1、颅脑 CT 婴幼儿与成年人所受辐射剂量的对比研究作者：张培功 殷志杰 秦东京 邓大平 姜兴岳 李祥林 荆纪英 李建平 【摘要】 目的 测定婴幼儿与成年人颅脑 CT 检查接受辐射剂量的状况，对此进行对比分析并做出结论。方法 随机选择颅脑 CT 检查婴幼儿和成年人各 61 例，测量 CT 扫描患者体重。CT 扫描均在 120 kVp 条件下完成, 其中儿童曝光量为 130 mAs，成人的曝光量为 130 mAs(在小脑幕上结构)和 150 mAs(在幕下结构)。从 CT 图像上读出扫描层厚和扫描层数。为精确估算辐射剂量，将患者头部模拟为标准水模，选择典型的第三脑室上部横断图像测量矢状径、冠状径，用
2、以模拟水模等值半径、计算头部平均层面剂量、传递给患者的 X 线能量以及相应有效剂量。结果 婴幼儿头部的模拟水模等值半径随其体重呈增长趋势，对于 2 kg 的新生儿和11 kg 的婴幼儿模拟水模等值半径分别为 38.70 mm 和 75.33 mm。而成年人模拟水模等值半径平均为 87.63 mm，体重与其相关性较小。婴幼儿颅顶颅底的平均层面剂量均是 22.11 mGy，而成人颅顶平均层面剂量为16.21 mGy，颅底平均层面剂量为 18.71 mGy。传递给婴儿的能量大小与病人体重之间的关系(r2=0.527)远比成年人(r2=0.302)明显。病人有效剂量与病人体重间无明显的关联(儿童 r2
3、=0.683,成人 r2=0.302)。婴幼儿接受的能量(19.11 mJ)近似于成人所接受值(40.25 mJ)的一半。婴幼儿接受的有效剂量为 3.26 mSv，是成年人所受有效剂量(0.45 mSv)的 7倍。 结论 婴幼儿头部 CT 检查所受辐射剂量表明婴幼儿 CT 检查的沉重代价以及降低其剂量的必要性，本研究成果与 Huda 的研究结论相比较表明了降低婴幼儿辐射剂量的可行性。 【关键词】 CT 检查;剂量测量;传递能量;有效剂量;患者体重;头部尺寸 【Abstract】 Objective For routine noncontrast CT examinaton of the hea
4、d,we compared the radiation doses of infant patients with those of adults in order to make a conclution.Methods Data were obtained from 61 infants,and equal number of adults,who underwent CT head examination.Patient CT data acquired included weight of the patients,Xray tube potential(kVp),mAs,sectio
5、n thickness,and total number of sections.In order to get the accurate radiation dosimetry,the head was modeled as a uniform cylinder of water using patient sizes data,and we choose the section above the third ventricle to measure the sagittal and coronal distance and to calculate mean section doses
6、in the head region,total energy imparted,and corresponding effective doses.All CT scans were performed at 120 kVp,with an average currentexposure time product of 130 mAs for infants, and 130 mAs (superior tentorium structure) and 150 mAs(inferior tentorium structure)for adults.Results The radius of
7、the water cylinder used to model the patient head increased from 38.70mm for 2 kg newborns to 75.33mm for 11 kg infants.For adults,there was little correlation between the weight of patiens and the mean water equivalent radius of 87.63 mm.The mean section dose of infants was 22.11 mGy .The mean sect
8、ion doses of adults were 16.21 mGy (superior tentorium structure) and 18.71 mGy(inferior tentorium structure) respectively.The energy imparted to infants correlated with patient weight(r2=0.527) more obviously compared to that of adults(r2=0.302).There was no signigicant correlation between patient
9、effective dose and patient mass for either the infant(r2=0.683)or the adult group of patients(r2=0.302).The average infant energy imparted(19.11 mJ) was approximately half the value obtained for adults(40.25 mJ). The average effective dose to infants(3.26 mSv), however, was approximately seven times
10、 higher than that of adults(0.45 mSv).Conclusion It is necessary to reduce the radiation doses in routine noncontrast CT examinaton of the head for infants.And it is possible to reduce the the radiation doses in CT examinaton of the head for infants compared our conclusion with Hudas results. 【Key w
11、ords】 CT examination，radiation doses,energy imparted,effective doses,patient weight,head size 瑞典学者 Hall 根据一项缜密的研究做出结论，婴幼儿接受低剂量电离辐射会影响成人后的认知能力1;英国的一项权威研究结论认为病人在 CT 检查中所受的辐射剂量占总医疗辐射剂量的 20% 2，3。这些结论成为国际医学界关注的热点。美国医学科学家 Huda 从剂量测量和 CT 扫描参数的设置等方面对受检婴幼儿和成人进行了比较和分析，认为患者接受剂量大小与其体重、CT 扫描部位及 CT 扫描参数有关4。中国人的体态
12、及发育同欧美人有较大差异，我国影像工作者的 CT 扫描参数选择与国际同行也有很大不同。因此，研究中国婴幼儿和成人颅脑 CT 检查中所受的辐射剂量并进行测算、比较、分析是一个颇有意义的崭新课题。本文尝试对此做出一个较为科学的结论进而迎合国际 ALARA 原则5。 1 材料与方法 1.1 CT 检查及图像测量方法 从 2005 年 8 月2006 年 10 月接受颅脑 CT 检查患者中，筛除脑出血、大面积脑梗死、脑积水和颅内肿瘤病例，选择婴幼儿与成年人各 61 例。其中婴幼儿均为出生 2 h2 岁的患儿。该组成年人的确定标准为体重40 kg 的病人。采用 GE 公司 Hispeed NX/I CT
13、 机，扫描基线为听眦线。对于成年人常规头部 CT 扫描，小脑幕下层面使用 5 mm，扫描 4 层;小脑幕上层面 10 mm，扫描 8 层，间隔与层厚相等。对于婴幼儿，小脑幕下层面 5 mm 扫描 4 层，小脑幕上层面 7 mm或 5 mm，间隔均与层厚相同，扫描至颅顶。图像均采用标准软组织过滤重建。用于测量计算所需数据：X 线管电压恒定为 120 kVp，管电流、层厚、层数、病人头部尺寸等资料在图像中读取。测量第三脑室上部层面矢状径 2 a 和冠状径 2 b(如图 1 所示)，为准确估算辐射剂量，整个头部被模拟为一个半径为 r(等值半径)的标准水圆柱体。 图 1 第三脑室上部层面矢状径 2 a
14、 和冠状径 2 b 测量值 r=(ab)0.5(1) 其中 是头部横断面的平均密度值，本研究中 的值对于婴幼儿和成年人分别为 1.07 和 1.11 gcm36 。 1.2 辐射剂量的计算(蒙特卡罗辐射剂量模拟方法) 平均层面剂量Dm，定义为全部辐射到病人或体模内的能量与相应直接受辐射的物体质量的比值，对于一个 CT 层面，Dm 的值可由以下公式求得： Dm=dmXY (2) 在此 dm 是每一个单位轴向曝光量的平均剂量，通过对恒定的 120 kVp 的 CT X 线能谱的蒙特卡罗模拟技术按照下式计算得到11： Log10 dm =(-3.0310-6)r2+(-0.00373)r+(0.05
15、10)dm (3) dm 的衰减是由近似窄束单能 X 线射入直径变化的水模内进行模拟。X 是每一单位 mAs 的轴向曝光量，是由放置于扫描野中心的 MDH 笔形电离室来测量得出。对于头部扫描的双排 CT 机，管电压为 120 kVp 时，X 平均测量的值为 26 mR/mAs，(1 mR=2.5810-7Ckg-1)。Y 是完成扫描的mAs 值，可从病人图像中读取。 传递给病人的全部能量 可用下列公式求得： =MPDm (4) MP 是病人直接受电离辐射部位的质量，在此病人头部被模拟成一个水圆柱体，MP 可用下列公式获得： MP=Nr2T (5) N：层数，T 层厚，r 值是用于模拟病人头部的
16、水圆柱体的半径，由公式(1)求得。 对于接受头部 CT 扫描的成年病人，传递给病人的能量可通过一转换因子 9.1 mSv/J8，将其转换为相应的有效剂量。 对于接受头部 CT 扫描的婴幼儿，有效剂量可通过下列公式来计算得出： E=(E/)head(70/M)(6) 这里(E/)head 是传递给成年人 CT 检查中能量的有效剂量率(9.1 mSv/J)，M 为婴幼儿的体重7，单位是 kg 。公式(6)中 70 这一数值指的是成年人的平均体重 70 kg9 。 1.3 全部测量数据分别代入上述 6 个公式计算得出水模等值半径、平均层面剂量、传递能量、有效剂量，应用 SAS 统计软件进行统计学处理
17、。 2 结果 2.1 人口学统计状况及模拟水模等值半径(表 1) 表 1 本项研究中婴幼儿与成年人群体的统计学特征 表 1 总结了本项研究中婴幼儿和成年人群体的统计学特征。婴幼儿的平均年龄约为 2.5 个月，成年人平均年龄为 40 岁。婴幼儿平均体重为4.46 kg，远低于成年人平均体重 58.71 kg。成年人平均体重低于参考体重 70 kg，这是由于该项研究中包括了 7 名年龄在 18 岁以下，但体重超过 40 kg 的年轻人。 由公式(1)算出两组患者水模等值半径，婴幼儿水模等值半径平均为56.18 mm 较相应成年人等值半径平均值 87.63 mm 小 36%。儿童水模等值半径与成年人
18、水模等值半径间的巨大差异是头部尺寸差异显著的结果，儿童与成年人之间平均物理密度间差异(也就是 3.6%)只会使水模等值半径增加 1.8%。婴幼儿头部大小随体重增加而增加，成年人头部大小与体重间关系不明显。 表 2 总结了该项研究中用于扫描婴幼儿和成年人的相关 CT 技术参数。相对于成年人， 婴幼儿的 CT 扫描采用了较薄的层厚，更多层数。婴幼儿平均的扫描全长为 76.91 mm，比相应的成人值(100 mm)少了近 23%。所有病人都是在管电压为 120 kVp 的情况下完成的，且所有成年人小脑幕下扫描都采用管电流 150 mAs，小脑幕上管电流 130 mAs。对婴幼儿扫描时所选择的管电流固
19、定为 130 mAs。 表 2 本项研究中用于扫描婴幼儿和成年人群体的 CT 技术参数 参 数婴幼儿平均值标准差 最大值/最小值 成年人 平均值标准差 最大值/最小值颅顶层厚(mm) 7.050.38 10/7 100 10/10 颅底层厚(mm) 50 5/5 50 5/5 颅顶层数 8.030.25 10/8 80 8/8 颅底层数 4.060.36 6/4 40 4/4 颅顶(mAs ) 1300 130/130 1300 130/130颅底(mAs ) 1300 130/130 1500 150/150 2.2 辐射剂量 由公式(2)求得平均层面剂量 Dm，公式(4)求得传递给病人的全
20、部能量 ，公式(6)求得有效剂量。表 3 总结了婴幼儿和成年人群体三种辐射剂量参数的(平均值标准差)、各剂量参数相应的最大值和最小值。平均层面剂量与体重之间无明显的关联。对于婴幼儿，平均层面剂量数据围绕着平均值 22.11 mGy 有较大离散。对于成年人，绝大部分的平均层面剂量数据分布都十分靠近平均值 18.71 mGy。对于婴幼儿，随病人体重的增加，传递的能量总体呈增长趋势，两个参数之间的关联系数(r2)为 0.527。这与成年人的数据形成对比，传递的能量与成年人的体重间并无明显的关联(r2=0.302)。对婴幼儿(r2=0.683)和成年人(r2=0.302)，有效剂量和病人体重间并无明显
21、关联。 头部尺寸小，原发 X 线衰减就会降低，从而导致平均层面剂量的增加。在一固定的 130 mAs，水模等值半径从 38.70 mm 增至 75.33 mm，将会使平均层面剂量从 26.281 mGy 降至 18.12 mGy，降幅达 31%。这一结论提示我们，婴幼儿头部 CT 扫描辐射剂量随头部尺寸变化。事实上，根据病人的水模等值半径有效地调整 mAs 值，将会使婴幼儿和成年人具有相同的平均层面剂量 Dm 值。 从数据上看，婴幼儿的平均层面剂量要高于成年人的平均层面剂量，但传递能量却低于成年人相应的值，这主要由于成年人的头颅扫描范围要大于婴幼儿的扫描范围。婴幼儿的有效剂量值远高于成年人的有
22、效剂量值，这主要是因为二者的体重存在着巨大的差异。表 3 本项研究中婴幼儿和成年人群体三种辐射剂量参数 3 讨论 本项研究采用的剂量计算方法是蒙特卡罗辐射剂量模拟法，不同于目前通行的 CTDI 辐射剂量估算方法。由于该方法是对每位患者的扫描典型层面进行实际测量，因此对于个体辐射剂量估算而言这种方法更接近CT 扫描患者单个样本的实际值。根据实验，已被确认有 80%的符合度10。由于实验中我们只是计算一个典型 CT 层面的平均层面剂量，导致有效剂量间的差异达 30%11，但对于病人剂量评估的目的，这种不确定的水平是可以接受的。蒙特卡罗辐射剂量模拟法作为临床辐射剂量计算方法简便易行具有良好的推广价值
23、。 本项研究汲取了美国放射学家 Huda 等人的研究成果。他们采用水模分别模拟了婴幼儿和成年人的头颅，测算了 CT 扫描标准图像的 mAs 值条件下，60 KeV 和 80 KeV 的单能光子(这代表了 CT 扫描光子能量的平均值12，13)通过水模时能量传递的结果。证明了可应用蒙特卡罗辐射剂量模拟法计算 CT 检查中传递给患者的辐射能量。 评估辐射对个体或群体的伤害时，应该将诸如器官相对辐射敏感性、诱发癌症的风险及基因影响等因素考虑进去14。有效剂量(E)是直接与诱发癌症及基因影响等随机辐射风险产生联系的。通过将头部 CT 检查的有效剂量与自然本底剂量 3 mSv 来进行比较，可对 CT 检
24、查中病人所受的辐射量提出一个警示。正常身高的成年病人接受头部 CT 检查时，其有效剂量约为 0.45 mSv，而婴幼儿的有效剂量约为 3.25 mSv，超过了自然本底剂量 3 mSv。对于婴幼儿，这种产生癌变和对基因影响的随机辐射风险比成年人更大15，16，因此研究一种降低婴幼儿 CT 剂量而又不会影响诊断成像表现的方法显得十分重要。 从实验的内容我们看到，传递的能量值与所选的管电流、扫描时间、层厚、CT 检查的总层数呈直线相关。可用传递的能量来估计 CT 技术因素中相应改变的风险，如 mAs，头部扫描长度等。同其他 X 线成像检查一样，CT 检查中所传递的辐射剂量需要同生成的图像质量间有一个
25、平衡，选择扫描婴幼儿的辐射剂量应同所要求的能产生满意诊断的信噪比联系起来17。一定程度上 CT 图像的对比度和空间分辨率并不依赖于辐射量。 我们期望通过进一步的研究，能够优选出一种对接受 CT 检查的婴幼儿较为合适的辐射防护方法。我们根据患儿头颅尺寸设计了 CT 扫描曝光参数，应用 Arac 等学者的图像评价法18检测相应的图像质量，结果扫描完成的图像完全可以满足诊断要求。这与实验中 mAs 值都固定在 130 mAs 形成对比，辐射剂量降低了 40%。当我们进行 CT 成像时将病人头颅尺寸考虑进去，这类似于屏片成像检查中的参数选择操作。这对于我国目前头部 CT 检查时固定扫描参数而言，向降低
26、辐射剂量方向上迈出了一大步。 【参考文献】 1 Hall P,Adami HO,Trichopoulos D,et al.Effect of low doses of ionizing radiation in infancy on cognitive function in adulthood: Swedish population based cohort studyJ, BMJ,2004,328(7430):19. 2 Shrimpton PC,Hart D,Hillier MC,et al.Survey of CT practice in UK.1. Aspects of examin
27、ation frequence and quality assurance,National Radiological Protection Board (NRPB) Report No.R248, NRPB, Chilton,England,Her majestys Stationary Office.1991. 3 Shrimpton PC,Jones DG,Hillier MC,et al.Survey of CT practice in the UK. 2. Dosimetric Aspects,” National Radiological Protection Board (NRPB) Report No.R249, NRPB, Chilton, England, Her Majestys Stationary Office.1991. 4 Huda W,Lieberman KA,Chang J,et al.Patient size and
