基于管电流自动调制模式的儿童头颅CT体型特异性剂量的快速估算

张见，刘鹏，张晓军

南京医科大学附属儿童医院 放射科，江苏 南京 210000

引言

随着CT 检查的临床应用日益增加，随之而来的辐射剂量问题受到越来越多的关注[1-2]。有研究表明，幼年时期接受过多的X 射线照射，成年后其血液疾病及脑肿瘤发病概率明显增加。因儿童是特殊群体，其身体组织器官对X 射线的敏感性远远高于成人，故而其辐射危害更应受到重视[3-5]。目前，容积CT 剂量指数（Volume CT Dose Index，CTDIvol）是衡量CT 检查辐射剂量最常用的指标。CTDIvol根据直径为16 cm 或32 cm 的标准体模计算而来，表示扫描体积范围内的平均辐射剂量，其大小受检查参数的影响，主要反映CT 设备的辐射输出剂量。由于标准体模尺寸与儿童检查部位尺寸差异较大，均不能准确地反映患者的大小，并且在对患者辐射剂量的估计中存在较高的不确定性[6-8]。为进一步准确衡量辐射剂量，美国医学物理学家协会（American Association of Physicists in Medicine，AAPM）于2019 年发布了293 号报告，使用基于水当量直径（Water Equivalent Diameter，WED）的体型特异性剂量估算值（Size-Specific Dose Estimate，SSDE），即SSDEWED，来校准CTDIvol，有效弥补了CTDIvol未考虑检查部位尺寸及组织器官密度对X 射线衰减不同等因素对辐射剂量影响的缺陷，是一个更为合理的辐射参数[9]。有研究表明，SSDEWED对头颅辐射的衡量更为准确[8]。本研究通过对儿童头颅CT 影像学资料进行分析，探讨CTDIvol与SSDEWED在衡量辐射剂量上的差异并探讨快速计算SSDEWED的方法。

1 资料与方法

1.1 临床资料

回顾性分析2021 年1—12 月儿童头颅CT 影像学资料1136 例，年龄从3 个月至15 岁不等，平均年龄（6.97±4.47）岁，其中男童651 例、女童485 例，纳入的影像资料均满足诊断要求，且经医院伦理委员会审批通过（201908224-1）。

纳入标准：① 检查体位标准；② 头颅颅骨无缺损且表面无巨大占位性包块；③ 颅内组织无中等及以上程度脑积水及巨大囊性病变；④ 颅内无金属植入物。排除标准：① 颅骨骨质因病变导致密度明显增高；② 数据测量层面有钙化灶或密度异常的实性占位；③ 横断面头颅外形明显异变。

1.2 检查条件

检查设备使用Philips Brilliance 128 iCT。患儿自主或口服镇静剂进入深睡眠后仰卧于检查床，头颅置于头颅颈托内呈标准检查体位。依据患儿年龄将其分为A（年龄≤0.5 岁）、B（0.5＜年龄≤3 岁）、C（3＜年龄≤6岁）及D（＞6岁）4组，其中A组53名，平均年龄（0.41±0.07）岁；B组243名，平均年龄（1.55±0.78）岁；C 组2 1 0 名，平均年龄（4.4 4±0.8 5）岁；D 组630名，平均年龄（10.47±2.48）岁。检查参数：管电压，A、B组100 kVp，C、D组120 kVp；管电流采用自动管电流曝光控制技术，螺距0.296，球管旋转速度0.40 r/s，成像矩阵512×512，探测器宽度64×0.625 mm，使用头颅正侧双定位像定位扫描，扫描范围为颈1椎体下缘至颅顶，扫描基线为听上眶线；扫描后采用iDose4算法重建层厚及层间距均为5 mm的轴位骨窗和脑组织窗图像。

1.3 辐射剂量的计算

记录检查结束后CT 设备自动生成的辐射剂量表中的CTDIvol及其年龄。基于AAPM 293 号报告[9]计算SSDEWED。计算方法：选取扫描部位图像最中间层面，手动勾画包括所有解剖结构的最小椭圆形感兴趣区（Region of Interest，ROI），记录其面积（Area of ROI，AROI）及平均CT 值（CT Value of ROI，CTROI），计算WED、转换因子（Conversion Factor，f）及SSDEWED。计算方式如公式（1）～（3）所示[9]：

式中，a 为4.378094；e 为自然底数；b 为 -0.04331144。

1.4 图像的质量评价

图像质量评价采用主观评价方式，由两名医师对原始及重建图像使用5 分制评价，评分经协商后达成一致意见。评分标准：5 分为优秀，图像质地细腻均匀，解剖结构及病灶、灰白质分界及脑沟脑回均显示清晰，无明显噪声、伪影；4 分为良好，图像质地较为细腻均匀，解剖结构及病灶显示较清晰、灰白质及脑沟脑回显示较清楚，噪声及伪影不明显；3 分为尚可，图像质地细腻均匀度尚可，解剖结构及病灶显示可辨认，灰白质分界及脑沟脑回显示可辨识，有噪声、伪影但不影响诊断；2 分为较差，图像质地较为模糊，解剖结构及病灶显示不清，灰白质分界及脑沟脑回显示亦不清晰，有明显噪声、伪影而影响诊断结论；1 分为不可用，图像不能用于诊断。3 分及以上图像认为可满足诊断要求。

1.5 统计学分析

采用SPSS 25.0 软件进行统计学分析。正态分布数据采用±s表示，偏态数据以中位数（四分位间距）[M（Q1，Q3）]表示。正态分布且方差齐性数据采用配对t检验进行检验，方差不齐则采用Wilcoxon 配对样本秩和检验；两名医师的主观评价一致性验证采用Kappa检验，Kappa 值＞0.4 为一致性好；组间图像主观评价采用非参数秩和检验，以P＜0.05 为差异有统计学意义；使用标准差、变异系数、全范围间距和四分位间距分别衡量CTDIvol与SSDEWED的离散程度；采用Pearson 分析二变量正态分布数据相关性，采用最小二乘法线性分析建立回归模型。

2 结果

2.1 CTDIvol与SSDEWED间差异

1136 例患儿行头颅CT 检查，其平均CTDIvol为（9.52±1.32）mGy，平均SSDEWED为（8.30±0.67）mGy，二者间差异有统计学意义（t=60.10，P＜0.001）。A组CTDIvol＜SSDEWED，其余组均CTDIvol＞SSDEWED，且组内差异有统计学意义（P＜0.001），见表1。各组组内CTDIvol的变异系数、全范围间距及四分位间距均大于SSDEWED，具体组间差异及离散度如表2所示。

表1 4组组内CTDIvol与SSDEWED差异比较结果（±s，mGy）

表1 4组组内CTDIvol与SSDEWED差异比较结果（±s，mGy）

注：CTDIvol：容积CT剂量指数；SSDEWED：基于水当量直径的体型特异性剂量估算值。

项目A组B组C组D组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 各分组组间差异及离散度比较结果

2.2 CTDIvol与管电流、WED相关性

Pearson 相关性分析显示：CTDIvol与管电流具有较强的正向相关性（100 kVp：r=1.00，P＜0.001；120 kVp：r=0.99，P＜0.001）；CTDIvol与WED 亦具有较强的正向相关性（100 kVp：r=0.95，P＜0.001；120 kVp：r=0.87，P＜0.001）。具体各管电压下CTDIvol与管电流、CTDIvol与WED 散点分布及拟合曲线如图1 所示。

图1 不同管电压下CTDIvol与管电流、CTDIvol与WED散点分布及拟合曲线

2.3 SSDEWED与管电流、WED相关性

Pearson 相关性分析显示：SSDEWED与管电流具有较强的正向相关性（100 kVp ：r=0.95，P＜0.001 ；120 kVp ：r=0.91，P＜0.001）；SSDEWED与WED在100 kVp 管电压条件下具有较强的正向相关性（r=0.82，P＜0.001），在120 kVp 管电压条件下与WED具有中等强度的相关性（r=0.61，P＜0.001）。具体各管电压下SSDEWED与管电流、SSDEWED与WED 散点分布及拟合曲线如图2 所示。

图2 不同管电压下SSDEWED与管电流、SSDEWED与WED散点分布及拟合曲线

2.4 WED、f 与年龄的回归模型

WED 及f均随着年龄的变化而变化，在幼儿出生早期，其曲率变化较快，其后曲率变化逐渐趋于平缓。WED、f与年龄分布图如图3 所示。

2.5 图像质量主观评价

4 组患儿图像主观评分分别为（4.89±0.38）分、（4.94±0.29）分、（4.88±0.40）分及（4.94±0.31）分，组间评分差异无统计学意义（Z=0.97，P＞0.05），医师评分一致性系数Kappa 值分别为0.78、0.74、0.77、0.72，一致性好，所有图像评价分级均在3 分及以上，均能满足诊断需要。

3 讨论

衡量CT 辐射剂量最直观、最方便的指标是CTDIvol，其直接生成于检查结束后的辐射剂量表中。CTDIvol表示在特定扫描参数下的标准体模的平均辐射剂量，并且极易受到扫描协议的影响，并不能真实反映患者检查部位的大小和组织对X 射线衰减的影响。但是，辐射剂量的大小和真实部位尺寸及组织与X 射线衰减密切相关。SSDEWED使用f对CTDIvol进行校正，克服了CTDIvol无法反映患儿检查部位体型及对X 线衰减影响的缺陷，除了患者的几何形状和扫描位置的组织衰减外，f还与扫描方案选择的体模尺寸有关，AAPM 220 报告中的f以直径为16 cm 的头部体模为参考进行计算[10]。WED 假设人体是由椭圆截面组成的，可以用一个X 射线衰减相当的圆柱形水模来表示，水模的横截面积代表患者的几何大小，CT 值代表组织结构对X射线的平均衰减，因此，基于几何外形和组织衰减特征的f可以更准确地校正患儿辐射剂量[11]。本研究通过建立WED 与年龄回归模型，当患儿年龄为3 岁左右时，其WED 与体模直径相当，而其f约为0.89；f随年龄分布拟合图显示，在患儿约6 月龄时f=1，而WED约为13.90 cm。f=1 时其WED 直径与标准体模直径并不一致，其原因在于头颅组织与胸腹部不同的结构特点[12]：胸腹部由较为均匀的软组织构成，而脑组织则包裹于颅骨之中，颅骨内外板之间的板障海绵体对X 射线有一定的屏蔽作用，为脑组织提供了一个固定的屏蔽源，减少了脑组织实际接受的X 射线，因而在相同的WED 下，脑组织所接受的辐射剂量低于胸腹部，这与Hardy 等[13]的研究结果一致。因此，即使几何尺寸相等，使用具有均匀结构的体模测算而来的CTDIvol与真实辐射仍有一定的偏差。本研究结果亦表明：6 月龄内患儿CTDIvol＜SSDEWED，CTDIvol高估其辐射剂量；大于6 月龄患儿CTDIvol＞SSDEWED，CTDIvol低估其辐射剂量。SSDEWED的变异系数、全范围及四分位数范围均小于CTDIvol，说明使用SSDEWED能更可靠地反映辐射剂量。

辐射剂量最重要的影响因素为管电压及管电流[14]。在本研究中，管电压的使用以年龄为分组条件，≤6 岁使用100 kVp，＞6 岁则使用120 kVp。管电流则采用自动曝光控制技术，其能够根据检查部位左右径及前后径的大小自动调节输出管电流：在颅底等尺寸、组织衰减较大部位会自动增加管电流输出，而在颅顶等部位则会减小管电流的输出，能够最大程度减少辐射剂量[15]。在相同管电压下，管电流的大小与检查部位尺寸及组织密度相关[16]。本研究结果表明：CTDIvol与管电流具有较强的正相关性，CTDIvol与WED 具有较强的正相关性；SSDEWED与管电流具有较强的正相关性，SSDEWED与WED 在100 kVp 管电压条件下具有较强的正相关性，在120 kVp 管电压条件下与WED 具有中等强度的相关性。CTDIvol与管电流、WED 相关性大于SSDEWED与管电流、WED 相关性，说明管电流、WED 对CTDIvol与SSDEWED的影响并不完全相同。二者的区别在于CTDIvol的计算基于一致衰减和恒定直径的标准体模，其变化只与检查参数有关，而SSDEWED是CTDIvol与f的乘积，考虑了扫描参数和检查部位特征对辐射的影响，二者的叠加影响使得其相关性减弱。WED 与年龄、年龄与f都有着强相关性，因而可以建立f与年龄间的回归模型快速计算SSDEWED，以更准确地对辐射剂量进行衡量。

本研究也存在以下局限性：① 本数据仅在1 台CT设备上采集，其有效性未在更多设备上进行验证；② 对于管电压的使用以6 岁为分界点，有待于对图像进行客观评价后进一步得出更合理、更具科学性的分界点；③ 对于小于3 月患儿样本数较少，加之新生儿头颅大小随年龄变化速度较快，回归模型对其适用性需进一步验证；④ 仅研究了扫描范围内的SSDEWED，未对更真实反映患儿吸收辐射的有效剂量进行分析，今后可进一步研究。

综上所述，CTDIvol未考虑检查部位因素对辐射剂量的影响，使得其对6 月龄内幼儿低估辐射而对于大于6 月龄幼儿及儿童高估辐射。而SSDEWED同时考虑了扫描参数及检查部位对X 射线衰减对辐射剂量的影响，且其具有更小的标准差（6 月龄内幼儿除外）、变异系数、全范围及四分位间距，可以更准确可靠地衡量儿童头颅CT 检查辐射剂量。通过建立f与年龄间的回归模型，有助于儿童患者较少的医疗机构确定儿童头颅CT 检查辐射剂量标准。