《Physica Medica》：Towards novel methods of dosimetry in pediatric and neonatal head computed tomography: Comparative study using two novel and cost effective fabricated in-house phantoms
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儿童头CT辐射剂量评估研究采用新型不均匀组织等效体模，通过蒙特卡洛（GATE）模拟和XMuDat计算验证骨、脑组织等材料的物理及辐射特性，结果显示与传统值误差小于9%，证实体模解剖真实性。剂量测量表明，新生儿与儿童在100kVp下剂量差异达18-27%，120kVp时差异减至4-8%。该体模为个体化剂量优化和区域剂量参考水平建立提供支持。
H. Sekkat|A. Khallouqi|Y. Madkouri|M. Talbi|A. Halimi|O El rhazouani|O. El Mouden|A. Bannan
摩洛哥塞塔特（Settat）26000，哈桑第一大学（Hassan First University）健康科学高等研究院，生物医学科学、生物物理学与健康实验室
摘要
目的
在儿科计算机断层扫描（CT）中，准确的辐射剂量评估至关重要，因为儿童对辐射的敏感性更高，且其解剖结构与成人有所不同。标准的均匀成人模体常常会低估儿童的辐射剂量，尤其是在头部成像时。本研究使用两种自主研发的异质头部模体进行了剂量比较测量。
方法
利用蒙特卡洛（Monte Carlo, GATE）模拟、XMuDat计算以及儿科头部CT扫描的Hounsfield单位数据，制备了颅骨、脑组织、脑脊液（CSF）和肿瘤/肿块的组织等效材料（TEMs）。在100 kVp和120 kVp的临床条件下，使用光刺激发光剂量计（optically stimulated luminescence dosimeters）测量了这些模体中的器官剂量。
结果
物理和放射学特性、密度、电子密度、有效原子数和质量衰减系数显示，模拟值与理论值非常接近（大多数组织相差小于9%）。CT数值与参考儿科Hounsfield单位范围一致，证实了模体的解剖真实性。颅骨的周围剂量从18.48 ± 0.16 mGy（新生儿，100 kVp）到24.66 ± 0.04 mGy（儿童，120 kVp）不等；脑脊液的周围剂量从17.75 ± 0.11 mGy到24.00 ± 0.68 mGy；脑组织的剂量从16.09 ± 0.27 mGy到19.95 ± 0.38 mGy。新生儿和儿童在100 kVp下的剂量增加约为18–27%，而将儿童管电压从100 kVp提高到120 kVp时，剂量增加约为4–8%。
结论
这些模体为儿科头部CT剂量量化提供了一个真实的平台，有助于根据患者体型进行优化，并基于特定体型的剂量估计建立局部诊断参考水平（DRLs）。
引言
放射学是儿科医疗的重要支柱，在儿童疾病的诊断、治疗和随访中发挥着关键作用[1]。在各种成像技术中，计算机断层扫描（CT）因其快速性和诊断精度而备受青睐。然而，CT扫描产生的电离辐射剂量明显高于传统放射技术，这引发了人们对儿童患者辐射风险的担忧。
由于儿童细胞发育持续进行且预期寿命较长，他们一生中患辐射相关恶性肿瘤的风险更高[2][3][4]。例如，造血组织和其他有丝分裂活跃的细胞在儿童体内更为常见，使他们更容易受到辐射损伤。多项流行病学研究表明，在相同的暴露条件下，儿童的辐射风险比成人高10–11倍[4][5]。此外，儿童体型较小、水分含量较高以及解剖结构较薄，这些因素影响了辐射的吸收和分布，导致在相同的CT扫描参数下，儿童的器官剂量通常更高[6]。这些解剖和生理差异要求为儿科成像专门制定定制的扫描方案和剂量优化策略[5][7][8]。
尽管存在这些风险，CT在儿科诊断中仍然不可或缺，尤其是在评估头部异常方面。头部CT扫描是儿科放射学中最常见的检查之一[9]。然而，有研究表明，反复进行头部CT成像可能与儿童脑肿瘤和白血病的发病率增加有关[2][10][11]。欧洲EPI-CT研究涉及近一百万名儿童患者，旨在更好地了解这些长期影响。尽管最终结果尚未完全公布，但该研究的方法和设计已得到充分记录[12][13]。
在临床实践中，CT剂量估计和优化通常使用均匀的成人模体进行，这些模体通常由聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）或均匀环氧树脂制成。这些标准模体是根据32厘米成人的解剖结构进行校准的，因此在体型较小的个体中会导致剂量严重低估。事实上，使用这些模体进行儿科成像时，成人的实际剂量平均会被低估30%，而儿童的情况更为严重[14]。按体重计算的有效剂量，儿童患者的剂量可能比成人高50%；对于新生儿，即使扫描参数减少25%，这一增幅也可能达到100%[2][6]。这种差异凸显了儿科患者剂量测量和方案优化方面的关键问题，尤其是在头部成像中，由于靠近大脑和眼睛等敏感组织，剂量精度至关重要。此外，CT射线的环状照射会导致小患者中心的剂量增加，因为周围组织的衰减作用减弱[7]。
为了解决这些问题，开发能够模拟儿童头部异质组成的组织等效模体至关重要，特别是针对新生儿和1–15岁的儿童。现有的临床可用成人模体无法充分模拟儿童的组织密度或解剖变异，这严重限制了它们在准确估计剂量或优化方案方面的应用。尽管最近的大部分研究都集中在成人CT剂量测量上，尤其是使用成人头部模体，但很少有研究专门针对儿科患者开发头部模体[5][7][8]。国际放射防护委员会（ICRP）强调了对30岁以下患者，尤其是10岁以下患者的严格辐射防护的必要性，因为单次暴露带来的终生风险更高[15]。因此，所有涉及儿童的CT检查都必须根据患者的体型和异质性进行合理化优化，以最小化不必要的辐射暴露，同时不牺牲诊断质量[16][17][18][19]。为此，包括放射科医生、放射技师、医学物理学家和应用工程师在内的放射学团队负责根据患者的年龄、体型和临床需求定制扫描参数。全球范围内正在努力减少儿科CT检查次数并降低每次检查的剂量[19][20]。
尽管如此，目前仍缺乏经过实验验证的、能够准确再现儿童头部组织组成并在临床CT协议下直接测量器官剂量的异质新生儿和儿童头部模体（见表1）。
在此背景下，本研究旨在通过设计、制造、验证并使用两种自主研发的异质头部模体来解决儿科放射防护中的关键问题：一种模拟新生儿患者（<1岁），另一种模拟儿童患者（>1岁）。这些模体采用环氧树脂基质与其他聚合物混合制成，以复制骨骼、大脑和软组织等不同组织的异质特性。
部分内容摘录
儿科CT数据的选择与处理
利用0至15岁儿童的回顾性临床数据，评估了儿科头部CT图像中的Hounsfield单位（HU）范围。该队列包括1000名患者，其中539名为男性（54.5%），461名为女性（45.5%）。年龄分布如下：1岁以下占25.2%（252/1000），1至10岁占32.5%（325/1000），10至15岁占42.3%（423/874）。所有CT图像均使用相同的16层CT扫描仪在标准儿科头部参数下获取
结果与讨论
表4展示了所制备组织等效材料的物理和放射学特性。不同年龄段的颅骨密度范围为1.60 g/cm3至1.80 g/cm3，相应的电子密度介于5.07 × 102? e?/mm3至5.70 × 102? e?/mm3之间。有效原子数（Z?）在7.3至12.09之间变化，反映了与年龄相关的衰减特性差异。同样，脑组织和脑脊液替代物的电子密度和有效原子数值也与儿科实际情况一致
结论
本研究证明，新开发的异质新生儿和儿童头部模体能够准确再现实际儿童组织的放射学特性和剂量分布。制备的组织等效材料、参考Hounsfield单位和质量衰减系数之间的高度一致性验证了它们在临床应用中的实用性。测量的器官剂量证实了患者体型、组织组成和管电压的影响
资助
我们感谢哈桑第一大学（Hassan First University）的财政支持（资助编号#FP202006）。
利益冲突声明
作者声明他们没有已知的可能影响本文所述工作的财务利益或个人关系。
致谢
本研究得到了国家科学技术研究中心（CNRST）的支持，作为“PhD-ASsociate Scholarship – PASS”计划的一部分。作者对这一宝贵支持表示感谢，这极大地促进了研究的完成。
