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基于剂量模拟人的腹部CT扫描辐射剂量分布研究

2024-11-12 1 上传者：管理员

摘要：目的：本研究旨在通过利用剂量模拟人系统性地测量和分析腹部CT扫描在腹部以及体表关注部位的辐射剂量分布，并提供相关数据，以便评估患者的辐射风险并制定个性化的辐射保护策略。方法：本研究使用剂量模拟人模拟常规临床腹部CT扫描过程，选取剂量模拟人42个组织检测点和8个体表位点分别指代躯干部位主要器官和体表主要关注部位；使用RGD-3B热释光测量仪测量人体躯干部主要脏器及体表关键部位的受照剂量水平。结果：根据剂量模拟人实验数据分析，胃部受照剂量最大，为15.9 mGy，其次是肾脏和胰腺部位，分别为15.7 mGy和14.4 mGy。肾上腺、胆囊和肝左叶的受照剂量分别为14.3、13.2和12.9 mGy。除上述器官外，其余部位的受照剂量均小于6.9 mGy；体表关注部位的受照剂量测量结果显示左侧眼晶状体受照剂量为0.017 mGy，右侧眼晶状体为0.029 mGy；甲状腺部位的受照剂量左右侧分别为0.062 mGy和0.057 mGy；乳腺部位左侧和右侧的受照剂量分别为1.71 mGy和1.58 mGy；左右侧性腺部位的受照剂量分别为0.145 mGy和0.090 mGy；乳腺下缘作为CT扫描时临近皮肤的入射部位，显示出皮肤入射剂量水平为1～2 mGy。结论：在腹部CT扫描过程中，胃部、肾脏和胰腺的辐射剂量最高；尽管体表敏感部位的受照剂量较低，但甲状腺、性腺和晶状体等部位的辐射量仍高于其他体表组织。这些结论提示工作人员在特定高剂量区域可能仍需进一步防护，以减少潜在的辐射危害。

关键词：
CT
CT技术
仿真模体
受照剂量
计算机断层扫描
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在临床诊断和评估中，计算机断层扫描（computed tomography,CT）因其高分辨率和准确性已成为不可或缺的影像学工具。CT技术可以提供关于人体内部结构和病变的详细信息[1]。然而，与常规X射线成像技术相比，CT检查对受检者产生更高的辐射剂量。联合国原子辐射效应科学委员会2020年的报告指出，CT检查所致有效剂量占集体有效剂量的比例高达52.5%[2]。随着医疗照射频次的增加，研究人员和临床医生亟需了解患者在接受CT检查时所接受的辐射剂量分布，尤其是在腹部CT扫描中，由于涉及多个重要器官和组织，其辐射剂量分布的评估显得尤为重要[3-9]。对腹部CT扫描的辐射剂量分布进行研究和优化，对于确保患者安全和提高诊断质量至关重要。

腹部CT扫描广泛应用于诊断诸如肝脏、脾脏、胰腺、肾脏及胃肠道等器官的病变。通过获取精确的影像资料，医生能够有效地发现和评估肿瘤、炎症、出血、创伤和先天性异常等病理变化。然而，腹部CT扫描需要覆盖较大的体积，并且使用较高的辐射剂量，从而增加了患者的辐射暴露风险。

为此，本研究采用剂量模拟人模拟腹部CT扫描过程，通过在剂量模拟人中设置多个检测点，测量腹部器官及体表重要部位的辐射剂量分布。这种方法可以在不对患者造成实际辐射风险的情况下，为医生和技术人员提供精确的辐射剂量数据，以减少辐射暴露并提高图像质量，从而提高患者安全性和诊断效果，为临床实践提供指导。

1、材料与方法

1.1仪器

选取东芝（TOSHIBA PRIME Aquilion)80排螺旋CT设备，设置管电压120 k V管，电流250 m A，时间0.5 s，螺距1，层厚0.5×80 mm。RGD-3B型热释光剂量检测系统；热释光精密退货炉V型；GR-200 A型LIF(Mg、Cu、P）热释光探测器（TLD)（北京市放射卫生防护所），分散性≤1%。

本研究所用仿真人体模型为CIRS公司生产的ATOM 701型影像剂量兼用的成人女性剂量模拟人，身高160 cm、体重55 kg，胸径尺寸20 cm×25 cm（未包括乳腺）（图1），照射时将组织等效乳腺模体安置于相应部位随同照射。

模体的实际高度为98 cm，包括腹股沟以上部分至头顶的34层组织（1～34层中每层厚度为2.5 cm，共85 cm）和腹股沟以下部分至大腿（13 cm）。第1层和第35层均为实心体层，没有可放置剂量探测器件的组织插孔，其余的第2～第34层均设有组织插孔，在体模组织剂量监测时可将圆柱体拿出，然后放置热释光探测器。

该剂量模拟人使用与人体组织等效材料制成，可有效替代人体心脏、肝脏、性腺等组织和器官。

图1 成年女性剂量模拟人外形

1.2剂量模拟人辐射剂量测量点分布

(1）将仰卧位剂量模拟人放置在CT床上，选择腹部CT扫描协议，采用脚先进扫描方式，扫描范围覆盖整个上腹部，重复扫描5次，最后对所有辐射剂量取均值进行分析。

(2）在仿真模体第21～34层中的关键组织器官位点进行照射剂量测量，共设42个测量点。每个测量点的组织插孔中预先放置2个TLD探测器，探测器使用专用包装，以确保放置于探测孔后能真实反映该处的剂量水平。每个包装均编有唯一编码，编码标识组织层编号及该层的组织关注位点编号，例如“2108”表示仿真模体的第21层第08号位点（图2）。

图2 剂量模拟人21～34层对应解剖范围及第21层组织剂量点编号图像

(3）在仿真人体模型表面确定8个位点，作为相应部位皮肤体表受照剂量测量点。这些点包括：左眼角（左侧眼晶体）、右眼角（右侧眼晶体）、左侧甲状腺、右侧甲状腺、左胸（左侧乳腺）、右胸（右侧乳腺）、左性腺部位和右性腺部位。每个测量位点设置2个TLD探测器于同一个包装中，每个包装唯一编码识别反应相应部位测量信息，并与结果对应。

1.3组织吸收剂量计算

本研究使用120 k V管电压，X射线光子能量分布通常在30 ke V到120ke V之间，其中大多数光子能量在40～80 ke V范围内。对于这个能量范围，光子的相互作用主要包括光电效应和康普顿散射。<50 ke V为低能量光子，光子能量主要通过光电效应完全沉积在局部，比释动能近似吸收剂量。50～120 ke V为中等能量光子，虽然康普顿散射作用显著，但仍可以通过适当的修正因子将比释动能转化为吸收剂量。

本研究通过实验计算得到在120 k V管电压下的修正因子f (E)=1.15，因此本研究采用以下公式对组织吸收剂量进行计算：

其中D为组织吸收剂量；Xi为空气比释动能（例如，0.95μGy/读出数值）；Cf为热释光探测器空气比释动能刻度系数（例如，1.0）；为空气到组织的转换系数（例如1.2);f (E)为修正因子（如1.15）。

2、结果

2.1 CT扫描受检者组织吸收辐射剂量分布

CT扫描时，所选取的42个典型监测位点剂量测量结果表明躯干内各器官组织受照剂量范围值为0.07～15.9 m Gy，平均值为3.50 m Gy，其中胃部受照剂量最大，为15.9 m Gy，其次为肾脏和胰腺部位，分别为15.7 m Gy和14.4 m Gy，肾上腺、胆囊和肝左叶分别为14.3、13.2和12.9 m Gy；其余部位受照剂量均小于6.9 m Gy，左侧卵巢和右侧卵巢受照剂量分别为0.31和0.33 m Gy，子宫部位受照剂量为0.21～0.33 m Gy，直肠受照剂量为0.21～0.51 m Gy（表1）。

2.2 CT扫描受检者体表吸收辐射剂量分布

CT扫描时，体表关注部位的受照剂量测量结果表明左侧眼晶状体受照剂量为0.017 m Gy，右侧眼晶状体受照剂量为0.029 m Gy；甲状腺部位受照剂量左右侧分别为0.062 m Gy和0.057 m Gy；乳腺部位左侧和右侧分别为1.71 m Gy和1.58 m Gy，两者无明显差别；左右侧性腺部位（以左右侧卵巢对应体表部位）分别为0.145 m Gy和0.090 m Gy；乳腺下缘为CT扫描时临近皮肤入射部位，该处也初步反映出CT扫描时皮肤入射剂量水平1～2 m Gy（图3）。

3、讨论

随着放射技术的不断进步，医用诊断设备如CT等在疾病诊断方面扮演着日益重要的角色。然而，由于这些设备采用体层扫描技术，受检者在接受疾病诊断过程中可能会暴露于较高的辐射剂量[10-11]。

以往的研究主要通过调取CT设备显示剂量（CTDIvol和DLP）来评估CT受检者的辐射剂量[12-13]。然而，有研究发现，受检者暴露后，CT设备显示的剂量与实际测量的体模剂量并不完全一致，并且不同品牌的设备之间也存在一定的差异[14-15]。研究显示[14-15]，两种品牌的CT设备在头部扫描时，实际测量的剂量分别是CT设备显示剂量的1.30～1.39倍和1.17～1.26倍；在胸部扫描时，实际测量的剂量分别是CT设备显示剂量的1.95～2.27倍和1.75～1.97倍。因此，CT设备显示的剂量并不能直接等效为受检者的辐射剂量，而且这些剂量信息只能评判受检者的整体辐射剂量，无法评估受检者的局部组织吸收剂量，比如眼晶体、甲状腺等。

表1 CT扫描人体躯干部位主要脏器的受照剂量分布水平

图3 CT扫描体表关注部位的吸收剂量水平及其分布状况

另外，在CT检查中，受检者各器官的吸收剂量尚难直接准确测量，特别是敏感部位，若使用人体仿真体模，内部安装剂量探测器，可直接得到辐射剂量，且定位准确[16]。

因此，本研究使用CT扫描测量仿真体模躯干内各器官组织受照剂量。我们观察到，胃部是受照剂量最高的器官，其受照剂量达到15.9 m Gy，这可能是由于胃部位于扫描范围内，放射线束经过该区域时相对较密集。肾脏和胰腺部位的受照剂量分别为15.7 m Gy和14.4 m Gy，肾上腺、胆囊和肝左叶的受照剂量也较高，分别为14.3、13.2和12.9 m Gy，这与以往的研究结果类似[17-19]。这些结果提示我们在进行CT扫描时，需要特别注意这些器官的受照剂量，以减少潜在的辐射风险。其他躯干部位的受照剂量均较低，都小于6.9 m Gy。左侧卵巢和右侧卵巢的受照剂量分别为0.31 m Gy和0.33 m Gy，子宫部位的受照剂量范围为0.21～0.33 m Gy，直肠的受照剂量范围为0.21～0.51 m Gy。以上结果说明，在CT扫描过程中，这些部位所受到的辐射剂量相对较低，风险较小。

在CT扫描过程中，不同组织和器官在左右两侧接受的辐射剂量会有所不同，这种差异在晶状体、乳腺、甲状腺及性腺中均可出现，但是在测量辐射剂量时，TLD探测器的放置位置的不同可能也会造成测量结果出现轻微差异，因此，在研究中需要进行多次测量并取平均值，以减少单次测量误差的影响。晶状体在头部CT扫描中受照剂量不同，主要受扫描角度和头部位置不对称影响。乳腺在胸部CT扫描中受照剂量差异，主要由于胸部解剖结构差异和扫描区域覆盖范围不同所致。甲状腺受照剂量差异则源于其位置和形状的不对称以及邻近组织的影响。性腺在腹部或骨盆CT扫描中受照剂量差异，受到体位和扫描角度以及解剖结构差异的影响，这与之前一项关于在X线曝光中对性腺受照剂量分析的研究结果类似[20]。理解这些因素有助于优化CT扫描技术，减少不必要的辐射暴露。为了更准确地评估和控制受照剂量，可以采取标准化体位、优化扫描参数以及个体化剂量估算等措施，从而更好地保护患者健康。

针对体表关注部位的受照剂量测量结果，我们研究结果发现甲状腺、性腺和晶状体的受照剂量相对较高。这些区域的辐射剂量接近或高于其他体表区域和组织的剂量水平，显示出这些部位对辐射的高度敏感性。乳腺下缘的皮肤入射剂量为1～2 m Gy，反映了皮肤对辐射的暴露情况，也提示在这些敏感区域周围的皮肤可能受到相对较高的辐射，我们扫描时需要做好患者敏感部位的防护。这些测量结果为医生和放射技师提供了重要的参考数据，帮助他们合理选择扫描参数并优化剂量分配，以降低患者暴露在辐射下的风险。此外，对于特定器官和部位，如胃部、肾脏和胰腺等，需要加强监测和保护措施，以减少辐射对患者健康的潜在影响。

综上所述，本研究通过对CT扫描时人体躯干内各器官组织和体表关注部位的受照剂量进行测量，提供了有关剂量分布的重要数据，对降低辐射风险以及改善患者的辐射安全具有重要意义。未来的研究可以进一步探索不同人群和不同扫描条件下的受照剂量，以进一步完善辐射保护策略。

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