不断追求医学影像质量与患者辐射剂量的优化匹配

1、不断追求医学影像质量与患者辐射剂量的优化匹配    进入数字化医学影像时代可谓继发现x射线后导致医学的又一次革命。x射线计算机断层扫描成像(XCq )、双x射线源CT、X射线能谱CT、X射线计算机摄影(CR)、数字摄影(DR)、数字减影血管造影(DSA)、数字胃肠点片(DSI)；单光子发射计算机断层显像(SPECT)、正电子发射计算机断层显像(PET)；新问世不久的PETCT、SPECTCT等各种多冈像融合一体机；以及非电离辐射的磁共振成像设备(MRI、f MRI)等方兴未艾地发展，各种高新技术的大型医疗设备不断涌现，为人类的疾病诊断治疗和查体保健建立了

2、丰功伟绩。与此同时，各类放射诊疗的广泛普及又使得接受各种医疗照射的受检者与患者迅速剧增，当获取医疗和保健信息而受益的同时，如何趋利避害以防止可能产生的潜在放射危险日益强烈地凸显。因此，在不断努力提高医学影像诊断质量的同时，必须认真致力于更加合理地减少各种形式放射诊断所致受检者与患者的医疗照射剂量。也就是必须不懈地追求医学影像质量与所致受检者与患者辐射剂量的最佳优化匹配。这是医学物理学、放射防护学、临床医学工程、放射学界，以及各类放射诊疗设备的研发生产方和监督管理部门等，共同面临的历史使命。1 合理降低放射诊断的医疗照射剂量势在必行医疗照射是专指患者和不一定有病的受检者，由于各种健康查体目的或者

3、疾病诊断、治疗需要而不得不主动去接受x射线诊断、介入放射学、临床核医学和放射肿瘤学等各类放射诊疗所施行的照射。几乎每位公众成员在其一生中都要接受许多次的医疗照射。所以各种医疗照射涉及到所有公众而成为既重要又特殊的一类电离辐射照射。联合国原子辐射效应科学委员会(UNSCEAR)的权威报告书指出，2O世纪末全世界平均仅每年的x射线诊断检查(含牙科x射线摄影)已达到243亿多人次 】，几乎涉及当时42 的全球公众。我国九五期间医疗照射水平调查研究表明，1998年大陆3l省份有245亿多人次接受x射线诊断检查 。上海市十一五期间的医疗照射水平调查研究得出，全市2007年x射线诊断应用频率增至745人次

4、千人口，即约有75 的上海市常住人口当年作了X射线诊断检查，比1998年增加434，是1998年全国平均水平的38倍。尤其X射线CT扫描的应用频率及其所致集体剂量的增加相当显著。UNSCEAR和国际放射防护委员会(ICRP)反复强调：医疗照射是最大的，并且还将不断增加的人工电离辐射照射来源。所以加强日益增多的医疗照射防护，进而合理降低各种医疗照射的个体和群体剂量，不仅涉及到数以亿计受检者与患者个体的放射防护与安全，而且密切关系到所有公众群体的集体剂量负担，即尽量减少公众群体中电离辐射照射诱发癌症等随机性效应的发生几率。这已经成为社会各界越来越强烈关注的热点，正是当下国际、国内放射防护领域新进展

5、的突出重点课题11。随着国民经济和医疗卫生保健事业持续发展，各类放射诊疗新设备、新技术与日俱增且不断普及。尤其20世纪90年代以来，各类放射诊疗设备的更新和发展在整个医疗器械产业中非常突出。各类放射诊疗设备不断迅速增加不可避免地导致医疗照射年应用频率的剧增。于是，在获取临床医学实践所必需的和足够的医学影像信息以达到准确诊断的同时，尽最大可能合理降低放射诊断检查所致受检者与患者的医疗照射剂量，已是势在必行的紧迫使命。为具体论证这个受到社会各界广泛关注的热点问题，本文以发展极快、普及很广的多排(层)螺旋CT(MDCTMSCT)的应用为例加以研讨。显然，必须先阐述清楚如何正确表达多排(层)螺旋CT的

6、辐射剂量及其评价方法。2 多排(层)螺旋CT的辐射剂量表达及评价方法医学影像设备从传统的模拟成像迈进数字化成像并不断更新换代，使得医学诊断质量发生质的飞跃。仅以高速发展和影响很大的x射线cT为例，在其问世20周年后开始实现了螺旋容积扫描，随后多排(层)螺旋CT的更新就一发而不可收。如今64排螺旋CT已经普及到我国的县级医院，256排、320排和双X射线源螺旋CT均已进入大型三甲医院中大显身手。XCT的空间分辨力、密度分辨力、时间分辨力、纵向分辨力等性能不断提高，超高速和极薄层的各向同性扫描，非常有利于过去难于观察的运动脏器解剖细节诊断，并向功能化成像迈进，在心脑血管等疾病的诊断与治疗中日益发挥

7、出更为不可或缺的重要作用。但是，正如权威的ICRP所指出，x射线CT如此迅速地成为全世界一种最重要的x射线检查类型，而CT检查可能使患者受到相对高的剂量，CT所致组织器官的吸收剂量(10100 mGy)常常可以接近已知增加诱发癌症几率的水平_6。因此XCT所致受检者剂量的正确监测与评价非常重要。对传统x射线诊断检查，常用热释光剂量计(TLD)监测摄影受检者体表的照射野中心点的入射体表剂量(ESD)，进而估算受检者各器官吸收剂量和全身有效剂量。而工作方式完全不同的XCT，尤其多排(层)螺旋CT的辐射剂量表达和评价比较复杂。XCT的辐射剂量表征量及其探测方法的研究已经经历了不断的演变进化。尽管还存

8、在不完善和某些争论而继续在进一步探讨中，但目前基本获得公认的实用表征量是CT剂量指数100(CTDI。)，加权CT剂量指数(CTDI )，以及容积CT剂量指数(CTDI )。然而这三个CT剂量指数是用于评价设备性能的，并不直接表征其所致受检者的吸收剂量，而只是与所致受检者剂量密切相关，并且可供进一步推算受检者剂量的实用表征量。CT剂量指数均与吸收剂量有相同量纲(即：焦耳每千克，J kg)，专用单位也是戈瑞(Gy)。CT剂量指数100是目前广泛应用的最基本的反映XCT设备扫描剂量特性的表征量。它虽然能用热释光剂量计(TLD)，在专用的TLD插件中进行各点剂量分布的测量，进而得出剂量分布曲线D(Z

9、)，再依剂量分布曲线的半高宽(FWHM)，通过拟合计算求得CTDI。但其可取之处更在于，可以用有效长度正好为100 mm的笔形电离室在通用标准剂量模体中方便地测量到，从而比较容易进行XCT机的验收与经常性的质量控制检测等。国际电工技术委员会(IEC)关于XCT的国际标准就采用此量 】。我国有关国家标准也是采用这些量l8 。CTDI o。这个最基本的表征量反映的是在标准甲基丙烯酸甲酯模体中测得某点空气中沉积的x射线能量。而XCT是以扇形x射线束旋转照射，则在扫描范围内不同位置的CTDI 自然各不一样。于是就专门定义一个加权CT剂量指数CTDI ，藉以能够反映所扫描平面中的平均剂量：CTDI =1

10、3【CTDIlo0( 0)+23CTDIl00( 目)】式中CTDI f中lf 、为在模体中心位置上的测量值；CTDI 。(外 )表示在模体周边四个不同位置上(至少以90。间隔的模体表面下10mm处，参见图1最左边圆)测量值的平均值。这在XCT的实际检测中是很容易实现的。目前普遍采用的是与有效长度lOOmm笔形电离室检测仪器配套的标准有机玻璃剂量模体，通常分头部模体(直径160mm)和躯干模体(直径320mm)两种，均呈长度为140mm的圆柱体状。这两种模体的中心及其四周表面下10mm处都有专用的检测电离室插孔。这样可以方便地进行CTDI，。的检测，进而算出加权CT剂量指数。对多排(层)螺旋C

11、T扫描，国际电工技术委员会IEC采用容积CT剂量指数CTDI 反映整个扫描容积中的平均剂量 ，它与XCT的螺距(或者称螺距因子)密切相关，即有：CTDI =CTDIWCT螺距因子=(NTA d)CTDI式中，N为一次旋转扫描产生的断层数，它等于某次扫描中所用的数据通道的数目，需要注意到在多排(层)螺旋CT中有可能采用几个探测器元件组成一个数据通道；T为扫描层厚；A d为x射线管每旋转一周诊视床移动的距离。图形象地概括比较这三个CT剂量指数。CTDI，。反映的是XCT在标准测量模体中某一点所沉积的x射线能量；CTDI 描述XCT所扫描某一断层平面上的平均剂量状况；而CTDI 。则是描述多排(层)

12、螺旋CT在整个扫描容(体)积范围内的平均辐射剂量。容积CT剂量指数CTDI 。，可由加权CT剂量指数CTDI求得，而加权CT剂量指数CTDI 则是剂量模体中心位置与周边四个不同位置CTDI。o。测量值的加权结果。这些CT剂量指数是XCT设备辐射剂量特性的实用表征量，既能较好解决易于进行并可提供统一比较的各种XCT机的性能检测和进行各种质量控制，又方便提供了推算各种XCT机所致受检者剂量的基本参数。此外，XCT沿z轴的扫描长度必然明显影响其所致受检者的辐射剂量，引入剂量长度乘积(DLP)这个量对更好评价多排(层)螺旋XCT扫描的电离辐射风险是很有用的。DLP=fnCTDI nTNC式中，i为XC

13、T扫描序列数；N为旋转圈数；nT为每旋转一圈的标称限束准直宽度(en1)；C为x射线管每旋转一周的管电流与曝光时间之积(mAs)；而n CTDI 则表示与所用管电压和总标称限束准直宽度相对应的归一的加权cT剂量指数(mGy mAs )。针对当下很普及的多排(层)螺旋CT，沿z轴的扫描长度L乘上CTDIvol就可得出相应的DLP。而用每次检查的剂量长度乘积DLP建立的XCT的诊断医疗照射指导(参考)水平(包括针对成年或儿童受检者)，已经在约束和控制XCT扫描所致受检者剂量，推动医疗照射放射防护最优化方面发挥了重要作用 0l。具体估算受检者个体所受照射的全身有效剂量，需要利用针对某XCT检查实践所

14、进行的现场监测数据进行，这往往只限于专业的实验研究工作中。而对总体考察某XCT检查类型所致一般受检者辐射剂量，现在有利用研发的数字人体模型，采用蒙特卡罗(Monte Carlo)方法，开发出计算机软件用于估算XCT扫描所致典型受检者有关组织或器官的吸收剂量，以及全身有效剂量。还有利用现代放射诊断设备在线可以方便监测到的参数(如DAP等)，建立各种相应数学模型去间接推算与评价所致受检者剂量的新方法?J。另一种比较简单的估算方法是，利用多排(层)螺旋CT扫描的容积CT剂量指数CTDI 。 及其扫描长度L之积计算出剂量长度乘积DLP，然后再乘以特定的转换系数k来估计出受检者全身有效剂量E：E kDL

15、P kCTDI 式中由实验研究所得出的k(m Svm Gy。cm。 与受检者身体的不同部位有关。不同部位的转换系数k值的大小可以参见欧盟委员会(CEC)关于XCT的质量标准指南或者其他有关文献。这些对检测和评价多排(层)螺旋CT所致受检者的医疗照射剂量很有用处。3 多学科交叉融合与各部门协同攻关推动追求最佳优化匹配英国1989年XCT检查仅占x射线诊断的2，但所致该国国民集体剂量竟约占到2O；1998年，英国的XCT已达370台，XCT检查占x射线诊断的4，而所致集体剂量已上升至40。我国深圳市1998年XCT检查年频率为每千人口194人次，只占全部x射线诊断检查年频率38，但XCT检查所致深

16、圳市居民集体剂量的份额达到251。如今我国XCT机的拥有数量已经逾五千台而居世界第三位(仅次于日本和美国)?，并且继续呈现高速率增加态势。因此，合理降低XCT检查所致受检者个体剂量和群体剂量负担的迫切性已经非常强烈地凸显出来了。依据前面所述XCT的辐射剂量表达和评价方法，通过大量实际检测表明，XCT扫描的医学影像质量与其所致受检者辐射剂量密切关联 ' 。合理控制XCT所致剂量必须从三大方面着手，即： XCT设备自身的固有性能及其质量控制(例如不断提高有关部件的灵敏度和采用可降低辐射剂量的新技术，以及设备通过质量控制检测调整至最佳状态运行等)； XCT机的扫描参数设置和工作人员技术操作因

17、素(例如管电压、管电流与曝光时间、螺距、准直器限束宽度等诸多参数的合理选取)； 还有XCT扫描检查受检者的I临床医学实际需要和自身个体条件的准确把握等。这些真可称之为一项重要的综合性系统工程。迫切需要有关各界充分重视。例如，通常希望限束准直较薄(提高螺距)以减小辐射剂量，然而由此引起相邻扫描之间较高程度的重叠，却会抵消了所期望的降低辐射剂量，结果导致这种减少限束准直对辐射剂量影响不大。因此在临床医学实践中必须对来自各方面的多种因素进行综合分析判断，统筹兼顾，采取多因素匹配的综合优化措施。故有学者提议引入质量因子Q，来综合评价设备性能以指导xcT的系统优化：Q2=Ifj Zl-CTDI式中f为空

18、间分辨率，可以表示为(MTFso+MTF 。)2，而MTF 。和MTF 。分别是相应于50和10的调制函数值；8为图像噪声，其数值可用给定区域CT值的标准偏差表示；Z为层厚，即断层灵敏度分布曲线的半高宽(FWHM)。表1特给出通过综合调整XCT扫描参数设置，进行多因素联合作用的综合优化，而达到减少所致受检者剂量的一个示范例子，由可见，当螺旋CT各种扫描参数从A组调整到B组时，无论胸部扫描还是腰椎扫描，所对应的感兴趣器官(各分别为肺、胃)的器官剂量以及全身有效剂量均非常明显地降低(最显著的可减少90 以上)。这个优化匹配的具体示例可提供很有益的启示而举一反三。综上所述，放射诊断所需医学诊断影像的噪声与所致受检者的医疗照射剂量恰恰成为相克的反比关系。而凡事都有一个度，一定不能离开受检者诊断检查的临床实际需要，不计代价去单纯追逐影像质量的过分完美。在XCT广泛应用的今天，必须强调获取高清晰的最佳影像质量和尽量控制受检者剂量之间存在着代价与利益权衡的优化匹配，必须尽最大可能予以兼顾这相互密切关联的二者。当然这些最优化措施首先必须建立在强化XCT检查的正当性判断的基础上。随着多排(层)螺旋CT等新设备的不断普及，强调其正确合理使用以力求减少对个体和群体所致的医疗照射剂量，已日益凸显其重要性和紧迫性。正因为如此，有效合理控制XCT所致受