基于有效直径和水当量直径估算胸部CT扫描体型特异性剂量的对比研究

李 刚 金莉卿 王轶彬 宗根林 于 红

放射检查技术在临床被广泛应用，由此导致的电离辐射安全和潜在致癌风险引起了学术界普遍关注[1]。目前临床上主要由容积CT剂量指数（volume CT dose index，CTDIvol）和剂量长度乘积（doselength product，DLP）来估算CT受检者的辐射剂量，但CTDIvol的标准是参考16cm或32cm聚甲基丙烯酸甲酯体模的辐射剂量，其值大小与患者体型无关，是设备的输出值，而非患者实际接受的辐射剂量[2-3]；在实际的CT扫描中，不同的被检者其扫描直径、衰减系数也不同。因此，对于某个特定的人体来说，CTDIvol不能对人体所接受的CT辐射剂量进行评估[4]。

体型特异性剂量评估（size-specific dose estimates，SSDE）是由美国医学物理学会（American Association of Physicists in Medicine，AAPM）于2011年[5]和2014年[6]分别提出了用有效直径（effective diameter，dEFF）和水当量直径（water-equivalent diameter，dW）联合CTDIvol来估算基于CT患者体型特异性的剂量评估（SSDE），以此来弥补体型对于CTDIvol及DLP等的影响[7]。因此，本研究旨在比较这两种算法在估算成人胸部CT辐射剂量SSDE的差异来探讨其在临床中的进一步应用。

方 法

1.一般资料

回顾性分析2018年7月至10月在本院行胸部CT扫描患者160例。其中男91例，女69例，年龄20 ～ 88 岁，平均（54.6±16.7）岁。

2.扫描方法

使用中国联影80排uCT 780机器。患者仰卧位，双手上举，头先进，胸部扫描采用吸气后屏气方式，扫描范围从肺尖至肺底。扫描参数：螺旋扫描，管电压120kV，采用自动管电流调制技术，质量参考mAs为130mAs，螺距0.8375，重建层厚2mm，层间距1mm，矩阵512×512，重建视野350mm。

3.数据的采集与测量

将所有扫描图像和剂量报告自动传送至图像存储与传输系统（PACS）中，从PACS中记录每位患者的容积CT剂量指数CTDIvol，并参考AAPM 204及220号报告[5-6]，采用系统自带测量软件，对胸部扫描范围内最中间层面的CT图像进行数据测量。

以完全包含横断面的最小矩形形式，用电子标尺测量图像的前后径（dAP，cm）及左右径（dLAT，cm）（见图1），同时计算有效直径dEFF（cm）及转换因子fEFF，参考AAPM 204号报告计算SSDEEFF（mGy），公式（1）～（3）。

以覆盖横断面所有解剖结构的最小椭圆为感兴趣区（不包含床板），测量感兴趣区的横断面积（AROI，cm2）以及CT值（CTROI，HU）（见图2），参考AAPM 220号报告计算水当量直径dW（cm）、转换因子fW及SSDEW（mGy），公式（4）～（6）。

公式（2）、（5）在计算体型转换因子f时，a、b取值参考AAPM 204及220号报告，分别为：a=3.704 69，b=0.036 719 37。

为比较不同体宽dLAT下SSDEEFF与SSDEW的差异，依据dLAT按三分位法将患者分 为 3组， 分 别 记 为 A 组：dLAT＜33.02cm，B 组：33.02cm ≤ dLAT≤ 34.94cm，C 组：dLAT＞34.94cm。

4.统计学处理

结 果

1.两种方法计算SSDE的差异

胸部CT扫描在计算SSDE时，两种方法下的直径d（cm）、转换因子f和SSDE的比较：平均

dEFF＞dW，两者随左右径dLAT的分布情况见图3，平均 fEFF＜fW， 平 均 SSDEEFF＜SSDEW（图 4）， 且差异均有统计学意义（t=35.51、-34.03、-25.02，P＜0.01，见表 1），平均 CTDIvol为（13.55±6.06）mGy，CTDIvol与SSDE的分布见图5。

表1 两种方法下的直径（d）、转换因子（f）和SSDE的结果比较（ ±s ）表1 两种方法下的直径（d）、转换因子（f）和SSDE的结果比较（±s ）

表1 两种方法下的直径（d）、转换因子（f）和SSDE的结果比较（ ±s ）表1 两种方法下的直径（d）、转换因子（f）和SSDE的结果比较（±s ）

算法 n d(cm) f SSDE(mGy)SSDEEFF 160 27.88±2.46 1.34±0.12 17.46±6.69 SSDEW 160 24.42±2.62 1.52±0.15 19.78±7.42 t-35.51 -34.03 -25.02 P-＜0.01 ＜0.01 ＜0.01

表 2 不同 dLAT组 dLAT、dEFF、dW、fEFF、fW、SSDEEFF及 SSDEW 的比较（±s ）

表 2 不同 dLAT组 dLAT、dEFF、dW、fEFF、fW、SSDEEFF及 SSDEW 的比较（±s ）

＊同一组与 SSDEEFF相比，t=-15.00、-17.18、-16.89，P＜0.01

组别 n dLAT（cm） dEFF（cm） dW（cm） fEFF fW SSDEEFF（mGy） SSDEW（mGy）A 组 53 30.84±1.56 25.56±1.88 21.87±1.85 1.45±0.10 1.66±0.11 11.28±3.90 12.91±4.45*B 组 54 33.90±0.52 27.92±1.11 24.52±1.40 1.33±0.05 1.51±0.08 17.70±4.73 20.04±5.32*C 组 53 36.60±2.18 30.17±1.69 26.87±1.66 1.23±0.07 1.38±0.08 23.41±4.85 26.38±5.23*F P--177.91 110.69 122.72 109.58 122.01 95.83 95.47＜0.01 ＜0.01 ＜0.01 ＜0.01 ＜0.01 ＜0.01 ＜0.01

图1 以完全包含横断面的最小矩形形式，测量图像的前后径（dAP）及左右径（dLAT）。图2 以覆盖横断面所有解剖结构的最小椭圆为感兴趣区（不包含床板），测量感兴趣区的横断面积（AROI）以及CT值（CTROI）。

图3 有效直径（dEFF）和水当量直径（dW）与患者左右径（dLAT）之间的函数关系。图4 SSDEEFF和SSDEW与患者左右径（dLAT）之间的函数关系。

图 5 SSDEEFF、SSDEW及 CTDIvol所对应的剂量值分布。图6 A、B、C三组SSDEEFF与SSDEW分布情况。*表示组内差异具有统计学意义。

2.不同dLAT组间的比较

A、B、C 三组患者间 dLAT、dEFF、dW、fEFF、fW、SSDEEFF及SSDEW差异均有统计学意义（F=177.91、110.69、122.72、109.58、122.01、95.83、95.47，P＜0.01，见表 2），且转换因子 fEFF和fW随着dLAT的增大而减小，SSDEEFF和SSDEW随着dLAT的增加而增加，且两者间的差值也增加（图6）。三组患者SSDEEFF和SSDEW之间差异有统计学意义（t=-15.00、-17.18、-16.89，P＜0.01）。

讨 论

SSDE是在CTDIvol基础上得到的，而SSDE需根据受检者体型大小估算受检者的辐射剂量，相对于CTDIvol来讲，能更准确描述受检者的辐射剂量，也比CTDIvol更适合用于估算受检者的平均辐射剂量[8]。

本研究中，成人胸部CT扫描的dW较dEFF降低了约12.41%，导致SSDEW较SSDEEFF增加了约13.29%；这与Wang等[9]及Bostani等[10]的体模实验及临床实验结果相一致。实际上，当用水模模拟扫描时，椭圆形的感兴趣区ROI中反映衰减的指数CTROI接近于0，那么此时的水当量直径就等效于椭圆形面积所对应的长径，这与有效直径的原理基本一致。

有效直径dEFF假设人体由椭圆形横截面构成，体型可用面积与其相当的注水圆柱体直径表示。水当量直径dW则以表示几何外形尺寸的面积及表示组织衰减的横截面积平均CT值定义患者体型。因此，两种体径估算的辐射剂量存在差异[11-12]。

在胸部，由于胸部组织含气量较大并且密度明显低于水，故在胸部区域的整体衰减明显要低于水模模拟的衰减，因此，dW要明显低于dEFF，从而导致SSDEEFF较SSDEW低估了约13.29%。临床上CT辐射剂量常用CTDIvol等来评估，但是由本研究可以看出，如果用CTDIvol代替SSDEW，将导致胸部检查患者辐射剂量低估约31.50%，因此，运用SSDEW来评估CT患者的辐射剂量具有重大临床意义。

随着左右径dLAT的增大，有效直径dEFF及水当量直径dW均逐渐增大，胸部不同组的SSDEEFF及SSDEW也均逐渐增大，且dEFF与dW之间的差值也在逐渐变大，这是由于胸部组织含有大量气体，故CTROI是负值，随着dLAT的增大，其负值越大，dEFF与dW之间的差值也会逐渐变大，同时SSDEEFF与SSDEW之间的差值也会逐渐增大。

SSDEEFF和SSDEW均基于同一解剖层面，前者仅考虑影响辐射剂量的几何外形尺寸因素，对CTDIvol的校准并不完善，而后者同时考量几何外形尺寸及组织结构衰减，可更好地解释相同解剖区域组织的非均质属性所致辐射剂量变化，并且本研究结果显示SSDEW估算辐射剂量变异度更小。因此，SSDEW的估算方法更合理[13]。

本研究也存在一些不足之处。首先是本研究选取中间层面来计算相关参数对SSDE的影响，由于人体每层CT图像的形态各异，大小不一，且每层所含的组织有差异，获得的每层测量值也不同，简单选取中间层面来代替整体不够精确；二是由于现在随着管电流自动调制技术的普及，导致每层的管电流不一致，因此，每层的衰减也不相同，而现有的中间层面的算法基本上是默认每层的衰减是一致的，因此，从CT衰减的层面来考虑，用中间层面来代表整体也是不合适的。实际上AAPM 220号报告中也提出过解决方法，先测量每层图像的相关参数，再计算出平均值，但是胸部CT扫描图像层数较多，此方法较为复杂，人工难以实现，后期可借用相关软件继续研究。

本研究对160名患者的样本进行了基于有效直径（dEFF）和水当量直径（dW）计算的体型特异性剂量评估（SSDE）之间的比较。发现CTDIvol系统地低估了SSDE值。由于患者之间的差异很大，通过仅基于几何尺寸计算SSDE而不考虑组织衰减是不准确的。在成人胸部CT扫描中，建议基于dW来计算SSDE，以获得可靠的剂量估计值。