中华放射医学与防护杂志  2021, Vol. 41 Issue (3): 199-204   PDF    
引用本文
陈鑫, 张卫媛, 卓维海. 特定照射条件下儿童心血管介入诊疗的受照剂量研究[J]. 中华放射医学与防护杂志, 2021, 41(3): 199-204, DOI: 10.3760/cma.j.issn.0254-5098.2021.03.008.
特定照射条件下儿童心血管介入诊疗的受照剂量研究
陈鑫 , 张卫媛 , 卓维海     
复旦大学放射医学研究所, 上海 200032
收稿日期: 2020-12-31
通信作者: 卓维海, E-mail: whzhuo@fudan.edu.cn
[摘要] 目的 估算在特定照射条件下不同年龄段儿童接受心血管介入诊疗时主要器官的受照剂量和有效剂量，探讨影响估算受照剂量的主要因素。方法 基于国际放射防护委员会（ICRP）第143号出版物提供的儿童参考人可计算体模数据，建立心血管介入诊疗的特定照射模型，利用蒙特卡罗方法与MCNPX 2.7.0软件模拟计算1、5、10和15岁儿童在接受心血管介入诊疗时主要器官的吸收剂量和有效剂量；为验证计算方法的可靠性，使用美国CIRS公司生产的5岁儿童物理模体ATOM 705-D进行器官剂量的测量验证。结果 我国标准推荐的1、5和10岁儿童参考人的身高和体重与ICRP的推荐值基本相同，我国标准推荐的15岁儿童参考人身高和体重与ICRP的推荐值最大相对偏差也仅为-1.9%和-5.7%；在焦点到影像接收器距离（SID）为90 cm、正方形视野（FOV）边长为30 cm、剂量面积乘积（DAP）为45 Gy·cm2的照射条件下，5岁儿童体模照射野内主要器官剂量的计算值与测量值相差在±6.7%内；在相同照射条件下，儿童年龄越小，其主要器官剂量和有效剂量越大，4个年龄段儿童的有效剂量差异可达近5倍；器官剂量与DAP值的剂量转换系数不仅与儿童年龄密切相关，而且还受照射野面积大小影响。结论 结合儿童参考人可计算体模和照射模型，蒙特卡罗方法可用来计算儿童心血管介入诊疗时的受照剂量；准确估算儿童心血管介入诊疗的受照剂量，需要DAP值、照射野面积和射束投照方向等信息。
[关键词] 心血管介入    器官剂量    蒙特卡罗方法    剂量面积乘积    照射野    
Estimation of patient doses in paediatric cardiovascular interventional radiology under specific exposure conditions
Chen Xin , Zhang Weiyuan , Zhuo Weihai     
Institute of Radiation Medicine, Fudan University, Shanghai 200032, China
Corresponding author: Zhuo Weihai. E-mail: whzhuo@fudan.edu.cn
[Abstract] Objective To estimate the organ doses and effective doses to different-age children during cardiovascular interventional radiological procedures under some specific exposure conditions, and explore the main influencing factors on the doses. Methods Based on the paediatric reference computational phantoms recommended in the ICRP Publication 143, several specific exposure models of cardiovascular intervention were built, and the Monte Carlocook MCNPX 2.7.0, was used to calculate the organ doses and effective doses for 1-, 5-, 10- and 15-year-old children. To validate the simulation result, an experiment was implemented by putting the thermoluminescent dosimeters in a 5-y old phantom (ATOM 705-D) manufactured by the CIRS Inc. in the USA. Results Both the height and weight of the reference children for 1-, 5- and 10-year-old provided for by Chinese national standards are nearly in consistency with those recommended by ICRP, and even for the 15-year-old, the maximum relative deviations of the height and weight are only -1.9% and -5.7%, respectively. Under the exposure condition where the focal spot to image receptor distance (SID) was 90 cm, the length of square field of view (FOV) was 30 cm with a dose area product (DAP) of 45 Gy·cm2, the relative deviations between simulated and measured doses to main organs/tissues within the irradiation filed were within ±6.7%. Under the same exposure conditions, the younger the children, the larger the organ doses and effective doses, and the effective doses could vary by a factor of about 5 among the 4 age groups. The conversion coefficient between the organ dose and the value of DAP was not only closely related to the age of children, but also affected by the FOV. Conclusions In combination with the paediatric reference computational phantoms and the exposure models of cardiovascular intervention, the Monte Carlo method can be used to calculate the doses to children undergoing cardiovascular interventional radiological procedures. The information on the values of DAP and FOV as well as the directions of projection are needed for more accurate estimation of the exposure doses.
[Key words] Cardiovascular intervention    Organ dose    Monte Carlo method    Dose area product    Field of view    

由于心血管介入诊疗程序操作技术复杂，透视时间比普通X射线诊断要长，患者往往会受到较高剂量的辐射照射，甚至会引起皮肤等组织的辐射损伤[1-3]。特别是对儿童而言，其辐射敏感性约为成人的2~10倍，且预期生存时间较长，因此，电离辐射随机性效应的发生风险备受国内外同行的广泛关注[4-8]。在放射卫生学领域，剂量面积乘积(DAP)常用来表征患者接受介入诊疗的受照剂量，但DAP值无法反映不同年龄段儿童的器官吸收剂量或有效剂量。另一方面，鉴于目前尚无足够的不同性别、不同年龄段人群接受低剂量照射的辐射危险因子数据，因此国际放射防护委员会(ICRP)不推荐用低水平的有效剂量来评价辐射风险，而认为用局部受照剂量较大的器官/组织剂量来估算辐射危害风险更加合理[9]；但由于受限测量技术条件等原因，人体的器官剂量目前还很难直接测量，通常只能通过模拟计算来得到。目前，国际上虽已有的计算软件可用来计算儿童心血管介入诊疗的受照剂量[10]，但其所使用的可计算人体体模是早期的程式化体模。程式化体模不论是在人体结构，还是在器官/组织的具体描述上均欠精细[11-13]，无法准确反映不同年龄段儿童的体格参数和主要器官大小及其位置等。为此，本研究基于ICRP最新推荐的精细化儿童参考人可计算体模[14]，初步开展了在特定照射情景下心血管介入诊疗所致1、5、10和15岁儿童受照剂量的模拟计算；为验证计算方法的可靠性，本研究用美国CIRS公司生产的ATOM 705-D型物理模体进行了器官剂量的测量验证。

材料与方法

1. 儿童参考人可计算体模：在ICRP的官方网站下载其第143号出版物[14]附件中的1、5、10和15岁儿童体素体模的文本文件，结合ICRP给出相应体模的详细信息，借助PythonⓇ将其编写为模拟计算软件可读取的输入文件。该文件中1、5、10和15岁儿童的器官和组织均细分为139个，体素尺寸分别为0.66 mm×0.66 mm×1.40 mm、0.85 mm×0.85 mm×1.93 mm、0.99 mm×0.99 mm×2.43 mm和1.25 mm×1.25 mm×2.83 mm；各年龄段儿童体模的身高和体重如表 1所示。为便于比较，表 1中也列出了我国《辐射防护用参考人第1部分：体格参数》[15]所推荐的4个年龄段儿童的身高和体重。

表 1 ICRP和我国标准推荐的不同年龄段儿童的身高和体重 Table 1 The height and weight of different-age children recommended by ICRP and Chinese national standards

另外，为保证模拟计算和实验验证所用体模的一致性，本研究还专门对ATOM 705-D儿童物理模体进行了体素化建模。利用X射线CT装置对ATOM 705-D儿童物理模体进行高分辨率扫描，将扫描图像载入3D DOCTORⓇ软件进行器官和组织的三维重建面元模型，再借助RhinocerosⓇ软件修复网格后加载至VoxelizationⓇ软件，最终生成体素尺寸为2 mm ×2 mm×2 mm的可计算体模。

2. 照射模型构建：借助于本研究团队早期成功构建的介入放射学的多种X射线源项模型[19]，本研究选取了与验证实验所用介入放射学装置具有相同滤过(0.2 mmCu+3.5 mmAl)的X射线源项进行后续的模拟计算。模拟计算时，管电压设设为80 kVp，焦点到影像接收器距离(SID)设为90 cm，投照方向为后前位(PA位)，照射野/视野(FOV)设为边长分别为20、30和40 cm的3个正方形野。

3. 蒙特卡罗模拟计算：基于ICRP推荐的儿童参考人可计算体模或自己构建的ATOM 705-D可计算体模和上述的照射模型，在MCNPX 2.7.0[17]中采用光子和电子联合输运模式，使用F6:P计数卡计算器官吸收剂量，使用F8:P计数卡计算DAP值；光子数输出固定设为1.0×108个，器官/组织吸收剂量计算结果的统计误差均在±5%内。不同照射野的中心均设在相应年龄段儿童的心脏的重心。

4. 验证实验：在ATOM 705-D物理模体内的主要器官/组织处布放LiF (Mg, Cu, P)热释光(TLD)元件，每个点位布放3片TLD元件，各器官的布点数量见表 2。所使用的TLD元件在使用前经筛选(分散性优于2%)，TLD元件及其测读系统在实验前经上海市计量测试技术研究院的次级标准剂量学实验室刻度，刻度使用的参考辐射质与本研究所用的X射线源项基本相同。模拟开展心血管介入诊疗时，X射线的投照方向固定为PA位，管电压80 kVp，SID 90 cm、正方形野边长为30 cm，当DAP累计达到45 Gy·cm2时停止照射。

表 2 模体内射野不同位置主要器官的测量布点与吸收剂量的计算和测量结果 Table 2 Simulated and measured absorbed doses in main organs/tissues of the phantom

结果

1. 儿童参考人体模：从表 1可以看出，不论是ICRP第143号出版物、还是我国的推荐标准，除15岁儿童外，1、5和10岁儿童的身高和体重基本完全相同，且没有性别差异；ICRP给出的数据显示，1、5和10岁男女儿童的器官/组织区别主要体现在男性有前列腺、女性有子宫，另外，男女儿童性腺的质量也有些差异[14]。对于15岁男女儿童体模，较之于ICRP推荐的数据，除男性身高外，我国标准推荐身高和体重略小，但最大相对偏差也仅为-1.9%和-5.7%。

2. 验证实验结果：从表 2可以看出，在本研究实验条件下，模体内可识别辐射敏感器官(组织权重因子WT≥0.01，心脏除外)的吸收剂量模拟计算结果与实测值基本一致。在照射野内，二者的相对偏差最大为6.7%，在照射野交界处器官/组织的吸收剂量最大相对偏差也仅为9.5%。

3. 器官剂量计算结果：表 3给出了在PA位投照情景下，管电压为80 kVp、SID为90 cm、正方形野边长为30 cm、DAP为45 Gy·cm2时，不同年龄段男女儿童主要器官/组织(处于照射野内或照射野交界、且WT≥0.01，心脏除外)的吸收剂量计算结果。

表 3 不同年龄和性别儿童体模主要器官的吸收剂量计算结果(mGy) Table 3 Simulated doses to main organs by age and gender(mGy)

在相同照射条件下，从表 3可以看出：①随着儿童年龄的增大，相同器官/组织的吸收剂量有明显的降低趋势。②对于同龄儿童，1、5和10岁男女儿童的主要器官吸收剂量基本完全相同，这主要是因为这3个年龄段男女儿童的身高和体重完全相同、且主要器官/组织的质量也基本相同；此计算结果也佐证了本研究的模拟计算方法具有良好的再现性。③15岁女性儿童主要器官/组织的吸收剂量普遍比同年龄男性大，这主要是因为女性的身高、体重和主要器官的质量小于男性。

4. 器官剂量转换系数：表 4给出了在PA位投照情景下，管电压为80 kVp、SID为90 cm、正方形野边长为30 cm时，不同年龄段儿童主要器官/组织的吸收剂量与DAP值的剂量转换系数计算结果。因相同照射条件下1、5和10岁3个年龄段男女儿童的主要器官吸收剂量基本相同，表 4中1、5和10岁儿童的剂量转换系数不分男女，给出的是同龄男女的平均值。从表 4可以看出：①随着儿童年龄的增大，剂量转换系数降低明显；对如乳腺、心脏、肝等照射野内器官/组织的剂量转换系数而言，1岁儿童的剂量转换系数可达到15岁儿童的约5倍，而对于如性腺、膀胱、脑等照射野外的器官/组织，它们的剂量转换系数差异甚至可达数10倍。②15岁女性儿童主要器官的剂量转换系数普遍比同年龄男性的大，这主要是在相同的照射条件下，女性因身高、体重和器官/组织的质量小而吸收相对更多的辐射剂量。

表 4 不同年龄儿童体模的主要器官剂量与DAP的剂量转换系数(mGy·Gy-1·cm-2) Table 4 Conversion coefficients of main organ doses to DAP for different-age children(mGy·Gy-1·cm-2)

5.不同照射野的剂量转换系数：在相同投照方位(PA位)、管电压为80 kVp、SID为90 cm的照射条件下，5岁儿童接受3种不同正方形野照射时主要器官吸收剂量与DAP值的剂量转换系数计算结果见表 5。从表 5可以看出：随着照射野面积的增大，如乳腺、心脏、肺、肝等照射野内主要器官/组织的剂量转换系数均有所下降，但如唾液腺、结肠、性腺等照射野外主要器官/组织的剂量转换系数却在逐渐升高。

表 5 不同照射野5岁儿童体模器官剂量与DAP的剂量转换系数(mGy·Gy-1·cm-2) Table 5 Conversion coefficients of organ doses to DAP for 5-year-old children in different FOVs(mGy·Gy-1·cm-2)

6.有效剂量估算：在相同投照方位(PA位)、管电压为80 kVp、SID为90 cm的照射条件下，使用3种不同照射野和相应累计DAP值开展心血管介入诊疗所致不同年龄段男女儿童的有效剂量计算结果见图 1。从图 1可以看出：①在3种相同的照射野下，儿童的有效剂量值都随受照年龄的增大而减小；在相同的照射野大小和相同累计DAP值的情况下，1岁儿童的有效剂量最高可达15岁儿童的5倍。②在完全相同的照射条件下，对于1、5和10岁儿童而言，有效剂量的性别差异可以忽略，但15岁男性儿童的有效剂量比同年龄女性儿童约小9%。

注：3种照射野对应的剂量面积乘积值分别为20、45和80 Gy·cm2 图 1 不同照射野情景下不同年龄段儿童的有效剂量估算结果 Figure 1 Estimated effective doses to different-age children in different FOVs of irradiation

讨论

通过比较ICRP第143号出版物和我国推荐标准GBZ/T 200.1-2007提供的儿童参考人体格参数，发现它们所给出1、5、10和15岁儿童的身高和体重基本完全相同，说明了可用ICRP第143号出版物推荐的可计算体模来计算相应年龄段中国儿童参考人的器官剂量及其有效剂量。用ATOM 705-D模体的验证实验结果表明，物理模体内测量得到照射野内及其交界处所含主要器官/组织的吸收剂量与模拟计算结果相差在±10%内，说明了在辐射防护剂量学要求的精度范围内，本研究所采用的模拟计算方法可以准确计算出心血管介入诊疗所致儿童的器官受照剂量。

根据国内外学者收集的数据[8, 18-20]，开展一次儿童心血管介入诊疗的DAP值中位数可达0.6~47.3 Gy·cm2。而本研究的模拟计算结果表明，在正方形照射野边长为30 cm和DAP为45 Gy·cm2的照射条件下，不同年龄段儿童的照射野内或照射野交界处主要器官/组织(如心脏、肺、红骨髓、肝)的吸收剂量均可达几十个mGy，尤其是年龄 < 5岁的儿童，其肺等个别器官的吸收剂量甚至可超过100 mGy，有可能会明显增加发生电离辐射所致随机性效应的风险[21]。因此，在开展心血管介入诊疗时，尤其应注意对低年龄儿童的防护，尽量减少X射线的曝光时间，并控制照射野的面积。控制照射野的面积，不仅可以避免照射野外器官/组织受到不必要的照射，而且还可以减少因照射野面积过大而对照射野内器官带来更多的散射辐射量。因此，建议在开展心血管介入诊疗时，术者应根据需观察部位的大小，及时通过光栅或诊疗床高度的调节来控制照射野面积[22]。

本研究的模拟计算结果表明，儿童在心血管介入诊疗时的受照剂量不仅与儿童的年龄和累计DAP值密切相关，而且在一定程度上也受照射野面积的大小影响，因此，若要准确估算儿童心血管介入诊疗的受照剂量，除记录儿童的年龄和DAP值外，还必须记录照射野的面积和X射线的投照方位。

在实际工作中，开展儿童心血管介入诊疗的X射线装置(辐射源项)不尽相同、且X射线的投照方向也不仅仅只有PA位；受实验条件和研究时间限制，本研究尚未系统完成。今后拟结合医用诊断X射线的质控检测工具，通过实测等效半值层，并借助XComp5r[26]或SPEKTR[27]等能谱生成软件构建更多典型设备的X射线源项模型，以提高模拟计算的精度；本研究的初步计算结果还表明，与PA位照射比较，45°侧位照射的有效剂量与DAP值的剂量转换系数有约30%的差异。为此，本研究今后将进一步结合临床实际，重点围绕着更多种类的投照方位和照射野开展模拟计算和实验验证，以期获得更系统的研究结果，以助开展儿童心血管介入诊疗的受照剂量快速估算。

利益冲突  无

志谢 上海市卫生和计划生育委员会科研课题计划资助(20174Y0140)。

作者贡献声明  陈鑫负责模拟计算、实验验证、数据汇总分析和论文撰写；张卫媛负责研究方案设计、计算模型构建和初步计算，并参与数据分析；卓维海负责研究方案和结果审核、指导论文撰写与修改。

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