兒童胸部CT輻射劑量指標(biāo)比較及掃描前劑量預(yù)算回歸模型的建立*

張見(jiàn) 劉杰 張朋 張曉軍

(南京醫(yī)科大學(xué)附屬兒童醫(yī)院放射科,江蘇 南京 210000)

胸部同時(shí)含有低密度的氣體、中等密度的軟組織以及高密度的骨骼,其對(duì)X射線(xiàn)具有天然的對(duì)比度,是CT檢查最多的部位之一[1]。但胸部亦含有對(duì)X射線(xiàn)高度敏感的腺體,因而對(duì)其的輻射劑量管理尤為重要。近年來(lái),低管電壓、管電流自動(dòng)曝光控制、大螺距、先進(jìn)算法及各種個(gè)性化掃描方法,越來(lái)越多地應(yīng)用于胸部CT檢查[2-11]。對(duì)于輻射劑量的衡量,最常使用且最為直觀的指標(biāo)為容積CT劑量指數(shù)(Volume CT dose index,CTDIVOL)及劑量長(zhǎng)度乘積(Dose length production,DLP),但其對(duì)輻射的衡量并不準(zhǔn)確,尤其針對(duì)于兒童患者[12-17]。美國(guó)醫(yī)學(xué)物理學(xué)家協(xié)會(huì)(American association of physicists in medicine,AAPM)提出的體型特異性劑量估算值(Size-specific dose estimate,SSDE)被認(rèn)為是目前最為準(zhǔn)確的衡量指標(biāo),且被越來(lái)越多的學(xué)者應(yīng)用于輻射劑量衡量的研究之中[18-20]。本文通過(guò)對(duì)我院748例兒童胸部CT檢查影像學(xué)資料的分析,比較不同輻射劑量指標(biāo)間差異,建立兒童胸部輻射劑量指標(biāo)回歸模型。

1 資料與方法

1.1 臨床資料 回顧性研究2021年1月—12月我院748例兒童胸部CT檢查影像學(xué)資料,其中男童420例,女童328例,年齡3～15歲,平均(9.09±3.45)歲。依據(jù)年齡將患兒分為<5歲組、5～10歲組及11～≤15歲3組。入組標(biāo)準(zhǔn)：①檢查體位標(biāo)準(zhǔn)。②檢查部位體表無(wú)金屬異物,體內(nèi)無(wú)醫(yī)療植入物。③胸廓無(wú)明顯變形。④檢查圖像均能滿(mǎn)足臨床診斷。排除標(biāo)準(zhǔn)：①BMI>22 kg/m2。②數(shù)據(jù)測(cè)量層面含有異常高密度鈣化或金屬。③患兒因其他病變導(dǎo)致骨質(zhì)密度異常。

1.2 檢查參數(shù) 檢查設(shè)備采用Philips Brilliance型128 iCT(荷蘭,飛利浦醫(yī)療)?；純鹤灾骰蚩诜?zhèn)靜劑進(jìn)入深睡眠后,去除厚重衣物仰臥于檢查床正中,頭先進(jìn),雙臂上舉置于頭顱兩側(cè)。管電壓使用100 kVp,管電流則為自動(dòng)曝光控制技術(shù)(Automatic exposure control,AEC),探測(cè)器：128×0.625 mm,矩陣：512×512,螺距：0.763,球管轉(zhuǎn)速：0.27 s/r,掃描層厚/層間距均為5 mm,iDose44級(jí)迭代重建算法,掃描范圍胸廓入口至兩側(cè)肋膈角。

1.3 胸圍(Chest circumference,CC)的測(cè)量及輻射劑量計(jì)算 CC的測(cè)量：選取患兒乳頭層面圖像,畫(huà)一盡可能貼近皮膚的多曲線(xiàn)感興趣區(qū),記錄曲線(xiàn)的長(zhǎng)度,測(cè)量三次取其平均值作為CC。本研究輻射劑量指標(biāo)采用CTDIVOL、DLP及基于水當(dāng)量直徑(Water equivalent diameter,DW)的SSDE(SSDEDW)。記錄檢查結(jié)束后設(shè)備自動(dòng)生成的CTDIVOL、DLP。SSDEDW的計(jì)算使用AAPM 220報(bào)告中的計(jì)算公式。具體方法為：在所有圖像最中間層面圖像劃一包含所有解剖結(jié)構(gòu)的最小橢圓形感興趣區(qū),記錄其面積(Area of interest,AROI)及平均CT值(CT value,CTROI),計(jì)算水當(dāng)量直徑(DW)及轉(zhuǎn)換因子(Conversion factor,f),依據(jù)上述數(shù)據(jù)計(jì)算SSDEDW。計(jì)算公式如下[19]：

f= a e-b×DW

SSDEDW=f×CTDIVOL

2 結(jié)果

2.1 一般資料情況 748例患兒CC為43.3～90.5 cm,平均(62.42±10.85) cm;DW為13.33～25.01 cm,平均(18.11±2.71) cm,f為1.47～2.26,平均(1.91±0.19)。

2.2 CTDIVOL、SSDEDW結(jié)果 748例患兒胸部CTDIVOL為(3.05±0.72)mGy,SSDEDW為(5.69±0.87)mGy;CTDIVOL較SSDEDW低46.40%,二者比較差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(t=-241.95,P<0.001)。3組CTDIVOL、SSDEDW見(jiàn)表1。

表1 3組CTDIVOL、SSDEDW結(jié)果

2.3 CTDIVOL、SSDEDW、DLP與Age、CC間相關(guān)性及回歸模型建立 Pearson相關(guān)分析表明：CTDIVOL與Age、CC均有較強(qiáng)正向相關(guān)性(Age：r=0.80,P<0.001;CC：r=0.92,P<0.001);SSDEDW與Age、CC均有較強(qiáng)正向相關(guān)性(Age：r=0.72,P<0.001;CC：r=0.74,P<0.001);DLP與Age、CC亦均有較強(qiáng)正向相關(guān)性(Age：r=0.88,P<0.001;CC：r=0.90,P<0.001)。建立CTDIVOL、SSDEDW、DLP與Age、CC間回歸模型,其回歸方程分別為：基于Age的回歸模型：CTDIVOL：y=1.78exp(0.06x)(x=Age,R2=0.64);SSDEDW：y=4.16exp(0.03x)(x=Age,R2=0.51);DLP：y=40.10exp(0.09x)(x=Age,R2=0.81);基于CC的回歸模型：CTDIVOL：y=-0.76+0.06x(x=CC,R2=0.84);SSDEDW：y=0.06x+1.99(x=CC,R2=0.55);DLP：y=-84.26+2.96x(x=CC,R2=0.81)。具體相關(guān)性散點(diǎn)分布及擬合曲線(xiàn)見(jiàn)圖1。輻射劑量指標(biāo)與衡量參數(shù)間均具有較好的擬合關(guān)系,CTDIVOL、SSDEDW、DLP均隨著Age、CC的增大而增加。

圖1 CTDIVOL、SSDEDW、DLP與Age、CC帶有擬合曲線(xiàn)的散點(diǎn)分布圖

2.4 回歸模型的誤差性分析結(jié)果 基于變量Age、CC計(jì)算CTDIVOL其誤差分別為(0.13±0.10)、(0.09±0.06);基于變量Age、CC計(jì)算SSDEDW其誤差分別為(0.10±0.06)、(0.09±0.07);基于變量Age、CC計(jì)算DLP其誤差分別為(0.13±0.09)、(0.13±0.10)。具體誤差分布見(jiàn)圖2。基于CC計(jì)算的輻射劑量指標(biāo)其誤差值較Age小。

圖2 基于變量Age、CC計(jì)算的CTDIVOL、SSDEDW、DLP與實(shí)測(cè)CTDIVOL、SSDEDW、DLP誤差分布圖

3 討論

CT檢查圖像載體為X射線(xiàn),其對(duì)人體組織器官具有放射危害,因而如何在滿(mǎn)足診斷的前提下盡可能的減小輻射危害,一直受到從業(yè)者及受檢者的關(guān)注[21]。X射線(xiàn)能量較高,可對(duì)組織細(xì)胞直接產(chǎn)生電離作用,破壞DNA結(jié)構(gòu)而導(dǎo)致不可預(yù)知的后果。未成年患者特別是嬰幼兒,組織細(xì)胞增殖分裂較為活躍,對(duì)X射線(xiàn)更為敏感,有研究表明,嬰幼兒時(shí)期接受CT輻射與晚年罹患白血病及腦腫瘤的發(fā)病率高度相關(guān)[22]。對(duì)于輻射劑量的衡量,目前多采用容積CT劑量指數(shù),其計(jì)算是基于16 cm或32 cm標(biāo)準(zhǔn)體模,主要影響因素為CT檢查參數(shù),更多反映的是CT設(shè)備的輸出輻射劑量。而人體組織結(jié)構(gòu)及身體尺寸,特別是嬰幼兒群體,與標(biāo)準(zhǔn)體模差異較大,有研究表明,CTDIVOL對(duì)體型較小的幼兒及兒童的輻射劑量衡量并不準(zhǔn)確[23-24]。為進(jìn)一步準(zhǔn)確衡量輻射劑量,AAPM提出的體型特異性劑量估算值,被認(rèn)為是目前最為準(zhǔn)確的衡量指標(biāo)。體型特異性劑量估算值的計(jì)算分別基于有效直徑(effective diameter,DE)和水當(dāng)量直徑(DW)。DE是將檢查部位模擬為橢圓形橫截面,患者體型可用面積與之大致相等的圓柱形水模的直徑來(lái)表示,其僅考慮了檢查部位大小對(duì)輻射劑量的影響而忽略了X射線(xiàn)衰減;DW除了使用代表幾何外形尺寸的橢圓形面積之外,還使用橫截面平均CT值來(lái)定義檢查部位組織對(duì)X射線(xiàn)的衰減,胸部由于富含氣體,二者間的差距可高達(dá)12%[24]。DW的計(jì)算過(guò)程綜合考慮了檢查部位尺寸及組織結(jié)構(gòu)對(duì)X射線(xiàn)的衰減,因而其對(duì)輻射的衡量更為準(zhǔn)確。本研究通過(guò)對(duì)兒童胸部CT檢查資料的回顧性分析,比較CTDIVOL與SSDEDW在衡量輻射劑量上的差異,回歸分析年齡、胸圍與CTDIVOL、SSDEDW、DLP的相關(guān)性,建立回歸模型以CT掃描前預(yù)算輻射劑量指標(biāo)。

入組患兒平均DW為(18.11±2.71)cm,DW隨著年齡的增大而逐漸增加,最大值為25.03 cm。而CT設(shè)備CTDIVOL的測(cè)量基于32 cm標(biāo)準(zhǔn)體模,本研究患兒的DW遠(yuǎn)小于32 cm,檢查部位尺寸與標(biāo)準(zhǔn)體模存在較大的差距。除此,胸內(nèi)肺臟為含氣器官,其CTROI為負(fù)值,亦是導(dǎo)致CTDIVOL低估其輻射劑量的原因。在余佩琳等[25]的研究中,CTDIVOL較SSDEDW低估其輻射劑量,其低估程度隨著年齡的降低而增加。本研究數(shù)據(jù)結(jié)果也表明,全部入組患兒平均CTDIVOL為(3.05±0.72)mGy;SSDEDW為(5.69±0.87)mGy;CTDIVOL較SSDEDW低46.40%,f亦隨著年齡的增大而降低,在各年齡分組中,f均大于1,這與文獻(xiàn)研究相一致。相同檢查條件使用CTDIVOL衡量其輻射劑量較SSDEDW低估,使用SSDEDW更能精確衡量輻射劑量。但SSDEDW的精確測(cè)量需要受檢者掃描定位像或軸位掃描圖像,根據(jù)其定位像計(jì)算SSDEDW過(guò)程繁瑣,耗時(shí)較長(zhǎng),在實(shí)際工作中不可實(shí)現(xiàn),而軸位圖像則掃描前不可獲取,因此需要簡(jiǎn)單易行的指標(biāo)來(lái)預(yù)計(jì)算其SSDEDW。Pearson相關(guān)分析表明,CTDIVOL、SSDEDW及DLP與Age、CC均有較強(qiáng)正向相關(guān)性,因而可以使用Age、CC作為DW的替代指征來(lái)預(yù)計(jì)算輻射劑量指標(biāo)。本研究結(jié)果亦表明,CTDIVOL、SSDEDW、DLP與Age、CC間具有較好的擬合關(guān)系,回歸模型擬合系數(shù)均在0.50以上,甚至CTDIVOL、DLP與Age、CC間擬合系數(shù)高達(dá)0.80以上,這就說(shuō)明可以通過(guò)患兒的Age及CC來(lái)預(yù)估其輻射劑量指標(biāo),可以在檢查前預(yù)計(jì)算其輻射,以更好地控制輻射劑量水平。對(duì)于回歸模型,本研究使用誤差分析對(duì)其準(zhǔn)確性進(jìn)行進(jìn)一步的驗(yàn)證?；谀挲g及胸圍的回歸模型平均誤差分別為13%及9%,遠(yuǎn)小于AAPM報(bào)告中SSDEDW的準(zhǔn)確性在20%以?xún)?nèi)的誤差標(biāo)準(zhǔn),說(shuō)明使用回歸模型計(jì)算其輻射劑量指標(biāo)是完全可行的,特別是使用基于胸圍回歸模型計(jì)算其輻射劑量指標(biāo)更為準(zhǔn)確。

本研究不足之處：①患兒所有數(shù)據(jù)均來(lái)自同一CT設(shè)備,數(shù)據(jù)間相關(guān)性及回歸模型的準(zhǔn)確性尚需在其他設(shè)備上進(jìn)一步驗(yàn)證。②由于入組標(biāo)準(zhǔn)為標(biāo)準(zhǔn)體位的原因,本研究數(shù)據(jù)未涉及小于3歲的幼兒,回歸模型對(duì)其可能并不適用。③SSDEDW的計(jì)算數(shù)據(jù)均為手動(dòng)測(cè)量,其與真實(shí)值之間有一定的誤差,可能會(huì)造成研究結(jié)果的不準(zhǔn)確性。④CTDIVOL基于32 cm標(biāo)準(zhǔn)體模而得,未與16 cm體模測(cè)算的CTDIVOL進(jìn)行比較,今后可進(jìn)一步研究。

4 結(jié)論

在兒童胸部CT輻射劑量衡量上,CTDIVOL較SSDEDW低估其輻射劑量,使用SSDEDW更為精確;使用年齡、胸圍作為水當(dāng)量直徑的替代指征來(lái)預(yù)計(jì)算患兒的輻射劑量指標(biāo)可以在檢查前快速預(yù)計(jì)算其輻射,對(duì)于輻射劑量更好的控制具有重要作用。