Метод оценки радиационного риска медицинского облучения при прохождении компьютерной томографии детей и подростков на основе данных протоколов сканирования

В настоящее время компьютерная томография (КТ) является достаточно точным и надёжным методом диагностики различных заболеваний [1, 2]. Область применения КТ постоянно растёт, этот метод применяют и при планировании будущих медицинских назначений, и при оценках ответа на назначенное лечение, и при диагностике травм различной степени тяжести, что особенно актуально для детей и подростков. Считается, что дозы облучения, получаемые пациентом при различных КТ-процедурах, достаточно малы, но, тем не менее, широкое распространение и повсеместное применение сканеров для КТ, в том числе и в России, заставляет исследователей разрабатывать механизмы оптимизации дозовой нагрузки на организм пациента, а также вести работы в области оценок радиационного риска медицинского диагностического облучения.

Кащеев В.В. – зав. лаб., к.б.н.; Пряхин Е.А.* – науч. сотр.; Меняйло А.Н. – вед. науч. сотр., к.б.н. МРНЦ им. А.Ф. Цыба – филиал ФГБУ «НМИЦ радиологии» Минздрава России.

Несмотря на постоянное совершенствование технологий и появление новых, более совершенных и оптимизированных моделей сканеров для КТ, годовая коллективная доза медицинского облучения населения России продолжает увеличиваться [2, 3]. В первую очередь, это связано с ростом числа частных клиник и различных диагностических центров, предоставляющих услуги КТ. При увеличении числа КТ-процедур на душу населения в нашей стране всё большая их доля приходится на лиц моложе 18 лет [1, 4].

В мире, в зависимости от степени развитости медицины, на детей и подростков до 18 лет может приходиться от 10 до 20% всех КТ-обследований. В России ежегодно около 30% детей получают медицинское облучение, причём доля обследований на компьютерных томографах только растёт [4]. Так, в России с 2004 по 2016 гг. число ежегодно пройденных процедур КТ на душу населения выросло почти в 4 раза: в среднем с 1,3 процедур в 2004 г. до 9,3 процедур в 2016 г. и продолжает расти [2, 5]. Общеизвестно и, как уже отмечалось в наших более ранних работах, пролиферативная и метаболическая активность тканей у детей выше, чем у взрослых, поэтому дети и подростки более чувствительны к радиационному воздействию. Нужно учитывать, что при КТ отдельного органа радиационному воздействию также подвержены анатомически близко расположенные к нему соседние органы и ткани [5, 6]. Пожизненный риск развития рака у детей и подростков после КТ выше, чем у взрослых, также из-за более продолжительного периода их предстоящей жизни.

Требования к медицинским радиологическим процедурам отражены в международных рекомендациях и национальных требованиях. В международных нормах радиационной безопасности, разработанных Международным агентством по атомной энергии (МАГАТЭ) [6], отмечается, что ни один пациент не может подвергаться медицинскому облучению, если его не информировали о рисках, связанных с радиационным воздействием. В России это требование содержится в действующих Нормах радиационной безопасности (НРБ-99/2009) [7] и в Основных санитарных правилах обеспечения радиационной безопасности (ОСПОРБ-99/2010) [8].

Данная работа посвящена совершенствованию метода расчёта эквивалентных доз в органах и тканях пациентов при КТ на основе величины параметра сканирования «Dose length product» (DLP), являющегося суррогатной мерой облучения пациента при КТ-обследовании, в целях дальнейшей оценки радиационных рисков. В частности, целью работы является актуализация данных, необходимых для расчёта эквивалентных доз в органах и тканях детей и подростков (пациентов в возрасте до 18 лет) при типовых процедурах КТ-обследования.

Материалы и методы

В предыдущих работах авторов [9-11] был подробно рассмотрен метод расчёта эквивалентных доз на основе параметра КТ-сканирования DLP. Распределение эквивалентных доз по органам и тканям определялось с учётом области сканирования. При этом рассчитывался коэффициент пропорциональности f £ , равный отношению величины органной дозы конкретного органа или ткани Т к величине органной дозы нормирующего органа для k -ой анатомической области сканирования. Как и в предыдущем исследовании, связанном с оценками эквивалентных доз для взрослых пациентов [12], в настоящей работе значения доз моделируются численным методом Монте-Карло для различных марок и типов компьютерных томографов с помощью программы CT-Expo v2.1 [13].

Оценка доз в данной работе определяется с помощью компьютерного моделирования с использованием данных дозиметрических фантомов для детей и подростков. Измеряемый параметр Computed Tomography Dose Index (CTDI) используется для расчёта величины DLP. Параметр CTDI определяется конструктивными особенностями КТ-сканеров и их техническими характеристиками, такими как сила тока, напряжение рентгеновской трубки и т.д. Данная величина не зависит от характеристик пациента. Чтобы определить поглощённую дозу за всё КТ-исследование, вводится параметр DLP :

DLP = ^i(_CTDI_wx(NxT)x п) _i , (1)

где DLP - произведение поглощённой дозы на длину (мГрхсм); CTDI w - взвешенное значение CTDI (мГр); N х T - общая коллимация пучка рентгеновского излучения (см); n - количество срезов или ротаций (в зависимости от типа сканера).

Как показано в предыдущих работах авторов [9-11], от параметра DLP k для конкретной анатомической области сканирования к можно перейти к эффективной дозе E k при облучении этой области.

Е т = DLP_k х e D^LP ,

где DLP k – величина, равная произведению поглощённой дозы на длину сканирования k -ой анатомической области (мГрхсм); e D^LP - нормализованная эффективная доза к - ой анатомической области для детей и подростков [9-11], мЗв/(мГрхсм).

Используя типичное распределение органных доз для k -ой анатомической области сканирования, можно получить значение органной дозы для соответствующего органа или ткани по формуле:

H T = f T x H N , (3)

где H T - эквивалентная доза в конкретном органе или ткани Т для к -ой анатомической области сканирования; f T - коэффициент пропорциональности дозы в конкретном органе или ткани Т для к -ой анатомической области сканирования дозе H N в нормирующем органе или ткани для этой области сканирования.

Были выбраны следующие нормирующие органы (ткани) в зависимости от области сканирования: лёгкое для грудного отдела, желудок для брюшной полости, мочевой пузырь для малого таза, щитовидная железа для шеи и мозг при исследовании головы.

Таким образом, при сканировании k-ой анатомической области формула (2) может быть представлена в виде:

Е т = DLP t х e D^LP = ^ T W T Xf T x H N .

Если коэффициенты пропорциональности дозы f T для конкретных органов или тканей известны, то можно рассчитать дозу нормирующего органа для k -ой анатомической области сканирования, используя следующую формулу:

,т    DLP T xe T ^LP

^N     X t W t xI T .

В данной работе рассмотрен широкий спектр КТ-сканеров, при этом учитывалась не только марка производителя, но и различная геометрия сканирования пациента. Получены коэффициенты пропорциональности дозы fT для следующих анатомических областей сканирования: грудь, брюшная полость, малый таз, шея и голова. Моделирование доз выполнялось с использованием компьютерной программы CT-Expo v2.4 [13] для следующих типов томографов: AxialCT, SpiralCT, MultisliceCT [12]. Перечень моделей и фирм производителей представлен в табл. 1. Значения величин органных доз, смоделированные методом Монте-Карло, были рассчитаны для фантома ребенка мужского и женского пола (возраст 7 лет, рост 115 см, вес 22 кг) [13, 14].

Таблица 1

Модель и фирма-производитель КТ-сканеров, используемых для оценок коэффициентов пропорциональности дозы / ^

Производитель	Модель
Siemens	Somatom HQ Somatom DRG Force (BS normal) Sensation 10/16 Sensation 40/64
GE	Revolution EVO LightSpeed VCT-Ser. VFX 16
Philips	Mx8000 Quad Tomoscan AV-Serie Briliance 64
Toshiba	Aquilion Lightning Aquilion RX
Hitachi	Scenaria 64 Supra

Вариации областей сканирования (с z- до z+), т.е. значения координат начала и окончания сканирования брали теми же, что и в предыдущей работе авторов [1].

Коэффициенты пропорциональности дозы f ^k для грудного отдела, брюшной полости и малого таза рассчитывались как средние значения по всем томографам (табл. 1) и всем вариациям размера сканируемой области с z- до z+. Для исследования головы и шеи коэффициенты пропорциональности дозы f ^k рассчитывались только как средние значения по всем томографам.

Результаты и обсуждение

С использованием компьютерной программы CT-Expo v2.4 [13] для 15 современных компьютерных томографов разной геометрии сканирования было выполнено моделирование эквивалентных доз с целью оценки коэффициентов пропорциональности дозы / ^ для следующих анатомических областей сканирования: грудной отдел, брюшная полость, малый таз, шея и голова. Средние величины коэффициентов пропорциональности дозы f ^ , а также стандартные отклонения σ , связанные со спецификой дозового распределения, геометрией сканирования и другими неопределённостями, приведены в табл. 2 и 3.

Как видно из табл. 2 и 3, для каждой анатомической области сканирования можно выделить набор органов, которые получают наибольшие дозовые нагрузки. При КТ грудной клетки девочек такими органами являются молочная железа, пищевод и лёгкие, в области брюшной полости: желудок, печень и мочевой пузырь. Среди органов малого таза наибольшую дозу имеют мочевой пузырь и яичники. При КТ головы наибольшую дозу получает головной мозг, при КТ шеи – щитовидная железа.

Для мальчиков при КТ-сканировании грудной клетки наибольшей дозовой нагрузке подвергаются лёгкие, пищевод и щитовидная железа, при КТ брюшной полости – тонкий кишечник и мочевой пузырь. В области малого таза можно выделить дозу на мочевой пузырь. Точно так же, как и у девочек, при КТ головы и шеи наибольшую дозу получают мозг и щитовидная железа.

Таблица 2

Коэффициент пропорциональности дозы ( f k ) органа или ткани Т, нормированный на дозу критического органа для различных процедур сканирования девочек

Орган или ткань	Коэффициент пропорциональности дозы f k ± σ
	грудной отдел	брюшная полость	голова	малый таз	шея
Мозг	0,01±0,01	-	1	-	0,07±0,03
Слюнные железы	0,37±0,26	0,01±0,00	0,15±0,03	-	0,93±0,20
Щитовидная железа	0,75±0,57	0,01±0,00	0,05±0,00	-	1
Молочные железы	1,23±0,05	0,22±0,36	-	0,01±0,00	-
Пищевод	0,98±0,07	0,09±0,05	-	-	0,03±0,00
Лёгкие	1	0,13±0,11	-	0,04±0,01	0,01±0,00
Печень	0,65±0,41	0,93±0,06	-	0,19±0,15	-
Желудок	0,21±0,07	1	-	0,20±0,14	-
Тонкий кишечник	-	0,79±0,31	-	0,30±0,01	-
Яичники	-	0,69±0,15	-	0,71±0,06	-
Мочевой пузырь	0,05±0,01	1,14±0,22	-	1	-
Костный мозг	0,48±0,03	0,69±0,08	0,07±0,01	0,50±0,04	0,05±0,01
Костные поверхности	0,63±0,03	0,57±0,05	0,19±0,02	0,45±0,03	0,39±0,01
Кожа	0,15±0,04	0,35±0,03	0,07±0,00	0,15±0,01	0,11±0,00
Остальные	0,70±0,05	0,52±0,07	0,01±0,00	0,28±0,15	0,29±0,02

Таблица 3

Коэффициент пропорциональности дозы ( f k ) органа или ткани Т, нормированный на дозу критического органа для различных процедур сканирования мальчиков

Орган или ткань	Коэффициент пропорциональности дозы f k ± σ
	грудной отдел	брюшная полость	голова	малый таз	шея
Мозг	0,02±0,01	-	1	-	0,05±0,02
Слюнные железы	0,60±0,34	0,01±0,00	0,13±0.03	-	0,70±0,23
Щитовидная железа	1,13±0,56	0,02±0,00	0,11±0,00	-	1
Молочные железы	-	-	-	-	-
Пищевод	0,90±0,03	0,04±0,02	-	-	0,03±0,01
Лёгкие	1,00	0,19±0,22	-	0,01±0,00	0,02±0,00
Печень	0,60±0,27	0,62±0,30	-	0,23±0,11	-
Желудок	0,45±0,25	1	-	0,31±0,15	-
Тонкий кишечник	0,043±0,01	4,13±0,17	-	0,61±0,05	-
Семенники	-	1,87±0,32		0,42±0,27
Мочевой пузырь	0,01±0,00	4,45±0,20	-	1	-
Костный мозг	0,20±0,02	0,82±0,05	0,14±0,02	0,59±0,01	0,04±0,01
Костные поверхности	0,73±0,03	2,70±0,05	0,27±0,01	0,21±0,03	0,25±0,02
Кожа	0,25±0,01	1,51±0,05	0,07±0,01	0,32±0,01	0,02±0,01
Остальные	0,44±0,05	2,06±0,25	0,01±0,00	0,43±0,10	0,02±0,01

Из полученных результатов видно, что распределение дозовой нагрузки по органам и тканям схоже с предыдущим исследованием авторов для детей и подростков в работе [1]. Отличие составляет возросшая нагрузка на щитовидную железу при КТ шейного отдела у мальчиков. Это может быть связано со спецификой геометрии сканирования новых типов томографов. Так же, в отличие от взрослых, согласно данным предыдущей работы [12], для детей дозовая нагрузка на поверхность кости существенно ниже и не выделяется ни в одном из рассмотренных типов КТ-обследований.

Полученные коэффициенты пропорциональности дозы позволяют выполнять оценки радиационных рисков после КТ-обследований на основе расчётных значений эквивалентных доз в органах и тканях пациентов с помощью моделей радиационных рисков Международной комиссии по радиологической защите [15]. Такой метод оценки радиационных рисков, в отличие от характеристики облучения с помощью эффективной дозы, позволяет учитывать историю облучения пациента и оптимизировать назначаемые процедуры КТ, что особенно актуально в детском возрасте.

Заключение

Проблема детского медицинского облучения становится всё более актуальной в современном мире. Развитие технологий в области диагностического оборудования, доступность и быстрое распространение медицинских услуг в сфере компьютерной диагностики заставляют обратить внимание на вопрос обеспечения безопасности медицинского облучения, особенно среди детей. Важно отметить, что единой методики для оценки радиационных рисков медицинского облучения до сих пор нет. Существуют различные подходы, которые либо сложны и требуют специальных данных и сложного моделирования, либо наоборот, слишком упрощены и не подходят для оценок риска пациента на индивидуальном уровне.

Разработанный ранее авторами метод [9] позволяет получать оценки радиационного риска медицинского облучения на основе информации из протоколов КТ-сканирования с учётом пола и возраста пациента. Тем не менее, этот метод опирается на параметры и характеристики определённых типов томографов, что требует постоянной актуализации данных, особенно для КТ-протоколов обследования детей и подростков. Для оценки доз, в отличие от взрослых, используются дозиметрические фантомы меньших размеров и других форм, что при одинаковых координатах сканирования исследуемой области ведёт к разному набору органов, находящихся под облучением.

В данной работе рассчитаны коэффициенты пересчёта эквивалентных доз в органах и тканях детей и подростков для использования в разработанном ранее методе оценки радиационных рисков после КТ на основе величины параметра DLP [9]. Полученные результаты позволяют увеличить точность оценок радиационных рисков при использовании современных КТ-сканеров и оптимизировать дозовые нагрузки при КТ-обследованиях детей и подростков.