基于管電流自動調制模式的兒童頭顱CT體型特異性劑量的快速估算

張見，劉鵬，張曉軍

南京醫科大學附屬兒童醫院 放射科，江蘇 南京 210000

引言

隨著CT 檢查的臨床應用日益增加，隨之而來的輻射劑量問題受到越來越多的關注[1-2]。有研究表明，幼年時期接受過多的X 射線照射，成年后其血液疾病及腦腫瘤發病概率明顯增加。因兒童是特殊群體，其身體組織器官對X 射線的敏感性遠遠高于成人，故而其輻射危害更應受到重視[3-5]。目前，容積CT 劑量指數（Volume CT Dose Index，CTDIvol）是衡量CT 檢查輻射劑量最常用的指標。CTDIvol根據直徑為16 cm 或32 cm 的標準體模計算而來，表示掃描體積范圍內的平均輻射劑量，其大小受檢查參數的影響，主要反映CT 設備的輻射輸出劑量。由于標準體模尺寸與兒童檢查部位尺寸差異較大，均不能準確地反映患者的大小，并且在對患者輻射劑量的估計中存在較高的不確定性[6-8]。為進一步準確衡量輻射劑量，美國醫學物理學家協會（American Association of Physicists in Medicine，AAPM）于2019 年發布了293 號報告，使用基于水當量直徑（Water Equivalent Diameter，WED）的體型特異性劑量估算值（Size-Specific Dose Estimate，SSDE），即SSDEWED，來校準CTDIvol，有效彌補了CTDIvol未考慮檢查部位尺寸及組織器官密度對X 射線衰減不同等因素對輻射劑量影響的缺陷，是一個更為合理的輻射參數[9]。有研究表明，SSDEWED對頭顱輻射的衡量更為準確[8]。本研究通過對兒童頭顱CT 影像學資料進行分析，探討CTDIvol與SSDEWED在衡量輻射劑量上的差異并探討快速計算SSDEWED的方法。

1 資料與方法

1.1 臨床資料

回顧性分析2021 年1—12 月兒童頭顱CT 影像學資料1136 例，年齡從3 個月至15 歲不等，平均年齡（6.97±4.47）歲，其中男童651 例、女童485 例，納入的影像資料均滿足診斷要求，且經醫院倫理委員會審批通過（201908224-1）。

納入標準：① 檢查體位標準；② 頭顱顱骨無缺損且表面無巨大占位性包塊；③ 顱內組織無中等及以上程度腦積水及巨大囊性病變；④ 顱內無金屬植入物。排除標準：① 顱骨骨質因病變導致密度明顯增高；② 數據測量層面有鈣化灶或密度異常的實性占位；③ 橫斷面頭顱外形明顯異變。

1.2 檢查條件

檢查設備使用Philips Brilliance 128 iCT。患兒自主或口服鎮靜劑進入深睡眠后仰臥于檢查床，頭顱置于頭顱頸托內呈標準檢查體位。依據患兒年齡將其分為A（年齡≤0.5 歲）、B（0.5＜年齡≤3 歲）、C（3＜年齡≤6歲）及D（＞6歲）4組，其中A組53名，平均年齡（0.41±0.07）歲；B組243名，平均年齡（1.55±0.78）歲；C 組2 1 0 名，平均年齡（4.4 4±0.8 5）歲；D 組630名，平均年齡（10.47±2.48）歲。檢查參數：管電壓，A、B組100 kVp，C、D組120 kVp；管電流采用自動管電流曝光控制技術，螺距0.296，球管旋轉速度0.40 r/s，成像矩陣512×512，探測器寬度64×0.625 mm，使用頭顱正側雙定位像定位掃描，掃描范圍為頸1椎體下緣至顱頂，掃描基線為聽上眶線；掃描后采用iDose4算法重建層厚及層間距均為5 mm的軸位骨窗和腦組織窗圖像。

1.3 輻射劑量的計算

記錄檢查結束后CT 設備自動生成的輻射劑量表中的CTDIvol及其年齡。基于AAPM 293 號報告[9]計算SSDEWED。計算方法：選取掃描部位圖像最中間層面，手動勾畫包括所有解剖結構的最小橢圓形感興趣區（Region of Interest，ROI），記錄其面積（Area of ROI，AROI）及平均CT 值（CT Value of ROI，CTROI），計算WED、轉換因子（Conversion Factor，f）及SSDEWED。計算方式如公式（1）～（3）所示[9]：

式中，a 為4.378094；e 為自然底數；b 為 -0.04331144。

1.4 圖像的質量評價

圖像質量評價采用主觀評價方式，由兩名醫師對原始及重建圖像使用5 分制評價，評分經協商后達成一致意見。評分標準：5 分為優秀，圖像質地細膩均勻，解剖結構及病灶、灰白質分界及腦溝腦回均顯示清晰，無明顯噪聲、偽影；4 分為良好，圖像質地較為細膩均勻，解剖結構及病灶顯示較清晰、灰白質及腦溝腦回顯示較清楚，噪聲及偽影不明顯；3 分為尚可，圖像質地細膩均勻度尚可，解剖結構及病灶顯示可辨認，灰白質分界及腦溝腦回顯示可辨識，有噪聲、偽影但不影響診斷；2 分為較差，圖像質地較為模糊，解剖結構及病灶顯示不清，灰白質分界及腦溝腦回顯示亦不清晰，有明顯噪聲、偽影而影響診斷結論；1 分為不可用，圖像不能用于診斷。3 分及以上圖像認為可滿足診斷要求。

1.5 統計學分析

采用SPSS 25.0 軟件進行統計學分析。正態分布數據采用±s表示，偏態數據以中位數（四分位間距）[M（Q1，Q3）]表示。正態分布且方差齊性數據采用配對t檢驗進行檢驗，方差不齊則采用Wilcoxon 配對樣本秩和檢驗；兩名醫師的主觀評價一致性驗證采用Kappa檢驗，Kappa 值＞0.4 為一致性好；組間圖像主觀評價采用非參數秩和檢驗，以P＜0.05 為差異有統計學意義；使用標準差、變異系數、全范圍間距和四分位間距分別衡量CTDIvol與SSDEWED的離散程度；采用Pearson 分析二變量正態分布數據相關性，采用最小二乘法線性分析建立回歸模型。

2 結果

2.1 CTDIvol與SSDEWED間差異

1136 例患兒行頭顱CT 檢查，其平均CTDIvol為（9.52±1.32）mGy，平均SSDEWED為（8.30±0.67）mGy，二者間差異有統計學意義（t=60.10，P＜0.001）。A組CTDIvol＜SSDEWED，其余組均CTDIvol＞SSDEWED，且組內差異有統計學意義（P＜0.001），見表1。各組組內CTDIvol的變異系數、全范圍間距及四分位間距均大于SSDEWED，具體組間差異及離散度如表2所示。

表1 4組組內CTDIvol與SSDEWED差異比較結果（±s，mGy）

表1 4組組內CTDIvol與SSDEWED差異比較結果（±s，mGy）

注：CTDIvol：容積CT劑量指數；SSDEWED：基于水當量直徑的體型特異性劑量估算值。

項目A組B組C組D組CTDIvol6.98±0.45 7.98±0.61 9.10±0.53 10.47±0.70 SSDEWED7.14±0.30 7.52±0.31 8.05±0.31 8.78±0.36 t值-5.4120.7452.43107.82 P值＜0.001＜0.001＜0.001＜0.001

表2 各分組組間差異及離散度比較結果

2.2 CTDIvol與管電流、WED相關性

Pearson 相關性分析顯示：CTDIvol與管電流具有較強的正向相關性（100 kVp：r=1.00，P＜0.001；120 kVp：r=0.99，P＜0.001）；CTDIvol與WED 亦具有較強的正向相關性（100 kVp：r=0.95，P＜0.001；120 kVp：r=0.87，P＜0.001）。具體各管電壓下CTDIvol與管電流、CTDIvol與WED 散點分布及擬合曲線如圖1 所示。

圖1 不同管電壓下CTDIvol與管電流、CTDIvol與WED散點分布及擬合曲線

2.3 SSDEWED與管電流、WED相關性

Pearson 相關性分析顯示：SSDEWED與管電流具有較強的正向相關性（100 kVp ：r=0.95，P＜0.001 ；120 kVp ：r=0.91，P＜0.001）；SSDEWED與WED在100 kVp 管電壓條件下具有較強的正向相關性（r=0.82，P＜0.001），在120 kVp 管電壓條件下與WED具有中等強度的相關性（r=0.61，P＜0.001）。具體各管電壓下SSDEWED與管電流、SSDEWED與WED 散點分布及擬合曲線如圖2 所示。

圖2 不同管電壓下SSDEWED與管電流、SSDEWED與WED散點分布及擬合曲線

2.4 WED、f 與年齡的回歸模型

WED 及f均隨著年齡的變化而變化，在幼兒出生早期，其曲率變化較快，其后曲率變化逐漸趨于平緩。WED、f與年齡分布圖如圖3 所示。

2.5 圖像質量主觀評價

4 組患兒圖像主觀評分分別為（4.89±0.38）分、（4.94±0.29）分、（4.88±0.40）分及（4.94±0.31）分，組間評分差異無統計學意義（Z=0.97，P＞0.05），醫師評分一致性系數Kappa 值分別為0.78、0.74、0.77、0.72，一致性好，所有圖像評價分級均在3 分及以上，均能滿足診斷需要。

3 討論

衡量CT 輻射劑量最直觀、最方便的指標是CTDIvol，其直接生成于檢查結束后的輻射劑量表中。CTDIvol表示在特定掃描參數下的標準體模的平均輻射劑量，并且極易受到掃描協議的影響，并不能真實反映患者檢查部位的大小和組織對X 射線衰減的影響。但是，輻射劑量的大小和真實部位尺寸及組織與X 射線衰減密切相關。SSDEWED使用f對CTDIvol進行校正，克服了CTDIvol無法反映患兒檢查部位體型及對X 線衰減影響的缺陷，除了患者的幾何形狀和掃描位置的組織衰減外，f還與掃描方案選擇的體模尺寸有關，AAPM 220 報告中的f以直徑為16 cm 的頭部體模為參考進行計算[10]。WED 假設人體是由橢圓截面組成的，可以用一個X 射線衰減相當的圓柱形水模來表示，水模的橫截面積代表患者的幾何大小，CT 值代表組織結構對X射線的平均衰減，因此，基于幾何外形和組織衰減特征的f可以更準確地校正患兒輻射劑量[11]。本研究通過建立WED 與年齡回歸模型，當患兒年齡為3 歲左右時，其WED 與體模直徑相當，而其f約為0.89；f隨年齡分布擬合圖顯示，在患兒約6 月齡時f=1，而WED約為13.90 cm。f=1 時其WED 直徑與標準體模直徑并不一致，其原因在于頭顱組織與胸腹部不同的結構特點[12]：胸腹部由較為均勻的軟組織構成，而腦組織則包裹于顱骨之中，顱骨內外板之間的板障海綿體對X 射線有一定的屏蔽作用，為腦組織提供了一個固定的屏蔽源，減少了腦組織實際接受的X 射線，因而在相同的WED 下，腦組織所接受的輻射劑量低于胸腹部，這與Hardy 等[13]的研究結果一致。因此，即使幾何尺寸相等，使用具有均勻結構的體模測算而來的CTDIvol與真實輻射仍有一定的偏差。本研究結果亦表明：6 月齡內患兒CTDIvol＜SSDEWED，CTDIvol高估其輻射劑量；大于6 月齡患兒CTDIvol＞SSDEWED，CTDIvol低估其輻射劑量。SSDEWED的變異系數、全范圍及四分位數范圍均小于CTDIvol，說明使用SSDEWED能更可靠地反映輻射劑量。

輻射劑量最重要的影響因素為管電壓及管電流[14]。在本研究中，管電壓的使用以年齡為分組條件，≤6 歲使用100 kVp，＞6 歲則使用120 kVp。管電流則采用自動曝光控制技術，其能夠根據檢查部位左右徑及前后徑的大小自動調節輸出管電流：在顱底等尺寸、組織衰減較大部位會自動增加管電流輸出，而在顱頂等部位則會減小管電流的輸出，能夠最大程度減少輻射劑量[15]。在相同管電壓下，管電流的大小與檢查部位尺寸及組織密度相關[16]。本研究結果表明：CTDIvol與管電流具有較強的正相關性，CTDIvol與WED 具有較強的正相關性；SSDEWED與管電流具有較強的正相關性，SSDEWED與WED 在100 kVp 管電壓條件下具有較強的正相關性，在120 kVp 管電壓條件下與WED 具有中等強度的相關性。CTDIvol與管電流、WED 相關性大于SSDEWED與管電流、WED 相關性，說明管電流、WED 對CTDIvol與SSDEWED的影響并不完全相同。二者的區別在于CTDIvol的計算基于一致衰減和恒定直徑的標準體模，其變化只與檢查參數有關，而SSDEWED是CTDIvol與f的乘積，考慮了掃描參數和檢查部位特征對輻射的影響，二者的疊加影響使得其相關性減弱。WED 與年齡、年齡與f都有著強相關性，因而可以建立f與年齡間的回歸模型快速計算SSDEWED，以更準確地對輻射劑量進行衡量。

本研究也存在以下局限性：① 本數據僅在1 臺CT設備上采集，其有效性未在更多設備上進行驗證；② 對于管電壓的使用以6 歲為分界點，有待于對圖像進行客觀評價后進一步得出更合理、更具科學性的分界點；③ 對于小于3 月患兒樣本數較少，加之新生兒頭顱大小隨年齡變化速度較快，回歸模型對其適用性需進一步驗證；④ 僅研究了掃描范圍內的SSDEWED，未對更真實反映患兒吸收輻射的有效劑量進行分析，今后可進一步研究。

綜上所述，CTDIvol未考慮檢查部位因素對輻射劑量的影響，使得其對6 月齡內幼兒低估輻射而對于大于6 月齡幼兒及兒童高估輻射。而SSDEWED同時考慮了掃描參數及檢查部位對X 射線衰減對輻射劑量的影響，且其具有更小的標準差（6 月齡內幼兒除外）、變異系數、全范圍及四分位間距，可以更準確可靠地衡量兒童頭顱CT 檢查輻射劑量。通過建立f與年齡間的回歸模型，有助于兒童患者較少的醫療機構確定兒童頭顱CT 檢查輻射劑量標準。