近年来心血管疾病患者数目逐年上涨，其中冠心病患者人数与日俱增^[1-2]。冠状动脉介入术使冠心病患者获益明显，是冠心病诊断的金标准，但同时会对患者造成一定的辐射剂量。冠状动脉介入术包括冠状动脉造影、经皮冠状动脉介入治疗等术型，不同的冠状动脉介入辐射剂量造成不同程度的辐射损伤，如确定性损伤中最常见的放射性皮炎；大部分冠状动脉介入术造成的辐射剂量不会达到确定性损伤阈值，但会增加发生随机性效应的风险。全面评估冠状动脉介入术中患者所受到的辐射剂量，有助于指导临床治疗和辐射防护实践。

冠状动脉介入术中，患者接受的辐射剂量可以通过器官剂量进行评估。其中皮肤剂量可使用剂量面积乘积(dose area product，DAP)、参考点空气比释动能(reference air kerma，K_a)、峰值皮肤剂量(peak skin dose，PSD)等物理量进行直接测量评估^[3-5]；但器官剂量无法通过直接测量获得，只能通过转换系数(convention coefficient，CC)进行快速估算或其他模拟测量得到。转换系数法快速简单，国际放射防护委员会(ICRP)^[6]和国际辐射单位与测量委员会(ICRU)^[7]都出版了基于计算模体的转换系数表。然而，这些转换系数并不是基于冠状动脉介入工作中的常用量，并且类似研究采用的投照角度往往不是临床常用角度。本研究利用Geant4和ICRP第110号出版物中成年参考人体素模体模拟临床曝光场景，计算出冠状动脉介入术中常用量DAP到器官吸收剂量D_{T, i}的转换系数，为评估冠状动脉介入术中患者器官吸收剂量提供方便。

资料与方法

1. 数据来源：回顾性收集北京大学人民医院2020年11月1日至12月31日期间85例连续存储于影像设备中的患者信息。采集信息包括性别、年龄、身高、体重、峰值管电压、管电流量、投照体位、造影图像帧数量、造影次数、曝光时间、DAP、K_a(表 1)。所行冠状动脉介入术为冠状动脉造影(coronary angiography，CAG)和经皮冠状动脉介入治疗(percutaneous coronary intervention，PCI)，每个冠状动脉介入术的第一术者均有副主任医师及以上水平。未收集患者的任何标本、遗传信息以及其他个人隐私信息。该数字减影血管造影(DSA)治疗设备配有固定年检/月检，显示DAP值的准确性经检定/校准合格。

2.模拟实验

(1) 人体和辐射场景建模：采用由欧洲核子研究组织(European Organization for Nuclear Research，CERN)开发的基于C⁺⁺的蒙特卡罗程序包Geant4 10.07对人体和辐射场景进行建模。人体模型采用ICRP第110号出版物提供的体素模体^[8]。模拟场景的关键部分是介入术中使用的DSA设备。医院配备的飞利浦公司生产的DSA装备Allura Clarity FD10，其影像探测器为正方形，视域(field of view，FOV)对角线有3种模式：25、20、15 cm，手术通常采用15 cm对角线。使用时，电影模式曝光选用Left Coro 15 fps low，即15帧/s低剂量脉冲曝光。

模拟场景(图 1)包括球管、病床、模体、探测器。模拟空间充满空气介质。球管滤过由两部分组成，固有滤过为2.5 mm Al，附加滤过为1.7 mm Al。探测器为对角线15 cm正方形铅板，厚度为2.0 mm。探测器与球管焦点相距100.0 cm，模体心脏置于球管焦点与探测器连线中点。病床紧贴模体背部，为碳纤维材质，其密度为1.50 g/cm³，厚度0.15 mm。

(2) 物理过程和源项参数设置：蒙特卡罗模拟中的物理过程选择G4EmStandardPhysics_ option4(G4EmSt_o4)，其光子能量范围为0~20 MeV、电子能量范围为0~100 MeV，该物理过程可以满足诊断X射线能量模拟需求。X射线射束自焦点发出，为四棱锥形，原初射束棱的延长线与探测器顶点相接。FOV取患者体表的对角线15 cm的正方形。为确保模拟计算精度，初始光子数目设置为2×10⁷，Geant4的输入源项SpekCalc在剂量学中相关模拟计算的准确性已被Poludniowski^[9]、Poludniowski和Evans^[10]验证。

(3) 程序运行环境和结果记录：模拟采用的中央处理器(CPU)为4核1 200 MHz主频，程序运行用时约2.7 h。模拟计算电影模式的曝光条件下每一个造影序列产生的辐射剂量。随不同造影序列改变的参数有峰值管电压、管电流量、投照角度。模拟结束后，根据ICRP界定的组织器官敏感性记录放射敏感器官，如骨髓、FOV内部和边缘附近(心肺和肝脏等)受照机会较多器官的剂量转换系数。模拟的不确定度主要由源项、建模场景、剂量统计、人体模型等因素产生。

3. 统计学处理：使用SPSS 20.0软件进行分析。数据经正态性检验符合正态分布，对DAP在不同术组、不同性别组间的差异进行独立样本t检验；对DAP与年龄、管电流量、电压、造影图像帧数等变量的相关性进行Pearson相关性检验。P < 0.05为差异有统计学意义。

结果

1.样本人口数据和曝光参数：样本的人口数据、曝光参数等特征见表 1。其中CAG共37例，PCI共48例。不同冠状动脉介入术之间样本参数具有一定差异性。CAG和PCI的造影图像帧数分别为(518.6 ± 142.7)和(1 039.2 ± 462.3)，CAG和PCI的累积DAP分别为(12.1 ± 10.1)和(42.9± 33.6)Gy·cm²，CAG和PCI的曝光时间分别为(4.2 ± 3.6)和(12.5 ± 10.1)min。在CAG和PCI中，DAP均值都表现为男性组大于女性组。

2. 转换系数：利用模拟实验得到的转换系数根据式(1)计算，具体数值见表 2。

$ C C_{i}=D_{\mathrm{T}, i} / \mathrm{D} \mathrm{AP} $

(1)

式中，CC_i为DAP所致相应器官吸收剂量D_{T, i}的转换系数，mGy/(Gy·cm²)；D_{T, i}为模拟实验所得第i个器官的吸收剂量，mGy；DAP为模拟实验所得剂量面积乘积，Gy ·cm²。

可见FOV内部和邻近处的主要器官，如肺、肝脏、心脏等器官，女性组比男性组的器官剂量转换系数更大。而同一性别组中，CAG和PCI对应的CC_i差别不大。这提示剂量转换系数存在性别差异，在主要器官中女性组大于男性组。而在同一性别组内，转换系数在CAG和PCI两术种间变化不大。

3. 器官吸收剂量：模拟实验所得器官吸收剂量D_{T, i}见表 3。可见在同一冠状动脉介入术的多数器官中，男性患者的器官吸收剂量比女性患者略高，而PCI术中女性肺部吸收剂量高于男性。而在同一性别中，PCI组造成的器官吸收剂量是CAG组的4倍左右，CAG和PCI两术组器官吸收剂量最高的都是肺部，其次是骨髓、肝脏和心脏，远离FOV区域的器官如肠、脑，其吸收剂量接近零。

4. 与不同研究结果的对比：表 4汇总了不同研究的DAP、K_a值。从表中可以看出，本研究的DAP和K_a均处于较低水平。行PCI术的DAP和K_a值是行CAG术的两倍以上；与既往研究相似。患者的DAP、K_a值较为稳定，未出现较大增长。

表 5汇总了不同研究的肺、心脏、肝脏、骨髓4个器官的吸收剂量。在CAG术组中，本研究的器官吸收剂量与Buytaert等^[13]的结果较为接近，而小于其他研究的结果。在PCI术组中，本研究的器官吸收剂量与Ngaile等^[12]、Brambilla等^[14]相比较小。表中的器官吸收剂量结果包括男女两性别组，因此与表 3中按性别分组的结果不同。

5. DAP的结果分析：CAG和PCI组间的DAP差异具有统计学意义(t=-6.012，P < 0.05)，但男、女性别组间的DAP差异没有统计学意义(P>0.05)。DAP和年龄、管电压、管电流量、造影图像帧数量、身高的相关性结果列于表 6。由表 6可知，DAP与造影图像帧数之间存在相关性(r=0.760，P=0.000)，但是DAP与年龄、身高的相关性无统计学意义。

讨论

冠状动脉介入在使冠心病患者受益的同时，也给患者带来了一定的辐射损伤。冠状动脉介入术中患者受照产生的确定性效应多见于皮肤^[4]；而其他器官受到的影响主要体现在随机性效应风险有不同程度的上升。临床上使用的参考点空气比释动能K_a、剂量面积乘积DAP通常作为患者皮肤剂量的参考指标。

本研究中，样本累积DAP在不同术组间的差异具有统计学意义，PCI术组大于CAG术组，性别组间DAP差异无统计学意义，DAP与年龄相关性不大。而杨博鑫等^[16]认为性别组的DAP差异具有统计学意义，男略大于女，其性别差异可能是患者BMI造成的，且认为DAP与年龄正相关。高龄患者病情复杂，如可能存在的慢性闭塞、多支血管病变等情况^[17]，会明显增加辐射剂量。本研究中，性别组DAP差异无统计学意义，其原因可能是样本来自同一家医院，病情轻重程度相似；而患者DAP与年龄相关性不大，可能是因为样本年龄相近。

Ngaile等^[12]发现DAP值与食管、心脏、肺、骨髓的器官剂量之间存在较强正相关，提出DAP有提示辐射致癌风险的能力。在冠状动脉介入曝光场景下，使用DAP作为衡量患者受照剂量的指标具有合理性，并可以用于指示某些随机性效应风险；以DAP为基准，通过转换系数快速估算患者器官剂量，也具备一定合理性和可行性。

适合冠状动脉介入剂量评估使用的转换系数是DAP致相应器官吸收剂量D_{T, i}的转换系数CC_i。本研究根据冠状动脉介入常用的投照角度对上述CC_i进行了模拟计算。不同冠状动脉术组间CC_i的数值相近，提示同一性别组的转换系数与CAG和PCI术种的相关性较小，Brambilla等^[14]得出相同趋势。但同一冠状动脉介入术中，转换系数存在性别差异，主要器官如心脏、肺、肝脏等表现为女性组略高于男性组；Bhar等^[18]也得出类似结果。女性组较高的转换系数，说明女性患者体型较小却沉积了与男性患者相当的辐射能，这提示相同曝光条件下，女性患者可能承受更高的随机性效应风险。

本研究中PCI组患者器官吸收剂量明显高于CAG组，术组间的剂量差别可能是因为PCI组的手术时间、曝光次数和造影图像帧数明显高于CAG组。而相同术组中，男性较女性略高的器官剂量可能是因为男性患者DAP更高，以及解剖结构的性别差异较大。在所评估器官中，肺(44.7 mGy)、骨髓(29.4 mGy)、肝脏(19.0 mGy) 和心脏(16.0 mGy)的吸收剂量较高，而其他器官吸收剂量则较低，尤其是远离FOV的脑、肠等器官吸收剂量几乎为零。心脏整体和肺、胸部骨髓大部分处在冠状动脉介入影像设备的成像中心，大量原初射线和散射线的辐射能被沉积在此处，肝脏体积较大且在FOV边缘，从而吸收较多散射线。而其他器官通常在成像视野之外，仅受到少量散射线辐射。散射线衰减使得成像视野内外的器官吸收剂量呈现较大差异，这提示小FOV可能会有效减少其他器官受到的辐射剂量。

本研究所得器官剂量在对比中处于较低水平，可能的原因有样本差异、术者水平差异、设备差异等。不同研究的样本量不同，患者病情不同，从而可能使本研究样本的DAP小于既往研究。较小的DAP往往造成较小的器官吸收剂量。本研究中，术者均有较高的操作水平，这使得曝光次数和图片数量较低，从而使患者受照量较小。本研究和Buytaert等^[13]都使用了装有Clarity低剂量模块的DSA设备，在CAG术中产生的最大DAP分别为15.0、22.47 Gy·cm²。而Brambilla等^[14]和Ngaile等^[12]则使用普通DSA设备，在CAG术中产生的最大DAP分别为144.8、91.4 Gy·cm²。这可能是本研究的结果与Buytaert等^[13]相近而低于另外两研究的原因之一。对比结果提示，术者水平和设备差异对患者剂量有影响。

本研究的主要不足是对较高水平术者和Allura Clarity FD10设备的针对性较强。为了加强实验结果的普适性，需要扩大样本量，并进一步扩展研究在不同水平医院、不同类型DSA设备中产生的剂量转换系数和器官吸收剂量。另一个不足是，未对器官吸收剂量进行实验验证，在改进实验中将实施验证实验，从而提高模拟结果的可信度。

利用蒙特卡罗方法计算的DAP致器官吸收剂量转换系数，可以为临床上快速估算冠状动脉介入术中患者各器官吸收剂量提供便利。同一性别组的转换系数与CAG和PCI术种的相关性较小，但在同一术组中存在性别差异。转换系数的性别差异说明，在相同条件下女性比男性受辐射影响更大，应更加注意对女性患者进行的介入操作中的辐射防护。冠状动脉介入术中，受照机会较多、器官吸收剂量较大的是肺、骨髓、肝脏、心脏，应该重点关注照射野内以及边缘处的器官。

利益冲突  所有作者声明不存在利益冲突

作者贡献声明  李孟阳负责实验操作、数据分析和论文撰写；王海云负责指导实验设计和论文修改；阮书州、翟莹负责采集数据、指导论文撰写；张文艺、焦玲负责指导论文撰写