不同体型特异性剂量估算值在儿童腹部CT检查中的应用

竺 陈 边传振* 王 颖

目前,准确评估患儿CT检查的辐射剂量已成为当前亟待解决的社会问题[1].腹部CT检查是儿童常见的检查手段,尤其是外伤及占位性病变的患儿,CT检查成为了主要的检查手段之一[2].常用的估算个体所受辐射剂量的主要参数是容积CT剂量指数(volume CT dose index,CTDIVOL)和剂量长度乘积(doselength product,DLP),其为CT设备在16 cm或32 cm标准体模下的输出剂量,常用来评价不同设备或机型的输出剂量,而每个患儿的体型与标准体模差异很大,因此用CTDIVOL和DLP评估患儿受到的辐射剂量并不准确[3-4].

为了准确评估患儿受到的辐射剂量,美国医学物理协会(American Association of Physicists in Medicine,AAPM)在204号和220号文件提出,分别使用有效直径(De)和水当量直径(Dw)来计算体型特异性剂量评估(size-specific dose estimate,SSDE)值[5-6].在评估成年人胸腹部CT检查所受的辐射剂量时,SSDEDw比SSDEDe更精确[7].由于儿童体型及组织发育差异,SSDEDw和SSDEDe两种方法估算儿童腹部CT检查辐射剂量的差异与成年人并不相同.因此,本研究旨在比较儿童腹部CT检查时SSDEDw和SSDEDe间的差别,并找出较为简便且能准确直观的反映患儿辐射剂量的方法.

1 资料与方法

1.1 临床资料

前瞻性的选取2017年6月至2018年6月在南京医科大学附属儿童医院行腹部CT检查的128例患儿,其中男患儿63例,女患儿65例;年龄0~16岁,平均年龄(10.79±2.01)岁.依据患儿年龄将其分为0~3岁组(39例)、4~7岁组(43例)和8~16岁组(46例).

1.2 纳入与排除标准

(1)纳入标准:①患儿年龄在0-16岁之间;②检查时患儿双上肢可上举;③患儿家长同意进行此次研究.

(2)排除标准:①双上肢无法上举者;②患儿体内有金属异物或体表金属类异物无法去除者;③腹部有较大占位性病变者.

1.3 仪器设备

采用Brilliance iCT 128iCT(荷兰Philips公司).

1.4 检查方法

使用128iCT进行数据采集,选用128X0.625 mm探测器,扫描螺距为0.914,扫描时患儿仰卧,双上肢上举,采用正侧位定位像结合自动管电流调制技术,0~3岁组患儿管电压80 kV,参考管电流50 mAs,4~7岁组患儿管电压100 kV,参考管电流70 mAs,8~16岁组患儿管电压120 kV,参考管电流100 mAs,均从膈顶扫至耻骨联合下缘,采用iDose4算法重建出层厚1 mm层距1 mm软组织窗图像用于诊断及图像质量评价,重组图像层厚10 mm,层距10 mm,横断位纵隔窗图像用于De和Dw测量.

1.5 辐射剂量评估

从Extended BrillianceTM Workspace工作站剂量报表获得患儿的平均mAs和平均CTDIVOL,对每层mAs进行标准化,其标称CTDIVOL计算为公式1:式中CTDIVOL(c)为校正后的标称CTDIVOL,CTDIVOL(a)为剂量报表显示的平均CTDIVOL,mAs(z)为每一层的mAs,mAs(a)为平均mAs.

测量患儿腹部最中心层面CT图像的最大前后径(anteroposterior,AP)和左右径(lateral,LAT),并计算其De.依据De对应的转换因子(fDe)得到SSDEDe,其计算为公式2~4:

在腹部每一层CT图像上画椭圆形感兴趣区,椭圆面积尽量小,但要覆盖横断面图像所有解剖结构,记录椭圆形面积(Aroi)及椭圆形区域的平均CT值(CTroi),计算Dw,依据Dw对应的转换因子fDw得到SSDEDw,依据每一层图像的SSDEDw计算其平均值(size-specific dose estimate gross,SSDEg);其计算为公式5~8:

式中N为腹部图像的总层数.

CTDIVOL(a)在32 cm聚甲基丙烯酸甲酯标准体模条件下获取,有关SSDEDe和SSDEDw各参数即为中间层面的参数,SSDEg为平均SSDEDw.

1.6 图像质量客观与主观评价

(1)客观评价:计算CT图像的客观噪声值和信噪比.选取肝门层面脾区及第五腰椎层面椎旁肌肉区30~60 mm2区域为感兴趣区域(region of interest,ROI),获得兴趣区平均CT值(HU)及CT值标准差(SD),平均CT值代表该兴趣区的信号值,SD值代表该兴趣区客观噪声值,并计算该兴趣区信噪比(SNR=HU/SD)[7].

(2)主观评价:由放射科1名副主任医师及1名主治医师作为观察者,在同一影像归档及传输系统(picture archiving and communication systems,PACS)上对所得图像进行评价.根据肝实质及肝内血管的显示,胆囊壁的显示,肾皮质和肾髓质的可分辨程度,胰腺轮廓的显示,大血管的显示,进行5分制评分:①5分,图像噪声少,肾皮质和肾髓质能够清晰分辨,肝实质、胆囊壁、胰腺及血管显示清晰,对比度良好,完全满足诊断需求;②4分,图像噪声不大,肾皮质和肾髓质能够分辨,肝实质、胆囊壁、胰腺及血管能够显示,对比度尚可,能够满足临床诊断;③3分,图像噪声稍多,肾皮质和肾髓质依稀可辨,肝实质、胆囊壁、胰腺及血管显示欠佳,对比度较差,基本满足诊断要求;④2分,图像噪声多,肾皮质和肾髓质分辨不清,肝实质、胆囊壁、胰腺及血管显示不清,对比度差,不能满足诊断需求;⑤1分,图像噪声很多,肾皮质和肾髓质完全无法分辨,肝实质、胆囊壁、胰腺及血管完全无法显示,完全无对比,无诊断价值[10].≥3分的图像被认为可以满足临床要求.

1.7 统计学方法

采用SPSS18.0软件对数据进行分析,图像质量主观评分用秩和检验分析,各观察者主观评分一致性分析采用Kappa检验;不同年龄组间CTDIvol(a)、SSDEDe及SSDEDw比较采用方差分析;各年龄组内SSDEDe与SSDEDw比较,De与Dw比较,fDe与fDw比较均采用配对t检验;双变量的相关性分析采用Pearson分析;以P<0.05为差异有统计学意义.

2 结果

2.1 图像质量客观评价

三组患儿在脾区和椎旁肌肉区ROI的SD和SNR差异均无统计学意义[(脾区:F=0.63,F=1.09;P>0.05);(椎旁肌肉区:F=2.51,F=0.89;P>0.05)];组间对比差异均无统计学意义[SD:脾区(t=0.37,t=0.41,t=0.66;P>0.05),椎旁肌肉区(t=1.04,t=0.74,t=0.83;P>0.05);SNR:脾区(t=0.91,t=0.87,t=0.69;P>0.05)椎旁肌肉区(t=0.49,t=0.62,t=0.79;P>0.05)],见表1.

表1 各组患儿图像质量客观评价(±s))

表1 各组患儿图像质量客观评价(±s))

注:表中SD为CT值标准差,SNR为信噪比

组别 例数 椎旁肌肉区 脾区SD SNR SD SNR 0~3岁组 39 8.45±0.33 7.39±0.46 17.6±4.6 3.72±0.46 4~7岁组 43 8.73±0.47 7.25±0.34 18.1±5.0 3.43±0.13 8~16岁组 46 9.01±0.51 7.19±0.35 18.7±5.3 3.19±0.11 F值 2.51 0.89 0.63 1.09 P值 0.13 0.42 0.54 0.35

2.2 图像质量主观评价

各组患儿腹部图像主观评分差异无统计学意义(Z=-0.63,P=0.51),0~3岁组、4~7岁组和8~16岁组患儿两名观察者间评分分别为(4.33±0.72)分、(4.13±0.83)分和(3.96±0.65)分,一致性分别为k=0.43、k=0.39和k=0.41;所得图像主观评分均≥3分,能满足诊断需求.

2.3 组间两种SSDE计算方法下的直径、转换因子和CTDIVOL比较

(1)三组患儿在De、Dw、fDe、fDw、SSDEDe及SSDEDw间的差异均有统计学意义(F=140.5,F=121.8,F=79.8,F=69.1,F=67.2,F=109.2,F=171.6;P<0.05);组间对比差异均有统计学意义[(De间的差异为0~3岁组<4~7岁组<8~16岁组;t=8.07,t=9.42;P<0.05);(Dw间的差异为0~3岁组<4~7岁组<8~16岁组;t=4.45,t=6.13;P<0.05);(fDe间的差异为0~3岁组>4~7岁组>8~16岁组;t=6,t=15,7.43;P<0.05);(fDw间的差异为0~3岁组>4~7岁组>8~16岁组;t=5.29,t=6.64;P<0.05);(SSDEDe间的差异为0~3岁组>4~7岁组>8~16岁组;t=8.21,t=5.79;P<0.05);(SSDEDw间的差异为0~3岁组>4~7岁组>8~16岁组;t=6.92,t=5.77;P<0.05)],随着年龄的增大,患儿的De、Dw在增大,而fDe、fDw、SSDEDe及SSDEDw在减小.

(2)各组患儿组内两种SSDE计算方法下的直径、转换因子与CTDIVOL比较.0~3岁组患儿De较Dw高10.3%,fDe较fDw低12.4%,SSDEDe较SSDEDw低13.1%,差异均有统计学意义(t=4.59,t=6.27,t=5.84;P<0.05);4~7岁组患儿De较Dw高10%,fDe较fDw低11.8%,SSDEDe较SSDEDw低12.9%,差异均有统计学意义(t=6.37,t=5.94,t=4.57;P<0.05);8~16岁组患儿De较Dw高9.8%,fDe较fDw低10.4%,SSDEDe较SSDEDw低10.5%,差异均有统计学意义(t=8.42,t=6.09,t=5.61;P<0.05),见表2和图1.

图1 4~7岁组患儿腹部CT影像

2.4 SSDEDe、SSDEDw及SSDEg相关性

0~3岁组患儿SSDEDe、SSDEDw与SSDEg呈正相关(r=0.90,r=0.91;P<0.05);4~7岁组患儿SSDEDe、SSDEDw与SSDEg呈正相关(r=0.89,r=0.92;P<0.05);8~16岁组患儿SSDEDe、SSDEDw与SSDEg呈正相关(r=0.88,r=0.79;P<0.05).

表2 各组患儿De、Dw、fDe、fDw、SSDEDe及SSDEDw值比较(±s))

表2 各组患儿De、Dw、fDe、fDw、SSDEDe及SSDEDw值比较(±s))

注:表中Dw为水当量直径;De为有效直径;fDw为Dw对应的转换因子;fDe为De对应的转换因子;CTDIVOL为容积CT剂量指数;SSDEDw为Dw体型特异性剂量评估值;SSDEDe为 De体型特异性剂量评估值

组别 例数 Dw(mm) De(mm) fDw fDe CTDIVOL(mGy) SSDEDw(mGy) SSDEDe(mGy)0~3岁组 39 109.33±9.77 121.89±10.13 3.47±0.09 3.04±0.13 2.42±0.19 8.39±0.43 7.29±0.32 4~7岁组 43 120.09±9.39 133.43±10.89 2.71±0.08 2.39±0.11 2.85±0.24 7.62±0.64 6.64±0.65 8~16岁组 46 155.34±13.52 172.46±18.88 2.11±0.13 1.89±0.11 3.21±0.14 6.60±0.29 5.91±0.37 F值 140.5 121.8 79.8 69.1 67.2 109.2 171.6 P值 <0.01 <0.01 <0.01 <0.01 <0.01 <0.01 <0.01

3 讨论

有研究表明,用CTDIVOL和DLP评估患儿腹部CT检查时受到的辐射剂量并不准确,AAPM通过对体模研究提出使用De和Dw来计算患者的SSDE[5-6].De是假设人体由椭圆形的横断面组成,人体体型可用面积与之相当的圆柱形水模直径表示;Dw除了用代表几何外形尺寸的面积外,还用代表组织衰减特性的横断面平均CT值来定义患者体型[5-6];因此,用De和Dw来估算的辐射剂量仍存在差异.

腹部含有实质性脏器及空腔脏器,用Dw计算SSDE时测得的整个横断面椭圆形区域的平均CT值表示组织的射线衰减情况,且椭圆形面积代表了腹部图像的几何参数,而De仅表示了腹部图像的几何尺寸,对解剖结构的差异情况不能精确反应[7].本研究中,以Dw和De为基础依据公式计算出来的fDe较fDw低,导致了SSDEDe较SSDEDw低,因此相对而言,SSDEDe低估患儿腹部CT检查的辐射剂量,这与成年人腹部的相关报道不一致.袁子龙等[7]通过对成年人腹部CT检查时SSDEDe和SSDEDw对比分析发现,SSDEDe较SSDEDw高估了4.8%的辐射剂量,这可能是由于成年人的腹部器官与组织发育成熟,其横断面平均CT值与0接近或为正值,因此计算出来的fDw较fDe低,导致了SSDEDe高估了患者的辐射剂量[10].而少年儿童腹部组织器官发育未成熟,CT值低于成年人,且少年儿童胃肠道内含气量普遍较多,因此测得的横断面平均CT值为负值,导致了SSDEDe较SSDEDw低[11].

本研究中随着患儿年龄的增大,其De、Dw也在增大,而fDe、fDw、SSDEDe及SSDEDw在减小,可能是由于标称CTDIVOL是在32 cm标准体模条件下的输出剂量,随着患儿年龄的增大,患儿的体径接近标准体模,导致SSDEDe和SSDEDw与CTDIVOL间的差异均减小,可能是由于随着年龄的增长患儿的组织结构发育情况与成年人更接近,这与袁肖娜等[12]和田忠甫等[13]的研究相一致.

本研究将各组患儿的SSDEDw与SSDEg作相关性分析发现,两者具有较高相关性,这与Larson等[4]对成年人的相关研究一致,表明SSDEDw可替代SSDEg来评估患儿的实际受照剂量.由于腹部CT图像数量多,而SSDEg为各层面的平均SSDE,要计算SSDEg数据量大而不易实现,且目前尚未见有相关的计算机软件辅助运算.因此,现阶段采用中间层面的SSDEDw代表SSDEg反映患儿的辐射剂量具有重要的实用价值.

本研究中所有患儿的图像质量均能满足诊断需求,且各组患儿间的主观及客观评分差异均无统计学意义,表明本研究中所选择的扫描条件与各年龄段相适应,今后工作中应根据患儿的年龄或体型状况灵活选择扫描条件,对不同个体制定个性化的扫描方案[14].

本研究的不足之处在于:①未对辐射剂量进行实际的测量,研究中所获得的CTDIVOL为机器自动给出的,可能与实际不相符;②图像质量的主观评分可能受观察者自身影响;③目前尚无商业化的计算机软件自动测量并计算SSDE,手动测量误差大且效率低,且为了减少工作量,本研究采用了10 mm层厚的图像进行测量,结果可能受到影响;④腹部CT检查时未对患儿的饮食时间进行严格的控制,CT检查时患儿胃肠道内容物会对研究结果产生一定的影响.

本研究进一步明确了SSDEDw在评估儿童腹部CT检查辐射剂量的价值,且中心层面的SSDEDw是反映患儿辐射剂量简单准确的代表参数.