体型特异性剂量估计之美国医学物理师学会第293号报告解读

陈迢， 彭伟， 陈浩， 郑丽丽， 贺瑶瑶， 张照喜， 袁子龙， 李翠玲

目前CT扫描仪通过输出容积CT剂量指数(volume computed tomography dose index,CTDIvol)及相应剂量长度乘积(dose length product,DLP)来标准化计算机器输出剂量水平。然而患者接受辐射剂量既与机器输出剂量有关也与患者体型有关；特别是对体型较小儿童，如果不考虑其体型特点可能导致低估2～3倍患者所接受辐射剂量[1]。因此为了更便捷准确估算CT受检者辐射剂量，美国医学物理师学会(American Association of Physicists in Medicine，AAPM)于2011年发布了第204报告，提出了基于患者几何尺寸特点体型特异性剂量估计(size-specific dose estimate，SSDE)概念，其通过测量目标区域CT图像前后径(AP)与左右径(Later)计算有效直径(effective diameter,ED)，进而得到转换因子(f)后联合CT容积剂量指数(CTDIvol)来进行剂量估算SSDE，但是患者几何尺寸并不包含X线衰减特点[1]，特别是针对胸部CT扫描无法进行准确剂量评价。因此AAPM于2014年提出更为精确基于组织等效水等效直径(water equivalent diameter,DW)体型特异性剂量估计概念，其充分考虑患者各部位X线吸收特点并标准化为水线性衰减便于临床实施[2,3]。但是第204和220报告中并没有针对头部转换因子进行实验计算，而脑组织是被包含在相对致密颅骨内，即使是相同DW值，头部与体部吸收剂量空间分布也不尽相同。特别是对于儿童患者，由于其体型偏小，颅骨在密度颅脑中所占比重较大且颅骨结构在青少年时期和成人中差别较大[4]，而204报告中f值最初计划应用于腹部辐射剂量估算，腹部是一个包含较少骨质相对均质区域，因此使用204和220报告中所推荐f来估算头部辐射剂量是不准确的[5]。因此急需专门对头部转换因子进行准确测定以便更加准确估算头部CT检查辐射剂量，特别是对儿童头部CT检查辐射剂量准确估算意义重大[6]。因此AAPM对该部分进行了相应修正，并于2019年7月发布了其第293号报告[7]。本文将对第293报告中头部SSDE计算方法及转换因子变化进行阐述。

AAPM第293号报告中头部SSDE转换因子(fH16)建立与修订

目前已由AAPM第204号报告证实由CT设备辐射剂量输出指数CTDIvol结合患者体型转换系数f来估算患者辐射剂量SSDE值，然而该报告主要通过16 cm和32 cm PMMA体模进行模拟估算腹盆腔和胸部转换因子，因此其转换系数主要是针对腹盆腔。虽然该转换因子可用于胸部SSDE的估算，但会存在20%以内偏差且该报告中并没有提供针对头部转换因子；同时204报告中SSDE估算采用整个扫描中间层面图像进行，因该层包含了来自中间层面相邻上、下层面散射线影响[8,9]，导致中间层面最接近整个扫描最大吸收剂量，从而会使整个扫描平均吸收剂量偏低。基于这些原因，AAPM第293报告工作组为了准确评估头部CT检查辐射剂量专门对头部转换因子估算进行了大量而细致工作。该工作组分别在圣犹大研究医院(SJCRH)、加利福尼亚大学戴维斯分校(UCD)、加利福尼亚大学洛杉矶分校(UCLA)及梅奥医学中心(Mayo)利用物理体模及蒙特卡洛模拟来建立基于头部16 cm CTDI体模SSDE转换因子fH16与DW函数。具体的研究结果如下。

图1 Mayo在西门子FORCE CT测量新生儿、1岁、5岁和成人组织等效体模转换因子(fH16)。误差线示由于不同管电压(70～150kV)产生变化，水平误差线反映不同管电压对DW造成变化。 图2 UCLA使用GSF、ICRP和5个体素化儿童患者体模进行蒙特卡洛模拟，并在西门子Sensation64排CT上进行模拟。SSDE估算采用临床头部扫描中心0.5cm厚脑实质体素化模型行累积剂量估计。所示数据为本研究中所使用15个体模每一个个体蒙特卡洛测量值。 图3 UCD使用蒙特卡洛模拟验证在SJCRH通过GE VCT和GE Revolution机器扫描(80、100、120和140kV)物理测量新生儿、1岁、5岁和成人头部体模获得综合剂量值。其中GE VCT和GE revolution分别使用2.0cm和0.5cm准直束。 图4 UCD使用蒙特卡洛模拟估算GE VCT和GE Revolution CT扫描新生儿、1岁、5岁和成人头部体模转换因子(fH16)。大脑剂量估算以沉积在0.5cm厚组织等效固体水部分中心板剂量。其中误差线表示管电压范围为80～140kV的fH16平均值一个标准偏差。 图5 显示fH16与DW最佳拟合曲线，其中黑线表示单一管电压(80、100、120和140kV)下拟合曲线而红线表示综合最佳拟合曲线。 图6 在同一DW值的情况下，分别依据AAPM 204报告得到体部转换因子fB16和AAPM 293报告得到头部转换因子fH16。对于同一CTDIvol,16值,由于头部转换因子与体部转换因子差异，造成头部比体部SSDE值低约8.7%。

1.梅奥医学中心：组织等效头部体模物理测量

Mayo使用4个不同尺寸组织等效体模(体模编号：007TE-21、007TE-22、007TE-23、007TE-27,CIRS Inc.,Norfolk,VA)分别在西门子双源CT(Somatom Force,Siemens Healthcare,Germany)进行数据采集，体模参数如表1，每个组织等效体模均与CTDI体模结构类似，在体模中心及外周3，6，9，12点钟方向均有圆形孔洞，可插入标准CTDI电离室，并测量不同条件下吸收剂量。使用标准准直束(192×0.6 mm)及常规头部扫描协议(旋转时间为1 s)，管电压范围70～150 kV，以10 kV步级递增并采用自动管电流控制技术(auto exposurecontrol，AEC)，其中参考管电流220 mAs；随后关闭AEC，调整有效mAs以获得使用AEC系统所得到CTDIvol值。结果测得不同管电压下水等效直径DW变异度在1%～1.5%，说明DW受管电压影响很小(图1)。 通过CIRS体模测得吸收剂量除以CTDIvol,16，以计算每个体模CTDIvol,16与SSDE转换因子fH16，结果显示新生儿、1岁、5岁和成人转换因子fH16值(变异系数)分别为1.19(2.2%)、1.00(5.6%)、0.95(6.3%)和0.87(8.8%)(图1)。而成人头部体模存在最大变异度原因是在所评估管电压范围内(70～150kV)其光束硬化程度显著增加造成的。

表1 组织等效头部体模各项参数

其中DW是70、90、110、120、130和150kV值下得到平均值及其变异系数(CV)。

2.加利福尼亚大学洛杉矶分校：体素化头部模型蒙特卡洛估计

UCLA采用不同尺寸体素化头部体模蒙特卡洛模拟行体素水平剂量模拟[10]。所用体素化体模为GSF体模[11]、ICRP体模[12]及5个不同年龄儿童体素化体模[13]，扫描协议为AAPM推荐西门子常规头部CT扫描参数(AAPM. Adult Routine Head CT Protocols Version 2.0. 2016.)，所有测得脑组织吸收剂量除以相应CTDIvol以计算CTDIvol,16与SSDE的转换因子fH16。所得结果与梅奥医学中心测量结果接近，fH16从1.18到0.76不等，DW从10.6cm到20.2cm不等(图2)。

3.加利福尼亚大学戴维斯分校：虚拟头部CT体模蒙特卡洛估计

对SCJRH组织等效头部模型物理测量蒙特卡洛验证：SCJRH使用16cmCTDI头部体模及4个不同尺寸的组织等效体模(体模编号：007TE-21、007TE-22、007TE-23、007TE-27,CIRS Inc.,Norfolk,VA)分别在两台CT[Volume CT (VCT) and Revolution CT (RCT) scanners,GE Healthcare,Waukesha WI]上进行扫描。UCD通过组织等效头部体模的虚拟版本(表1)进行蒙特卡洛模拟估计常规头部容积扫描中心吸收剂量，测算方法与SCJRH类似，结果显示蒙特卡洛模拟剂量与实际测量剂量具有很好相关性(R2>0.99)(图3)，其中GE VCT和GE Revolution扫描吸收剂量平均(范围)绝对差异分别是1.45%(0.05～4.33)和0.64%(0.01～2.86)。

蒙特卡洛模拟估算组织等效头部体模转换因子与DW关系:UCD通过蒙特卡洛估计出转换因子fH16与DW关系(图4)。结果显示GE VCT扫描仪扫描新生儿、1岁、5岁和成人的fH16值(变异系数)分别为1.14(3.4%)、0.99(6.1%)、0.91(7.6%)和0.80(10.4%)，GE Revolution扫描仪扫描新生儿、1岁、5岁和成人的fH16值(变异系数)分别为1.08(3.3%)、0.97(5.8%)、0.90(7.2%)和0.80(9.9%)。由此得出不同年龄头部转换因子fH16与DW关系，最终可通过这一关系估算头部检查患者SSDE。

头部SSDE综合评估

研究小组计算出在不同管电压下(80、100、120及140kV)转换因子(fH16)与DW的关系，并将不同管电压综合拟合出最佳曲线(图5)。

虽然单个不同管电压(80、100、120及140kV)下DW与转换因子fH16具有较高相关系数(R2分别为0.9396、0.9432、0.9198及0.9551)，但如果将管电压也纳入SSDE计算考虑范围内，则增加了头部SSDE计算复杂性，不利于临床应用；另外即使在给定管电压情况下，对于不同CT系统转换系数fH16也会有较大差异。因此为了简化运算，便于临床使用，293报告仍推荐采用相关系数综合拟合转换系数fH16(R2=0.83)。头部转换系数fH16计算如下：

fH16=αe-βDW

(1)

其中：α=1.9852(组织吸收剂量(mGy)/CTDIvol,16(mGy))，β=0.0486 (cm-1)，DW为水等效直径(cm)。

此外由于儿科颅骨中造血组织重要性，第293报告还将骨髓吸收剂量与脑组织吸收剂量分开评估。因此本次报告中也讨论了骨吸收剂量与脑吸收剂量关系。UCD利用不同年龄(0、1、5和21岁)体模对颅骨海绵区红骨髓和黄骨髓进行详细吸收剂量评估。结果显示当包含脑实质、表皮及红骨髓时质量加权吸收剂量与仅含脑实质质量加权平均吸收剂量差异在0.7%以内。尽管这些差异是可以忽略的，但是这一差异最终也包含在等式1中。此外由于脑组织被包裹在一层相对致密的颅骨中，因而即使是同一DW，但大脑吸收剂量沉积空间分布也与体部吸收剂量沉积空间分布大不相同。比较AAPM第204报告中体部16 cm体模转换系数fB16与AAPM 293报告头部16 cm体模转换系数fH16二者曲线形态非常相似，且头部CT转换系数始终偏低。可能是因为头部扫描采用了更有效波束成形滤栅(如蝶形滤栅)，造成同一CTDIvol,16大脑平均吸收剂量要比体部低约9%(图6)。

术语的变化

现阶段不管是成人还是儿童头部CTDIvol测量均未使用32cm的CTDI体模，同时国际标准(IEC 60601-2-44 Edition 3.2,2016)要求使用16cm PMMA CTDI体模。AAPM第204报告中介绍了体型特异性剂量估计(SSDE)概念，但第204报告中并没有预期会有头部SSDE转换因子fH16存在。这使得第204报告(第18页)中f32X引入“X”概念过时。该“X”是指AAPM第204报告中用于反映患者几何尺寸指标即躯干左右径和前后径线性尺寸之和、单独左右径、单独前后径以及有效直径。第293报告中建议用下列术语取代第204报告中建议术语：

对于体部CT扫描(AAPM第204报告)，当32cm PMMA CTDI体模用于体部CTDIvol测量时，应在转换系数f上标中使用“B32”，并在CTDIvol下标中添加“32”：

SSDE=fB32×CTDIvol，32

(2)

对于体部CT扫描(AAPM第204报告)，当16cmPMMA CTDI体模用于体部CTDIvol测量时(通常是儿科体部测量)，应在转换因子f上标中使用“B16”，并在CTDIvol下标中添加“16”：

SSDE=fB16×CTDIvol，16

(3)

对于头部CT扫描(AAPM第293报告)，当16cmPMMA CTDI体模用于头部CTDIvol时，应在转换因子f上标中使用“H16”，并在CTDIvol下标中添加“16”：

SSDE=fH16×CTDIvol，16

(4)

总 结

AAPM第293号报告提供了头部CTDIvol到SSDE转换因子fH16用于计算头部CT检查SSDE。该报告中转换因子fH16是4个单位提供数据综合拟合，其中两组进行了物理测量，两组根据蒙特卡洛模型进行剂量计算。单独测量骨髓吸收剂量时发现骨髓吸收剂量相对于整个大脑平均吸收剂量可以忽略不计(1%)。因此将骨髓剂量也计入颅脑整体剂量之中。需要注意的是在计算头部SSDE转换因子fH16时是依据常规头部CT检查扫描体积中心部分(z轴方向)对大脑平均吸收剂量。虽然实际扫描中会使用多种管电压，但是建议使用从所有管电压值组合数据中推导出等式(等式1)用于临床头部SSDE计算。需要指出的是目前还没有足够数据来证明SSDE概念能应用到有效剂量估计合理性且SSDE估计值与真实辐射剂量仍具有一定差别。

AAPM293报告临床应用和展望

自从SSDE概念被提出后，已经广泛应用于CT检查辐射剂量估算与研究[14,15]，293报告公布使头部CT检查辐射剂量估算更为准确，特别是对儿童患者而言辐射剂量准确估算能更好评价电离辐射对其潜在的危害[16]。AAPM 293报告对头部转换因子进行模拟与验证扩大了其临床应用范围。如果将受检者其他体型参数(如头围、年龄和BMI)纳入研究可能更准确估算患者所受辐射剂量，更好指导临床检查剂量最优化[17-19]。也可根据293报告建立我国头部CT检查的诊断参考水平(diagnostic reference level,DRL)[20]。但293报告体模试验及模特卡洛模拟是基于欧美人群进行的,不能完全代表中国人群正常头部尺寸,其在中国人群中应用还需要进一步研究及论证[21]。