、降低辐射剂量重要的操作方法。因此，在临床摄影过程中，应在患者能承受的范围内对对乳腺进行充分压迫，以达到提高影像质量和降低辐射剂量的效果。根据本研究所得数据，可制定出适用于本机型的乳腺压迫厚度与曝光档的对照表，应用于临床实践。
四、本研究的局限性
所用模体为50%腺体含量，符合中国女性的平均腺体含量水平，参数调整适合众多中国女性平均腺体类型，但对于其他不同腺体类型的受试者则需要进一步验证。
综上所述，根据影像质量和辐射剂量的变化规律，应在不同乳腺压迫厚度下选择适宜的靶滤过和射线能量，同时使用合适的管电流量。在临床工作中可以按照本研究制定出的乳腺自动曝光参数表进行影像质量和辐射剂量优化选择。
