2018, Vol. 38
容积CT剂量指数(volume CT dose index, CTDIvol)及剂量长度乘积(dose-length product, DLP)是CT输出剂量常用的指标，分别表示扫描容积的平均剂量和扫描范围内体模的吸收剂量，广泛用于CT扫描辐射剂量报告及影像质量控制[1-2]。除设备输出外，CT检查患者的吸收剂量与体型密切相关。因此，CTDIvol及DLP仅代表CT设备输出剂量，并非患者真实接收的辐射剂量[3-7]。
美国医学物理学会(American Association of Physicists in Medicine，AAPM)提出了利用有效直径(effective diameter, deff)和水当量直径(water-equivalent diameter, dw)计算的体型特异性剂量估算值(size-specific dose estimation, SSDE) [6-7]。近期研究中也通常用SSDE表示辐射剂量[8-12]，初步明确了两种方法估算体部CT检查辐射剂量的差异。在胸部扫描，SSDEdeff低于SSDEdw；而对于腹部，两者的差异伴随体型变化, 多为SSDEdeff高于SSDEdw。但由于几何尺寸和X射线的衰减原因，头颅CT检查两种方法估算辐射剂量的差异可能与体部并不相同。因此，本研究旨在比较利用扫描范围中心层面deff及dw计算的SSDEdeff和SSDEdw的差异，并探求较为简便准确的患者辐射剂量估算方法。
资料与方法1.一般资料：连续搜集浙江省人民医院2017年4月至5月头颅CT扫描成人患者共125例。去除可能影响dw准确估算，存在金属伪影、运动伪影患者14例，最终共111例入组，其中男性54例，女性57例，年龄19~48岁，中位年龄43岁。
2.扫描方法：使用德国西门子64排SOMATOM Definition AS CT。患者取仰卧位，头先进，以听眉线为扫描基线，扫描范围自颅顶至颅底。扫描参数：轴扫描模式，管电压120 kVp，使用CARE Dose 4D技术，质量参考mAs为400 mAs，探测器准直128×0.6 mm，采集矩阵512×512，扫描视野为300 mm×300 mm，重组层厚5 mm，层间隔5 mm。
3.数据获取与测量：图像及剂量报告自动传送至PACS系统(中国迈瑞医疗，V6.0)，参照AAPM 204及220号报告[5-6]进行相关数据测量与计算。
以CT剂量报告显示的扫描容积平均mAs，对层面mAs进行标准化，并求取标称CTDIvol：
| $ {\rm{CTD}}{{\rm{I}}_{{\rm{vol}}}}\left( {\rm{c}} \right) = \frac{{{\rm{mAs}}\left( {\rm{z}} \right)}}{{{\rm{mAs}}\left( {\rm{a}} \right)}} \cdot {\rm{CTD}}{{\rm{I}}_{{\rm{vol}}}}\left( {\rm{a}} \right) $ | (1) |
式中, CTDIvol(c)和CTDIvol(a)分别为校准后的标称CTDIvol和剂量报告显示的扫描容积平均CTDIvol；mAs(z)和mAs(a)分别为层面mAs和扫描容积平均mAs。
以完全包含横断面的最小矩形形式，用电子标尺测量中心层面图像的前后径(AP，cm)及左右径(LAT，cm)，计算deff(cm)及SSDEdeff(mGy)，公式(2)~(4)。
| $ {d_{{\rm{eff}}}} = \sqrt {{\rm{AP}} \cdot {\rm{LAT}}} $ | (2) |
| $ {f_{{\rm{eff}}}} = 1.874799 \times exp\left( { - 0.0387313 \times {d_{{\rm{eff}}}}} \right) $ | (3) |
| $ {\rm{SSD}}{{\rm{E}}_{{\rm{deff}}}} = {f_{{\rm{deff}}}} \cdot {\rm{CTD}}{{\rm{I}}_{{\rm{vol}}}}\left( {\rm{c}} \right) $ | (4) |
公式(2)中, deff为有效直径，cm; 公式(3)中, fdeff为deff对应的体型转换系数; 公式(4)中, SSDEdeff为利用deff计算的SSDE, mGy。
以覆盖横断面所有解剖结构的最小椭圆形感兴趣区，测量横断面积(AROI, cm2)及CT值(CTROI, HU)，计算dw (cm)、SSDEdw (mGy)、SSDEgross (mGy)：
| $ {d_{\rm{w}}} = 2\sqrt {\left( {\frac{{{\rm{C}}{{\rm{T}}_{{\rm{ROI}}}}}}{{1000}} + 1} \right) \cdot \frac{{{A_{{\rm{POI}}}}}}{\pi }} $ | (5) |
| $ {f_{{\rm{dw}}}} = 1.874799 \times \mathit{exp}\left( { - 0.03871313 \times {d_{\rm{w}}}} \right) $ | (6) |
| $ {\rm{SSD}}{{\rm{E}}_{{\rm{dw}}}} = {f_{{\rm{dw}}}} \cdot {\rm{CTD}}{{\rm{I}}_{{\rm{vol}}}}\left( {\rm{c}} \right) $ | (7) |
| $ {\rm{SSD}}{{\rm{E}}_{{\rm{gross}}}} = \frac{{\sum\limits_{i = 1}^n {{\rm{SSD}}{{\rm{E}}_{{\rm{dw}}}}} }}{N} $ | (8) |
公式(5)中，dw为水当量直径，cm; 公式(6)中, fdw为dw对应的体型转换系数; 公式(7)中, SSDEdw为利用dw计算的SSDE, mGy; 公式(8)中SSDEgross为扫描范围平均SSDE，mGy; N为扫描范围内的总层面数量。
本研究中，头颅扫描序列均以直径16 cm的聚甲基丙烯酸甲酯标准体模获取CTDIvol。计算每个层面的dw及相应的SSDE，并求取SSDEgross作为参照。数据分为A组和B组。A组为测量中心层面deff计算SSDEdeff，B组为测量中心层面dw计算SSDEdw。以头颅体模直径16 cm为参照，计算与中心层面deff、dw的差值，Δd16 (cm)。
4.统计学处理：采用PASW 18.0统计软件进行数据分析。各项数据均进行K-S正态性检验，符合正态分布的计量资料以x±s表示，非正态分布计量资料以中位数(四分位间距)[M(Q1, Q3)]表示。符合正态分布的计量资料使用配对样本t检验；非正态分布资料使用Wilcoxon符号秩检验；正态分布双变量相关性采用Pearson分析，相关程度使用最小二乘法线性回归分析；分别计算SSDEdeff、SSDEdw估算辐射剂量的平均绝对误差、平均相对误差及均方根误差, 观察SSDEdeff、SSDEdw估算值的可信程度。计算SSDEdeff与SSDEdw的四分位间距、全距，并以箱式图表示SSDEdeff、SSDEdw、SSDEgross估算剂量的变异程度。P＜0.05为差异有统计学意义。
结果1. SSDE相关指标：111个病例合计测量2 997个横断面的数据，其中f=1，对应dw =16.2 cm的层面占6.91%(207/2 997)；f＞1，dw＜16 cm的层面占20.75%(622/2 997)，余层面f＜1，dw＞16 cm。A、B两组之间Δd16、体径、SSDE比较，差异均有统计学意义(t=48.487、47.587、-46.678，P＜0.05)，两组转换系数比较，差异亦有统计学意义(z=-9.242，P＜0.05，表 1)。A组中心层面deff及B组中心层面dw均＞16.2 cm，deff比dw降低约6.93%，SSDEdeff值(56.20±2.66)较SSDEdw值(53.49±2.48)增加约5.07%。所有层面的dw、fdw、SSDEgross的平均值分别为(16.90±0.61) cm、(0.97±0.02)和(53.96±2.59) mGy。扫描容积平均CTDIvol为(55.65±3.39) mGy，较SSDEdeff减少约0.98%，较SSDEdw、SSDEgross增加约4.04%、3.13%。SSDEdeff 值较SSDEgross值增加约4.15%，SSDEdw值较SSDEgross值减少约0.87%。中心层面的dw与deff、SSDEdw与SSDEdeff比较均呈正相关(r=0.873、0.974，P＜0.05)，相关程度见图 1。
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表 1 各组辐射剂量的相关参数(x±s) Table 1 Measurement parameters in relation to radiation dose in groups A and B(x±s) |
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图 1 111例患者的SSDEgross与SSDEdeff，SSDEgross与SSDEdw关系的散点图 A.水当量直径与有效直径；B.利用扫描范围中心层面水当量直径计算的SSDEdw与利用扫描范围中心层面有效直径计算的SSDEdeff；C.扫描范围平均体型特异性剂量估算值SSDEgross与利用扫描范围中心层面有效直径计算的SSDEdeff；D.扫描范围平均体型特异性剂量估算值SSDEgross与利用扫描范围中心层面水当量直径计算的SSDEdw 注：SSDEdeff为利用中心层面有效直径计算的体型特异性剂量估算值，SSDEdw为利用中心层面水当量直径计算的体型特异性剂量估算值，SSDEgross为利用每个层面水当量直径计算的平均体型特异性剂量估算值 Figure 1 Scatterplots of two variates for 111 patients A. Water equivalent diameter vs. effective diameter; B. SSDEdeff vs. SSDEdw based on effective diameter and water equivalent diameter respectively at the central slice of the whole scan range; C. SSDEgross, an average of SSDEdw values of all slices, vs. SSDEdeff; D. SSDEgross, an average of SSDEdw values of all slices, vs. SSDEdw |
2. SSDEdeff、SSDEdw与SSDEgross的相关性分析：Pearson相关分析显示，SSDEdeff、SSDEdw与SSDEgross之间均呈正相关(r=0.900、0.904，P＜0.05)，相关程度见图 1。
3. SSDEdeff、SSDEdw估算剂量的分布及可靠程度：SSDEdeff和SSDEdw的四分位间距、全距的剂量分布分别为3.22和2.39 mGy、13.65和12.48 mGy；SSDEgross的四分位间距和全距为3.19和12.91 mGy，其估算值分布见图 2。SSDEdw与SSDEgross数值分布相近，并且较集中，SSDEdeff估值变异程度较大。以SSDEgross为参考，SSDEdeff、SSDEdw估算辐射剂量的平均绝对误差分别为2.34和0.78 mGy；平均相对误差分别为4.38%、1.40%；均方根误差分别为1.17 mGy(2.17%)、1.06 mGy(1.91%)。
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图 2 3种估算方法的SSDE估算值分布 注：图中为估算值的中位值、最大值、最小值。SSDEdeff为利用中心层面有效直径计算的体型特异性剂量估算值，SSDEdw为利用中心层面水当量直径计算的体型特异性剂量估算值，SSDEgross为利用每个层面水当量直径计算的平均体型特异性剂量估算值 Figure 2 Distribution of size-specific dose estimates from three methods |
讨论
CTDI是目前使用最广泛的一种CT剂量指标，包含3个参数CTDI100、CTDIW和CTDIvol。CTDIvol参照直径16或32 cm的聚甲基丙烯酸甲酯标准体模计算。因此，CTDIvol多用于不同CT设备之间输出剂量水平的比较，用以表征患者接受的辐射剂量并不合适[3-7, 12]。而SSDE基于f结合所选用的体模直径对CTDIvol进行校准，可更准确估算患者实际接受的辐射剂量，是估算辐射剂量的重大进步。近期多项研究[10, 12-14]均表明，CTDIvol与SSDE对体部CT检查辐射剂量估算存在明显差异，CTDIvol较SSDE显著低估辐射剂量，胸部低估约21.88%~41.86%，而腹部低估约13.25%~42.17%。与体部的结果不同，本研究显示，头部扫描平均CTDIvol较SSDEgross高估约4.04%，头颅平均dw大于头颅体模直径16 cm及f＜1的层面数量占主要优势可能是造成平均CTDIvol高估的主要原因。
测量deff或dw对辐射剂量基于患者体型进行校准均可估算SSDE[6-7]。deff假设人体由椭圆形横截面构成，体型可用面积与其相当的注水圆柱体直径表示。dw则以表示几何外形尺寸的面积及表示组织衰减的横截面积平均CT值定义患者体型。因此，两种体径估算的辐射剂量存在差异[8, 10-12]。胸部含有较多的空气，deff高估患者的实际体径，SSDEdeff＜SSDEdw，平均低估约5.7%~10.84%。而在腹部，人体横断面CT值高于体模，deff低估患者的实际体径，多为SSDEdeff＞SSDEdw[8, 10-12]。本研究数据表明，头颅CT SSDEdeff较SSDEdw增加约5.07%。于此，deff的Δd16高于dw的Δd16，且体径与f的负指数关系导致fdw＜fdeff 是SSDEdeff较SSDEdw增加的重要原因。而结果中，deff与dw并不一致，骨及软组织之间较大的衰减差异可能是首要原因。软组织与标准体模的衰减相近，而骨组织提高横断面解剖结构对X射线的衰减更多的体现于dw增加，直接造成了dw与deff之间的比重变化，这也导致了deff仅能解释76.14%的dw变化。因此，SSDEdeff较SSDEdw增加是高估辐射剂量。
SSDEdw在扫描范围中心层面估算辐射剂量，SSDEgross则为扫描容积辐射剂量的平均值，估算值并不完全相同，但在体部扫描中两者存在极好的相关性(r＞0.985)，并且仅有微幅波动，胸腹盆大范围扫描的SSDEdw可解释98.78% SSDEgross的变化，胸部为99.14%，腹部为99.78%[3, 8]。因此，体部CT检查，SSDEdw可用于替代SSDEgross表示患者接受的辐射剂量。本研究结果发现，头部CT扫描平均SSDEdw仅低于SSDEgross 0.47 mGy，可以忽略不计。尽管SSDEdeff和SSDEdw解释SSDEgross变化的比例相近，但与之前文献报道类似[12]，以扫描范围中心层面为基准估算辐射剂量，SSDEdeff与SSDEdw估算值存在差异。SSDEdeff和SSDEdw均基于同一解剖层面，前者仅考虑影响辐射剂量的几何外形尺寸因素，对CTDIvol的校准并不完善，而后者同时考量几何外形尺寸及组织结构衰减，可更好的解释相同的解剖区域组织的非均质属性所致的辐射剂量变化，并且本研究结果显示SSDEdw估算辐射剂量变异度更小。因此，SSDEdw的估算方法更合理。再者SSDEdeff和SSDEdw估算剂量的平均绝对误差、平均相对误差、均方根差，后者均较小，估算值相对更可靠。因而，SSDEdw更适合用于临床的辐射剂量估算及作为制定辐射剂量诊断参考水平的依据。
本研究的局限性：①由于小儿脑组织发育及颅骨骨化程度的原因，组织衰减差异有别于成年患者，数据结果可能并不适用于儿童。②测量CTDI100、CTDIw的笔形电离室长度小于标准模体，所导出的CTDTvol过低估计实际辐射剂量，基于CTDIvol的SSDE依然存在上述缺陷，但SSDE结合患者因素，估算剂量更具有实际意义和可用性。③本研究未做辐射剂量的实际测量，标称CTDIvol取值于设备自动计算的剂量报告的CTDIvol进行校准，但所有患者的扫描方案均选择直径16 cm的标准体模。④目前尚未有商业化软件用于自动识别体径并计算SSDE，以人工方式获取数据依然不够简便。
总之，使用中心层面fdw及标称CTDIvol能准确方便估算扫描容积平均SSDE，均方根误差为1.06 mGy (1.91%)。因此，本研究认为基于中心层面dw是计算成人头颅扫描容积SSDE的较为简便、准确的方法。
利益冲突 全体作者无利益冲突，进行该研究未接受任何不正当职务及财务获益，并对本研究的独立性和科学性予以保证作者贡献声明 徐健负责研究设计、结果统计分析、论文撰写；毛德旺负责研究方案的指导、审核及论文指导；徐建国、肖华伟、宋侨伟负责文献整理和数据处理；陈福华负责论文校对
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