基于有效直徑和水當量直徑估算胸部CT掃描體型特異性劑量的對比研究

李 剛 金莉卿 王軼彬 宗根林 于 紅

放射檢查技術在臨床被廣泛應用，由此導致的電離輻射安全和潛在致癌風險引起了學術界普遍關注[1]。目前臨床上主要由容積CT劑量指數(shù)（volume CT dose index，CTDIvol）和劑量長度乘積（doselength product，DLP）來估算CT受檢者的輻射劑量，但CTDIvol的標準是參考16cm或32cm聚甲基丙烯酸甲酯體模的輻射劑量，其值大小與患者體型無關，是設備的輸出值，而非患者實際接受的輻射劑量[2-3]；在實際的CT掃描中，不同的被檢者其掃描直徑、衰減系數(shù)也不同。因此，對于某個特定的人體來說，CTDIvol不能對人體所接受的CT輻射劑量進行評估[4]。

體型特異性劑量評估（size-specific dose estimates，SSDE）是由美國醫(yī)學物理學會（American Association of Physicists in Medicine，AAPM）于2011年[5]和2014年[6]分別提出了用有效直徑（effective diameter，dEFF）和水當量直徑（water-equivalent diameter，dW）聯(lián)合CTDIvol來估算基于CT患者體型特異性的劑量評估（SSDE），以此來彌補體型對于CTDIvol及DLP等的影響[7]。因此，本研究旨在比較這兩種算法在估算成人胸部CT輻射劑量SSDE的差異來探討其在臨床中的進一步應用。

方 法

1.一般資料

回顧性分析2018年7月至10月在本院行胸部CT掃描患者160例。其中男91例，女69例，年齡20 ～ 88 歲，平均（54.6±16.7）歲。

2.掃描方法

使用中國聯(lián)影80排uCT 780機器?；颊哐雠P位，雙手上舉，頭先進，胸部掃描采用吸氣后屏氣方式，掃描范圍從肺尖至肺底。掃描參數(shù)：螺旋掃描，管電壓120kV，采用自動管電流調制技術，質量參考mAs為130mAs，螺距0.8375，重建層厚2mm，層間距1mm，矩陣512×512，重建視野350mm。

3.數(shù)據(jù)的采集與測量

將所有掃描圖像和劑量報告自動傳送至圖像存儲與傳輸系統(tǒng)（PACS）中，從PACS中記錄每位患者的容積CT劑量指數(shù)CTDIvol，并參考AAPM 204及220號報告[5-6]，采用系統(tǒng)自帶測量軟件，對胸部掃描范圍內最中間層面的CT圖像進行數(shù)據(jù)測量。

以完全包含橫斷面的最小矩形形式，用電子標尺測量圖像的前后徑（dAP，cm）及左右徑（dLAT，cm）（見圖1），同時計算有效直徑dEFF（cm）及轉換因子fEFF，參考AAPM 204號報告計算SSDEEFF（mGy），公式（1）～（3）。

以覆蓋橫斷面所有解剖結構的最小橢圓為感興趣區(qū)（不包含床板），測量感興趣區(qū)的橫斷面積（AROI，cm2）以及CT值（CTROI，HU）（見圖2），參考AAPM 220號報告計算水當量直徑dW（cm）、轉換因子fW及SSDEW（mGy），公式（4）～（6）。

公式（2）、（5）在計算體型轉換因子f時，a、b取值參考AAPM 204及220號報告，分別為：a=3.704 69，b=0.036 719 37。

為比較不同體寬dLAT下SSDEEFF與SSDEW的差異，依據(jù)dLAT按三分位法將患者分 為 3組， 分 別 記 為 A 組：dLAT＜33.02cm，B 組：33.02cm ≤ dLAT≤ 34.94cm，C 組：dLAT＞34.94cm。

4.統(tǒng)計學處理

結 果

1.兩種方法計算SSDE的差異

胸部CT掃描在計算SSDE時，兩種方法下的直徑d（cm）、轉換因子f和SSDE的比較：平均

dEFF＞dW，兩者隨左右徑dLAT的分布情況見圖3，平均 fEFF＜fW， 平 均 SSDEEFF＜SSDEW（圖 4）， 且差異均有統(tǒng)計學意義（t=35.51、-34.03、-25.02，P＜0.01，見表 1），平均 CTDIvol為（13.55±6.06）mGy，CTDIvol與SSDE的分布見圖5。

表1 兩種方法下的直徑（d）、轉換因子（f）和SSDE的結果比較（ ±s ）表1 兩種方法下的直徑（d）、轉換因子（f）和SSDE的結果比較（±s ）

表1 兩種方法下的直徑（d）、轉換因子（f）和SSDE的結果比較（ ±s ）表1 兩種方法下的直徑（d）、轉換因子（f）和SSDE的結果比較（±s ）

算法 n d(cm) f SSDE(mGy)SSDEEFF 160 27.88±2.46 1.34±0.12 17.46±6.69 SSDEW 160 24.42±2.62 1.52±0.15 19.78±7.42 t-35.51 -34.03 -25.02 P-＜0.01 ＜0.01 ＜0.01

表 2 不同 dLAT組 dLAT、dEFF、dW、fEFF、fW、SSDEEFF及 SSDEW 的比較（±s ）

表 2 不同 dLAT組 dLAT、dEFF、dW、fEFF、fW、SSDEEFF及 SSDEW 的比較（±s ）

＊同一組與 SSDEEFF相比，t=-15.00、-17.18、-16.89，P＜0.01

組別 n dLAT（cm） dEFF（cm） dW（cm） fEFF fW SSDEEFF（mGy） SSDEW（mGy）A 組 53 30.84±1.56 25.56±1.88 21.87±1.85 1.45±0.10 1.66±0.11 11.28±3.90 12.91±4.45*B 組 54 33.90±0.52 27.92±1.11 24.52±1.40 1.33±0.05 1.51±0.08 17.70±4.73 20.04±5.32*C 組 53 36.60±2.18 30.17±1.69 26.87±1.66 1.23±0.07 1.38±0.08 23.41±4.85 26.38±5.23*F P--177.91 110.69 122.72 109.58 122.01 95.83 95.47＜0.01 ＜0.01 ＜0.01 ＜0.01 ＜0.01 ＜0.01 ＜0.01

圖1 以完全包含橫斷面的最小矩形形式，測量圖像的前后徑（dAP）及左右徑（dLAT）。圖2 以覆蓋橫斷面所有解剖結構的最小橢圓為感興趣區(qū)（不包含床板），測量感興趣區(qū)的橫斷面積（AROI）以及CT值（CTROI）。

圖3 有效直徑（dEFF）和水當量直徑（dW）與患者左右徑（dLAT）之間的函數(shù)關系。圖4 SSDEEFF和SSDEW與患者左右徑（dLAT）之間的函數(shù)關系。

圖 5 SSDEEFF、SSDEW及 CTDIvol所對應的劑量值分布。圖6 A、B、C三組SSDEEFF與SSDEW分布情況。*表示組內差異具有統(tǒng)計學意義。

2.不同dLAT組間的比較

A、B、C 三組患者間 dLAT、dEFF、dW、fEFF、fW、SSDEEFF及SSDEW差異均有統(tǒng)計學意義（F=177.91、110.69、122.72、109.58、122.01、95.83、95.47，P＜0.01，見表 2），且轉換因子 fEFF和fW隨著dLAT的增大而減小，SSDEEFF和SSDEW隨著dLAT的增加而增加，且兩者間的差值也增加（圖6）。三組患者SSDEEFF和SSDEW之間差異有統(tǒng)計學意義（t=-15.00、-17.18、-16.89，P＜0.01）。

討 論

SSDE是在CTDIvol基礎上得到的，而SSDE需根據(jù)受檢者體型大小估算受檢者的輻射劑量，相對于CTDIvol來講，能更準確描述受檢者的輻射劑量，也比CTDIvol更適合用于估算受檢者的平均輻射劑量[8]。

本研究中，成人胸部CT掃描的dW較dEFF降低了約12.41%，導致SSDEW較SSDEEFF增加了約13.29%；這與Wang等[9]及Bostani等[10]的體模實驗及臨床實驗結果相一致。實際上，當用水模模擬掃描時，橢圓形的感興趣區(qū)ROI中反映衰減的指數(shù)CTROI接近于0，那么此時的水當量直徑就等效于橢圓形面積所對應的長徑，這與有效直徑的原理基本一致。

有效直徑dEFF假設人體由橢圓形橫截面構成，體型可用面積與其相當?shù)淖⑺畧A柱體直徑表示。水當量直徑dW則以表示幾何外形尺寸的面積及表示組織衰減的橫截面積平均CT值定義患者體型。因此，兩種體徑估算的輻射劑量存在差異[11-12]。

在胸部，由于胸部組織含氣量較大并且密度明顯低于水，故在胸部區(qū)域的整體衰減明顯要低于水模模擬的衰減，因此，dW要明顯低于dEFF，從而導致SSDEEFF較SSDEW低估了約13.29%。臨床上CT輻射劑量常用CTDIvol等來評估，但是由本研究可以看出，如果用CTDIvol代替SSDEW，將導致胸部檢查患者輻射劑量低估約31.50%，因此，運用SSDEW來評估CT患者的輻射劑量具有重大臨床意義。

隨著左右徑dLAT的增大，有效直徑dEFF及水當量直徑dW均逐漸增大，胸部不同組的SSDEEFF及SSDEW也均逐漸增大，且dEFF與dW之間的差值也在逐漸變大，這是由于胸部組織含有大量氣體，故CTROI是負值，隨著dLAT的增大，其負值越大，dEFF與dW之間的差值也會逐漸變大，同時SSDEEFF與SSDEW之間的差值也會逐漸增大。

SSDEEFF和SSDEW均基于同一解剖層面，前者僅考慮影響輻射劑量的幾何外形尺寸因素，對CTDIvol的校準并不完善，而后者同時考量幾何外形尺寸及組織結構衰減，可更好地解釋相同解剖區(qū)域組織的非均質屬性所致輻射劑量變化，并且本研究結果顯示SSDEW估算輻射劑量變異度更小。因此，SSDEW的估算方法更合理[13]。

本研究也存在一些不足之處。首先是本研究選取中間層面來計算相關參數(shù)對SSDE的影響，由于人體每層CT圖像的形態(tài)各異，大小不一，且每層所含的組織有差異，獲得的每層測量值也不同，簡單選取中間層面來代替整體不夠精確；二是由于現(xiàn)在隨著管電流自動調制技術的普及，導致每層的管電流不一致，因此，每層的衰減也不相同，而現(xiàn)有的中間層面的算法基本上是默認每層的衰減是一致的，因此，從CT衰減的層面來考慮，用中間層面來代表整體也是不合適的。實際上AAPM 220號報告中也提出過解決方法，先測量每層圖像的相關參數(shù)，再計算出平均值，但是胸部CT掃描圖像層數(shù)較多，此方法較為復雜，人工難以實現(xiàn)，后期可借用相關軟件繼續(xù)研究。

本研究對160名患者的樣本進行了基于有效直徑（dEFF）和水當量直徑（dW）計算的體型特異性劑量評估（SSDE）之間的比較。發(fā)現(xiàn)CTDIvol系統(tǒng)地低估了SSDE值。由于患者之間的差異很大，通過僅基于幾何尺寸計算SSDE而不考慮組織衰減是不準確的。在成人胸部CT掃描中，建議基于dW來計算SSDE，以獲得可靠的劑量估計值。