2022, Vol. 42
螺旋CT扫描是儿童疾病检查的重要手段[1-2]。头部CT平扫在儿童CT检查中最为常见[3]，辐射高敏感性使得儿童的辐射剂量备受关注[4-5]。常用的辐射剂量评价参数有容积剂量指数(CTDIvol)和剂量长度乘积(DLP)，但缺乏个体特异性[6-7]。为更准确地估算患者剂量，美国医学物理学家协会(American Association of Physicist in Medicine，AAPM)提出体型特异性剂量评估(size specific dose estimate，SSDE)，于第204号[8]和220号报告[9]中分别提出利用有效直径(effective diameter，Deff)和水当量直径(water equivalent diameter，DW)计算转换因子对CTDIvol进行体型修正。由于头部与体部吸收剂量空间分布不同，利用AAPM 220的转换因子计算头部SSDE会造成较大误差，AAPM 293发布了针对头部CT的SSDE计算方法[10]。计算头部SSDE需要CTDIvol及DW，直接计算较为复杂。既往研究表明，利用体质量指数等替代DW以快速估算体部SSDE具有可行性[11-12]，头部SSDE的简单计算方法则鲜有报道。世界卫生组织(WHO)于2007年总结了儿童的生长发育标准，头围增长随年龄增长满足一定规律[13]。本研究的目的是依据儿童头部生长发育规律，为临床提供一种简单可行的利用年龄计算儿童头部SSDE的方法。
资料与方法1. 临床资料与分组：回顾性收集2022年1月至3月于天津市儿童医院接受头部CT平扫检查的患儿210例。其中，男137例，女73例；年龄18岁以下(1~216个月)。按照年龄分为5组：1个月~组；6个月~组；3岁~组；6岁~组；12岁~组。排除标准：图像质量不满足诊断需求者；头颅表面有高密度异物无法去除者；头部有较大占位性病变；严重外伤导致的颅骨损伤、颅内积血、头皮肿胀患者；颅缝早闭的头颅发育畸形患儿；以及脑积水等造成头围异常增大的患儿。本研究经过医院伦理委员会的批准(伦理审批号：L2022-13)。
2. 仪器与方法：采用荷兰飞利浦Brilliance 128排iCT行头部CT平扫。采取仰卧位，头先进，扫描基线为听眦线，扫描范围从颅底到颅顶，采用侧位定位像，扫描模式为螺旋扫描。扫描管电压管电流按照分组依次为：80 kV，240 mAs；100 kV，190 mAs；120 kV，141 mAs；120 kV，163 mAs；120 kV，248 mAs。螺距0.4，重建层厚5 mm，层间隔5 mm，矩阵512×512。
3. 数据采集与测量
(1) 从影像归档和通信系统(PACS)中获取患者信息：出生日期、扫描日期、性别、CTDIvol, 16 cm、DLP。利用出生日期与扫描日期计算患儿年龄与月龄。
(2) 测量计算210例患儿头部有效直径Deff与水当量直径DW：所有数据均由一名具有5年影像科工作经验的技师在扫描范围中间层面的轴位图像上进行测量。在工作站上利用电子卡尺进行绘制测量，所有数据测量3次，取平均值。测量前后径(anteroposterior，AP)与左右径(lateral，LAT)；勾画头部感兴趣区(region of interest，ROI)，包全头部解剖结构并使面积尽可能最小。记录ROI的平均CT值(CTROI)与面积(AROI)。根据AAPM 204与220号报告的定义，分别计算Deff与DW[8-9]，计算公式如下：
| $ D_{\text {eff }}=\sqrt{\mathrm{AP} \times \mathrm{LAT}} $ | (1) |
| $ D_{\mathrm{w}}=2 \sqrt{\left(\frac{\overline{\mathrm{CT}_{\mathrm{ROI}}}}{1\;000}+1\right) \frac{A_{\mathrm{ROI}}}{\pi}} $ | (2) |
(3) 根据患者年龄计算水当量直径DW; WHO：世界卫生组织(WHO)的一项儿童生长标准总结了不同性别的儿童头围随年龄的增长规律[13]。由于WHO头围与年龄关系的定义仅适用于年龄不超过60个月的个体，Honorio等[14]提出利用WHO头围的中值以及公式(3)可计算出各年龄对应的头部有效直径Deff; WHO，并给出了年龄与有效直径Deff的拟合外推关系[14-16]，见公式(4)(5)。由此可直接根据年龄计算出不超过216个月的整个未成年人群的Deff; WHO。根据测量计算的数据，通过实验可以发现的DW和Deff之间的相关性，利用该相关关系，可以从Deff; WHO计算出基于WHO年龄与头围关系的水当量直径DW; WHO：
| $ D_{\text {eff; wHO }}=\frac{\text { 头围 }_{\text {WHO }}}{\pi} $ | (3) |
| $ D_{\text {eff; 女 }}=1.08 \times \ln \text{年龄}_{月}+11.455 $ | (4) |
| $ D_{\text {eff; 男 }}=1.06 \times \ln \text{年龄}_{月}+11.930 $ | (5) |
(4) 计算头部SSDE转换因子：根据AAPM 293报告中的定义，使用公式(6)计算头部CT扫描从CTDIvol, 16 cm到SSDE的转换因子[10]。将基于WHO年龄与头围关系的水当量直径DW; WHO代入公式(6)，计算本研究所有患儿的头部转换因子fWHOH16；同时将测量的中间层面的水当量直径代入公式(6)，则得到fmeasuredH16。
(5) 根据CTDIvol及转换因子计算头部SSDE：将fmeasuredH16与fWHOH16代入公式(7)，分别得到SSDEmeasured与SSDEWHO：
| $ f^{\mathrm{H} 16}=1.9852 \times \mathrm{e}^{-0.0486 \times D_{\mathrm{W}}} $ | (6) |
| $ \mathrm{SSDE}=\mathrm{CTDI}_{\mathrm{vol}} \times f^{\mathrm{H} 16} $ | (7) |
4. 统计学处理：采用SPSS 26.0软件进行统计学分析。数据符合正态分布，以x±s表示。利用Person相关性分析比较测量的有效直径Deff、水当量直径DW与WHO年龄与头围关系计算的有效直径Deff; WHO、水当量直径DW; WHO，同时比较利用DW与DW; WHO计算的头部转换因子fmeasuredH16与fWHOH16，SSDEmeasured与SSDEWHO。计算SSDEmeasured与SSDEWHO的均方根误差，比较二者的差异。利用Bland-Altman分析比较SSDEmeasured与SSDEWHO的一致性。P < 0.05为差异有统计学意义。
结果1. 扫描中间层面测量的水当量直径DW与有效直径Deff之间的关系：对于不同性别的DW与Deff的关系如图 1所示。通过线性拟合，不同性别的DW可以利用Deff来估算，拟合公式如下(8)(9)。
| $ D_{\text {W, 女 }}=1.172 \times D_{\text {eff }}-1.972 ; R^2=0.959 $ | (8) |
| $ D_{\text {W，男 }}=1.002 \times D_{\text {eff }}+0.555 ; R^2=0.969 $ | (9) |
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图 1 扫描中间层面测量的水当量直径DW与有效直径Deff的相关性 Figure 1 Correlation between DWand Deff measured at the middle slice of the scan range |
2. 本组患儿数据特征：总共选取了210例行头部CT平扫的患儿数据。利用测量数据和WHO年龄相关数据计算的转换系数及剂量参数，见表 1。
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表 1 各组患儿测量数据及相关辐射剂量参数 (x±s) Table 1 Measurement data and radiation dose related parameters of each group (x±s) |
3. 相关性分析及头部转换因子fH16与年龄的转换：测量的平均有效直径Deff与世界卫生组织标准的有效年龄直径Deff; WHO之间存在很强的相关性，该结果在男女性个体中均成立(女：r=0.917，P < 0.01；男：r=0.867，P < 0.01)。根据公式(8)和(9)，利用WHO标准的有效年龄直径Deff; WHO，可以计算出对应的WHO水当量年龄直径DW; WHO。DW与DW; WHO经过皮尔逊分析显示二者的相关性良好(女：r=0.917，P < 0.01；男：r=0.873，P < 0.01)。
利用DW与DW; WHO，代入公式(6)计算出头部转换因子fmeasuredH16与fWHOH16。不同年龄与性别的fmeasuredH16与fWHOH16，二者具有较强的相关性(女：r=0.916，P < 0.01；男：r=0.883，P < 0.01)。男女不同性别转换因子fWHOH16与年龄的散点图如图 2所示。曲线拟合关系分别为：
| $ f_{\mathrm{WH} 0 \text {, 女 }}^{\mathrm{H} 16}=1.132 \times x^{-0.062} $ | (10) |
| $ f_{\mathrm{WHO}, \text { 男 }}^{\text {H16 }}=1.081 \times x^{-0.052} $ | (11) |
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图 2 不同性别的头部转换因子fWHOH16与年龄的关系 Figure 2 The relationship between age and head conversion factors fWHOH16in different genders |
式中，x为月龄。
4. 头部SSDE的相关性及一致性分析：利用fmeasuredH16与fWHOH16及头部CTDIvol，代入公式(7)，分别计算出SSDEmeasured与SSDEWHO，二者同样具有较强的相关性(女：r=0.991，P < 0.01；男：r=0.992，P < 0.01)。SSDEmeasured与SSDEWHO的最大均方根误差，女性为5.61%，男性为5.25%。Bland-Altman分析不同性别的SSDEmeasured与SSDEWHO一致性良好，结果如图 3所示。
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图 3 Bland-Altman法分析不同性别SSDEmeasured与SSDEWHO的一致性 A. 女；B. 男 Figure 3 Concordance analysis between SSDEmeasuredand SSDEWHO in different genders using Bland-Altman analysis A. Female; B. Male |
讨论
儿童由于生长发育不成熟，对辐射敏感性较高，随着CT检查技术的进步及在临床上的推广，儿童患者接受CT检查的频率显著提高[1-2]。患儿接受的辐射剂量并不能直接评估，目前，临床上最常见的辐射剂量评价参数CTDIvol和DLP是基于16或32 cm标准体模的CT系统的物理输出，代表平均体型患者的头部或体部的辐射剂量，不具备患者个体特异性[6-7]。对于体型与标准体模有差异的患者，其对患者接受的实际剂量的估算尤为不准确，对于体型较小的儿童患者，如直接使用CTDIvol或DLP作为患者的辐射剂量时，不考虑患者的实际体型，误选择32 cm的参考体模进行计算时，会对辐射剂量有2~3倍的低估[8]。因此，AAPM提出了SSDE的概念，利用体型转换因子f对CTDIvol进行修正，能更加准确地估算患者实际接受的辐射剂量。AAPM第204号及220号报告得到的转换因子f主要用于胸腹等体部CT扫描的辐射剂量估算[8-9]，而头部由于脑组织被包含在致密的颅骨内，吸收剂量的分布与体部有较大差异，因此AAPM发布了第293号报告[10]，专门针对头部SSDE给出了头部转换因子fH16的计算方法。fH16需要利用扫描范围中间层面的水当量直径DW来计算，而水当量直径的计算较为复杂，如果能利用年龄、体质量指数(BMI)等较易获得的数据直接计算fH16，将有利于头部SSDE在临床上的推广应用。
国内有研究分析了儿童头部SSDE[17-18]，侧重点主要集中在对比AAPM 293号报告提出的头部转换因子计算的SSDE相对于直接利用AAPM 220号报告计算的SSDE值以及CTDIvol对头部剂量评估的准确性。其研究结果也证实了AAPM 293号报告计算的头部SSDE相对于其他辐射剂量评价指标更为准确，更适用于儿童头部CT检查的辐射剂量评估。廖甜等[17]提出了儿童头围与SSDE具有良好的相关性，利用头围可快速估算儿童患者辐射剂量。符合正常生长标准的儿童，年龄与头围的增长满足一定的规律，而年龄相对于头围在临床上更容易获取。WHO的一项儿童生长标准根据第3、15、50、85和97个百分位分别建立了男女不同性别的头围与年龄的百分位关系，总结了儿童头围随年龄的增长规律，月龄跨度从0到60个月[13]。由于WHO头围与年龄关系的定义仅适用于年龄不超过60个月的个体，对于年龄超过60个月的个体，Honorio等[14]、Kleinman等[15]和Rollins等[16]结合前人的数据，推导了头围与头部有效直径的关系，给出年龄与有效直径Deff的拟合外推关系，由此则可以直接根据年龄计算出不超过216个月(18岁)的整个未成年人群的Deff; WHO。以上研究结果提供了本研究的方向。
本研究提供了基于年龄估算儿童患者头部SSDE的方法，依据不同性别，已知患儿年龄代入公式(10)和(11)即可获得相应的转换因子，利用转换因子乘以头部CTDIvol即可求得头部SSDE。使用WHO标准的年龄与头围的关系来估算儿童头部SSDE，在实施CT检查前即可获知患儿年龄，利用年龄计算出转换因子匹配对应的扫描程序的CTDIvol, 即可简单快捷地估算患儿头部SSDE。本研究结果表明，利用测量数据与WHO头围数据计算的SSDE比较，显示女性与男性最大差异分别为5.61%和5.25%，而95%的测量数据计算的值与利用WHO头围年龄关系数据计算的值的差异小于5%。并且Bland-Altman分析显示，SSDEmeasured与SSDEWHO在女性与男性患者中均有较高的一致性。因此，本研究中利用年龄估算头部SSDE的方法可行。
此外，本研究具有一定的局限性。首先，在扫描范围的中间层面测量DW与Deff，这种测量方法与直接测量头围计算的有效直径可能存在出入，例如测量可能不在同一层面或者由于头部CT轴位扫描角度不同导致的测量角度有所不同。其次，本研究提供的利用年龄估算头部SSDE的方法仅适用于生长头围基本符合WHO标准年龄与头围关系的儿童，对于大头畸形与小头畸形等患有头部畸形疾病的患儿，以及因外伤造成的颅骨不规则或有较大头皮血肿的患儿，其头围不符合正常生长发育规律，该估算SSDE的方法不适用。第三，作为初步研究，数据搜集时间跨度短，覆盖的患儿年龄 < 6个月与>12岁的人数均过少，可能对这部分患儿的代表性不够。在患者资料选取上总体能反映本机构临床对儿童头部CT检查需求在不同年龄阶段的分布。因此，对于年龄 < 6个月与>12岁的儿童，将来可以扩大病例收集时间跨度及样本量，弥补小月龄与大月龄儿童头部CT扫描数据的不足。将本研究初步提出的利用年龄直接估算儿童头部SSDE的方法推广到不同机构及地区也是未来的研究及工作方向。最后，本研究中的患者资料仅来自于一家卫生机构的一台CT扫描仪。由于不同的CT扫描协议可能会对SSDE的计算造成影响，但不同机器在同一扫描条件下扫描同一物体时，机器输出的CTDIvol相同，所得到的水当量直径也是一致的，转换因子的计算没有影响，SSDE的结果也会是相同的。由于目前是初步研究，只选取了一台机器的扫描数据，但是出于严谨，将来在扩大样本量，推广该方法的应用时，条件允许的情况下，可以采用卫生机构不同型号的其他CT机的扫描数据对结果进行确认与完善。
利益冲突 无
作者贡献声明 谭婷婷负责测量、数据收集及论文撰写；杨楠负责确定研究方向、审阅及论文修改；王春祥负责论文指导与审核
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