2017, Vol. 37
2. 230022 合肥, 安徽医科大学第一附属医院 ;
3. 12180 纽约, 伦斯勒理工学院核工程系
2. The First Affiliated Hospital of Anhui Medical University, Hefei 230022, China ;
3. Nuclear Engineering Program, Rensselaer Polytechnic Institute, New York 12180, USA
介入治疗是一种新兴的治疗方法,具有微创性、 效果好等优点,在世界范围内受到广泛的临床应用,目前在我国很多基层医院已取得和外科、 内科治疗同等重要的地位[1]。介入治疗需要依靠包括X 射线透视在内的医学影像手段来帮助完成相应的治疗,这会导致患者不可避免地受到较高的电离辐射,因此急性放射性损伤(包括皮肤烧伤)的案例时有报道[2],同时患者的潜在慢性放射性损伤(癌症)的机率也不可忽视[3-4]。 国际原子能机构(IAEA)对患者进行受照剂量的记录和剂量评估非常重视[5]。但是目前针对介入治疗患者的剂量评估相对于其他放射设备的剂量评估比较落后,文献[6-9]中存在计算方法不够准确、 操作过程冗长和应用范围有限等问题。
本研究的目的是开发一款用于介入治疗中患者所受剂量的评估软件,不仅可以准确对患者身体器官的受照剂量进行评估,还具有使用方便和计算快速的特点,易于在实际临床中推广和使用。本软件名称为VirtualDose-IR,其设计思路基于VirtualDose-CT软件[10-12]。 本研究介绍这个软件的开发方法和在辐射剂量计算中的应用。
材料与方法在实验方法无法测量人体内部器官的受照剂量时,可使用计算机模拟来进行计算。蒙特卡罗方法在计算粒子输运问题中有着较高的精度,因此本研究使用蒙特卡罗程序MCNPX[13]来模拟介入辐射过程。MCNPX是由美国洛斯阿拉莫斯国家实验室开发的大型蒙特卡罗程序,可计算复杂几何结构中的中子、 光子和电子等粒子输运问题。另外,为了模拟患者的受照情况,本研究应用了多种计算机人体模型[14],这些模型包含了辐射防护问题中的重要器官,因而可以用蒙特卡罗程序对各个器官的辐射剂量进行计算。
1. 蒙特卡罗方法与介入治疗过程模拟:针对介入治疗过程,选取了6个较为常用的射线照射方向,分别是从后方(posterior anterior,PA)、 左后方(left anterior oblique,LAO)、 右后方(right anterior oblique,RAO)、 下后方(cranial,CRAN)、 左侧(left lateral,LLAT)和右侧(right lateral,RLAT)进行的照射,如图 1所示。
|
图 1 X射线的照射方向示意图 A.人体头部方向的视图; B.人体右侧方向的视图 注:LLAT左侧;LAO左后方;PA后方;RAO右后方; RLAT右侧;CRAN下后方 Figure 1 Schematic of X-ray projection A.the view of head of patient; B.the view of right side of patient |
本研究对X射线机的多种参数根据不同类型的患者以及不同的照射部位选取不同的数值进行模拟,其中管电压的设定为55、 60、 70、 80、 90、 100、 110和120 kVp,过滤铜片的厚度范围为0、 0.1、 0.2和0.3 mm,而过滤铝片的厚度为固定值3.5 mm。此外,根据照射视野的不同,接收屏上的射线视野会有不同的尺寸,这里对边长分别为10、 20、 30和40 cm的正方形照射野都进行了模拟。软件中使用的X射线剂量率是用在X射线管上方4 cm处照射野中心位置的灵敏体积为0.6 cm3的球形空气电离室测量得到。在蒙特卡罗模拟中,在距X射线管上方同样的位置模拟一个球形探测器,灵敏体积为0.6 cm3。由于MCNPX计算出的剂量是归一化到一个光子的,因此需要作相应的转换才能计算出真实的器官剂量。这一转换关系如公式(1)所示:
| $\frac{{{K}_{real}}}{~{{K}_{simu}}}=\frac{{{D}_{real}}}{{{D}_{simu}}}~$ | (1) |
式中,Kreal为实测空气比释动能,Gy;Ksimu为模拟空气比释动能,Gy;Dreal为实际器官吸收剂量,Gy;Dsimu为模拟器官吸收剂量,Gy。
当用户在使用VirtualDose-IR时,只需要输入实际治疗过程中仪器给出的空气比释动能,VirtualDose-IR即可根据公式(1)算出患者实际受到剂量。
2. 多样化的人体模型:计算机人体模型经历了几代的演变,从第1代用简单几何描述的程式化模型,到第2代解剖结构更为精确的体素化模型,发展到第3代网格化的可变形模型[14]。VirtualDose-IR充分利用了先进的第3代模型,共使用了23种不同类型的第3代体模,用于表示各种不同类型的患者,其中包括:基于中国人参考标准的未成年人5、 10和15岁模型,成年男性与女性USTC模型[15]、 基于国际放射防护委员会(ICRP)89号出版物的成年男性与女性模型(RPI-AM和RPI-AF)[16] 不同肥胖等级的肥胖人模型[17],怀孕3个月、 6个月和9个月的孕妇模型[18]等。
相比而言,有些软件仍在使用第1代体模[19],有些软件使用了体素化模型但体模种类很少[20],而VirtualDose-IR中多样化的体模保证了其先进性以及计算结果的可靠性。
剂量数据是使用蒙特卡罗程序MCNPX和体素化人体模型计算得到。由于MCNPX不能直接对网格化的人体模型进行计算,因此需要先将这些网格化的模型转换为体素化的模型[16]。使用一个含有10个中央处理器(CPU)的服务器进行VirtualDose-IR数据库的蒙特卡罗模拟,CPU 型号为Intel Xeon E5-4607,主频为2.60 GHz,每个CPU含有12个线程。由于体模数量较多,并且对于每一种体模需要模拟不同的介入模拟参数,故总共蒙特卡罗输入文件多达17万个,其中每个模拟的计算时间约为25 min。对于蒙特卡罗模拟结果,照射野内及附近器官剂量的统计误差小于1%,其余身体部位主要器官剂量的统计误差在4%以内。
3. SaaS软件架构:软件即服务(SaaS)是不同于传统的软件服务方式,SaaS架构的软件无需用户在本地安装和维护,且可即时享受到最新的版本服务,一般用户只需要浏览器即可使用这类软件。VirtualDose-IR是按照这一架构进行设计和构建的。
在VirtualDose-IR中,用户通过电脑或移动设备,使用浏览器访问网页服务器。当用户在网页上发送请求后,网页服务器会进行相应的操作,然后从数据服务器中获取相关的数据,最后进行一定的整理和加工并返回给用户。
构建SaaS软件的工具有多种,这里选择美国微软公司的ASP.NET MVC作为开发框架[21]。ASP.NET MVC是以MVC为设计模式的构建网页应用的框架,其中MVC为模型(Model)、 视图(View)和控制器(Controller),是一种设计模式。在这一框架内,C#被选为主要的编程语言,C#具有面向对象的特征及很多优秀的语法风格。为了能访问数据库,这里使用结构化查询语言Structured Query Language(SQL)访问并获取数据。当用户请求数据时,数据会以JavaScript Object Notation(JSON)格式进行传递。为构建用户界面,使用ASP.NET MVC框架提供的Razor视图引擎[21]来渲染页面,它最终会被服务器翻译为纯超文本标记语言(HTML)[22]展示给用户。同时使用层叠样式表Cascading Style Sheets(CSS)美化界面,使用JavaScript和基于JavaScript的jQuery库[23]实现动态交互式界面。
结果1. VirtualDose-IR软件:用户可以调整的参数包括:体模类型、 照射方向、 照射部位、 照射视野大小、 管电压、 过滤铜片厚度、 空气比释动能率和总照射时间。用户在人体模型上点击蓝色的按钮即可设定照射部位,而其他参数可以在面板中设置。VirtualDose-IR会计算出人体各个器官的吸收剂量、 皮肤峰值剂量和全身的有效剂量。有效剂量可以分别选择使用国际辐射防护委员会(ICRP) 60号和ICRP 103号报告中的组织权重因子进行计算。软件是在浏览器环境中打开的,用户可以在任何操作系统中进行操作。当用户设定好参数后,点击"Calculate Dose"按钮即可生成剂量报告,计算结果同时以柱状图和表格的形式给出。此外,用户还可以点击"Create Report"按钮将报告结果保存到本地电脑中。
2.使用实验数据验证VirtualDose-IR的准确性:为了验证VirtualDose-IR剂量计算的准确性,这里选择使用Foerth等[24]发表的实验数据进行验证。Foerth使用ATOM物理体模模拟了患者在接受腹主动脉瘤腔内修复术(EVAR)时的照射情况,并使用热释光剂量计测量体模内器官的吸收剂量。物理体模为一女性模型,体重55 kg,身高160 cm。照射参数分别为:管电压70 kV,过滤片为2.5 mm Al和0.2 mm Cu,照射野直径为43 cm。测得的剂量面积乘积为124.18 Gy·cm2。根据此实验参数,在VirtualDose-IR中,选择USTC中国成年女性人体模型,设置参数为:管电压70 kV,过滤片为0.2 mm Cu,照射野边长为40 cm,球形探测器的空气比释动能为433.6 mGy。实验结果与VirtualDose-IR结果对比如图 2所示。从图中可看出,二者的结果基本吻合,在照射野范围内的器官吸收剂量较高,二者的偏差也较小,而在照射野之外的吸收剂量较大,此时的二者偏差较大。
|
图 2 Foerth实验结果与本研究结果的比较 A. 各器官的吸收剂量; B. 相对偏差 (DVirtualDose-IR-DFoerth)/DFoerth 注:1.肾脏; 2.肾上腺; 3.胰腺; 4.肝脏; 5.脾脏; 6.大肠; 7.胃; 8.红骨髓; 9.皮肤; 10.子宫; 11.肺; 12.性腺; 13.膀胱; 14.心脏; 15.食管; 16.乳腺; 17.胸腺; 18.甲状腺 Figure 2 The comparison of organ doses by Foerth's experiment and those by this study A. Absorbed organ doses; B. Organ doses difference (DVirtualDose-IR-DFoerth)/DFoerth |
3. 不同年龄男性患者头部照射剂量比较:选取VirtualDose-IR中4个符合中国人参考标准的未成年和成年男性患者头部的介入治疗案例。X射线从PA方向照射到患者,设置管电压为80 kV,过滤铜片厚度0.2 mm,视野大小30 cm×30 cm,空气比释动能率5.73 mGy/s,总照射时间29 s。这4个模型所有器官的吸收剂量如表 1所示。另外,5、 10、 15岁和成人的有效剂量分别为5.0、 2.5、 1.4和1.9 mSv。
|
表 1 不同年龄男性头部受后方(PA)方向照射时各器官的 吸收剂量、 皮肤峰值剂量(mGy) Table 1 Organ doses and peak skin doses (mGy) for male patients at different ages under back(PA) projection for heads |
4. 与文献数据的比较:孕妇有时需要做内镜逆行胰胆管造影(ERCP)检查。ERCP是一种重要的胰胆疾病治疗手段。Huda等[25]对此进行了相关研究,对一位接受ERCP治疗的40岁的孕妇进行了测量,使用热释光剂量计测量孕妇身体两侧的空气比
释动能,并根据这个数据在蒙特卡罗程序MCNPX中使用一个孕妇模型模拟此过程,从而推算出此孕妇及胎儿的辐射剂量。这里将其研究结果与VirtualDose-IR进行对比,进一步验证VirtualDose-IR结果的准确性。
在Huda等[25]的模拟中,使用的人体模型为怀孕9个月的孕妇,照射野为半径为15 cm的圆形,管电压70 kV,患者皮肤上照射野中心热释光探测器的剂量为28.49 mGy,照射时间2.67 min,圆锥形的射线从左侧照入,并在水平方向上逆时针转5°。在VirtualDose-IR中,使用怀孕9个月的孕妇模型,选择10 cm×10 cm的方形照射野,空气比释动能率为90.3 mGy/s,照射时间1 s,管电压大小70 kV,过滤铜片厚度为0.1 mm,射线从身体的左侧照入。本研究与Huda的结果比较如图 3所示。图中数据表明,本研究VirtualDose-IR的计算结果与Huda的模拟结果在大部分器官上是吻合的,其中脾脏的吸收剂量最高,其他器官相对较低。在某些器官上出现偏差是因为Huda使用的是圆形照射野,VirtualDose上使用的是方形照射野,照射野覆盖的区域不同会对射野边缘的小体积器官剂量造成一定的影响。
|
图 3 Huda等[25]的剂量结果与本研究的剂量结果比较 A. 各器官的吸收剂量; B. 相对偏差(DVirtualDose-IR-DHuda)/DHuda 注:1.脾脏; 2.胃; 3.胰腺; 4.肾上腺; 5.肾脏; 6.小肠; 7.胆囊; 8.大肠壁; 9.肝脏; 10.大肠; 11.肺; 12.胎盘; 13.心脏; 14.子宫; 15.乳腺; 16.胎儿骨骼; 17.食管; 18.胎儿软组织; 19.胎儿大脑; 20.卵巢 Figure 3 Organ doses comparison between the result by Huda and those by this study A. Absorbed organ doses; B. Organ doses difference (DVirtualDose-IR-DFoerth)/DFoerth |
讨论
Foeth等[24]实验结果与VirtualDose-IR的计算结果基本吻合。在照射野范围内,器官的吸收剂量较大,如肾脏、 肾上腺等,此时实验值与VirtualDose-IR的计算值的相对偏差较小。在照射野范围外,器官的吸收剂量很小,如心脏、 甲状腺等,此时二者的相对偏差较大,考虑到器官的吸收剂量此时很小,这样的偏差是可以接受的。此外,实验中使用的物理体模与VirtualDose-IR中的体模的解剖结构、 照射参数、 照射野的范围并不完全一致,这也导致两组数据之间结果存在一定的偏差。不过,这样的偏差对于给患者做剂量评估是在可接受的范围内。
对比不同年龄男性患者不同器官的吸收剂量,唾液腺和脑部的吸收剂量最高,其次是骨内膜和上呼吸道。而其他远离头部的区域,基本不受影响,如肝脏和肾等。另外皮肤剂量相对并不高,然而皮肤峰值剂量却高得多,它可能会对患者造成较严重的损害[2],对此必须要足够重视。从年龄的角度进行对比,可以看出年龄越小,器官的吸收剂量越高,例如唾液腺和脑部。由于年龄越低时器官对射线的敏感度越高,因此对于青少年和儿童,应尽可能减少照射强度和照射时间,以避免射线造成严重的伤害。
Huda等[25]的结果与VirtualDose-IR的结果总体差距不算太大。二者存在偏差的一部分原因包括Huda等的模拟与VirtualDose-IR中使用的射线形状不相同,前者为圆锥形,后者为四棱锥,因而射线覆盖的器官区域会略有不同。同时部分器官本身的体积较小(如胆囊),这也会造成较大的误差。然而,与Huda的方法相比,使用VirtualDose-IR软件计算辐射剂量有较多优势。VirtualDose-IR不需要用户学习如何使用蒙特卡罗软件如MCNPX,用户只需要设置几个简单的参数就可得到结果。用户无需编写蒙特卡罗输入文件,也无需费时等待程序的计算结果,这节省了大量时间。
文献调研表明目前还没有关于计算介入治疗患者器官和组织辐射剂量的软件。为填补这一空白,本研究开发了这款在线的实时剂量评估软件VirtualDose-IR,它可以有效模拟和评估介入治疗过程中患者各器官的吸收剂量,为用户提供了非常方便的剂量评估方式。该软件使用了大量的人体模型来代表不同年龄的男女患者,器官剂量采用蒙特卡罗方法计算得出,对于不同的视野区域的器官剂量具有较高的计算精确度和可靠性。VirtualDose-IR操作简单方便,用户只需点击几次鼠标即可快速获得剂量报告。该软件基于SaaS设计架构,具备跨平台、 无需安装等优点,用户只需浏览器即可使用,这也有利于此程序的传播和更新。
利益冲突 所有作者无任何利益冲突作者贡献声明 冯铓负责软件总体设计、 数据库的构建、 软件开发、 论文撰写;霍万里负责数据的计算、 论文修改;皮一飞提供部分计算用的体模、 论文修改;熊壮、 高佚名、 陈志、 徐榭提供思路指导、 论文修改
| [1] | 王应强, 李向莲, 李幼平, 等. 全球肿瘤介入治疗的研究现状[J]. 中国循证医学杂志 , 2013, 13 (9) : 1060-1072 Wang YQ, Li XL, Li YP, et al. Status quo of global interventional therapy for tumors:a systematic review[J]. Chin J Evid-based Med , 2013, 13 (9) : 1060-1072 DOI:10.7507/1672-2531.20130183 |
| [2] | Balter S, Hopewell JW, Miller DL, et al. Fluoroscopically guided interventional procedures:a review of radiation effects on patients' skin and hair[J]. Radiology , 2010, 254 (2) : 326-341 DOI:10.1148/radiol.2542082312 |
| [3] | Stewart FA, Akleyev AV, Hauer-Jensen M, et al. ICRP publication 118:ICRP statement on tissue reactions and early and late effects of radiation in normal tissues and organs-threshold doses for tissue reactions in a radiation protection context[J]. Ann ICRP , 2012, 41 (1-2) : 1-322 DOI:10.1016/j.icrp.2012.02.001 |
| [4] | Thierry-Chef I, Simon SL, Miller DL. Radiation dose and cancer risk among pediatric patients undergoing interventional neuroradiology procedures[J]. Pediatr Radiol , 2006, 36 (Suppl 2) : 159-162 DOI:10.1007/s00247-006-0206-2 |
| [5] | Rehani MM, Frush DP. Patient exposure tracking:the IAEA smart card project[J]. Radiat Prot Dosim , 2011, 147 (1-2) : 314-316 DOI:10.1093/rpd/ncr300 |
| [6] | McCollough CH, Schueler BA. Calculation of effective dose[J]. Med Phys , 2000, 27 (5) : 828-837 DOI:10.1118/1.598948 |
| [7] | Schlattl H, Zankl M, Hausleiter J, et al. Local organ dose conversion coefficients for angiographic examinations of coronary arteries[J]. Phys Med Biol , 2007, 52 (15) : 4393-4408 DOI:10.1088/0031-9155/52/15/003 |
| [8] | Theodorakou C, Horrocks JA. A study on radiation doses and irradiated areas in cerebral embolisation[J]. Br J Radiol , 2003, 76 (908) : 546-552 DOI:10.1259/bjr/26353198 |
| [9] | Vano E, Gonzalez L, Ten JI, et al. Skin dose and dose-area product values for interventional cardiology procedures[J]. Br J Radiol , 2001, 74 (877) : 48-55 DOI:10.1259/bjr.74.877.740048 |
| [10] | Ding A, Gao Y, Liu H, et al. VirtualDose:a software for reporting organ doses from CT for adult and pediatric patients[J]. Phys Med Biol , 2015, 60 (14) : 5601-5625 DOI:10.1088/0031-9155/60/14/5601 |
| [11] | 梁保辉, 刘海宽, 陈志, 等. 基于VirtualDose模拟不同CT扫描方案的儿童眼晶体剂量[J]. 中国医学物理学杂志 , 2015, 32 (002) : 193-197 Liang BH, Liu HK, Chen Z, et al. Calculate lens dose in variation CT protocols based on VirtualDose software[J]. Chin J Med Phys , 2015, 32 (002) : 193-197 DOI:10.3969/j.issn.1005-202X.2015.02.009 |
| [12] | 刘海宽, 丁爱平, 徐榭. VirtualDose:一个新的计算CT扫描所致器官剂量的软件工具[J]. 中国医疗设备 , 2013, 28 (10) : 1-5 Liu HK, Ding AP, Xu X. VirtualDose:a new software used for reporting patient organ dose from CT scan[J]. Chin Med Devices , 2013, 28 (10) : 1-5 DOI:10.3969/j.issn.1674-1633.2013.10.001 |
| [13] | Pelowitz D. MCNPX user's manual, version 2.5.0[M]. Los Alamos: Los Alamos National Laboratory, 2005 . |
| [14] | Xu XG. An exponential growth of computational phantom research in radiation protection, imaging, and radiotherapy:a review of the fifty-year history[J]. Phys Med Biol , 2014, 59 (18) : R233-R302 DOI:10.1088/0031-9155/59/18/R233 |
| [15] | Pi YF, Feng M, Huo WL, et al, Development of mesh-based age-dependent family phantoms[C].CP2015, Seoul, 2015. |
| [16] | Zhang JY, Na YH, Caracappa PF, et al. RPI-AM and RPI-AF, a pair of mesh-based, size-adjustable adult male and female computational phantoms using ICRP-89 parameters and their calculations for organ doses from monoenergetic photon beams[J]. Phys Med Biol , 2009, 54 (19) : 5885-5908 DOI:10.1088/0031-9155/54/19/015 |
| [17] | Ding A, Mille MM, Liu T, et al. Extension of RPI-adult male and female computational phantoms to obese patients and a Monte Carlo study of the effect on CT imaging dose[J]. Phys Med Biol , 2012, 57 (9) : 2441-2459 DOI:10.1088/0031-9155/57/9/2441 |
| [18] | Xu XG, Taranenko V, Zhang J, et al. A boundary-representation method for designing whole-body radiation dosimetry models:pregnant females at the ends of three gestational periods-RPI-P3, -P6 and -P9[J]. Phys Med Biol , 2007, 52 (23) : 7023-7044 DOI:10.1088/0031-9155/52/23/017 |
| [19] | Khodadadegan Y, Zhang M, Pavlicek W, et al. Automatic monitoring of localized skin dose with fluoroscopic and interventional procedures[J]. J Digit Imaging , 2011, 24 (4) : 626-639 DOI:10.1007/s10278-010-9320-7 |
| [20] | Kramer R, Khoury HJ, Vieira JW. CALDose_X-a software tool for the assessment of organ and tissue absorbed doses, effective dose and cancer risks in diagnostic radiology[J]. Phys Med Biol , 2008, 53 (22) : 6437-6459 DOI:10.1088/0031-9155/53/22/011 |
| [21] | Galloway J, Haack P, Wilson B, et al. Professional ASP.NET MVC 4[M]. 2012 . |
| [22] | Freeman A. The definitive guide to HTML5[M]. 2011 . |
| [23] | Otero C, Larsen R. Professional J Query[M]. 2012 . |
| [24] | Foerth M, Seidenbusch MC, Sadeghi-Azandaryani M, et al. Typical exposure parameters, organ doses and effective doses for endovascular aortic aneurysm repair:Comparison of Monte Carlo simulations and direct measurements with an anthropomorphic phantom[J]. Eur Radiol , 2015, 25 (9) : 2617-2626 DOI:10.1007/s00330-015-3673-8 |
| [25] | Huda A, Garzón WJ, Filho GC, et al. Evaluation of staff, patient and foetal radiation doses due to endoscopic retrograde cholangiopancreatography (ERCP) procedures in a pregnant patient[J]. Radiat Prot Dosim , 2016, 168 (3) : 401-407 DOI:10.1093/rpd/ncv354 |