體型特異性劑量估計之美國醫學物理師學會第293號報告解讀

陳迢， 彭偉， 陳浩， 鄭麗麗， 賀瑤瑤， 張照喜， 袁子龍， 李翠玲

目前CT掃描儀通過輸出容積CT劑量指數(volume computed tomography dose index,CTDIvol)及相應劑量長度乘積(dose length product,DLP)來標準化計算機器輸出劑量水平。然而患者接受輻射劑量既與機器輸出劑量有關也與患者體型有關；特別是對體型較小兒童，如果不考慮其體型特點可能導致低估2～3倍患者所接受輻射劑量[1]。因此為了更便捷準確估算CT受檢者輻射劑量，美國醫學物理師學會(American Association of Physicists in Medicine，AAPM)于2011年發布了第204報告，提出了基于患者幾何尺寸特點體型特異性劑量估計(size-specific dose estimate，SSDE)概念，其通過測量目標區域CT圖像前后徑(AP)與左右徑(Later)計算有效直徑(effective diameter,ED)，進而得到轉換因子(f)后聯合CT容積劑量指數(CTDIvol)來進行劑量估算SSDE，但是患者幾何尺寸并不包含X線衰減特點[1]，特別是針對胸部CT掃描無法進行準確劑量評價。因此AAPM于2014年提出更為精確基于組織等效水等效直徑(water equivalent diameter,DW)體型特異性劑量估計概念，其充分考慮患者各部位X線吸收特點并標準化為水線性衰減便于臨床實施[2,3]。但是第204和220報告中并沒有針對頭部轉換因子進行實驗計算，而腦組織是被包含在相對致密顱骨內，即使是相同DW值，頭部與體部吸收劑量空間分布也不盡相同。特別是對于兒童患者，由于其體型偏小，顱骨在密度顱腦中所占比重較大且顱骨結構在青少年時期和成人中差別較大[4]，而204報告中f值最初計劃應用于腹部輻射劑量估算，腹部是一個包含較少骨質相對均質區域，因此使用204和220報告中所推薦f來估算頭部輻射劑量是不準確的[5]。因此急需專門對頭部轉換因子進行準確測定以便更加準確估算頭部CT檢查輻射劑量，特別是對兒童頭部CT檢查輻射劑量準確估算意義重大[6]。因此AAPM對該部分進行了相應修正，并于2019年7月發布了其第293號報告[7]。本文將對第293報告中頭部SSDE計算方法及轉換因子變化進行闡述。

AAPM第293號報告中頭部SSDE轉換因子(fH16)建立與修訂

目前已由AAPM第204號報告證實由CT設備輻射劑量輸出指數CTDIvol結合患者體型轉換系數f來估算患者輻射劑量SSDE值，然而該報告主要通過16 cm和32 cm PMMA體模進行模擬估算腹盆腔和胸部轉換因子，因此其轉換系數主要是針對腹盆腔。雖然該轉換因子可用于胸部SSDE的估算，但會存在20%以內偏差且該報告中并沒有提供針對頭部轉換因子；同時204報告中SSDE估算采用整個掃描中間層面圖像進行，因該層包含了來自中間層面相鄰上、下層面散射線影響[8,9]，導致中間層面最接近整個掃描最大吸收劑量，從而會使整個掃描平均吸收劑量偏低?；谶@些原因，AAPM第293報告工作組為了準確評估頭部CT檢查輻射劑量專門對頭部轉換因子估算進行了大量而細致工作。該工作組分別在圣猶大研究醫院(SJCRH)、加利福尼亞大學戴維斯分校(UCD)、加利福尼亞大學洛杉磯分校(UCLA)及梅奧醫學中心(Mayo)利用物理體模及蒙特卡洛模擬來建立基于頭部16 cm CTDI體模SSDE轉換因子fH16與DW函數。具體的研究結果如下。

圖1 Mayo在西門子FORCE CT測量新生兒、1歲、5歲和成人組織等效體模轉換因子(fH16)。誤差線示由于不同管電壓(70～150kV)產生變化，水平誤差線反映不同管電壓對DW造成變化。 圖2 UCLA使用GSF、ICRP和5個體素化兒童患者體模進行蒙特卡洛模擬，并在西門子Sensation64排CT上進行模擬。SSDE估算采用臨床頭部掃描中心0.5cm厚腦實質體素化模型行累積劑量估計。所示數據為本研究中所使用15個體模每一個個體蒙特卡洛測量值。 圖3 UCD使用蒙特卡洛模擬驗證在SJCRH通過GE VCT和GE Revolution機器掃描(80、100、120和140kV)物理測量新生兒、1歲、5歲和成人頭部體模獲得綜合劑量值。其中GE VCT和GE revolution分別使用2.0cm和0.5cm準直束。 圖4 UCD使用蒙特卡洛模擬估算GE VCT和GE Revolution CT掃描新生兒、1歲、5歲和成人頭部體模轉換因子(fH16)。大腦劑量估算以沉積在0.5cm厚組織等效固體水部分中心板劑量。其中誤差線表示管電壓范圍為80～140kV的fH16平均值一個標準偏差。 圖5 顯示fH16與DW最佳擬合曲線，其中黑線表示單一管電壓(80、100、120和140kV)下擬合曲線而紅線表示綜合最佳擬合曲線。 圖6 在同一DW值的情況下，分別依據AAPM 204報告得到體部轉換因子fB16和AAPM 293報告得到頭部轉換因子fH16。對于同一CTDIvol,16值,由于頭部轉換因子與體部轉換因子差異，造成頭部比體部SSDE值低約8.7%。

1.梅奧醫學中心：組織等效頭部體模物理測量

Mayo使用4個不同尺寸組織等效體模(體模編號：007TE-21、007TE-22、007TE-23、007TE-27,CIRS Inc.,Norfolk,VA)分別在西門子雙源CT(Somatom Force,Siemens Healthcare,Germany)進行數據采集，體模參數如表1，每個組織等效體模均與CTDI體模結構類似，在體模中心及外周3，6，9，12點鐘方向均有圓形孔洞，可插入標準CTDI電離室，并測量不同條件下吸收劑量。使用標準準直束(192×0.6 mm)及常規頭部掃描協議(旋轉時間為1 s)，管電壓范圍70～150 kV，以10 kV步級遞增并采用自動管電流控制技術(auto exposurecontrol，AEC)，其中參考管電流220 mAs；隨后關閉AEC，調整有效mAs以獲得使用AEC系統所得到CTDIvol值。結果測得不同管電壓下水等效直徑DW變異度在1%～1.5%，說明DW受管電壓影響很小(圖1)。 通過CIRS體模測得吸收劑量除以CTDIvol,16，以計算每個體模CTDIvol,16與SSDE轉換因子fH16，結果顯示新生兒、1歲、5歲和成人轉換因子fH16值(變異系數)分別為1.19(2.2%)、1.00(5.6%)、0.95(6.3%)和0.87(8.8%)(圖1)。而成人頭部體模存在最大變異度原因是在所評估管電壓范圍內(70～150kV)其光束硬化程度顯著增加造成的。

表1 組織等效頭部體模各項參數

其中DW是70、90、110、120、130和150kV值下得到平均值及其變異系數(CV)。

2.加利福尼亞大學洛杉磯分校：體素化頭部模型蒙特卡洛估計

UCLA采用不同尺寸體素化頭部體模蒙特卡洛模擬行體素水平劑量模擬[10]。所用體素化體模為GSF體模[11]、ICRP體模[12]及5個不同年齡兒童體素化體模[13]，掃描協議為AAPM推薦西門子常規頭部CT掃描參數(AAPM. Adult Routine Head CT Protocols Version 2.0. 2016.)，所有測得腦組織吸收劑量除以相應CTDIvol以計算CTDIvol,16與SSDE的轉換因子fH16。所得結果與梅奧醫學中心測量結果接近，fH16從1.18到0.76不等，DW從10.6cm到20.2cm不等(圖2)。

3.加利福尼亞大學戴維斯分校：虛擬頭部CT體模蒙特卡洛估計

對SCJRH組織等效頭部模型物理測量蒙特卡洛驗證：SCJRH使用16cmCTDI頭部體模及4個不同尺寸的組織等效體模(體模編號：007TE-21、007TE-22、007TE-23、007TE-27,CIRS Inc.,Norfolk,VA)分別在兩臺CT[Volume CT (VCT) and Revolution CT (RCT) scanners,GE Healthcare,Waukesha WI]上進行掃描。UCD通過組織等效頭部體模的虛擬版本(表1)進行蒙特卡洛模擬估計常規頭部容積掃描中心吸收劑量，測算方法與SCJRH類似，結果顯示蒙特卡洛模擬劑量與實際測量劑量具有很好相關性(R2>0.99)(圖3)，其中GE VCT和GE Revolution掃描吸收劑量平均(范圍)絕對差異分別是1.45%(0.05～4.33)和0.64%(0.01～2.86)。

蒙特卡洛模擬估算組織等效頭部體模轉換因子與DW關系:UCD通過蒙特卡洛估計出轉換因子fH16與DW關系(圖4)。結果顯示GE VCT掃描儀掃描新生兒、1歲、5歲和成人的fH16值(變異系數)分別為1.14(3.4%)、0.99(6.1%)、0.91(7.6%)和0.80(10.4%)，GE Revolution掃描儀掃描新生兒、1歲、5歲和成人的fH16值(變異系數)分別為1.08(3.3%)、0.97(5.8%)、0.90(7.2%)和0.80(9.9%)。由此得出不同年齡頭部轉換因子fH16與DW關系，最終可通過這一關系估算頭部檢查患者SSDE。

頭部SSDE綜合評估

研究小組計算出在不同管電壓下(80、100、120及140kV)轉換因子(fH16)與DW的關系，并將不同管電壓綜合擬合出最佳曲線(圖5)。

雖然單個不同管電壓(80、100、120及140kV)下DW與轉換因子fH16具有較高相關系數(R2分別為0.9396、0.9432、0.9198及0.9551)，但如果將管電壓也納入SSDE計算考慮范圍內，則增加了頭部SSDE計算復雜性，不利于臨床應用；另外即使在給定管電壓情況下，對于不同CT系統轉換系數fH16也會有較大差異。因此為了簡化運算，便于臨床使用，293報告仍推薦采用相關系數綜合擬合轉換系數fH16(R2=0.83)。頭部轉換系數fH16計算如下：

fH16=αe-βDW

(1)

其中：α=1.9852(組織吸收劑量(mGy)/CTDIvol,16(mGy))，β=0.0486 (cm-1)，DW為水等效直徑(cm)。

此外由于兒科顱骨中造血組織重要性，第293報告還將骨髓吸收劑量與腦組織吸收劑量分開評估。因此本次報告中也討論了骨吸收劑量與腦吸收劑量關系。UCD利用不同年齡(0、1、5和21歲)體模對顱骨海綿區紅骨髓和黃骨髓進行詳細吸收劑量評估。結果顯示當包含腦實質、表皮及紅骨髓時質量加權吸收劑量與僅含腦實質質量加權平均吸收劑量差異在0.7%以內。盡管這些差異是可以忽略的，但是這一差異最終也包含在等式1中。此外由于腦組織被包裹在一層相對致密的顱骨中，因而即使是同一DW，但大腦吸收劑量沉積空間分布也與體部吸收劑量沉積空間分布大不相同。比較AAPM第204報告中體部16 cm體模轉換系數fB16與AAPM 293報告頭部16 cm體模轉換系數fH16二者曲線形態非常相似，且頭部CT轉換系數始終偏低?？赡苁且驗轭^部掃描采用了更有效波束成形濾柵(如蝶形濾柵)，造成同一CTDIvol,16大腦平均吸收劑量要比體部低約9%(圖6)。

術語的變化

現階段不管是成人還是兒童頭部CTDIvol測量均未使用32cm的CTDI體模，同時國際標準(IEC 60601-2-44 Edition 3.2,2016)要求使用16cm PMMA CTDI體模。AAPM第204報告中介紹了體型特異性劑量估計(SSDE)概念，但第204報告中并沒有預期會有頭部SSDE轉換因子fH16存在。這使得第204報告(第18頁)中f32X引入“X”概念過時。該“X”是指AAPM第204報告中用于反映患者幾何尺寸指標即軀干左右徑和前后徑線性尺寸之和、單獨左右徑、單獨前后徑以及有效直徑。第293報告中建議用下列術語取代第204報告中建議術語：

對于體部CT掃描(AAPM第204報告)，當32cm PMMA CTDI體模用于體部CTDIvol測量時，應在轉換系數f上標中使用“B32”，并在CTDIvol下標中添加“32”：

SSDE=fB32×CTDIvol，32

(2)

對于體部CT掃描(AAPM第204報告)，當16cmPMMA CTDI體模用于體部CTDIvol測量時(通常是兒科體部測量)，應在轉換因子f上標中使用“B16”，并在CTDIvol下標中添加“16”：

SSDE=fB16×CTDIvol，16

(3)

對于頭部CT掃描(AAPM第293報告)，當16cmPMMA CTDI體模用于頭部CTDIvol時，應在轉換因子f上標中使用“H16”，并在CTDIvol下標中添加“16”：

SSDE=fH16×CTDIvol，16

(4)

總 結

AAPM第293號報告提供了頭部CTDIvol到SSDE轉換因子fH16用于計算頭部CT檢查SSDE。該報告中轉換因子fH16是4個單位提供數據綜合擬合，其中兩組進行了物理測量，兩組根據蒙特卡洛模型進行劑量計算。單獨測量骨髓吸收劑量時發現骨髓吸收劑量相對于整個大腦平均吸收劑量可以忽略不計(1%)。因此將骨髓劑量也計入顱腦整體劑量之中。需要注意的是在計算頭部SSDE轉換因子fH16時是依據常規頭部CT檢查掃描體積中心部分(z軸方向)對大腦平均吸收劑量。雖然實際掃描中會使用多種管電壓，但是建議使用從所有管電壓值組合數據中推導出等式(等式1)用于臨床頭部SSDE計算。需要指出的是目前還沒有足夠數據來證明SSDE概念能應用到有效劑量估計合理性且SSDE估計值與真實輻射劑量仍具有一定差別。

AAPM293報告臨床應用和展望

自從SSDE概念被提出后，已經廣泛應用于CT檢查輻射劑量估算與研究[14,15]，293報告公布使頭部CT檢查輻射劑量估算更為準確，特別是對兒童患者而言輻射劑量準確估算能更好評價電離輻射對其潛在的危害[16]。AAPM 293報告對頭部轉換因子進行模擬與驗證擴大了其臨床應用范圍。如果將受檢者其他體型參數(如頭圍、年齡和BMI)納入研究可能更準確估算患者所受輻射劑量，更好指導臨床檢查劑量最優化[17-19]。也可根據293報告建立我國頭部CT檢查的診斷參考水平(diagnostic reference level,DRL)[20]。但293報告體模試驗及模特卡洛模擬是基于歐美人群進行的,不能完全代表中國人群正常頭部尺寸,其在中國人群中應用還需要進一步研究及論證[21]。