體型特異性劑量估計(jì)之美國醫(yī)學(xué)物理師學(xué)會(huì)第293號(hào)報(bào)告解讀

陳迢， 彭偉， 陳浩， 鄭麗麗， 賀瑤瑤， 張照喜， 袁子龍， 李翠玲

目前CT掃描儀通過輸出容積CT劑量指數(shù)(volume computed tomography dose index,CTDIvol)及相應(yīng)劑量長(zhǎng)度乘積(dose length product,DLP)來標(biāo)準(zhǔn)化計(jì)算機(jī)器輸出劑量水平。然而患者接受輻射劑量既與機(jī)器輸出劑量有關(guān)也與患者體型有關(guān)；特別是對(duì)體型較小兒童，如果不考慮其體型特點(diǎn)可能導(dǎo)致低估2～3倍患者所接受輻射劑量[1]。因此為了更便捷準(zhǔn)確估算CT受檢者輻射劑量，美國醫(yī)學(xué)物理師學(xué)會(huì)(American Association of Physicists in Medicine，AAPM)于2011年發(fā)布了第204報(bào)告，提出了基于患者幾何尺寸特點(diǎn)體型特異性劑量估計(jì)(size-specific dose estimate，SSDE)概念，其通過測(cè)量目標(biāo)區(qū)域CT圖像前后徑(AP)與左右徑(Later)計(jì)算有效直徑(effective diameter,ED)，進(jìn)而得到轉(zhuǎn)換因子(f)后聯(lián)合CT容積劑量指數(shù)(CTDIvol)來進(jìn)行劑量估算SSDE，但是患者幾何尺寸并不包含X線衰減特點(diǎn)[1]，特別是針對(duì)胸部CT掃描無法進(jìn)行準(zhǔn)確劑量評(píng)價(jià)。因此AAPM于2014年提出更為精確基于組織等效水等效直徑(water equivalent diameter,DW)體型特異性劑量估計(jì)概念，其充分考慮患者各部位X線吸收特點(diǎn)并標(biāo)準(zhǔn)化為水線性衰減便于臨床實(shí)施[2,3]。但是第204和220報(bào)告中并沒有針對(duì)頭部轉(zhuǎn)換因子進(jìn)行實(shí)驗(yàn)計(jì)算，而腦組織是被包含在相對(duì)致密顱骨內(nèi)，即使是相同DW值，頭部與體部吸收劑量空間分布也不盡相同。特別是對(duì)于兒童患者，由于其體型偏小，顱骨在密度顱腦中所占比重較大且顱骨結(jié)構(gòu)在青少年時(shí)期和成人中差別較大[4]，而204報(bào)告中f值最初計(jì)劃應(yīng)用于腹部輻射劑量估算，腹部是一個(gè)包含較少骨質(zhì)相對(duì)均質(zhì)區(qū)域，因此使用204和220報(bào)告中所推薦f來估算頭部輻射劑量是不準(zhǔn)確的[5]。因此急需專門對(duì)頭部轉(zhuǎn)換因子進(jìn)行準(zhǔn)確測(cè)定以便更加準(zhǔn)確估算頭部CT檢查輻射劑量，特別是對(duì)兒童頭部CT檢查輻射劑量準(zhǔn)確估算意義重大[6]。因此AAPM對(duì)該部分進(jìn)行了相應(yīng)修正，并于2019年7月發(fā)布了其第293號(hào)報(bào)告[7]。本文將對(duì)第293報(bào)告中頭部SSDE計(jì)算方法及轉(zhuǎn)換因子變化進(jìn)行闡述。

AAPM第293號(hào)報(bào)告中頭部SSDE轉(zhuǎn)換因子(fH16)建立與修訂

目前已由AAPM第204號(hào)報(bào)告證實(shí)由CT設(shè)備輻射劑量輸出指數(shù)CTDIvol結(jié)合患者體型轉(zhuǎn)換系數(shù)f來估算患者輻射劑量SSDE值，然而該報(bào)告主要通過16 cm和32 cm PMMA體模進(jìn)行模擬估算腹盆腔和胸部轉(zhuǎn)換因子，因此其轉(zhuǎn)換系數(shù)主要是針對(duì)腹盆腔。雖然該轉(zhuǎn)換因子可用于胸部SSDE的估算，但會(huì)存在20%以內(nèi)偏差且該報(bào)告中并沒有提供針對(duì)頭部轉(zhuǎn)換因子；同時(shí)204報(bào)告中SSDE估算采用整個(gè)掃描中間層面圖像進(jìn)行，因該層包含了來自中間層面相鄰上、下層面散射線影響[8,9]，導(dǎo)致中間層面最接近整個(gè)掃描最大吸收劑量，從而會(huì)使整個(gè)掃描平均吸收劑量偏低。基于這些原因，AAPM第293報(bào)告工作組為了準(zhǔn)確評(píng)估頭部CT檢查輻射劑量專門對(duì)頭部轉(zhuǎn)換因子估算進(jìn)行了大量而細(xì)致工作。該工作組分別在圣猶大研究醫(yī)院(SJCRH)、加利福尼亞大學(xué)戴維斯分校(UCD)、加利福尼亞大學(xué)洛杉磯分校(UCLA)及梅奧醫(yī)學(xué)中心(Mayo)利用物理體模及蒙特卡洛模擬來建立基于頭部16 cm CTDI體模SSDE轉(zhuǎn)換因子fH16與DW函數(shù)。具體的研究結(jié)果如下。

圖1 Mayo在西門子FORCE CT測(cè)量新生兒、1歲、5歲和成人組織等效體模轉(zhuǎn)換因子(fH16)。誤差線示由于不同管電壓(70～150kV)產(chǎn)生變化，水平誤差線反映不同管電壓對(duì)DW造成變化。 圖2 UCLA使用GSF、ICRP和5個(gè)體素化兒童患者體模進(jìn)行蒙特卡洛模擬，并在西門子Sensation64排CT上進(jìn)行模擬。SSDE估算采用臨床頭部掃描中心0.5cm厚腦實(shí)質(zhì)體素化模型行累積劑量估計(jì)。所示數(shù)據(jù)為本研究中所使用15個(gè)體模每一個(gè)個(gè)體蒙特卡洛測(cè)量值。 圖3 UCD使用蒙特卡洛模擬驗(yàn)證在SJCRH通過GE VCT和GE Revolution機(jī)器掃描(80、100、120和140kV)物理測(cè)量新生兒、1歲、5歲和成人頭部體模獲得綜合劑量值。其中GE VCT和GE revolution分別使用2.0cm和0.5cm準(zhǔn)直束。 圖4 UCD使用蒙特卡洛模擬估算GE VCT和GE Revolution CT掃描新生兒、1歲、5歲和成人頭部體模轉(zhuǎn)換因子(fH16)。大腦劑量估算以沉積在0.5cm厚組織等效固體水部分中心板劑量。其中誤差線表示管電壓范圍為80～140kV的fH16平均值一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)偏差。 圖5 顯示fH16與DW最佳擬合曲線，其中黑線表示單一管電壓(80、100、120和140kV)下擬合曲線而紅線表示綜合最佳擬合曲線。 圖6 在同一DW值的情況下，分別依據(jù)AAPM 204報(bào)告得到體部轉(zhuǎn)換因子fB16和AAPM 293報(bào)告得到頭部轉(zhuǎn)換因子fH16。對(duì)于同一CTDIvol,16值,由于頭部轉(zhuǎn)換因子與體部轉(zhuǎn)換因子差異，造成頭部比體部SSDE值低約8.7%。

1.梅奧醫(yī)學(xué)中心：組織等效頭部體模物理測(cè)量

Mayo使用4個(gè)不同尺寸組織等效體模(體模編號(hào)：007TE-21、007TE-22、007TE-23、007TE-27,CIRS Inc.,Norfolk,VA)分別在西門子雙源CT(Somatom Force,Siemens Healthcare,Germany)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，體模參數(shù)如表1，每個(gè)組織等效體模均與CTDI體模結(jié)構(gòu)類似，在體模中心及外周3，6，9，12點(diǎn)鐘方向均有圓形孔洞，可插入標(biāo)準(zhǔn)CTDI電離室，并測(cè)量不同條件下吸收劑量。使用標(biāo)準(zhǔn)準(zhǔn)直束(192×0.6 mm)及常規(guī)頭部掃描協(xié)議(旋轉(zhuǎn)時(shí)間為1 s)，管電壓范圍70～150 kV，以10 kV步級(jí)遞增并采用自動(dòng)管電流控制技術(shù)(auto exposurecontrol，AEC)，其中參考管電流220 mAs；隨后關(guān)閉AEC，調(diào)整有效mAs以獲得使用AEC系統(tǒng)所得到CTDIvol值。結(jié)果測(cè)得不同管電壓下水等效直徑DW變異度在1%～1.5%，說明DW受管電壓影響很小(圖1)。 通過CIRS體模測(cè)得吸收劑量除以CTDIvol,16，以計(jì)算每個(gè)體模CTDIvol,16與SSDE轉(zhuǎn)換因子fH16，結(jié)果顯示新生兒、1歲、5歲和成人轉(zhuǎn)換因子fH16值(變異系數(shù))分別為1.19(2.2%)、1.00(5.6%)、0.95(6.3%)和0.87(8.8%)(圖1)。而成人頭部體模存在最大變異度原因是在所評(píng)估管電壓范圍內(nèi)(70～150kV)其光束硬化程度顯著增加造成的。

表1 組織等效頭部體模各項(xiàng)參數(shù)

其中DW是70、90、110、120、130和150kV值下得到平均值及其變異系數(shù)(CV)。

2.加利福尼亞大學(xué)洛杉磯分校：體素化頭部模型蒙特卡洛估計(jì)

UCLA采用不同尺寸體素化頭部體模蒙特卡洛模擬行體素水平劑量模擬[10]。所用體素化體模為GSF體模[11]、ICRP體模[12]及5個(gè)不同年齡兒童體素化體模[13]，掃描協(xié)議為AAPM推薦西門子常規(guī)頭部CT掃描參數(shù)(AAPM. Adult Routine Head CT Protocols Version 2.0. 2016.)，所有測(cè)得腦組織吸收劑量除以相應(yīng)CTDIvol以計(jì)算CTDIvol,16與SSDE的轉(zhuǎn)換因子fH16。所得結(jié)果與梅奧醫(yī)學(xué)中心測(cè)量結(jié)果接近，fH16從1.18到0.76不等，DW從10.6cm到20.2cm不等(圖2)。

3.加利福尼亞大學(xué)戴維斯分校：虛擬頭部CT體模蒙特卡洛估計(jì)

對(duì)SCJRH組織等效頭部模型物理測(cè)量蒙特卡洛驗(yàn)證：SCJRH使用16cmCTDI頭部體模及4個(gè)不同尺寸的組織等效體模(體模編號(hào)：007TE-21、007TE-22、007TE-23、007TE-27,CIRS Inc.,Norfolk,VA)分別在兩臺(tái)CT[Volume CT (VCT) and Revolution CT (RCT) scanners,GE Healthcare,Waukesha WI]上進(jìn)行掃描。UCD通過組織等效頭部體模的虛擬版本(表1)進(jìn)行蒙特卡洛模擬估計(jì)常規(guī)頭部容積掃描中心吸收劑量，測(cè)算方法與SCJRH類似，結(jié)果顯示蒙特卡洛模擬劑量與實(shí)際測(cè)量劑量具有很好相關(guān)性(R2>0.99)(圖3)，其中GE VCT和GE Revolution掃描吸收劑量平均(范圍)絕對(duì)差異分別是1.45%(0.05～4.33)和0.64%(0.01～2.86)。

蒙特卡洛模擬估算組織等效頭部體模轉(zhuǎn)換因子與DW關(guān)系:UCD通過蒙特卡洛估計(jì)出轉(zhuǎn)換因子fH16與DW關(guān)系(圖4)。結(jié)果顯示GE VCT掃描儀掃描新生兒、1歲、5歲和成人的fH16值(變異系數(shù))分別為1.14(3.4%)、0.99(6.1%)、0.91(7.6%)和0.80(10.4%)，GE Revolution掃描儀掃描新生兒、1歲、5歲和成人的fH16值(變異系數(shù))分別為1.08(3.3%)、0.97(5.8%)、0.90(7.2%)和0.80(9.9%)。由此得出不同年齡頭部轉(zhuǎn)換因子fH16與DW關(guān)系，最終可通過這一關(guān)系估算頭部檢查患者SSDE。

頭部SSDE綜合評(píng)估

研究小組計(jì)算出在不同管電壓下(80、100、120及140kV)轉(zhuǎn)換因子(fH16)與DW的關(guān)系，并將不同管電壓綜合擬合出最佳曲線(圖5)。

雖然單個(gè)不同管電壓(80、100、120及140kV)下DW與轉(zhuǎn)換因子fH16具有較高相關(guān)系數(shù)(R2分別為0.9396、0.9432、0.9198及0.9551)，但如果將管電壓也納入SSDE計(jì)算考慮范圍內(nèi)，則增加了頭部SSDE計(jì)算復(fù)雜性，不利于臨床應(yīng)用；另外即使在給定管電壓情況下，對(duì)于不同CT系統(tǒng)轉(zhuǎn)換系數(shù)fH16也會(huì)有較大差異。因此為了簡(jiǎn)化運(yùn)算，便于臨床使用，293報(bào)告仍推薦采用相關(guān)系數(shù)綜合擬合轉(zhuǎn)換系數(shù)fH16(R2=0.83)。頭部轉(zhuǎn)換系數(shù)fH16計(jì)算如下：

fH16=αe-βDW

(1)

其中：α=1.9852(組織吸收劑量(mGy)/CTDIvol,16(mGy))，β=0.0486 (cm-1)，DW為水等效直徑(cm)。

此外由于兒科顱骨中造血組織重要性，第293報(bào)告還將骨髓吸收劑量與腦組織吸收劑量分開評(píng)估。因此本次報(bào)告中也討論了骨吸收劑量與腦吸收劑量關(guān)系。UCD利用不同年齡(0、1、5和21歲)體模對(duì)顱骨海綿區(qū)紅骨髓和黃骨髓進(jìn)行詳細(xì)吸收劑量評(píng)估。結(jié)果顯示當(dāng)包含腦實(shí)質(zhì)、表皮及紅骨髓時(shí)質(zhì)量加權(quán)吸收劑量與僅含腦實(shí)質(zhì)質(zhì)量加權(quán)平均吸收劑量差異在0.7%以內(nèi)。盡管這些差異是可以忽略的，但是這一差異最終也包含在等式1中。此外由于腦組織被包裹在一層相對(duì)致密的顱骨中，因而即使是同一DW，但大腦吸收劑量沉積空間分布也與體部吸收劑量沉積空間分布大不相同。比較AAPM第204報(bào)告中體部16 cm體模轉(zhuǎn)換系數(shù)fB16與AAPM 293報(bào)告頭部16 cm體模轉(zhuǎn)換系數(shù)fH16二者曲線形態(tài)非常相似，且頭部CT轉(zhuǎn)換系數(shù)始終偏低?？赡苁且?yàn)轭^部掃描采用了更有效波束成形濾柵(如蝶形濾柵)，造成同一CTDIvol,16大腦平均吸收劑量要比體部低約9%(圖6)。

術(shù)語的變化

現(xiàn)階段不管是成人還是兒童頭部CTDIvol測(cè)量均未使用32cm的CTDI體模，同時(shí)國際標(biāo)準(zhǔn)(IEC 60601-2-44 Edition 3.2,2016)要求使用16cm PMMA CTDI體模。AAPM第204報(bào)告中介紹了體型特異性劑量估計(jì)(SSDE)概念，但第204報(bào)告中并沒有預(yù)期會(huì)有頭部SSDE轉(zhuǎn)換因子fH16存在。這使得第204報(bào)告(第18頁)中f32X引入“X”概念過時(shí)。該“X”是指AAPM第204報(bào)告中用于反映患者幾何尺寸指標(biāo)即軀干左右徑和前后徑線性尺寸之和、單獨(dú)左右徑、單獨(dú)前后徑以及有效直徑。第293報(bào)告中建議用下列術(shù)語取代第204報(bào)告中建議術(shù)語：

對(duì)于體部CT掃描(AAPM第204報(bào)告)，當(dāng)32cm PMMA CTDI體模用于體部CTDIvol測(cè)量時(shí)，應(yīng)在轉(zhuǎn)換系數(shù)f上標(biāo)中使用“B32”，并在CTDIvol下標(biāo)中添加“32”：

SSDE=fB32×CTDIvol，32

(2)

對(duì)于體部CT掃描(AAPM第204報(bào)告)，當(dāng)16cmPMMA CTDI體模用于體部CTDIvol測(cè)量時(shí)(通常是兒科體部測(cè)量)，應(yīng)在轉(zhuǎn)換因子f上標(biāo)中使用“B16”，并在CTDIvol下標(biāo)中添加“16”：

SSDE=fB16×CTDIvol，16

(3)

對(duì)于頭部CT掃描(AAPM第293報(bào)告)，當(dāng)16cmPMMA CTDI體模用于頭部CTDIvol時(shí)，應(yīng)在轉(zhuǎn)換因子f上標(biāo)中使用“H16”，并在CTDIvol下標(biāo)中添加“16”：

SSDE=fH16×CTDIvol，16

(4)

總 結(jié)

AAPM第293號(hào)報(bào)告提供了頭部CTDIvol到SSDE轉(zhuǎn)換因子fH16用于計(jì)算頭部CT檢查SSDE。該報(bào)告中轉(zhuǎn)換因子fH16是4個(gè)單位提供數(shù)據(jù)綜合擬合，其中兩組進(jìn)行了物理測(cè)量，兩組根據(jù)蒙特卡洛模型進(jìn)行劑量計(jì)算。單獨(dú)測(cè)量骨髓吸收劑量時(shí)發(fā)現(xiàn)骨髓吸收劑量相對(duì)于整個(gè)大腦平均吸收劑量可以忽略不計(jì)(1%)。因此將骨髓劑量也計(jì)入顱腦整體劑量之中。需要注意的是在計(jì)算頭部SSDE轉(zhuǎn)換因子fH16時(shí)是依據(jù)常規(guī)頭部CT檢查掃描體積中心部分(z軸方向)對(duì)大腦平均吸收劑量。雖然實(shí)際掃描中會(huì)使用多種管電壓，但是建議使用從所有管電壓值組合數(shù)據(jù)中推導(dǎo)出等式(等式1)用于臨床頭部SSDE計(jì)算。需要指出的是目前還沒有足夠數(shù)據(jù)來證明SSDE概念能應(yīng)用到有效劑量估計(jì)合理性且SSDE估計(jì)值與真實(shí)輻射劑量仍具有一定差別。

AAPM293報(bào)告臨床應(yīng)用和展望

自從SSDE概念被提出后，已經(jīng)廣泛應(yīng)用于CT檢查輻射劑量估算與研究[14,15]，293報(bào)告公布使頭部CT檢查輻射劑量估算更為準(zhǔn)確，特別是對(duì)兒童患者而言輻射劑量準(zhǔn)確估算能更好評(píng)價(jià)電離輻射對(duì)其潛在的危害[16]。AAPM 293報(bào)告對(duì)頭部轉(zhuǎn)換因子進(jìn)行模擬與驗(yàn)證擴(kuò)大了其臨床應(yīng)用范圍。如果將受檢者其他體型參數(shù)(如頭圍、年齡和BMI)納入研究可能更準(zhǔn)確估算患者所受輻射劑量，更好指導(dǎo)臨床檢查劑量最優(yōu)化[17-19]。也可根據(jù)293報(bào)告建立我國頭部CT檢查的診斷參考水平(diagnostic reference level,DRL)[20]。但293報(bào)告體模試驗(yàn)及模特卡洛模擬是基于歐美人群進(jìn)行的,不能完全代表中國人群正常頭部尺寸,其在中國人群中應(yīng)用還需要進(jìn)一步研究及論證[21]。