PET/CT受檢者的有效劑量及其影響因素的研究*

梁子威 耿建華* 王奕斌 杜召猛 畢高暢 齊雍鶴 鄭 容 吳 寧

PET/CT受檢者的有效劑量及其影響因素的研究*

梁子威①②耿建華①②*王奕斌①杜召猛①畢高暢①齊雍鶴①鄭 容①②吳 寧①

目的：研究PET/CT受檢者有效劑量及其影響因素，為保證圖像質(zhì)量、降低受檢者的輻射劑量提供數(shù)據(jù)依據(jù)。方法：PET/CT受檢者的有效劑量為PET放射性藥物導(dǎo)致的劑量與CT導(dǎo)致的劑量之和。PET部分由注射的放射性藥物活度計(jì)算獲得，CT部分采用仿真人體模型(Model RS-550)實(shí)驗(yàn)獲得，成像設(shè)備為GE Discovery ST PET/CT。CT采集條件：管電壓為120 kV，管電流為30～250 mA范圍內(nèi)固定及自動管電流(ATCM)，螺距分別為0.938、1.375和1.75，模擬臨床PET/CT的分段掃描方式對仿真人體模型進(jìn)行掃描。記錄各種掃描條件下的劑量長度乘積(DLP)，計(jì)算有效劑量(EDCT)。結(jié)果：①PET部分有效劑量：18F-FDG注射劑量為3.70～5.55 MBq/kg，對體重45～85 kg的受檢者有效劑量為3.16～8.96 mSv，與注射劑量及體重成正比，與PET的采集條件無關(guān)；②CT部分有效劑量：對固定的螺距，有效劑量隨管電流的增加呈線性增加；對固定的管電流，隨螺距的增加降低。不同的掃描條件下，有效劑量在1.62～27.68 mSv范圍內(nèi)。結(jié)論：對確定的受檢者，由PET部分導(dǎo)致的有效劑量基本固定，而由CT部分引起的有效劑量隨CT掃描條件有較大的差異，因此可根據(jù)不同的臨床需求，選擇不同的CT掃描條件，可有效降低受檢者的有效劑量。

正電子發(fā)射斷層掃描；體層攝影術(shù)，X射線計(jì)算機(jī)；受檢者；有效劑量；影響因素

DOI∶ 10.3969/J.ISSN.1672-8270.2015.11.001

[First-author’s address] 1.Department of Nuclear Medicine and PET/CT Center, Cancer Hospital, Chinese Academy of Medical Sciences & Peking Union Medical College, Beijing 100021, China. 2.Department of Nuclear Medicine, Cancer Hospital, Chinese Academy of Medical Sciences & Peking Union Medical College, Beijing 100021, China.

PET/CT具有同時(shí)獲得功能及解剖影像的優(yōu)勢，使之成為臨床中不可替代的診斷手段。近年來，PET/CT在臨床中應(yīng)用范圍不斷擴(kuò)大到正常人群的腫瘤篩查以及不明原因的腫瘤標(biāo)志物升高等檢查。然而，由全身的CT掃描及放射性藥物給受檢者造成的高額輻射還沒有被足夠認(rèn)識。相比PET檢查放射藥物所產(chǎn)生的輻射劑量或常規(guī)局部CT掃描所產(chǎn)生的輻射劑量，PET/CT對受檢者所產(chǎn)生的輻射劑量會明顯加大[1]。本研究對不同采集條件PET/CT中CT的性能指標(biāo)及劑量影響進(jìn)行研究，進(jìn)一步探討在臨床條件下PET/CT中CT部分及PET部分對受檢者的有效劑量及其影響因素，并且找出有效劑量與影響因素之間的關(guān)系，為臨床中盡可能降低PET/CT輻射劑量提供參考依據(jù)[2-5]。

1 資料與方法

1.1 儀器設(shè)備

PET/CT機(jī)型為GE公司的Discovery ST-16型，CT部分為LightSpeed16層螺旋CT；仿真人體模型為The Fission-Product Model RS-550模體，由頭部、頸部、軀干及大腿上半部組成；器官及組織包括大腦、口咽、甲狀腺、肺、縱膈、肝臟、胰腺、脾臟、雙腎、腸管、骨骼、脂肪及肌肉等，各種器官組織的大小及密度與標(biāo)準(zhǔn)成年人一致。

1.2 CT掃描條件

1.2.1 掃描范圍

掃描范圍與臨床一致，采用方式：頭頸部2床位(頭頂至鎖骨)，87層，掃描長度281.22 mm；體部5床位(下顎至股骨上端)，207層，掃描長度673.62 mm。

1.2.2 掃描參數(shù)

掃描分別采用固定管電流模式和自動管電流模式，采集條件：①固定管電流模式，管電壓固定為120 kV，螺距固定分別為0.938、1.375和1.75，層厚3.75 mm，層間距3.27 mm(PET層厚)，掃描速度0.8 s/r，管電流分別為30 mA、50 mA、70 mA、90 mA、110 mA、130 mA、150 mA、170 mA、190 mA、210 mA、230 mA和250 mA。共36組掃描條件；②自動管電流模式(automatic tube current modulation，ATCM)，設(shè)置管電壓為120 kV，螺距固定分別為0.938、1.375和1.75，管電流區(qū)間為30～250 mA，其他掃描參數(shù)均選擇臨床PET/CT中所用值。采用上述掃描條件分別對Model RS-550仿真人體模型進(jìn)行掃描。

1.3 CT有效劑量計(jì)算

采用劑量長度乘積估算法，讀取不同掃描條件下的劑量報(bào)告，記錄其中的劑量長度乘積(dose length product，DLP)并由公式1[6]計(jì)算CT有效劑量(ED)：

式中k為加權(quán)因子，其單位為mSv/(mGy.cm)；DLP為CT劑量報(bào)告讀出的劑量長度乘積，與掃描長度成正比。不同年齡、不同部位，k值不同。根據(jù)ICRP102報(bào)告，對成年人，軀干：k=0.015；頭頸部：k=0.0031[6]。

1.4 PET有效劑量計(jì)算

PET部分導(dǎo)致的有效劑量由注射放射性藥物的劑量決定，放射性藥物對患者造成的有效劑量由公式2[7]計(jì)算獲得：

式中dE為單位活度對受檢者造成的有效劑量，對成年人注射18F-FDG，dE=1.9×10-2mSv/MBq[7]；A為對受檢者注射的18F-FDG的活度，A=a·W，a為每公斤體重注射的18F-FDG的活度，單位為MBq/kg；W為受檢者體重，單位為kg。公式(2)可進(jìn)一步細(xì)化為公式3：

2 結(jié)果

2.1 CT部分的有效劑量

在固定管電壓為120 kV，不同的管電流，3種螺距條件時(shí)，計(jì)算獲得的頭頸部掃描及軀干掃描所致的有效劑量(mSv)見表1、表2。

表1 針對5個(gè)床位軀干掃描所致的有效劑量(mSv)

表2 針對2個(gè)床位頭頸掃描所致的有效劑量(mSv)

各種掃描條件下5個(gè)床位的軀干掃描加2個(gè)床位的頭頸部掃描導(dǎo)致的受檢者的有效劑量見表3，如圖1所示。

表3 針對5個(gè)床位的軀干掃描加2個(gè)床位的頭頸部掃描所致的有效劑量(mSv)

圖1 不同采集條件下CT部分所致受檢者的有效劑量趨勢圖

圖1 顯示，在固定管電流模式，管電流≤190 mA范圍內(nèi)，在任何螺距下，有效劑量均與管電流成線性關(guān)系，而在管電流＞190 mA后，有效劑量隨管電流的增幅明顯提高。在自動管電流模式，相同螺距下，有效劑量與固定管電流模式下管電流130～150 mA時(shí)大致相同。

對表3中管電流≤190 mA的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析可見，有效劑量均與管電流成非常顯著的線性關(guān)系為公式4～6：

利用公式4～6，可以簡捷估算出受檢者的輻射劑量。為更直接的估算受檢者的輻射劑量，近似簡化式(4)～(6)得到公式7～9：

臨床應(yīng)用中可以利用公式(7～9)更簡捷估算出受檢者的輻射劑量。

利用SPSS將有效劑量對管電流和螺距進(jìn)行多元線性擬合，得到受檢者有效劑量隨管電流及螺距的變化關(guān)系(公式10)：

本研究中掃描速度為8.0 s/r，考慮到采用不同的掃描速度，公式(10)可修正為公式11：

公式(4)～(11)的適用條件：機(jī)型Discovery ST-16型，管電壓120 kV，管電流30～190 mA，掃描速度可選的任何速度，掃描范圍為5個(gè)床位的體部掃描加2個(gè)床位的頭頸部掃描。利用公式(4)～(11)可計(jì)算出受檢者的輻射劑量。

2.2 PET部分導(dǎo)致的有效劑量

不同的機(jī)型對注射顯像劑的劑量均有建議值，在用的所有機(jī)型對18F-FDG注射劑量的建議值在3.0～7.4 MBq/kg(0.08～0.20 mCi/kg)范圍內(nèi)，根據(jù)2012年1月至2014年6月《中華核醫(yī)學(xué)與分子影像雜志》和《Journal of Nuclear Medicine》對所有寫明PET/CT檢查中18F-FDG注射量的報(bào)道中18F-FDG注射劑量進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，其結(jié)果顯示，臨床中多數(shù)18F-FDG PET/CT的注射劑量為3.7～5.5 MBq/kg(0.10～0.15 mCi/kg)[8-11]；其中較大劑量達(dá)7.4 MBq[12-14]。采用公式3計(jì)算獲得的不同注射劑量下、不同體重的受檢者的有效劑量見表4。

表4 不同注射劑量下不同體重受檢者所受的有效劑量/mSv

3 討論

根據(jù)PET/CT特點(diǎn)，其掃描范圍由PET的床位(軸向視野)來度量。通常PET/CT采用頭部和體部(軀干)分段掃描的方式，本研究使用小軸向視野(15～16mm)PET/CT，其掃描方式主要有2種：①頭頸部2床位(頭頂至鎖骨)＋體部(軀干)5床位(鎖骨上至股骨中段)，為常規(guī)掃描方式，其優(yōu)點(diǎn)是可以保留顱底及鼻咽部的連續(xù)性，適用于大多數(shù)腫瘤患者；②頭部1床位(頭頂至顱底)＋體部(頸部＋軀干)6床位(頸部至股骨中段)，其優(yōu)點(diǎn)是可以保留頸部淋巴結(jié)的連續(xù)性，對于淋巴瘤患者主要采用這種方式，對于甲狀腺癌患者為確保甲狀腺及周圍組織的連續(xù)性，以該方式為宜；對于惡性黑色素瘤患者，因其病變部位分散、肢體末端多發(fā)的特點(diǎn)，也多采用該方式，但掃描范圍要適當(dāng)增加。對受檢者所受的劑量，由于這兩種方式的掃描范圍及總長度一致，因此兩種掃描方式下，受檢者的有效劑量基本一致。分段掃描的優(yōu)點(diǎn)在于掃描體部時(shí)采用雙臂上舉的體位，可有效減少雙臂對于胸部掃描的影響，減少噪聲，提高圖像質(zhì)量。本研究采用5床位(673.62 mm)＋2床位(281.22 mm)的掃描方式，可滿足身高＜180 cm所有受檢者，對受檢者身高的統(tǒng)計(jì)結(jié)果顯示，97%的受檢者的身高均＜180 cm。

本研究實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，當(dāng)其他條件不變時(shí)在所測量的管電流范圍內(nèi)，CT的輻射劑量會隨管電流的增加而線性增加，隨螺距的減少而增加。X射線球管電流決定了發(fā)射X射線的強(qiáng)度，即X射線光子的個(gè)數(shù)，在CT掃描中發(fā)射的X射線光子的數(shù)量與管電流及總掃描時(shí)間成正比。X射線光子的數(shù)量越多，圖像的信息量越多，因此圖像質(zhì)量越好，但是受檢者的輻射劑量越高。管電流越大，X射線光子的數(shù)量愈高，輻射劑量愈大；降低螺距，能增加總掃描時(shí)間，因此增加X射線光子的個(gè)數(shù)，增大輻射量。本實(shí)驗(yàn)中，固定其他條件，當(dāng)管電流增加時(shí)，X射線光子的數(shù)量增加，因此導(dǎo)致輻射劑量增加。按照實(shí)驗(yàn)結(jié)果，當(dāng)管電壓固定在120 kV，掃描速度0.8 s/r，管電流≤190 mA范圍內(nèi)，在任何螺距下有效劑量均與管電流成線性關(guān)系，如公式(4)～(6)，而當(dāng)管電流＞190 mA時(shí)，有效劑量隨管電流的增幅明顯提高。以5床位體部有效劑量為例，當(dāng)管電流在30～190 mA范圍內(nèi)時(shí)，螺距為0.938、1.375、1.75時(shí)，管電流每增加20 mA，有效劑量分別增加1.85 mSv、1.26 mSv和0.99 mSv。然而，管電流為210 mA時(shí)有效劑量較190 mA時(shí)分別增加3.77 mSv、2.58 mSv和2.03 mSv，當(dāng)管電流＞210 mA后，管電流每增加20 mA，有效劑量分別增加2.03 mSv、1.39 mSv和1.09 mSv。可見，當(dāng)管電流在190～210 mA之間時(shí)，有效劑量明顯增加；管電流在210 mA以后，有效劑量的增加成新的線性關(guān)系。因此，建議PET/CT采集劑量不宜＞190 mA。

在自動管電流采集條件下，設(shè)定相同管電流范圍為30～250 mA，分別使用螺距為0.938、1.375和1.75，計(jì)算得出CT部分有效劑量分別為12.46 mSv、8.52 mSv和7.88 mSv，有效劑量隨螺距的增加而降低。在其他掃描條件不變時(shí)，自動管電流CT有效劑量與對應(yīng)螺距下固定管電流130～150 mA時(shí)基本相同。

PET/CT受檢者所受的輻射劑量為注射的放射性藥物與全身CT的輻射劑量之和。對PET而言，不同的檢查及不同機(jī)型所需注射的顯像劑18F-FDG劑量不同。本研究根據(jù)2012年1月至2014年6月《中華核醫(yī)學(xué)與分子影像雜志》及《Journal of Nuclear Medicine》中有關(guān)PET/CT的報(bào)道，注射劑量分別為3.7～7.4 MBq/kg(0.10～0.20 mCi/kg)和3.9～7.4 MBq/kg(0.11～0.20 mCi/kg)，多數(shù)為3.7～5.55 MBq/kg(0.10～0.15 mCi/kg)[8-11]。由此可見，國內(nèi)外注射劑量基本相一致。對體重在45～85 kg的受檢者有效劑量為3.16～8.96 mSv(見表4)。

有文獻(xiàn)報(bào)道，CT部分的輻射劑量為PET/CT所致的輻射劑量中的大部分，且高達(dá)80 mSv[15]。本研究所得CT部分有效劑量為8.12 mSv；PET部分與受檢者體重有關(guān)，體重為45～85 kg的受檢者，其有效劑量為3.16～8.96 mSv；體重為67 kg患者，其有效劑量為4.57～7.38 mSv。因此，CT部分的輻射劑量為PET/ CT檢查輻射劑量的大部分，與文獻(xiàn)報(bào)道結(jié)果基本一致。然而，最高輻射劑量與文獻(xiàn)80 mSv相差較多[15]。分析其原因?yàn)椋孩俦緦?shí)驗(yàn)CT掃描參數(shù)中使用管電流最高為250 mA，較文獻(xiàn)報(bào)道的低；②受患者體重的影響，PET部分的有效劑量與體重成正比；③胸部診斷，有些PET/CT檢查為保證診斷效率常規(guī)掃描胸部CT，其對受檢者的有效劑量為7～8 mSv，本研究未包括胸部診斷所致有效劑量。

本研究采用仿真人體模型，PET/CT機(jī)型為GE公司的Discovery ST-16型，而其他機(jī)型采用的掃描參數(shù)有所差異，輻射劑量也略有差別，但總體趨勢相同，可以反映實(shí)際臨床受檢者所受真實(shí)輻射劑量。

4 結(jié)語

CT在PET/CT中的作用可分為3種：①只用作PET圖像重建時(shí)的衰減校正；②解剖定位兼衰減校正；③CT診斷兼解剖定位和衰減校正，這3種情況所需的CT圖像質(zhì)量由低到高，差別較大[16]。通常情況下，較高的輻射劑量獲得的圖像質(zhì)量也較好，然而造成受檢人群輻射致癌的風(fēng)險(xiǎn)也隨之增加[17]；當(dāng)CT劑量較低時(shí)，往往只能提供衰減校正和定位的作用，不能提供足夠的診斷信息，需要進(jìn)一步研究仿真人體模型圖像質(zhì)量與輻射劑量及掃描參數(shù)之間的關(guān)系，探討如何在滿足臨床需求的前提下降低輻射劑量。

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Research on effective dose and influence factors for PET/CT patients

LIANG Zi-wei,GENG Jian-hua, WANG Yi-bin, et al
China Medical Equipment,2015,12(11)∶1-5.

Objective∶ To investigate the effective dose of patient caused by PET/CT to provide data basis for decreasing the radiation dose. Methods∶ The effective dose was the sum of the dose caused by CT and PET. The dose caused by PET was calculated by the radioactivity of the radiopharmaceutical injected. The dose caused by CT was determined by acquisition for the anthropomorphic phantom (Model RS-550). PET/CT system of GE Discovery ST-16 was used to simulate clinical PET/CT situation for the anthropomorphic phantom. CT acquisition conditions were as follows: tube voltage 120kV, tube current 30-250mA, pitch 0.938, 1.375 and 1.75. Scan range was divided into body scan and head-neck scan to simulate clinical PET/CT. The dose-length product (DLP) was recorded and the effective dose (EDCT) was calculated with EDCT=k·DLP. Results∶ 1)The effective dose caused by PET was 3.16-8.96mSv for a patient with 45-85 kg weight with injection dose 3.70-5.55MBq/kg (0.08-0.15mCi/kg) of18F-FDG, increased linearly with weight and injection dose and independent of the PET acquisition conditions. 2)The effective dose caused by CT increases linearly with increasing tube current when the pitch was fixed. However, when the tube current fixed, the effective dose reduce with increasing pitch. Under the different acquisition condition, the effective dose was 1.62-27.68 mSv. Conclusion∶ There is no big variation for effective dose by PET for a certain patient, however there is much difference for the effective dose caused by CT under the different acquisition conditions. It shows that the radiation dose caused by CT in PET/CT could be effectively reduced by appropriate choice of acquisition conditions according to different clinical needs.

Positron-emission tomography; Tomography, X-ray computed; Patient; Effective radiation dose; Influence factors

梁子威，男，(1987- )，碩士研究生，醫(yī)師。北京協(xié)和醫(yī)學(xué)院 中國醫(yī)學(xué)科學(xué)院腫瘤醫(yī)院PET/CT中心，研究方向：核醫(yī)學(xué)圖像質(zhì)量控制。

1672-8270(2015)11-0001-05

R144

A

2015-07-15

國際科技合作項(xiàng)目(2009DFA32960)“PET/CT腦分子影像研究與應(yīng)用平臺及針灸中樞機(jī)理探索”；中國癌癥基金會北京希望馬拉松專項(xiàng)基金(LC2013A13)“PET/CT的輻射劑量和圖像質(zhì)量的模型研究”

①北京協(xié)和醫(yī)學(xué)院 中國醫(yī)學(xué)科學(xué)院腫瘤醫(yī)院PET/CT中心 北京 100021

②北京協(xié)和醫(yī)學(xué)院 中國醫(yī)學(xué)科學(xué)院腫瘤醫(yī)院核醫(yī)學(xué)科 北京 100021

*通訊作者：gengjean@163.com