Оценка радиационных рисков на индивидуальном уровне при многократном прохождении компьютерной томографии на современных компьютерных томографах

В современном мире происходит постоянное развитие и усовершенствование технологий в области медицинской диагностики, в частности, компьютерной томографии (КТ). Обновление компьютерного обеспечения старых КТ-сканеров, а также выпуск новых моделей требуют постоянных исследований в области дозовых нагрузок на организм пациента. Изменения в первую очередь направлены на оптимизацию протоколов сканирования для снижения дозы облучения пациента без вреда для информативности диагностики. Тем не менее, доступность и распространённость КТ приводят к постоянному росту числа КТ-процедур на душу населения и, как следствие, к росту годовой коллективной дозы медицинского облучения [1, 2].

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.

Совершенствование технологий и постоянное обновление данных ставит актуальным вопрос применимости старых расчётных методов оценок радиационного риска для современных компьютерных томографов. При этом до сих пор серьёзным вопросом применения на практике специалистами оценок риска диагностического облучения остаётся сложность оценок поглощённых доз в органах и тканях пациента при медицинском облучении. Ранее нами был разработан метод, позволяющий выполнять подобные оценки для ряда компьютерных томографов для типовых КТ-обследований на индивидуальном уровне [3]. Данная методика позволяет оценивать пожизненный атрибутивный риск возникновения онкологических заболеваний при КТ, при этом отличие величины риска, рассчитанного на основе прямого измерения поглощённых доз, составит не более чем 30% [3, 4]. В работе [5] авторы обновили данные уже для других 15 более современных компьютерных томографов с разной геометрией сканирования. Данная статья посвящена оценке радиационного риска многократного облучения в результате прохождения различного числа КТ-процедур (1, 2, 3, 4 и 5 процедур) в течение жизни пациента на основе разработанного нами метода.

Целью работы является исследование вопроса актуальности и применимости разработанного метода расчёта радиационных рисков медицинского облучения при типовых КТ-обследованиях для новых моделей компьютерных томографов на примере многократного облучения.

Материалы и методы

В наших работах [3, 4, 6] подробно описана методика расчёта поглощённых доз на основе параметра DLP . Остановимся более детально на методике расчёта рисков при многократном облучении. Согласно методике, описанной в работах [7, 8], основываясь на математической модели Международной комиссии по радиологической защите (МКРЗ, Публикация 103) [9], можно вычислить избыточный абсолютный риск заболеваемости солидным раком определённой локализации после однократного облучения заданной дозой. Этот риск вычисляется как взвешенное среднее по мультипликативной и аддитивной моделям МКРЗ. Обозначим этот риск как EARS^so l , подчеркнув тем самым, что это избыточный абсолютный риск заболеваемости солидными типами рака от однократного облучения. EARS⁵⁰ ' зависит от пола, локализации опухоли, возраста на момент облучения, достигнутого возраста и дозы однократного облучения. Формула для вычисления EARS⁵⁰ ' выглядит следующим образом:

EARS ^s ° (g , a, l, s, D) = p(l) ■ EARS^g, a, l, s, D) + (1 - p(l)) ■ EARS^g, a,l,s,D) (1)

Здесь p - весовой множитель. В МКРЗ сказано, что параметр p равен 0 для молочной железы и костного мозга, 1 - для щитовидной железы и кожи, 0,3 - для лёгкого и 0,5 - для всех остальных локализаций. EARS™utt - избыточный абсолютный риск заболеваемости солидными раками, рассчитанный по мультипликативной модели МКРЗ:

EARS^ i _t(g, a, l, s, D) = ^^ ■ D ■ p_muU(l, s) ■ (^^mull(l1 ■ exp[a_muk(l) ■ (g - 30)] .    (2)

EARS a°J _d - избыточный абсолютный риск заболеваемости солидными раками, рассчитанный по аддитивной модели МКРЗ:

EAR^ ^s add (g, a, l, s, D') =■ D ■ ^2) ■ (O^ ¹¹ ■ expfc addU ) ■ (g - 30)] .                (3)

В формулах (1-3): l – локализация опухоли; s – пол; g – возраст при облучении; a – возраст, на который рассчитывается риск; D - доза однократного облучения; P_mult , «_mult , a_mult - параметры мультипликативной модели; Р_адд , «_адд , а_адд - параметры аддитивной модели; Я 0 ^пс - показатель фоновой заболеваемости раком локализации l среди людей пола s и возраста a , приведённый на 100000 человек. При этом, параметры a_mult и а_адд вычисляются по следующим формулам:

ати„(1) = т»'Ц1 + ,-т)-                                               (4)

а^^-Ц^^)                       (5)

Параметры P muit , « muit , Y muit , Р адд , « адд , Т адд для 11 различных опухолевых локализаций можно найти в Публикации 103 МКРЗ (табл. 1) [9].

Таблица 1

Параметры модели для вычисления избыточного абсолютного риска заболеваемости солидными раками различных локализаций

Локализация опухоли	Пол	β mult	γ mult	ω mult	β add	γ add	ω add
Все солидные	муж. жен.	0,35 0,58	-17	-1,65	43,20 59,83	-24	2,38
Пищевод	муж. жен.	0,40 0,65	-17	-1,65	0,48 0,66	64	2,38
Желудок	муж. жен.	0,23 0,38	-17	-1,65	6,63 9,18	-24	2,38
Толстая кишка	муж. жен.	0,68 0,33	-17	-1,65	5,76 2,40	-24	2,38
Печень	муж. жен.	0,25 0,40	-17	-1,65	4,18 1,30	-24	2,38
Лёгкое	муж. жен.	0,29 1,36	17	-1,65	6,47 8,97	1	4,25
Молочная железа Яичник	муж. жен.	0,87 0,32	0 -17	-2,26 -1,65	10,9 1,47	-39 -24	3,5 2,38
Мочевой пузырь	муж. жен.	0,67 1,10	-17	-1,65	2,00 2,77	-11	6,39
Щитовидная железа	муж. жен.	0,53 1,05	-56	0,00	0,69 2,33	-24	0,01
Остальные солидные	муж. жен.	0,22 0,17	-34	-1,65	7,55 10,45	-24	2,38

Следует также учесть, что после облучения радиационный риск может реализоваться только через определённое время – латентный период T LS . Латентный период для заболеваемости солидными типами раков в модели МКРЗ равен 10-ти годам, т.е. в течение 10 лет после облучения избыточные риски как по мультипликативной, так и по аддитивной моделям принимаются равными нулю. Другими словами:

ЕАП5 ^5о1 (д,аЛ$,П) = 0 , если а < g + T_LS . (6)

Для расчёта избыточного абсолютного риска заболеваемости лейкозами после однократного облучения в МКРЗ применяется модель, опубликованная в работе [10]. Обозначим этот риск как EARS^lkm , который вычисляется по формуле:

ЕАД5 ^16т (₅,а,$,О) = ^Pl ^ ^m(^⁾ ■ D ■ (1 + 0,79- D) ■ exp[a i _k m (g,s) ■ (а- д- 25)] . (7)

Здесь g – возраст при облучении; a – возраст, на который рассчитывается риск; s – пол; D - доза однократного облучения; p _lkm , «_lkm — параметры модели избыточного абсолютного риска заболеваемости лейкозами.

Латентный период для заболеваемости лейкозами T LL равен 2 года, и:

EARS ^lkm (g,a,s,D) = 0 , если а <  g + T _LL .                                           (8)

Зная величину избыточного абсолютного риска заболеваемости раком после однократного облучения, можно определить избыточный абсолютный риск заболеваемости раком после многократного облучения с учётом функции здорового дожития путём суммирования EARS по возрасту на момент облучения с соответствующей дозой облучения. Формула для определения избыточного абсолютного риска пролонгированного облучения:

EAR ^s ° ^l (gs, а, l, s, {D g }) = S ^s ° ^l (s, l, gs, a) ■ Z g=o EARS ^so1 (g, a, I, s, D g ) ,                        (9)

EAR ^lkm (gs,a,s,{D g }) = S^{l km} (s,gs,a) ■ ^ g=o EARS ^lkm (g,a,s,D g ) .                       (10)

Здесь l – локализация солидной опухоли; s – пол; a – возраст, на который рассчитывается риск; gs – текущий возраст, в котором человек был жив и не болен онкозаболеванием локализации l (в случае расчёта EAR ^sol ) или лейкемией (в случае расчёта EAR ^lkm ), g – возраст на момент облучения; D g - доза однократного облучения в возрасте g ; S ^sol (s, l,gs, a) - функция здорового дожития, обозначающая вероятность индивидуума дожить от возраста gs до возраста a и не заболеть солидным раком локализации l ; S ^lkm (s,gs,a) - функция здорового дожития, обозначающая вероятность индивидуума дожить от возраста gs до возраста a и не заболеть лейкемией.

Формула для вычисления S ^sol (s, l,gs,a) выглядит следующим образом:

S ^sol (s,l,gs,a) = ехр[-10 ^-5 ■ T^gs 4^mort (k, s) - 2 m ^ort (l,s,k) + 2 0 ^nc (l,s,k)] ,            (11)

S ^lkm (s,gs,a) = exp[-10 ^-5 ■ E a-g^0 ^mor4 k,s) -2 m ^or4 s,k)+2 0 ^nc (s,k)] .                (12)

Здесь 2 0 ^mort (k,s) - показатель фоновой смертности от всех причин среди людей пола s и возраста к , приведённый на 100000 человек; 2 0 ^nc (l,s, k) и 2 0 ^nc (s,k) - показатели фоновой заболеваемости солидным раком локализации l и лейкемией соответственно среди людей пола s и возраста к , приведённые на 100000 человек; 2 m ^ort (l,s,k) и 2 m ^ort (s,k) - показатели фоновой смертности от солидного рака локализации l и от лейкемии соответственно среди людей пола s и возраста k , приведённый на 100000 человек.

Зная избыточный абсолютный риск заболеваемости раком после многократного облучения, можно оценить коэффициент этиологической доли (attributable risk fraction – ARF) по следующим формулам:

^ARF ^s ^ ^l (gs^, a^{, l,} s^, {^D g }) =    s^J,^^       ■ ¹⁰⁰% ,                           (13)

^EAR    ( ^gs , ^a , ^l , ^s , ^{D g ^} )+A 0 ^(l , ^s , ^a)

l^m(_{nq n c} rn    —     ^{EARlkml(gs,a,s,} t ^D g ^})

^ARF   ^(gs,^a,^s,^{D g ^})= EAR lkm (g;;a:;:{D ; });i 0n3 (;;a) ^¹⁰⁰% .                                        ⁽¹⁴⁾

Эта величина показывает долю (или %) радиационно обусловленной заболеваемости раком в возрасте a после многократного облучения. Здесь A 0 ^nc (l,s,k) и A 0 ^nc (s,k) - показатели фоновой заболеваемости солидным раком локализации l и лейкемией соответственно среди людей пола s и возраста a , приведённые на 100000 человек.

Кроме того, зная избыточный абсолютный риск заболеваемости раком после многократного облучения, можно оценить пожизненный атрибутивный риск возникновения рака определённой локализации после многократного облучения. Он рассчитывается суммированием значений избыточного абсолютного риска по возрасту a , т.е. по следующей формуле:

LAR^^.qsJ^AD^V) = S^ EARsol(gs, a, l.s, {Dg}),(15)

LARlkm(gs,s,{Dg}) = ^^ E ARlkm(g s, a, s,{D g}).(16)

В итоге можно определить суммарный риск возникновения рака:

LAR(gs,s,{Dg}) = LARlkm(gs,s,{Dg}) + Zl™zLARsol(gs,l,s,{Dg}).(17)

Зная пожизненный атрибутивный риск, можно определить пожизненный коэффициент этиологической доли (lifetime attributable risk fraction – LARF). Эта величина показывает долю (или %) радиационно обусловленной заболеваемости раком в течение всей жизни после многократного облучения. Формулы для вычисления пожизненного коэффициента этиологической доли для всех солидных раков, лейкозов и всех раков в целом:

I ADF^s°l(n 1          ______ ^{LAR  (gs,l,s,{Dg})} ______

LARF  (g,l,s,D)   LARs°l(gs,l,s,{Dg}>BRs°4g,l,sV ^^

I ade" lkmf_n 1 _{c m}  _____ ^{LAR   (gs,s,{Dg})} _____ 1ЛЛ0ДМСЛ

LARF (g,l,s,D)   LA^l^(gs,s,{Dg}>B^l^(g,^) * 100%,

LARF

Здесь BR – величина пожизненного фонового риска заболеваемости раком различных локализаций при облучении, рассчитанная для различных возрастов. Этот риск вычисляется по следующим формулам:

BRsol

BRlkm

Здесь 20^ncи A0^nc- показатели фоновой заболеваемости солидным раком локализации l и лейкемией соответственно среди людей пола s и возраста a, приведённые на 100000 человек.

Результаты и их обсуждение

В данной работе был рассмотрен пример расчёта радиационных рисков возможной индукции онкологических заболеваний в результате многократного прохождения диагностических процедур на компьютерном томографе. Как и в нашей предыдущей работе [6], рассмотрен пример нескольких типичных КТ-обследований пациентки на томографе «Siemens Emotion 6», проведённых в разных возрастах. Параметры КТ-процедур, а также сценарий облучения смоделированы с использованием программы CT-Expo v2.1 (табл. 2) [11].

Таблица 2 Параметры выбранных процедур компьютерной томографии и возраст пациентки на момент облучения

Процедура	DLP, мГрхсм	Эффективная доза, мЗв
КТ грудной клетки в возрасте 20 лет	840	14,28
КТ в области таза в возрасте 25 лет	915	17,39
КТ в области таза в возрасте 30 лет	915	17,39
КТ в области плеч и шеи в возрасте 45 лет	1515	8,18
КТ грудной клетки в возрасте 50 лет	840	14,28

На основе данных протоколов сканирования (пол, возраст на момент облучения, тип обследования, значения параметра DLP и т.д.) с использованием коэффициентов пересчёта из нашей предыдущей работы [3] было исследовано увеличение пожизненного атрибутивного риска с увеличением количества КТ-процедур. При оценке рисков использовали необходимые для расчётов эпидемиологические показатели для женского населения России [12], а также учитывался возраст пациентки. В табл. 3 представлены значения величины LAR на 10000 человек, с указанием соответствующих 95% доверительных интервалов (в скобках), по локализациям для определённого количества процедур по выбранному сценарию облучения (табл. 2). Как уже отмечалось выше, данные значения LAR рассчитаны с использованием коэффициентов пересчёта, полученных в работе [3] на основе компьютерного моделирования для набора различных КТ-сканеров.

Таблица 3

Значения величин пожизненного атрибутивного риска (LAR) на 10000 человек для различного числа КТ-процедур, полученных с использованием коэффициентов пересчёта из работы [3]

Число процедур

LAR на 10000 человек

Все раки

Все солидные раки

Пищевод

Желудок

Толстый кишечник

Печень

Лёгкие

Молочная железа

Яичник

Мочевой пузырь

Щитовидная железа

Другие солидные

Лейкемия

1

9,47 (8,6; 10,71)

9,4 (8,56; 10,67)

0,1 (-0,05; 0,27)

0,31 (0,07; 1,32)

0 (0; 0,01)

0,19 (-0,02; 0,37)

2,31 (1,99; 3,11)

4,45 (3,41; 5,39)

0 (0; 0,01)

0,02 (0; 0,03)

0,38 (0; 0,99)

1,63 (0,88; 1,59)

0,07 (0,03; 0,05)

2

14,78 (13,53; 16,58)

14,51 (13,38; 16,41)

0,11 (-0,04; 0,29)

1,16 (0,66; 2,54)

0,51 (0,58; 1,49)

0,31 (-0,01; 0,58)

2,45 (2,02; 3,19)

4,49 (3,47; 5,42)

0,53 (0,04; 0,98)

1,89 (0,78; 2,31)

0,38 (-0,05; 1)

2,68 (1,62; 3,22)

0,28 (0,13; 0,17)

3

19,62 (17,48; 22,43)

19,1 (17,19; 22,16)

0,11 (-0,03; 0,28)

1,91 (1,14; 3,56)

0,97 (1,1; 2,87)

0,42 (-0,02; 0,78)

2,58 (2,08; 3,2)

4,52 (3,45; 5,46)

1 (0,15; 1,88)

3,64 (1,38; 4,61)

0,38 (-0,06; 0,98)

3,57 (2,44; 4,41)

0,52 (0,26; 0,31)

4

22,9 (20,6; 25,74)

22,01 (20,11; 25,24)

0,22 (-0,22; 0,71)

2 (1,29; 3,73)

0,97 (1,11; 2,76)

0,48 (-0,06; 0,83)

4,01 (3,39; 5,08)

5,27 (4,2; 6,26)

1 (0,11; 1,85)

3,65 (1,55; 4,37)

0,41 (-0,02; 1,02)

4 (2,71; 4,87)

0,88 (0,46; 0,55)

5

28,18 (25,51; 31,37)

26,75 (24,68; 30,54)

0,48 (-0,56; 1,66)

2,14 (1,64; 4,16)

0,97 (1,18; 2,78)

0,57 (-0,08; 0,98)

6,56 (5,64; 8,32)

6,28 (4,9; 7,43)

1 (0,13; 1,79)

3,66 (1,48; 4,41)

0,44 (0,07; 1,11)

4,65 (3,09; 5,34)

1,43 (0,77; 0,92)

Используя тот же сценарий облучения и параметры КТ-обследований на том же КТ-сканере («Siemens Emotion 6»), но уже с использованием обновлённых коэффициентов пересчёта [5], авторы оценили величину пожизненного атрибутивного риска и пожизненный коэффициент этиологической доли (LARF) для тех же 5 обследований. Результаты представлены в табл. 4.

Как можно заметить из табл. 2 и 3, в обоих случаях уже после двух КТ-процедур (в данном примере КТ груди в возрасте 20 лет и КТ в области таза в 25 лет) для локализаций «Все раки» и «Все солидные раки» величина пожизненного атрибутивного риска согласно международной шкале классификации пожизненного риска для здоровья пациента, связанного с медицинским вмешательством в форме диагностических исследований, уже попадает в категорию «Умеренный риск», т.е. от 1 до 3 случаев на 1000 человек [13, 14]. При этом все последующие КТ-процедуры в более старшем возрасте в выбранном сценарии облучения относятся к той же категории риска.

Видна тенденция, что использование обновлённых коэффициентов пересчёта при оценках радиационного риска привело к более низким значениям, чем при использовании старых. Это объясняется тем, что новые КТ-сканеры более оптимизированы с точки зрения дозовой нагрузки на пациента. Но, тем не менее несмотря на то, что результаты во втором случае получены с использованием обновлённых коэффициентов пересчёта для современных компьютерных томографов, а не для «Siemens Emotion 6», как видно из рис. 1, отличие в расчётах величин LARF после пяти КТ-обследований между двумя методами не превышает 3% (пищевод, щитовидная железа, молочная железа).

Таблица 4 Значения величин пожизненного атрибутивного риска (LAR) на 10000 человек для различного числа КТ-процедур, полученных с использованием обновлённых коэффициентов пересчёта

Число процедур

LAR на 10000 человек

Все раки

Все солидные раки

Пищевод

Желудок

Толстый кишечник

Печень

Лёгкие

Молочная железа

Яичник

Мочевой пузырь

Щитовидная железа

Другие солидные

Лейкемия

1

9,18 (8,06; 11,04)

9,12 (8,02; 10,99)

0,1 (-0,1; 0,32)

0,3 (0,15; 1,36)

0 (0; 0,02)

0,18 (-0,03; 0,38)

2,24 (1,83; 3,03)

4,32 (3,4; 5,6)

0 (0; 0,01)

0,02 (0; 03)

0,37 (-0,05; 0,78)

1,58 (0,92; 1,59)

0,06 (0,04; 0,06)

2

14,59 (13,23; 16,98)

14,31 (13,07; 16,81)

0,1 (-0,11; 0,34)

1,16 (0,7; 2,64)

0,52 (0,62; 1,5)

0,31 (-0,02; 0,61)

2,38 (1,91; 3,17)

4,36 (3,38; 5,69)

0,54 (0,03; 1,02)

1,92 (0,77; 2,33)

0,37 (-0,02; 0,8)

2,64 (1,73; 3,24)

0,28 (0,14; 0,18)

3

19,51 (17,32; 22,55)

18,98 (17,02; 22,26)

0,1 (-0,1; 0,32)

1,92 (1,18; 3,59)

0,98 (1,18; 2,85)

0,42 (-0,03; 0,79)

2,52 (1,95; 3,17)

4,39 (3,49; 5,77)

1,02 (0,11; 1,9)

3,7 (1,43; 4,53)

0,37 (-0,07; 0,77)

3,56 (2,42; 4,62)

0,53 (0,26; 0,32)

4

22,73 (20,37; 25,93)

21,84 (19,84; 25,33)

0,22 (-0,21; 0,75)

2,02 (1,43; 3,84)

0,98 (1,18; 2,86)

0,48 (-0,02; 0,93)

3,93 (3,21; 4,92)

5,12 (4,01; 6,54)

1,02 (0,03; 1,88)

3,7 (1,36; 4,5)

0,4 (-0,01; 0,84)

3,98 (2,82; 4,97)

0,88 (0,5; 0,61)

5

27,85 (25,52; 31,59)

26,44 (24,63; 30,62)

0,46 (-0,62; 1,57)

2,15 (1,67; 4,15)

0,99 (1,17; 2,92)

0,56 (-0,04; 1,03)

6,4 (5,39; 8,03)

6,1 (4,98; 7,81)

1,02 (0,15; 1,94)

3,72 (1,51; 4,51)

0,43 (0,01; 0,87)

4,6 (3,38; 5,41)

1,42 (0,84; 1,04)

Рис. 1. Пожизненный коэффициент этиологической доли (LARF), полученный с использованием старых и новых коэффициентов пересчёта параметра DLP в поглощённую дозу после 5 обследований женщины на компьютерном томографе.

Также стоит отметить, что в рассмотренном примере величина LARF для женщин после пяти КТ-процедур в течение жизни может достигать 8% для лёгких, 6% – для мочевого пузыря и 5% – для лейкозов (рис. 1).

Таким образом, разработанная нами методика оценок радиационного риска на основе параметра DLP слабо зависит от модели КТ-сканера или геометрии сканирования и позволяет оценивать радиационный риск для современных компьютерных томографов.

Заключение

Радиационный риск у пациентов, неоднократно проходящих диагностические процедуры с применением КТ-сканеров, может достигать величин «умеренного риска», согласно международной шкале классификации пожизненного риска для здоровья человека. Предполагается, что развитие технологий компьютерной томографии, включающее совершенствование и оптимизацию программного обеспечения КТ-сканеров, позволит не только повысить качество диагностики, но и снизить радиационные риски [15].

Поскольку радиационные риски должны оцениваться на основе поглощённых доз в органах и тканях [9], ранее авторами был разработан метод расчёта поглощённых доз на основе параметров DLP для основных моделей КТ-сканеров [3]. В настоящей работе исследовано влияние типов и моделей современных КТ-сканеров на оценки радиационных рисков, полученные с использованием этого метода. На примере многократного облучения пациента показано, что применимость метода остаётся актуальной и для КТ-сканеров, которые не были задействованы при разработке данного метода.

К настоящему времени такие факторы, как обновление программного обеспечения в области оптимизации протоколов сканирования или фирма производитель КТ-сканера всё ещё не оказывают существенного влияния на величину радиационных рисков, связанных с конкретными процедурами диагностики.

Таким образом, методы расчёта поглощённых доз и радиационных рисков, разработанные авторами, могут применяться при планировании КТ-обследований и оптимизации дозовых нагрузок пациентов на любых современных КТ-сканерах. Тем не менее, следует отметить, что постоянное развитие технологий компьютерной томографии требует периодической актуализации расчётных методов оценки радиационных рисков.