Impact of Individual Body Shape Factors and Tissue Contents on the Water Equivalent Diameter of Size-Specific Dose Estimations in Adult Chest CT
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摘要:
目的：探讨个体的体型因素及组织成分对成人胸部水当量直径的体型特异性剂量估算（SSDEWED）的影响。方法：收集在本院行胸部CT平扫的成人受检者205例，采集其个体信息（身高、体重、身体质量指数）；在中间层面的横断位图像上测量胸廓的平均CTROI值、横断面积AROI、横径、前后径；测量整个扫描范围的脂肪含量、脂肪体积和肌肉含量、肌肉体积；计算前后径/横径、扫描长度、扫描长度/横径；获取受检者的容积CT剂量指数（CTDIvol），计算出所有受检者中间层面的SSDEWED的数值。分析脂肪含量、肌肉含量、脂肪体积、肌肉体积、BMI、横断面AROI、横径、前后径、扫描长度、扫描长度/横径比、前后径/横径比与SSDEWED的相关性。结果：脂肪含量、脂肪体积、肌肉体积、BMI、横断面AROI、横径、前后径、扫描长度/横径比与SSDEWED有显著正相关性；肌肉含量、前后径/横径比值、扫描长度与SSDEWED无相关性。结论：多种个体体型因素及组织成分与SSDEWED有显著相关性，其中脂肪组织是影响SSDEWED的关键的因素。
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关键词:
- 水当量直径 /
- 容积CT剂量指数 /
- 体型特异性辐射剂量估算 /
- 脂肪含量
Abstract:Objective: To investigate the impact of individual body size factors and tissue composition on the size-specific dose estimate(SSDEWED) based on water equivalent diameter for adult chest. Methods: A total of 205 adult subjects who underwent chest CT scans at our hospital were enrolled, and their individual information (height, weight, body mass index) was collected. The average CTROI value, cross-sectional area AROI, transverse diameter, and anteroposterior diameter of the thorax on the axial images at the intermediate level were collected. The fat content, fat volume, muscle content, and muscle volume across the entire scanning range were recorded. The anteroposterior diameter/transverse diameter, scan length, and scan length/transverse diameter were calculated. The volume CT dose index (CTDIvol) of the subjects was obtained, and the SSDEWED values at the mid-level of all subjects were calculated. The correlations between fat content, muscle content, fat volume, muscle volume, BMI, cross-sectional AROI, transverse diameter, anteroposterior diameter, scan length, scan length/transverse diameter ratio, anteroposterior diameter/transverse diameter ratio, and SSDEWED were analyzed. Results: Fat content, fat volume, muscle volume, BMI, cross-sectional AROI, transverse diameter, anteroposterior diameter, scan length/transverse diameter ratio are significantly positively correlated with SSDEWED. Muscle content, anteroposterior/transverse diameter ratio, and scan length showed no correlation with SSDEWED. Conclusion: Multiple individual body size factors and tissue compositions are significantly correlated with SSDEWED, among which adipose tissue is the key factor influencing SSDEWED.
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随着人们健康意识的提高,胸部CT已成为健康体检及胸部疾病筛查的常用手段，随着CT扫描的频次逐年增加,其辐射剂量已成为公众关注的热点[1-3]。CT辐射剂量报告中的容积CT剂量指数（volume CT dose index，CTDIvol）能在一定程度上评估辐射剂量，但其局限性在于与设备输出相关[4]，忽略了受检者体型的差异，无法对受检者的CT辐射剂量进行准确的评估[2,5-6]。为了更精准地评估受检者的CT辐射剂量，美国医学物理学会（American Association of Physicists in Medicine，AAPM）204号文件提出体型的差异对SSDE的影响[7]，220号文件进一步提出了水当量直径的体型特异性辐射估算（water equivalent diameter of size-specific dose estimates，SSDEWED)[8]，该方法考虑受检者体型和组织对X射线衰减的因素对辐射剂量的影响[8-9]，该方法被视为最佳估算胸部辐射剂量的方法[10-12]。目前对SSDEWED的研究大多局限于比较该方法与其他辐射剂量算法的精确性以及比较人体不同部位的SSDEWED的差异[9,11,13]，而有些因素对SSDEWED存在低估或高估[14-15]，从体型因素和人体组织成分方面去研究影响SSDEWED的因素对临床扫描有重要的指导意义。
因此，本研拟分析成人个体的体型因素(身体质量指数（body mass index，BMI)、中间层面的定量值)、人体组织成分因素（扫描范围内的脂肪和肌肉含量及体积）与SSDEWED的相关性，为临床精确评估辐射剂量及降低辐射剂量提供理论依据。
1. 资料与方法
1.1 一般资料
收集2022年6月至12月来我院行成人胸部CT平扫的受检者205例，其中，男性104例，女性101例，年龄18~93岁，平均（56.45±16.64）岁。纳入标准：①年龄≥18岁，②单胸部位CT受检者，③检查时双手均可置于头顶者，④能够进行屏气的受检者。排除标准：①重呼吸困难、剧烈咳嗽、意识障碍会造成图像严重伪影者；②幽闭恐惧症或无法保持体位静止者；③准备怀孕的育龄妇女，不能接受辐射的受检者；④体内、外有不可去除的金属体异物者。本研究经过伦理学委员会批准并取得同意（2021-ky-73）。
1.2 检查方法
扫描设备为GE CT660。受检者体位设计：采取仰卧位，双手上举，头先进；呼吸方式为深吸气后屏气扫描；扫描范围从胸廓入口至肺底。扫描参数：管电流：智能mA技术，150~450 mA；管电压120 kV；螺距0.984∶1；机架转速0.5 s/r；准直器宽度0.625×64 mm；扫描层厚、层间距5 mm；薄层重建层厚、层间距0.625 mm；矩阵512×512；重建标准窗和肺窗。
1.3 数据采集与测量
1.3.1 SSDEWED计算
将原始数据传输到GE AW4.7后处理工作站，选取原始数据中间层面横断位图像[16]，沿着胸部体表边缘勾画感兴趣区，获取感兴趣区的面积（AROI，cm2）、平均CT值（CTROI，HU），根据下列公式计算获取受检者的水当量等效直径（water equivalent diameter，WED）、体型转换因子（body type conversion factor，fsize）、SSDEWED。
$$ {\mathrm{WED}}=2 \times \sqrt{\left(1+\frac{{CT}_{{\mathrm{ROI}}}}{1000}\right)\times \frac{{A}_{{\mathrm{ROI}}}}{\pi }} \text{，} $$ (1) $$ \mathit{f} _{ \mathrm{size}} \mathrm{=a\times e}^{ \mathrm{-b\times WED}} \mathrm{\text{，}} $$ (2) $$ \mathrm{SSDE}_{ \mathrm{WED}} \mathrm{=f}_{ \mathrm{WED}} \mathrm{\times CTDIvol。} $$ (3) 参考美国医学物理学会（AAPM）220号报告[8]，其公式中a、b值（a=
3.7047 ，b=0.0367 ）代表成人的参数[9]。1.3.2 定量参数测量
在GE AW4.7后处理工作站上，测量原始数据中间层面横断位图像的感兴趣区面积（AROI，mm2）、横径（mm）、前后径（mm）；根据扫描范围的起始位置，计算扫描范围的长度（mm）；根据脂肪和肌肉CT值范围不同，选取脂肪CT值范围（−150~−50 HU）和肌肉CT值范围（35~50 HU）[17]，测量整个扫描范围的脂肪含量（%）、肌肉的含量（%）及脂肪体积（cc）、肌肉体积（cc）（图1）。
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图 1 胸部CT定量参数的测量注：（a）在原始中间层面横断位图像上测量前后径及横径分别是397.9 mm和268.6 mm；（b）其横断面感兴趣区（ROI）的面积为81208.8 mm2；（c）脂肪含量测定，选取脂肪CT值范围（−150~-50 HU），脂肪体积为5537.81 cc，脂肪含量为25.3%；（d）肌肉含量测定，选取肌肉CT值范围（35~50 HU），肌肉体积为2176.24 cc,肌肉含量为9.9%。Figure 1. Measurement of quantitative parameters of chest CT1.4 统计学分析
采用SPSS 26.0统计软件。计数资料用例（%）表示，连续型变量以（x±s）表示，对纳入自变量和因变量均采用行Shapiro-Wilk正态性检验，符合正态分布变量采用皮尔逊相关性分析，否则采用斯皮尔曼相关性分析，P < 0.05为差异有统计学意义。
2. 结果
2.1 一般资料
本研究共纳入受检者205例，临床资料包含性别、年龄、身高、体重、BMI，CT定量参数包含脂肪含量、肌肉含量、脂肪体积、肌肉体积、AROI、横径、前后径、扫描长度、横径/前后径、扫描长度/横径和采集数值包括CTROI、SSDEWED（表1）。
表 1 205例受检者一般资料Table 1. General information of 205 subjects项目 数值 项目 数值 例数 205 脂肪含量/（%，$\bar x\pm s $） 16.41±3.37 性别[n(%)] 肌肉含量/（%，$\bar x\pm s $） 9.10±1.79 男 104（50.7） AROI/（mm2，$\bar x\pm s $） 63299.66 ±9965.31 女 101（49.3） 横径/（mm，$\bar x\pm s $） 336.07±27.74 年龄/（岁，$\bar x\pm s $） 56.45±16.64 前后径/（mm，$\bar x\pm s $） 226.51±23.42 身高/（mm，$\bar x\pm s $） 162.56±7.91 纵径/（mm，$\bar x\pm s $） 302.41±30.67 体重/（kg，$\bar x\pm s $） 63.53±12.42 横径/前后径（$\bar x\pm s $） 0.67±0.05 BMI/（m/kg2，$\bar x\pm s $） 23.90±3.46 扫描长度/横径（$\bar x\pm s $） 0.906±0.12 脂肪体积/（cc，$ x\pm s $） 3243.19 ±3243.19 CTROI/（HU，$ x\pm s $） −297.46±59.92 肌肉体积/（cc，$\bar x\pm s $） 1751.33 ±507.79SSDEWED（$ x\pm s $） 29.533±6.99 2.2 SSDEWED与脂肪含量、肌肉含量、脂肪体积、肌肉体积、BMI的相关性
用Spearman分析SSDEWED与脂肪含量、肌肉含量、脂肪体积、肌肉体积、BMI的相关性（表2）。结果表明：脂肪含量、脂肪体积、肌肉体积、BMI与SSDEWED有显著相关性，肌肉含量与SSDEWED无相关性。
表 2 SSDEWED与脂肪含量、肌肉含量、脂肪体积、肌肉体积、BMI的相关性Table 2. The correlation between SSDEWED and fat content, muscle content, fat volume, muscle volume, and BMI相关因素 平均值 SSDEWED r P 脂肪含量 16.413±3.375 0.851** < 0.01 肌肉含量 9.101±1.789 0.106 0.132 脂肪体积 3243.189 ±929.3660.741** < 0.01 肌肉体积 1751.322 ±507.7840.615** < 0.01 注：**表示P < 0.01（双尾），相关性非常显著。 2.3 SSDEWED与扫横断面AROI、横径、前后径、扫描长度、扫描长度/横径、前后径/横径的相关性
用Spearman分析SSDEWED与扫横断面AROI横径、前后径、扫描长度、扫描长度/横径、前后径/横径的相关性（表3）。结果表明：断面AROI、横径、前后径、扫描长度/横径比与SSDEWED有显著相关性，前后径/横径比、扫描长度与SSDEWED无相关性。
表 3 SSDEWED与扫横断面AROI、横径、前后径、扫描长度、扫描长度/横径、前后径/横径的相关性Table 3. The correlation between SSDEWED and AROI, transverse diameter, anteroposterior diameter, scanning length, scanning length/transverse diameter, and anteroposterior diameter/transverse diameter相关因素 平均值 SSDEWED r P 横断面AROI 63299.653 ±9965.309 0.822** < 0.01 横径 336.066±27.736 0.788** < 0.01 前后径 226.507±23.420 0.710** < 0.01 扫描长度 302.410±30.665 0.058 0.407 扫描长度/横径 0.906±0.122 −0.445** < 0.01 前后径/横径 0.675±0.004 0.072 0.307 BMI 23.904±3.463 0.745** < 0.01 注：**表示P < 0.01（双尾），相关性非常显著。 3. 讨论
在CT辐射剂量估算中，常用CTDIvol和剂量长度乘积（DLP）作为CT辐射剂量的两个常用指标[18]。CTDIvol是衡量CT扫描设备辐射输出的重要指标，是建立在16 cm或32 cm聚甲基丙烯酸甲酯体模的基础之上，其结果大小与受检者的体型无关，而受检者实际受到的辐射剂量却因个体体型及扫描设备具体输出值不同而有所变化[8,11,19]；DLP是评价受检者一次完整CT扫描的总的辐射剂量（扫描长度与CTDIvol乘积），当CTDIvol恒定时，其值大小受扫描长度的变化而变化，所以上述两种方法均无法实现对受检者个体辐射剂量的精确评估[9]。2011年美国医学物理学会（AAPM）工作组第204号文件提出一种新的方法[7]：采用有效直径（effective diameter，dEFF）与CTDIvol相结合，以估算受检者体型的CT辐射剂量，从而有效补偿体型差异对辐射剂量估算方法的影响2014年该学会进一步提出了水当量直径的体型特异性剂量估算（SSDEWED），该方法不仅考虑检者的组织对X射线衰减的因素对辐射剂量的影响，还充分考虑了受检者的个体体型的差异[8]，所以被认为是估算胸部所受辐射剂量的“金标准”。鉴于此，本研究采纳SSDEWED估算方法研究个体因素对成人胸部辐射剂量的影响。
2018年，国际辐射防护委员会（ICRP)第111工作组指出“寻找与辐射剂量的个体相关因素，是控制人类对电离辐射的关键”[20]，在放射生物剂量学研究中，准确估算生物剂量的主要因素是个体对电离辐射反应的差异性[20-22]。所以本研究基于个体因素及组织成分全面分析与SSDEWED相关性。有研究表明体重、BMI与SSDE有显著相关性，可用于计算胸部和腹部骨盆CT检查中SSDE替代指标[23]，校正后的横径（RL）、前后径（AP）对SSDE的影响，研究表明校正后横径（RL）可作为胸部估算辐射剂量简单有效的方法，且避免低估或高估受检者辐射剂量[11]，这与本研究结果体型的个体因素（横径、前后径、扫描长度/横径、BMI）与SSDEWED显著相关性是相符。横径、前后径越大，说明横断面面积越大，则接收辐射的面积越大，越影响吸收剂量。扫描长度与横径的比值越大，反应在扫描的范围增加，受到的照射范围越大，所受辐射剂量越大。BMI越大，在身高相同时，体型肥胖，横截面积大，所受辐射剂量也会增加。
胸部结构特殊，肺组织、骨组织、脂肪组织、肌肉组织等的体积及含量不同，对辐射剂量吸收会有不同，导致影响胸部辐射剂量的因素具有多样性。肺组织占有较大比例，且肺组织是低密度含气结构，X射线等辐射在肺组织中传播时，衰减程度相对较小，X射穿透性较高，所接受的辐射剂量相对较低，在靠近胸壁或纵隔的肺组织因邻近高密度结构（心脏、肋骨），可能接受更高散射辐射[24]，有研究表明肺组织的低衰减结构是体型特异性剂量估算值的重要因素[25]。骨组织对辐射剂量不敏感，在胸部各个层面分布不均匀，且在整个胸部的横断面、体积的占比相对较少，与SSDE无相关性[4]。脂肪和肌肉占胸部结构的比例相对较多，由于它们的组织成分不同，它们对X线的衰减程度有差异，可能会影响胸部的辐射剂量。有研究表明脂质代谢的关键分子可能会放大肿瘤对电离辐射的反应[26]，多种辐射敏感脂质与电离辐射具有良好的剂量-效应关系[27-28]。有研究者认为，腹部中心层面的肌肉含量与SSDE无相关，而脂肪含量与SSDE高度相关，可潜在估算成人腹盆部CT扫描时所受的辐射剂量[4]。由于脂肪和肌肉结构的特殊性，它们在胸部结构分布大致相同，导致脂肪体积、肌肉体积大致相同，所以它们的体积都与SSDEWED有相关性。但是它们成分及结构不同，导致对辐射剂量的吸收不同，导致肌肉的含量与SSDEWED无相关性。本研究从扫描长度、横断面面积、体积、组织含量各方面挖掘关键的个体因素对SSDEWED的影响，最终认为脂肪的含量及体积都与SSDEWED显著相关性，表明了脂肪组织是影响SSDEWED的关键因素。
本研究的不足之处。①样本量只有205例，相对较少。②脂肪和肌肉含量的测定时候，由于手动调制CT值阈值的范围，有时候在CT值存在1~2 HU的误差；③只采取了中间层面的 SSDEWED值作为胸部辐射剂量估算方法的研究，没有获取所有层面的SSDEWED值，但是中心层面估算辐射剂量与全层面估算的辐射剂量相近[14-15,25]。⑤没有将肺组织纳入研究影响SSDE的个体因素，但纳入胸部的横截面，肺组织占横截面较大比例，弥补肺组织对于SSDE的一部分影响因素。上述局限性需要进步增加样本量，纳入更多的个体因素研究辐射剂量，尤其是肺组织的因素，进一步重点研究。
综上所述，多种个体体型因素及组织成分与SSDEWED有显著相关性，其中脂肪组织是影响SSDEWED的关键因素。
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图 1 胸部CT定量参数的测量
注：（a）在原始中间层面横断位图像上测量前后径及横径分别是397.9 mm和268.6 mm；（b）其横断面感兴趣区（ROI）的面积为81208.8 mm2；（c）脂肪含量测定，选取脂肪CT值范围（−150~-50 HU），脂肪体积为5537.81 cc，脂肪含量为25.3%；（d）肌肉含量测定，选取肌肉CT值范围（35~50 HU），肌肉体积为2176.24 cc,肌肉含量为9.9%。
Figure 1. Measurement of quantitative parameters of chest CT
表 1 205例受检者一般资料
Table 1 General information of 205 subjects
项目 数值 项目 数值 例数 205 脂肪含量/（%，$\bar x\pm s $） 16.41±3.37 性别[n(%)] 肌肉含量/（%，$\bar x\pm s $） 9.10±1.79 男 104（50.7） AROI/（mm2，$\bar x\pm s $） 63299.66 ±9965.31 女 101（49.3） 横径/（mm，$\bar x\pm s $） 336.07±27.74 年龄/（岁，$\bar x\pm s $） 56.45±16.64 前后径/（mm，$\bar x\pm s $） 226.51±23.42 身高/（mm，$\bar x\pm s $） 162.56±7.91 纵径/（mm，$\bar x\pm s $） 302.41±30.67 体重/（kg，$\bar x\pm s $） 63.53±12.42 横径/前后径（$\bar x\pm s $） 0.67±0.05 BMI/（m/kg2，$\bar x\pm s $） 23.90±3.46 扫描长度/横径（$\bar x\pm s $） 0.906±0.12 脂肪体积/（cc，$ x\pm s $） 3243.19 ±3243.19 CTROI/（HU，$ x\pm s $） −297.46±59.92 肌肉体积/（cc，$\bar x\pm s $） 1751.33 ±507.79SSDEWED（$ x\pm s $） 29.533±6.99 
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表 2 SSDEWED与脂肪含量、肌肉含量、脂肪体积、肌肉体积、BMI的相关性
Table 2 The correlation between SSDEWED and fat content, muscle content, fat volume, muscle volume, and BMI
相关因素 平均值 SSDEWED r P 脂肪含量 16.413±3.375 0.851** < 0.01 肌肉含量 9.101±1.789 0.106 0.132 脂肪体积 3243.189 ±929.3660.741** < 0.01 肌肉体积 1751.322 ±507.7840.615** < 0.01 注：**表示P < 0.01（双尾），相关性非常显著。
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表 3 SSDEWED与扫横断面AROI、横径、前后径、扫描长度、扫描长度/横径、前后径/横径的相关性
Table 3 The correlation between SSDEWED and AROI, transverse diameter, anteroposterior diameter, scanning length, scanning length/transverse diameter, and anteroposterior diameter/transverse diameter
相关因素 平均值 SSDEWED r P 横断面AROI 63299.653 ±9965.309 0.822** < 0.01 横径 336.066±27.736 0.788** < 0.01 前后径 226.507±23.420 0.710** < 0.01 扫描长度 302.410±30.665 0.058 0.407 扫描长度/横径 0.906±0.122 −0.445** < 0.01 前后径/横径 0.675±0.004 0.072 0.307 BMI 23.904±3.463 0.745** < 0.01 注：**表示P < 0.01（双尾），相关性非常显著。
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