核医学诊疗中患者内照射的研究进展

何鑫雨 尚兵 姜晓燕 丁库克

中国疾病预防控制中心辐射防护与核安全医学所放射生态学研究室，北京100088

我国核医学起源于20 世纪50 年代，随着影像学技术的迅速发展和放射性同位素药物的广泛应用，该学科及其诊疗技术已成为临床医学的重要分支。中华医学会核医学分会每两年对全国核医学现状进行普查，我国核医学发展整体呈现快速增长趋势，最近一次（2020 年）的报告显示，全国共有1148家医院开展了核医学诊疗工作，拥有427 台正电子显像设备，903 台单光子显像设备，年检查总病例数约339.92 万例[1]。2008 年联合国原子辐射效应科学委员会的报告显示，医疗照射是最大的人工电离辐射来源，并且其年集体有效剂量呈上升趋势，在卫生保健水平较高的国家，医疗照射剂量可达到天然本底照射剂量的80%，其中，全球每年约有3270 万人次接受核医学检查，年集体有效剂量近10 年增加了35%，约为2.02 万人·Sv[2]。核医学诊疗技术在临床诊断、治疗及研究等方面具有重要作用，且近几年诊疗数量及频率大幅增加，但在诊疗过程中需要患者摄入放射性药物，导致患者不可避免地接受一定剂量的电离辐射。因此，开展核医学诊疗中患者内照射剂量的研究和准确评估尤为重要。

1 人体辐射剂量模型的发展与现状

对于人体内照射剂量的估算，普遍采用蒙特卡罗方法。该方法是通过模拟放射性物质进入人体，在人体内运输及电离辐射的过程中，得到各组织和器官的能量沉积，由此估算人体的内照射剂量[3]。因此，人体辐射剂量模型的建立对该方法中剂量的估算至关重要。

20 世纪50 年代，为了计算职业暴露人员的内照射剂量，国际放射防护委员会（International Commission on Radiology Protection，ICRP）第2 号出版物[4]提出第一个人体模型——球形简单几何人体模型，用来计算放射性核素的最大允许体负荷和最大允许浓度。1966 年，美国橡树岭国家实验室（Oak Ride National Laboraty，ORNL）的Fisher 和Synder[5]建立了第一个数学模型，由一些简单的几何体组成：用椭圆柱体代表手臂和躯干，椭圆锥体代表头和脖子，圆台体代表腿和脚，称为Fisher-Snyder 成年人模型。相比于最初用有效半径和几何球体模拟人体，该模型侧重于人体组织和器官形状的描述，且建模方便、运算简单，缺点是对于组织器官解剖的结构细节无法进行建模和估算，因而导致对人体组织和器官的辐射剂量估算不够准确。1967 年Fisher 和Snyder[6]建立了第一个非均匀组织模型，被美国核医学会医用内照射剂量学（medical internal radiation dose，MIRD）委员会称为“MIRD-5 人体模型”，其代表一位健康成年男性。20 世纪80 年代，Cristy 和Eckerman[7]在MIRD-5 人体模型的基础上开发出包含一个成年男性、一个新生儿以及不同年龄儿童的家庭模型。以上这些模型被广泛应用于核医学的内照射领域的研究中。

从20 世纪80 年代开始，随着CT 和MRI 的发展，利用CT 或MRI 影像像素建立的人体模型可以更清楚地反映出人体组织器官结构，标志着参考人体模型的研究从数学模型时代进入到体素模型时代。德国国家环境科学中心的Petoussi-Henss 等[8]将健康志愿者的CT 图像进行三维重建，建立了包括婴儿、儿童、成年男性和成年女性的12 个体素模型，所有器官的形状和位置均来自CT 数据，同时将器官之间的距离作为内照射剂量评估的重要参数，研究者采用131I 对该成年人模型和MIRD 成年人模型的器官吸收剂量进行比较，研究结果显示，两种模型正常器官的吸收剂量存在明显差异，这主要是由于两种模型内相邻器官间距离的不同所致。2007 年，Zhang 等[9]基于我国人体切片彩色照片建立了更符合我国人体解剖学特征的中国成年男性体素模型。相较于数学模型，体素模型的人体解剖结构更加细腻，能更准确地反映电离辐射在人体组织和器官内的能量沉积。

当前，该领域的一个重要研究在于逐步趋向开发曲面模型，即通过调整非均匀有理B 样条曲面控制点改变模型的轮廓，根据器官的位置、大小和四维动态变化来建立模型，使人体剂量模型的建立更加精准化和个体化[10-12]。

2 患者内照射剂量估算的研究与分析

目前，估算内照射剂量的基本方法是由美国MIRD 委员会提出并逐步完善[13]，其具体方法如下。首先通过人体参考模型得到人体各器官的形状、质量、相对位置和密度等参数，然后运用蒙特卡罗方法计算出不同靶器官的能量沉积和吸收分数（absorbed fraction，AF），进而得到单位质量的靶器官AF，即比吸收分数（specific absorbed fraction，SAF），再乘以放射性核素在体内的累积活度，最终计算出各器官的吸收剂量和全身有效剂量。

2.1 标准人体模型下估算患者内照射剂量

内照射剂量的准确性受到SAF 和累积活度准确性的影响。为了方便临床估算，MIRD 委员会和ICRP 基于标准人体模型的SAF 和累积活度估算并建立了102 种放射性核素的有效剂量转换因子[13]。目前，全世界应用的显像药物中，99Tcm及其标记的化合物占80%以上，广泛用于心、脑、肾、骨、肺和甲状腺等多种组织和器官疾病的检查[14]。刘雪辉等[15]对157 例行SPECT/CT 检查的患者进行了回顾性分析，采用ICRP53 和106 号报告中的标准人体模型数据进行估算，其结果显示，99Tcm-MDP 骨显像检查放射性核素致患者有效剂量为（4.02±0.35）mSv、99Tcm-MAA 肺血流灌注显影为（3.84±1.98）mSv、99Tcm-MIBI 甲 状 旁 腺 显 影 为（6.13±0.53）mSv，差异有统计学意义（P＜0.05）。Brindhaban[16]对来自4 个核医学中心的行SPECT 心肌灌注成像的415 例患者的辐射剂量进行研究，结果显示，患者注射药物的活度为1206～1964 MBq，其中，男性患者的有效剂量为（9.6±2.2）mSv，女性患者的为（11.5±3.0）mSv。

除99Tcm以外，18F 也是核医学诊断时广泛使用的放射性核素。目前，临床上PET/CT 检查使用最广泛的放射性核素显像剂是18F-FDG[14]。张晓锋等[17]对100 例行PET/CT 的食管癌患者进行辐射剂量评估，结果显示，患者按照4.4 MBq/kg 注射18F-FDG，平均活度为（282.57±54.33）MBq，按照标准成年人剂量模型数据估算得出18F-FDG 致患者有效剂量为（5.37±1.03）mSv。Quinn 等[18]对183 例行PET/CT的患者注射（450±32）MBq 的18F-FDG，基于标准成年人模型估算全身有效剂量为（9.0±1.6）mSv。医护人员给予患者的显像剂活度直接影响患者的有效剂量。通常不同医院之间药物的使用量不同，不同显影设备之间也存在差异，研究结果显示，给患者注射18F-FDG 的活度为228～740 MBq，全身内照射有效剂量为3.6～10.6 mSv，平均值为5.3～9.0 mSv[17-19]。目前，我国卫生行业标准《临床核医学患者防护要求》[20]中关于成年人18F-FDG 的使用量指导水平没有规定，但临床使用量主要按照3.70～5.55 MBq/kg的标准给予[21-23]，以体重为70 kg 的标准成年男性为剂量模型，估算18F-FDG 致患者全身有效剂量最大可相差约50%，通过严格控制注射放射性药物的活度可以有效降低患者的受照剂量。

以上关于核医学诊疗中药物致患者有效剂量的研究均采用标准成年人体模型参数估算而得到有效剂量，MIRD 委员会和ICRP 基于标准人体模型估算并建立的有效剂量转换因子为临床提供了便捷和良好的辐射防护指导。随着核医学检查和放射性药物的快速发展，迫切需要更加精确的辐射剂量估算，为临床合理用药提供指导。

2.2 儿童模型对估算患者内照射剂量的影响

儿童作为一类特殊的群体，其对药物的吸收、分布、代谢及排泄能力与成年人明显不同，药物在各器官内的滞留时间有差异，从而导致累积活度不同，但目前对儿童吸收剂量的估算都是基于成年人药物代谢动力学模型估算而来的，导致对儿童内照射剂量的估算有偏差。Khamwan 等[24]将从波士顿儿童医院收集的儿童的18F-FDG 药代动力学数据与成年人18F-FDG 药代动力学模型进行拟合，开发了一种适用于早产儿和0～5 岁儿童的18F-FDG 药代动力学模型，结果显示，儿童器官摄取18F-FDG 的剂量随着患儿体重或年龄的增大呈现降低的趋势，且与成年人的血容量分数、时间-积分活度系数、百分注射活度等存在明显差异。该模型更加符合儿童药代动力学特点，为估算儿童的吸收剂量提供了重要参考数据。Khamwan 等[25]将此儿童药代动力模型运用于佛罗里达大学/国家癌症研究所（the University of Florida/National Cancer Institute，UF/NCI）开发的UF/NCI 曲面模型和经典Cristy-Eckerman（C-E）数学模型，研究者基于两种不同模型的SAF 估算18F-FDG 致儿童的辐射剂量，结果显示，两种模型在肺、卵巢、红骨髓和膀胱壁的吸收剂量估算上存在显著差异，特别是红骨髓中的吸收剂量差异达到−77%～+124%。新生儿、1 岁和5 岁儿童UF/NCI 曲面模型的有效剂量与C-E 数学模型分别相差−9.5%、−3.7%和−3.2%。相比运用简单几何体组成的C-E 数学模型，UF/NCI 曲面模型可以更真实地反映出儿童的解剖结构，对儿童内照射剂量的估算更加精确。

目前，针对儿童的内照射剂量的研究较少，而儿童的预期寿命长且其器官对辐射的敏感性高于成年人，因此，对儿童核医学诊疗中辐射剂量的研究还需要进一步优化和深入。

2.3 女性模型对估算患者内照射剂量的影响

Fabbri 等[26]对进行18F-FDG PET/CT和123I-MIBG SPECT/CT 检查的患者有效剂量的研究结果显示，女性受到内照射和外照射的有效剂量均大于男性，其中两种检查的内照射有效剂量差异分别为16.7%和10.8%。Wang 等[27]对Rad-Human 模型（根据中国可视人类数据库的人体彩色切片建立的中国成年女性模型，该模型能够更好地反映出中国女性的人体特征）、ICRP 模型和ORNL 模型的SAF 进行了比较，结果显示，3 种模型的SAF 具有相同的趋势，但Rad-Human 模型相较于其他两种模型SAF 偏大。同时，研究者对99Tcm聚集在肝脏中时其他器官的吸收因子进行了计算，并与VIP-Man（visible photographic man）、VCH（visible Chinese Human，VCH）和MIRD 模型的吸收因子进行比较，结果显示，这些模型之间的吸收因子差异明显，Rad-Human 模型的肾上腺吸收因子比VCH 模型的高62%，比VIP-Man 模型的高30%，比MIRD模型的高180%。导致差异的原因一方面是由于VIP-Man 和MIRD 模型都是基于欧美白种人建立的，与亚洲人生理解剖结构有所差异；另一方面，Rad-Human 模型是基于女性建立的，而女性的器官质量和器官之间的距离都要低于男性，因此导致其吸收因子高于其他两种模型。Rad-Human 模型的SAF 为中国女性内照射剂量估算提供了更加准确可靠的数据参考。

2.4 特殊器官生物代谢模型对估算内照射剂量的影响

放射性药物进入机体后，按照药物的性质和生物代谢特征，在患者体内常呈现非均匀性分布，选择性地在一些组织和器官中聚集并产生持续性地辐射。有效剂量是核医学诊疗的重要评估参数，但是器官的累积吸收剂量对实际临床预测风险和避免不良反应有重要的作用。

131I 是核医学最常用于甲状腺治疗的药物，由于其与甲状腺的亲和力高，因此受甲状腺的代谢功能影响较大。目前，ICRP 提出的131I 生物代谢模型是基于正常人代谢参数建立的，但甲状腺癌患者在经过部分或完全甲状腺切除手术后，体内的代谢水平会有所偏差。易艳玲[3]对131I 生物代谢模型进行了调整，依据甲状腺切除状况的不同，建立3 种甲状腺吸收分数（0、5%、10%）的模型，重新估算131I在甲状腺癌患者体内的滞留情况和器官的吸收剂量，研究结果显示，患者体内各组织和器官中，甲状腺吸收剂量差异最大，且当甲状腺AF 不为零时，甲状腺及其周围邻近器官的吸收剂量增加明显；在给药活度为5000 MBq 时，3 种模型下患者甲状腺吸收剂量分别为0.0845、348.905 和698.840 Gy。这与131I 高度亲和甲状腺的原理相关。其次，膀胱壁吸收剂量最大，且在3 种模式下差异较为明显，随着甲状腺AF 的增加，膀胱壁的吸收剂量明显降低。这是由于药物主要经由尿液排出，因此在膀胱内的滞留时间最长，随着甲状腺对131I 吸收量的增加，膀胱内尿液的131I 量减少，从而导致膀胱的吸收剂量降低。除此以外，吸收剂量较大的器官还有胃壁和小肠，由于药物食入后在消化道和膀胱内滞留时间较长，因此对胃壁和小肠的辐射剂量也相应较大。这也解释了大剂量131I 治疗的不良反应是轻度消化道不适和颈部组织水肿的原因。

3 核医学诊疗相关人员的辐射防护

辐射防护的目的是防止有害的确定性效应的发生，降低随机性效应的诱发。其原则为核医学诊疗的正当性、防护的最优化和个人剂量当量限值。核医学诊疗在达到医疗目的的同时，又使患者不可避免地接受一定剂量的辐射。因此，在不断追求核医学高质量诊疗的同时，应尽可能合理减少患者的受照剂量，做好患者的辐射防护，以获取最优化的效果。

核医学诊疗的频率和强度在人群中差异很大，Fabbri 等[26]研究发现，37%的患者在2 年内接受123I-MIBG SPECT/CT 检查3 次以上，27.5%的患者接受18F-FDG PET/CT 检查2 次。核医学医师应严格遵守核医学诊疗正当化原则，在确保患者符合核医学诊疗的适应证并且获得的利益大于辐射带来的损伤时，才可对患者行核医学检查。核医学检查具有巨大的临床价值，因而容易忽视其医疗暴露风险，特别是对有长期暴露风险的核医学检查患者，应更加关注其剂量监测和控制，采取一些预防措施以减少辐射带来的不良反应。

核医学医师应根据患者的诊断情况来制定严谨的用药计划，依照可合理达到的尽量低的原则，在确保诊疗质量的前提下，尽可能降低放射性药物的活度，以减少患者受到不必要的辐射。2012 年法国辐射防护与核安全研究院的调查结果显示，具有时间飞行技术的PET/CT 医疗机构使用的药物活度明显低于非时间飞行技术的医疗机构，患者受照剂量相差20%[28]。Sekine 等[29]发现采用硅光电倍增管的PET/MR 比采用硅酸钇镥闪烁晶体的PET/CT灵敏度更高，可减少40%的注射剂量且影像质量不变；对体重指数小于25 kg/m2的患者，可减少50%的剂量且成像质量可接受。通过采用高灵敏度探测器或时间飞行等技术，也可降低患者服用的放射性药物剂量。

患者注射放射性药物以后，患者本身也成为一个放射源。目前，我国规定131I 治疗患者体内放射性活度低于400 MBq 时方可出院[19]。对于行其他核医学检查的患者，由于其体内放射性活度低于标准，未限制其活动。邹作伟等[30]的研究结果显示，如果99Tcm-MDP 骨显像患者注射完药物后马上去其他科室进行其他检查，医护人员在距离患者0.5 m 处接触10 min 内会受到9.9 μSv 的照射剂量，每年有101 人次即达到公众有效剂量的剂量限值（1 mSv）；骨显影检查患者从药物注射到体内药物基本消失的32 h 内，分别在距离患者0.5、1 m处受到的辐射剂量为238.3 和99.7 μSv。患者会对周围人员造成一定的照射，但其辐射剂量水平远低于公众受照剂量限值[19]，为了避免不必要的额外照射，建议患者摄入放射性药物当天尽量避免与他人长时间近距离接触。

核医学医护人员在与患者接触过程中，应严格遵守外照射辐射防护的三原则，熟练操作流程，减少与患者近距离接触的时间，采用远距离操作器材，穿戴防护工具，同时医师应嘱咐患者检查结束后多饮水、多排尿，采用促排等方法减少放射性药物在体内的滞留时间，降低体内正常器官的辐射剂量。

4 小结与展望

随着核医学技术的不断发展，国内外核医学诊疗就诊人数呈持续上升趋势，对核医学诊疗中患者内照射剂量的研究显得尤为重要。我们重点针对核医学常用的3 种放射性核素（18F、99Tcm、131I）致患者的辐射剂量估算及其影响因素进行综述。综上所述，患者摄入的放射性药物活度直接影响内照射剂量，严格控制注射药物活度可有效控制患者的受照射剂量；此外，人体剂量模型的精确度对内照射剂量估算有重要的影响，体素模型和混合模型相比数学模型可以更好地反映人体的解剖结构。目前，临床上主要使用标准成年人模型估算患者的内照射剂量，针对不同种族、性别、年龄群体以及特殊身体状况的人体剂量模型建立和使用较少。依据不同模型计算的内照射剂量之间有明显差异，因此还需要进一步加强对特殊群体剂量模型的建立以及不断深入对SAF 的研究，以便更加精确地估算内照射剂量，在保证诊疗质量的同时，尽可能地合理减少患者的受照射剂量，降低任何潜在的风险，充分发挥核医学的优势，为患者的辐射防护研究提供参考。

利益冲突 本研究由署名作者按以下贡献声明独立开展，不涉及任何利益冲突。

作者贡献声明 何鑫雨负责综述的撰写；尚兵、姜晓燕、丁库克负责研究命题的提出、综述的审阅。