PET-CT、SPECT及SPECT-CT受检者辐射水平及其生物效应研究进展*

吴一田 耿建华*

PET-CT、SPECT及SPECT-CT受检者辐射水平及其生物效应研究进展*

吴一田①耿建华①*

PET-CT、SPECT及SPECT-CT检查会给受检者带来不可避免的医疗照射，这些检查所致辐射剂量的多少及其是否会给人体带来损伤成为了公众及专业人员关注的重点问题，而小剂量照射对人体的生物效应的研究目前仍存在争议。为此，对PET-CT、SPECT及SPECT-CT检查所致辐射剂量及其生物效应的研究进展进行调研综述，在达到临床需求的条件下，应尽量降低PET-CT、SPECT及SPECT-CT检查对受检者的照射剂量。但单次检查的辐射剂量不会导致确定性效应，其产生的线性无阈的随机性效应观点也遇到研究质疑。

PET-CT；SPECT-CT；受检者；辐射剂量；生物效应

吴一田,女,(1992- ),硕士研究生。北京协和医学院 中国医学科学院肿瘤医院核医学科PET-CT中心，研究方向：核医学。

PET-CT、SPECT及SPECT-CT是核医学主要的成像设备，其影像技术以特有的分子影像及功能影像优势，发展迅速[1-2]。PET-CT、SPECT及SPECTCT检查会给受检者带来不可避免的医疗照射，而受检者的受照剂量与图像质量及受检者的辐射安全密切相关。随着核医学影像技术的广泛应用，公众对于辐射安全问题的关注日益增加。目前，存在两个“极端”的问题：公众及媒体对受检者的辐射剂量及辐射危害片面夸大，高估其致癌风险，引起公众对PET-CT、SPECT及SPECT-CT等核医学显像的恐惧与排斥，严重影响受检者的诊治及PET-CT、SPECT和SPECTCT等核医学影像设备的发展；此外，专业人员重视高图像质量，容易忽视患者的辐射剂量的控制，会加剧排斥核医学影像检查的负面效果。

本研究对PET-CT、SPECT及SPECT-CT等核医学显像受检者辐射剂量及其生物效应研究现状进行调研，为研究核医学显像受检者受照剂量提供参考依据。

1 核医学显像受检者的辐射剂量

1.1 核医学显像技术

核医学显像技术目前包括PET、PET-CT、PET-MR、γ相机、SPECT及SPECT-CT。其中，单独的PET应用已越来越少，基本被PET-CT取代。小探头γ相机的应用很少。截至2015年底，全国已安装使用240台PET和(或)PET-CT，6台PET-MR，年成像检查例数为46.9万例。相对PET-CT，SPECT及SPECT-CT在临床更为普及，至2015年底，全国已安装使用766台γ相机、SPECT及SPECT-CT，其中，SPECT-CT安装使用304台，γ相机仅有16台，年成像例数达210.6万例[3]。核医学中主要的显像设备为PET-CT、SPECT及SPECT-CT。

PET-CT及SPECT-CT是将PET或SPECT和CT有机融合在一起的一种影像技术。PET及SPECT根据示踪剂来选择性地反映组织器官的代谢情况，反映人体组织的生理、病理、生化及代谢等改变，但是图像解剖结构不清楚。CT对PET或SPECT图像进行衰减校正、利用CT图像对PET或SPECT图像病变部位进行解剖定位，并提供诊断信息。PET-CT及SPECTCT较PET及SPECT可解决核医学图像解剖结构不清楚的缺陷，同时CT图像对核医学图像进行衰减校正，使核医学图像真正达到定量的目的，能够实现功能图像和解剖图像信息的互补，但也增加了受检者的辐射剂量。PET-CT及SPECT-CT剂量由PET及SPECT显像所用放射性药物的剂量和CT扫描的剂量两部分组成。

PET-MR与PET-CT、SPECT-CT类似，将PET与MR有机结合在一起，PET和MR可以同时间同空间采集，同时获得PET和MR图像信息。但是，MR无电离辐射，不会给受检者增加辐射剂量，受检者的辐射剂量只有PET显像用放射性药物导致的剂量。

1.2 PET及SPECT所致的辐射剂量及其估算

PET及SPECT、γ相机的辐射剂量决定于放射性示踪剂的种类与注射剂量。临床核医学中患者接受剂量的估算方法的计算为公式1：

式中DT为患者T器官所接受的吸收剂量(mGy)；A为放射性活度施用量(MBq)；dT为单位施用量下患者T器官所接收的吸收剂量(mGy/MBq)，可通过查表获得[4]。

在核医学患者剂量估算中，为了对全身各器官受照剂量有个综合评价指标，可借用辐射防护评价中不同器官的组织权重因子ωT，有效剂量E的计算为公式2：

式中dE为单位施用量下患者的有效剂量(mSv/MBq)，可通过查表获得[4]。

不同年龄阶段，dT和dE的参考值不尽相同。例如，对SPECT、γ相机常用的放射性药物99Tcm-高锝酸盐，在成年人(＞14岁)中，其dE值为1.3×10-2mSv/MBq，在少儿(≤14岁且＞8岁)中，其dE值为2.6×10-2mSv/MBq，在幼儿(≤8岁且＞3岁)中，其dE值为4.2×10-2mSv/MBq，在婴儿(≤3岁)中，其dE值为7.9×10-2mSv/MBq。对PET常用的放射性药物18F-FDG，成年人dE=1.9×10-2mSv/MBq，少儿dE=3.6×10-2mSv/MBq，幼儿dE=5.0×10-2mSv/ MBq，婴儿dE=9.5×10-2mSv/MBq。可见不同年龄的人，施用相同的放射性药物的活度，会产生不同的剂量，年龄越小，辐射剂量越高。在临床中，对婴儿、幼儿及少儿施用放射性药物，应严格按照小儿用药规格[4]。

1.3 CT部分剂量估算

1.3.1 剂量长度乘积估算法

剂量长度乘积估算法是一种较简单易行的方法[5]。扫描后，读取剂量报告，记录其中的剂量长度乘积(dose-length product，DLP)，其CT有效剂量(effective dose，ED)的计算为公式3：式中k为加权因子，其单位为mSv/(mGy.cm)；DLP为CT剂量报告读出的吸收剂量与扫描剂量长度乘积，与扫描长度成正比。

不同年龄、不同部位，k值不同。根据ICRP102报告，在不同年龄阶段，k值均不同。①＜1岁。躯干k=0.044，头颈部k=0.013；②1岁。躯干k=0.028，头颈部k=0.0085；③5岁。躯干k=0.019，头颈部k=0.0057；④10岁。躯干k=0.014，头颈部k=0.0042；⑤成年人。躯干k=0.015，头颈部k=0.0031[5]。由此可见，与放射性药物导致的受照剂量相仿，不同年龄的人，进行相同的CT扫描，会产生不同的剂量，年龄越小，辐射剂量越高。在临床中，对婴儿、幼儿及少儿施用放射性药物，应严格按照儿童CT扫描模式进行。

1.3.2 剂量仪测量法

金属氧化物半导体场效应晶体管(metal oxide semiconductor field effect transistor，MOSFET)为一种有多个探头的人体吸收剂量测量系统，可同时测量不同组织器官的吸收剂量，由此计算出的有效剂量。硅光电二极管剂量计(silicon-photodiode dosimeter，SPD)测量系统与MOSFET功能相似，可测量CT扫描时局部器官的吸收剂量。热释光剂量计(thermoluminescent dosimeters，TLD)，通过辐射引起的某些物质的热释光强度来反应辐射剂量的大小，广泛用于剂量学的各个领域，多用于检测个人剂量，将TLD放置在人体不同的部位，获得不同组织器官处的剂量，通过计算获得有效剂量。

1.4 研究进展

1.4.1 PET-CT受检者的辐射剂量

目前，临床中绝大多数PET-CT检查使用的放射性示踪剂为18F-氟代脱氧葡萄糖(18F-fluorodeoxyglucose，18F-FDG)，不同体重的患者、不同的检查及不同PET-CT机型所需注射18F-FDG剂量不同，每一种PET-CT机型均有推荐注射活度范围，是考虑了图像质量及尽可能降低辐射剂量的最佳值。张连宇等[6]的研究显示，管电压固定120 kV，螺距分别设定为0.938、1.375和1.75。在每种螺距下，CT管电流变化以20 mA为间隔，从30～210 mA(涵盖在PET-CT中CT的3种作用所用的管电流范围)，扫描速度按临床常规PET-CT扫描时的旋转速度1 s/r，对Catphan500CT检测模体进行扫描，CT辐射剂量随管电流及扫描旋转每转所用时间线性增加，与螺距成反比关系。而固定其他条件，当管电压增加时，X射线光子的能量增加，因此导致辐射剂量增加。按照实验结果，当管电流固定150 mA， 扫描速度1 s/r时，管电压每增加10 kV，计算机断层扫描加权剂量指数(computed tomography dose index，CTDIw)增加5.9 mGy。在临床螺旋采集条件下，使用不同的螺距，管电压每增加10 kV，容积CT剂量指数(CTDIvol)增量不同，理论上，增量为5.9/螺距(mGy)。梁子威等[7]对仿真模体进行的研究，其结果显示：①PET有效剂量，对18F-FDG PET，注射剂量3.70～5.55 MBq/kg(0.10～0.15 mCi/kg)，对体重45～85 kg的受检者有效剂量为3.16～8.96 mSv，与注射剂量及体重成正比，与PET的采集条件无关；②CT有效剂量，对固定的螺距，有效剂量随管电流的增加线性增加；对固定的管电流，随螺距的增加降低。在管电压120 kV，管电流30～250 mA范围内固定及自动管电流，螺距分别为0.938、1.375和1.75，模拟临床PET-CT的分段扫描方式对仿真人体模型进行扫描。不同的扫描条件下，有效剂量在1.62～27.68 mSv范围内。

王风等[8]通过对200余例PET-CT及ECT受检者所受辐射剂量进行测量及分析，其结果显示，对于PET-CT受检者，受到18F-FDG辐射所致有效剂量为(5.06±0.73)mSv，受辐射最大的器官为膀胱，其吸收剂量为(34.63±5.00)mGy；同时受检者使用低剂量CT参数，计算所受CT辐射的有效剂量为(8.80±0.58)mSv。如增加胸部诊断CT，则会额外增加14 mSv的有效剂量，进行CT定位像扫描将受到约0.2 mSv的有效剂量。故进行一次PET-CT检查，受检者所受总有效剂量为12.55～29.37 mSv。李玲等[9]选取71例接受PET-CT显像的成年患者，并应用自动毫安秒技术进行CT扫描，其结果显示，成年受检者行单次PET-CT显像时，CT扫描所致辐射的有效剂量为4.8～13.5 mSv，平均(6.8±1.9)mSv；患者注射18F-FDG所致辐射的有效剂量为3.8～9.0 mSv，平均(6.0±1.0)mSv。由此得出，单次体部PET-CT显像所致辐射的总有效剂量为10.3～21.3 mSv，平均(12.8±2.2)mSv。

Brian Quinn等[10]在PET-CT显像中应用不同的CT参数，并对辐射的有效剂量进行测量分析，在所纳入的183例受检者中，18F-FDG PET所致有效剂量的平均值为(9.0±1.6)mSv。CT扫描，若使用管电流为(39±11)mAs的参数，则CT所致有效剂量及总有效剂量为(5.0±1.0)mSv和(14±1.3)mSv；若使用(120±51) mAs，则CT所致有效剂量及总有效剂量为(15.4±5.0) mSv和(24.4±4.3)mSv。吸收剂量最大的器官依次为膀胱、心脏、脑、肝及肺。Zaman等[11]对63例进行PET-CT检查的恶性肿瘤患者所受有效剂量进行测量分析，CT扫描采用低剂量参数，CT诊断仅在需要时补充进行，结果为，18F-FDG PET所致有效剂量的中位数为3.69 mSv，低剂量CT所致有效剂量中位数为4.93 mSv，总有效剂量中位数为8.85 mSv。

成年受检者接受一次全身PET-CT检查，其中PET所致有效剂量变化范围不大，均在9 mSv内，而CT扫描所致的有效剂量，变化范围较大。因此，控制PET-CT的有效剂量应从CT着手。

1.4.2 SPECT及SPECT-CT受检者的辐射剂量

临床中对SPECT成像，所用的药物有数十种，但绝大部分为99Tcm标记的药物。由于SPECT技术相对成熟，对SPECT用放射性药物有统一的活度指导水平。刘雪辉等[12]回顾性分析了157例接受SPECTCT检查的患者，其结果显示，99Tcm-MDP骨显像组放射性核素所致有效剂量为(4.02±0.35)mSv、99Tcm-MIBI甲状旁腺显像组为(6.13±0.53)mSv、99Tcm-MAA肺血流灌注显像组为(1.66±0.13)mSv；同机CT检查所致有效剂量分别为(3.84±1.98)、(1.04±0.19)和(4.05±+0.47)mSv。SPECT-CT检查总有效剂量分别为(7.86±1.98)、(7.17±0.81)和(5.71±0.45)mSv。刘雪辉等[13]选择有恶性肿瘤病史且经核素全身骨显像检查发现疑似脊柱转移瘤单个椎体病灶的患者67例，对可疑椎体病灶行同机SPECT-CT显像，检查时注入的放射性核素所致有效剂量为(4.01±0.35)mSv；同机CT扫描有效剂量为(2.49±0.97)mSv。Rausch等[14]对3个中心的受检者678次SPECT-CT显像所致有效剂量进行测量及分析，其结果显示，总有效剂量的平均值为6.7 mSv。Abdollahi等[15]测量了509例进行心脏SPECT-CT显像的受检者所受剂量，其平均受放射性药物、CT及总有效剂量分别为(11.5±1.4)mSv、(0.49±0.11)mSv和(12.67±1.73)mSv，Spearman检验显示除了红骨髓及甲状腺，体型与器官吸收剂量相关性显著，其中吸收剂量最大的器官为心脏及肺部。

国际辐射防护委员会(International Commission on Radiological Protection， ICRP)第102号出版物中，医学诊断的典型有效剂量头颈、胸部及腹盆部诊断CT检查典型有效剂量分别为2.0 mSv、8.0 mSv和10 mSv。核医学检查中PET肺灌注、肾、甲状腺、骨扫描、动态心脏和颅脑成像典型有效剂量分别为1 mSv、1 mSv、1 mSv、4 mSv、6 mSv和5 mSv[16]。

1.4.3 剂量控制

临床工作中需采取一定的措施，在保证图像质量的同时，控制辐射剂量，使其对人体的危害降到最低。而降低PET、SPECT成像辐射剂量的唯一方法是减少放射性药物注射活度，目前推荐的注射活度已是经过研究得出的最佳值，很难有更进一步的改进空间，通过饮水、应用利尿剂及缓泻剂等方法加速放射性核素排出，缩短药物生物半衰期，来减少放射性核素所致有效剂量[12]。此外，在PET图像采集时可应用飞行时间(time of flight，TOF)技术。

2011年，法国对其国内部分医院或中心的PETCT显像所致辐射有效剂量的调查数据显示，在应用TOF技术的医院中，对于体重为50～100 kg的受检者而言，可降低有效辐射剂量0.95 mSv[19]。降低PETCT、SPECT-CT中CT部分对受检者的辐射剂量是更为重要且效果更为显著的途径。针对PET-CT受检者CT部分辐射剂量和图像质量关系的研究[7，17-18]已有报道，这些研究采用性能模体及仿真人体等效模型对不同采集条件下，受检者的CT部分辐射剂量及图像质量的关系进行了研究，得到了CT部分有效剂量管电流成正比等重要的结论。故在无特殊需要进行诊断或增强CT时，在SPECT-CT及PET-CT中应用低管电流参数对于降低辐射剂量简便有效。

有研究表明，采用CARE Dose四维技术具有实时在线调节管电流功能，与常规CT检查相比可降低辐射剂量[8]。应用自动管电流调制(automatic tube current modulation，ATCM)技术，依据定位像扫描所确定的人体在Z轴上的厚度及不同组织的X射线衰减，自动变换管电流，以达到在不影响诊断的前提下尽量减少CT扫描所致辐射剂量的目的，与未应用该技术的研究相比，CT所致有效剂量明显降低，且在总有效剂量中所占比例也明显降低[9]。不少研究已经证实，在保证图像质量的同时，利用自动管电流、降低管电压、提高螺距及转速以及尽可能缩短扫描长度均能有效降低CT扫描带来的电离辐射[19-20]。

2 辐射剂量的生物效应及危害

射线与生物系统的相互作用，会导致各种生物变化，有些变化可能是严重的，可导致死亡；而有些变化可能是良性，可以恢复。这些变化有可能照射后立即发生，也有可能数年后或在后代身上才能发生。大体上，这些生物变化的发生概率、类型及严重程度取决于射线种类及其性质和生物系统及其性质等多种因素。

ICRP基于辐射防护的目的，在1977年提出了一个区分生物效应的概念：随机效应和确定性(非随机)效应。

2.1 随机效应

辐射诱发的随机效应的发生概率与辐射剂量存在着线性无阈的关系，而效应的严重程度与剂量大小无关。其中“线性”是指随机效应的发生概率与所收到的剂量之间呈线性关系，剂量越大发生随机效应的可能性越大；“无阈”是指任何微小的剂量都可能诱发随机效应，只不过概率较小而已。辐射诱发的癌变、白血病及对后代的影响属于随机性效应，辐射剂量越大，发生概率越高。尽管对影像诊断时产生的低剂量水平辐射是否存在安全风险至今仍存争议，但电离辐射可导致随机效应发生概率的增加是不争的事实。

按ICRP的103号出版物数据，每增加l0 mSv剂量，对全年龄的人群，辐射导致癌症的概率将增加0.55‰，导致遗传效应的概率将增加0.02‰；对成年人(18岁后开始照射)，辐射导致癌症的概率将增加0.41‰，导致遗传效应的概率将增加0.01‰[21]。

2.2 确定性效应

辐射诱发的确定性效应只有剂量达到某一个阈值时才能发生，并且其严重程度与剂量大小有关，剂量越大，后果就越严重。但是不同的生物个体、不同组织器官的该阈值不同。如对于成年人睾丸，单次短暂照射的总剂量达到3.5～6.0 Gy时才会导致永久不育，而对于骨髓系统，当单次短暂照射的总剂量达到0.5 Gy时，会造成造血机能低下[16]。因此，对PETCT、SPECT及SPECT-CT受检者，其所受的辐射剂量，一般情况下不会导致确定性效应。

2.3 小剂量兴奋效应

线性无阈值(linear no-threshold，LNT)假说已经存在多年，且影响了各国放射防护政策的制定，放射防护政策以在所有剂量水平的辐射都是有害的假设为依据，并尽可能使用低剂量(as low as reasonably achievable，ALARA)。LNT模型认为电离辐射的致癌概率与剂量呈线性关系(如1000 mSv的致癌概率是10 mSv的100倍)，并且无论多低的剂量都有致癌概率[22]。然而，迄今为止无阈假说依然未经人体试验验证及流行病学资料的充分支持[23]。一直以来，有小剂量兴奋效应说法，认为低剂量照射会刺激人体的免疫器官，不仅无害，还会提高人体的免疫功能[23]。但是这种观点并未被放射防护领域采纳。刘树铮[23]对我国高天然本底地区广东阳江约100万人的放射致癌危险研究显示，尽管该地区人群所受剂量当量相当于对照地区人群3倍多，但患癌概率并未增加，因此认为放射致癌并非无阈，而是存在着实际的阈值[23]。

近期，美国核医学杂志的一篇有关这种观点的文章引起广泛的关注，文中指出，线性无阈假说只专注于分子破坏而忽视保护作用和生物反应[24]。低剂量的辐射可以刺激保护性反应，称为适应性反应，其通过涉及150余个基因的DNA修复，抗氧化剂的生产，细胞凋亡，免疫清除受损细胞等过程对抗癌症的发生。即使是低剂量CT扫描，也能激活双链断裂修复。并且这种保护作用还可以抵抗随着时间推移带来的外加损害，包括后续的暴露于更高的辐射所带来的损害。有研究表明，在放射成像剂量下罹患癌症的概率为下降而非增加，原子弹幸存者寿命研究的数据显示，LNT预测的低于200 mGy剂量具有致癌性不成立。一个典型的CT扫描的有效剂量约10 mSv；常规全身18F-FDG PET-CT扫描约12～15 mSv[24]。因此，在对儿童或成年人进行的医学影像检查所采用的低剂量造成的恐惧或逃避是无科学依据的。反之，如果由于对辐射损伤过于恐惧，检查时剂量不足以及进行不必要的影像学检查所带来的实际风险，才是最需要关注的主要问题[24]。

3 展望

综合各项研究结果显示，PET-CT、SPECT及SPECT-CT检查在保证临床需求的条件下，应尽量降低受检者的受照剂量，对于PET-CT、SPECT-CT扫描，降低CT部分对受检者的辐射剂量至关重要。有研究表明，单次PET-CT、SPECT及SPECT-CT检查的辐射剂量不会导致确定性效应，按照线性无阈的理论会产生随机性效应，但是这种线性无阈的随机性效应观点也有研究质疑。在未来的科研工作中，确定临床PET-CT、SPECT及SPECT-CT最优化采集方案及随机性效应是否有阈仍将是研究的重点。

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Research Progress on radiation levels and biological effects of PET-CT, SPECT and SPECT-CT subjects/

WU Yi-tian, GENG Jian-hua//
China Medical Equipment,2017,14(3):141-146.

PET-CT, SPECT, and SPECT-CT examinations could lead to inevitable medical exposure for patients, and the radiation dose of this examinations and whether it was harmful to patients have attracted attention from the public and professionals. At the same time, there was still a controversy about whether the biological effect of low dose radiation was useful to human body. The research investigates and reviews the radiation dose of PET-CT, SPECT, and SPECTCT scans and their biological effects. Under achieved to the demands of clinical conditions, operators should try to reduce the radiation dose of PET-CT, SPECT, SPECT-CT scans for patients. Although PET-CT, SPECT, SPECT-CT scans deliver inevitable radiation, the dose of single examination will not lead to deterministic effect, and even the view of the random effect of linear no-threshold from these scans also have been questioned.

PET-CT; SPECT-CT; Patient; Radiation dose; Biological effect

1672-8270(2017)03-0141-06

R142.4

A

10.3969/J.ISSN.1672-8270.2017.03.040

2016-10-27

国际科技合作项目(2009DFA32960)“PET-CT脑分子影像研究与应用平台及针灸中枢机理探索”；中国癌症基金会北京希望马拉松专项(LC2013A13和LC2016A02)“PET-CT的辐射剂量和图像质量的模型研究”和“PET-CT及SPECT、SPECT-CT受检者辐射剂量的研究”

①北京协和医学院 中国医学科学院肿瘤医院核医学科、PET-CT中心 北京 100021

*通讯作者：gengjean@163.com

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