儿童胸部CT辐射剂量指标比较及扫描前剂量预算回归模型的建立*

张见 刘杰 张朋 张晓军

(南京医科大学附属儿童医院放射科,江苏 南京 210000)

胸部同时含有低密度的气体、中等密度的软组织以及高密度的骨骼,其对X射线具有天然的对比度,是CT检查最多的部位之一[1]。但胸部亦含有对X射线高度敏感的腺体,因而对其的辐射剂量管理尤为重要。近年来,低管电压、管电流自动曝光控制、大螺距、先进算法及各种个性化扫描方法,越来越多地应用于胸部CT检查[2-11]。对于辐射剂量的衡量,最常使用且最为直观的指标为容积CT剂量指数(Volume CT dose index,CTDIVOL)及剂量长度乘积(Dose length production,DLP),但其对辐射的衡量并不准确,尤其针对于儿童患者[12-17]。美国医学物理学家协会(American association of physicists in medicine,AAPM)提出的体型特异性剂量估算值(Size-specific dose estimate,SSDE)被认为是目前最为准确的衡量指标,且被越来越多的学者应用于辐射剂量衡量的研究之中[18-20]。本文通过对我院748例儿童胸部CT检查影像学资料的分析,比较不同辐射剂量指标间差异,建立儿童胸部辐射剂量指标回归模型。

1 资料与方法

1.1 临床资料 回顾性研究2021年1月—12月我院748例儿童胸部CT检查影像学资料,其中男童420例,女童328例,年龄3～15岁,平均(9.09±3.45)岁。依据年龄将患儿分为<5岁组、5～10岁组及11～≤15岁3组。入组标准：①检查体位标准。②检查部位体表无金属异物,体内无医疗植入物。③胸廓无明显变形。④检查图像均能满足临床诊断。排除标准：①BMI>22 kg/m2。②数据测量层面含有异常高密度钙化或金属。③患儿因其他病变导致骨质密度异常。

1.2 检查参数 检查设备采用Philips Brilliance型128 iCT(荷兰,飞利浦医疗)。患儿自主或口服镇静剂进入深睡眠后,去除厚重衣物仰卧于检查床正中,头先进,双臂上举置于头颅两侧。管电压使用100 kVp,管电流则为自动曝光控制技术(Automatic exposure control,AEC),探测器：128×0.625 mm,矩阵：512×512,螺距：0.763,球管转速：0.27 s/r,扫描层厚/层间距均为5 mm,iDose44级迭代重建算法,扫描范围胸廓入口至两侧肋膈角。

1.3 胸围(Chest circumference,CC)的测量及辐射剂量计算 CC的测量：选取患儿乳头层面图像,画一尽可能贴近皮肤的多曲线感兴趣区,记录曲线的长度,测量三次取其平均值作为CC。本研究辐射剂量指标采用CTDIVOL、DLP及基于水当量直径(Water equivalent diameter,DW)的SSDE(SSDEDW)。记录检查结束后设备自动生成的CTDIVOL、DLP。SSDEDW的计算使用AAPM 220报告中的计算公式。具体方法为：在所有图像最中间层面图像划一包含所有解剖结构的最小椭圆形感兴趣区,记录其面积(Area of interest,AROI)及平均CT值(CT value,CTROI),计算水当量直径(DW)及转换因子(Conversion factor,f),依据上述数据计算SSDEDW。计算公式如下[19]：

f= a e-b×DW

SSDEDW=f×CTDIVOL

2 结果

2.1 一般资料情况 748例患儿CC为43.3～90.5 cm,平均(62.42±10.85) cm;DW为13.33～25.01 cm,平均(18.11±2.71) cm,f为1.47～2.26,平均(1.91±0.19)。

2.2 CTDIVOL、SSDEDW结果 748例患儿胸部CTDIVOL为(3.05±0.72)mGy,SSDEDW为(5.69±0.87)mGy;CTDIVOL较SSDEDW低46.40%,二者比较差异有统计学意义(t=-241.95,P<0.001)。3组CTDIVOL、SSDEDW见表1。

表1 3组CTDIVOL、SSDEDW结果

2.3 CTDIVOL、SSDEDW、DLP与Age、CC间相关性及回归模型建立 Pearson相关分析表明：CTDIVOL与Age、CC均有较强正向相关性(Age：r=0.80,P<0.001;CC：r=0.92,P<0.001);SSDEDW与Age、CC均有较强正向相关性(Age：r=0.72,P<0.001;CC：r=0.74,P<0.001);DLP与Age、CC亦均有较强正向相关性(Age：r=0.88,P<0.001;CC：r=0.90,P<0.001)。建立CTDIVOL、SSDEDW、DLP与Age、CC间回归模型,其回归方程分别为：基于Age的回归模型：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的回归模型：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)。具体相关性散点分布及拟合曲线见图1。辐射剂量指标与衡量参数间均具有较好的拟合关系,CTDIVOL、SSDEDW、DLP均随着Age、CC的增大而增加。

图1 CTDIVOL、SSDEDW、DLP与Age、CC带有拟合曲线的散点分布图

2.4 回归模型的误差性分析结果 基于变量Age、CC计算CTDIVOL其误差分别为(0.13±0.10)、(0.09±0.06);基于变量Age、CC计算SSDEDW其误差分别为(0.10±0.06)、(0.09±0.07);基于变量Age、CC计算DLP其误差分别为(0.13±0.09)、(0.13±0.10)。具体误差分布见图2。基于CC计算的辐射剂量指标其误差值较Age小。

图2 基于变量Age、CC计算的CTDIVOL、SSDEDW、DLP与实测CTDIVOL、SSDEDW、DLP误差分布图

3 讨论

CT检查图像载体为X射线,其对人体组织器官具有放射危害,因而如何在满足诊断的前提下尽可能的减小辐射危害,一直受到从业者及受检者的关注[21]。X射线能量较高,可对组织细胞直接产生电离作用,破坏DNA结构而导致不可预知的后果。未成年患者特别是婴幼儿,组织细胞增殖分裂较为活跃,对X射线更为敏感,有研究表明,婴幼儿时期接受CT辐射与晚年罹患白血病及脑肿瘤的发病率高度相关[22]。对于辐射剂量的衡量,目前多采用容积CT剂量指数,其计算是基于16 cm或32 cm标准体模,主要影响因素为CT检查参数,更多反映的是CT设备的输出辐射剂量。而人体组织结构及身体尺寸,特别是婴幼儿群体,与标准体模差异较大,有研究表明,CTDIVOL对体型较小的幼儿及儿童的辐射剂量衡量并不准确[23-24]。为进一步准确衡量辐射剂量,AAPM提出的体型特异性剂量估算值,被认为是目前最为准确的衡量指标。体型特异性剂量估算值的计算分别基于有效直径(effective diameter,DE)和水当量直径(DW)。DE是将检查部位模拟为椭圆形横截面,患者体型可用面积与之大致相等的圆柱形水模的直径来表示,其仅考虑了检查部位大小对辐射剂量的影响而忽略了X射线衰减;DW除了使用代表几何外形尺寸的椭圆形面积之外,还使用横截面平均CT值来定义检查部位组织对X射线的衰减,胸部由于富含气体,二者间的差距可高达12%[24]。DW的计算过程综合考虑了检查部位尺寸及组织结构对X射线的衰减,因而其对辐射的衡量更为准确。本研究通过对儿童胸部CT检查资料的回顾性分析,比较CTDIVOL与SSDEDW在衡量辐射剂量上的差异,回归分析年龄、胸围与CTDIVOL、SSDEDW、DLP的相关性,建立回归模型以CT扫描前预算辐射剂量指标。

入组患儿平均DW为(18.11±2.71)cm,DW随着年龄的增大而逐渐增加,最大值为25.03 cm。而CT设备CTDIVOL的测量基于32 cm标准体模,本研究患儿的DW远小于32 cm,检查部位尺寸与标准体模存在较大的差距。除此,胸内肺脏为含气器官,其CTROI为负值,亦是导致CTDIVOL低估其辐射剂量的原因。在余佩琳等[25]的研究中,CTDIVOL较SSDEDW低估其辐射剂量,其低估程度随着年龄的降低而增加。本研究数据结果也表明,全部入组患儿平均CTDIVOL为(3.05±0.72)mGy;SSDEDW为(5.69±0.87)mGy;CTDIVOL较SSDEDW低46.40%,f亦随着年龄的增大而降低,在各年龄分组中,f均大于1,这与文献研究相一致。相同检查条件使用CTDIVOL衡量其辐射剂量较SSDEDW低估,使用SSDEDW更能精确衡量辐射剂量。但SSDEDW的精确测量需要受检者扫描定位像或轴位扫描图像,根据其定位像计算SSDEDW过程繁琐,耗时较长,在实际工作中不可实现,而轴位图像则扫描前不可获取,因此需要简单易行的指标来预计算其SSDEDW。Pearson相关分析表明,CTDIVOL、SSDEDW及DLP与Age、CC均有较强正向相关性,因而可以使用Age、CC作为DW的替代指征来预计算辐射剂量指标。本研究结果亦表明,CTDIVOL、SSDEDW、DLP与Age、CC间具有较好的拟合关系,回归模型拟合系数均在0.50以上,甚至CTDIVOL、DLP与Age、CC间拟合系数高达0.80以上,这就说明可以通过患儿的Age及CC来预估其辐射剂量指标,可以在检查前预计算其辐射,以更好地控制辐射剂量水平。对于回归模型,本研究使用误差分析对其准确性进行进一步的验证。基于年龄及胸围的回归模型平均误差分别为13%及9%,远小于AAPM报告中SSDEDW的准确性在20%以内的误差标准,说明使用回归模型计算其辐射剂量指标是完全可行的,特别是使用基于胸围回归模型计算其辐射剂量指标更为准确。

本研究不足之处：①患儿所有数据均来自同一CT设备,数据间相关性及回归模型的准确性尚需在其他设备上进一步验证。②由于入组标准为标准体位的原因,本研究数据未涉及小于3岁的幼儿,回归模型对其可能并不适用。③SSDEDW的计算数据均为手动测量,其与真实值之间有一定的误差,可能会造成研究结果的不准确性。④CTDIVOL基于32 cm标准体模而得,未与16 cm体模测算的CTDIVOL进行比较,今后可进一步研究。

4 结论

在儿童胸部CT辐射剂量衡量上,CTDIVOL较SSDEDW低估其辐射剂量,使用SSDEDW更为精确;使用年龄、胸围作为水当量直径的替代指征来预计算患儿的辐射剂量指标可以在检查前快速预计算其辐射,对于辐射剂量更好的控制具有重要作用。