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介入诊疗中患者受照剂量研究

发布时间:2022-08-11 10:59
电离辐射在人类生产生活中无处不在,环境中天然存在的辐射,如宇宙射线、陆地γ辐射、食入或吸入的长寿命放射性核素和氡同位素等。这些辐射有的来自太阳及其它星球,有些来自土壤、岩石、建材等,还有一些来自食物。电离辐射也是重要的职业性有害因素,与职业卫生有关的辐射类型主要分为 X 射线、γ射线、α粒子、β粒子和中子,电离辐射在日常生活中也有广泛的应用,其中医疗辐射已经成为人们能接触到的主要人工辐射源。人们使用各种放射诊疗设备进行诊断和治疗疾病,这些仪器的使用给人们带来便利的同时,也存在着潜在照射危险。

1.1 介入放射学的发展及应用
1.1.1 介入放射学的发展
介入放射学(Interventional Radiology, IR)是指操作者利用医学影像设备,在其引导、监控、定位及记录下,利用口腔、鼻腔等固有孔道或经皮穿刺将导管或器械插至病变部位,完成微创诊疗操作的技术 [1]。是以影像医学为依托进行临床治疗的边缘性学科[2],介入影像的引导是利用数字减影血管造影(DSA)、超声、电子计算机射线断层扫描(CT)、磁共振成像(MRI)和间接 X 线透视设备等辅助介入操作的过程。介入放射学大致分为三个阶段:早期阶段、Seldinger 技术的形成阶段及趋于和发展阶段[3]。早期阶段在发现 X 射线不久 Hasher 等人就利用石膏作造影剂进行尸体的动脉造影,随后发展利用动物进行造影实验,直到上世纪二十年代发展开始尝试进行人体血管造影。Farinas 在 1941 年完成了腹主动脉造影。1951年 Bierman 进行了第一次动脉灌注化疗。Seldinger 首创了利用套管针、导丝、和导管经皮动脉穿刺股动脉插管造影的技术,它为当代介入放射学奠定了基础。1967,Margulis 发表的评述《介入放射学:一个新的专业》中首次提出“介入放射学”一词, 并定义:在透视引导下进行诊断和治疗的操作技术为介入放射学。上世纪七十年代, 随着新材料的发现以及自然科学的发展, 经皮穿刺技术得到了极大地促进,逐步成为一门独立的专业学科,同时期介入放射学在我国也逐步诞生。上海第一医学院中山分院的林贵教授于 1974 年开展了一项名为“原发性肝癌的选择性动脉造影”的研究,首次在肝癌治疗中应用了介入诊疗技术,介入放
 
第 1 章 绪论
射学在我国从此诞生。随着相关技术及理念的完善和进步,介入放射学的队伍不断发展壮大。不同级别的医院或多或少均有介入放射人员的分布,我国 2008 年的一项调查显示放射医师人数约有 4000 到 5000 人[4],而到 2018 年,根据范锟[5]发布的一项调查显示,从事介入(诊断及技术)类别人员达 6764 人,从事放射兼介入类别人员达 5905 人。介入诊疗队伍的扩大说明介入放射学也在蓬勃发展。

1.1.2 介入放射学的应用
与传统手术相比,介入诊疗程序创伤小、恢复快、治疗效果良好,已被大数患者所接受。通常情况下,头颈部、胸部、腹部、四肢均适用于介入放射学,多种器官系统的病变均可利用其诊治,如神经、呼吸、心血管、消化、骨关节、泌尿生殖等[6]。具体可分为神经介入、心脏介入、肿瘤介入、血管介入等几大领域。在欧洲五国的一个调查显示 [7],放射性介入操作的开展多达 400 多种,其中放射性介入程序主要包括血管扩张术,活组织检查,痛症治疗,血栓治疗,泌尿系统治疗,胆囊治疗。联合国原子辐射效应委员会于 2010 年的报告中估计,全球进行 X 射线检查例数每年约有 40 亿人次[8]。在我国介入放射学的开展虽然较晚,但在近几十来,随着大批科研工作及医护人员的努力,介入放射学在我国得到了极快的发展,相关的技术和理念也在不断地完善,在 2017 年的全国介入心脏病学论坛报道中显示,仅 2017 年经皮冠状动脉介入治疗(PCI)例数就高达 75万例[9],且近年来例数仍在逐年增长,有报道称至今已超过 100 万例每年[10]。

1.1.3 数字减影血管造影系统(DSA)的应用
上世纪 70 到80 年代人们为了寻找更为安全简便、影像清晰的血管造影方法,利用电视技术、计算机技术、影像增强技术等逐渐摸索出 DSA 技术并投入临床使用,这是继 CT 产生之后电子计算机与常规 X 线血管造影相结合的一项新技术。它为心脑血管介入放射学的发展和普及打下了坚实的基础。数字减影血管造影系统是利用电子计算机进行辅助成像的血管造影方法。第一次成像是在注入造影剂之前,并将图像处理储存,注入造影剂之后再次成像形成数字信号,把两次数字信号相减就会得到一个清晰的血管图像。其特点就是图像清晰直观。 目前脑血管病变及部分肿瘤性病变均离不开 DSA 技术的应用,对于脑内血管情况包括颈动脉分叉处病变、动脉瘤、颅内动静脉畸形、颈动脉海绵窦瘘、动静脉瘘的诊断均被认为是“金标准”;对于冠心病而言,能通过对冠状动脉病变的范围和
 
第 1 章 绪论
程度以及受损心肌范围和受损血管数目进行准确的判断,给出预后效果,制定针对性治疗[11]。
1.2 电离辐射的生物学效应
生物学效应有着不同的分类方法,按照时间区分为早期效应和迟发效应,按照躯体划分为躯体效应和遗传效应,按照发生规律分为随机性效应(stochasticeffects)和确定性效应(deterministic effect)也叫组织反应(tissue reaction)。从定量上来说,受到调节组织和器官响应能力的影响,效应不一定是预先确定的,因此“确定性效应”的表述并不完全正确,但是由于这一术语被广泛应用,国际放射防护委员会将继续采用“确定性效应”来表示组织和器官反映[12]。随机性效应和确定性效应是两种主要的辐射危害效应。随机性效应指电离辐射照射生物机体产生的一些有规律的效应,这些效应的规律是:效应的发生概率与受照剂量的大小呈正比,但效应的严重程度与受照剂量无关;一般认为,在电离辐射防护感兴趣的范围内,这种效应的发生不存在阈值剂量,因此不管接受照射的剂量大还是小,这种效应都有可能会发生。照射剂量越大,该效应的发生率就越高,但当接受照射的剂量很低时,也不能保证这种效应不发生。随机性效应使用有效剂量(effective dose,ED)来定量描述。对于患者而言有效剂量主要是通过测量剂量面积乘积(Dose-area product,DAP),利用仿真人体模型实验测得的转换系数进行转换[13,14]。转换系数定义为器官吸收剂量(Dr)与 DAP 的比值即:
转换因子 = Dr
DAP (1-1)吸收剂量的大小是确定性效应的决定性因素,当受到照射超过了阈值剂量(threshold dose)水平就可能发生。阈值剂量的含义是:组织受到照射时会发生某种反映,但效应发生率仅为 1%时所对应的剂量。最高皮肤剂量(peak skin dose,PSD)能很好地评价辐射确定性效应,当 PSD 超过约 2 Gy 时就可能出现[15]。临床上已有病例显示,在介入诊疗中引起了确定性效应[16],主要表现为皮肤损伤、白内障、极端情况下还会出现骨坏死等。应当注意的是阈值剂量与剂量限值的区别,前者是生物学效应的一个推荐值,后者则为国际或国家标准给予的一个法定值,比如眼晶体的阈值剂量为 500 mGy,而剂量限值仅为 150 mGy,使用时要区分开来[17]。
 
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1.3 国内外对介入诊疗中患者受照剂量的研究进展
随着介入诊疗的广泛应用,给广大患者带来便利的同时,其所受的医疗照射问题也日益严重,在治疗过程中,患者长时间暴露在 X 射线中,被照射的剂量已不可忽视。介入诊疗类型众多,所导致的辐射剂量也不尽相同,张济生等[18]对颅内动脉血管介入诊疗中的研究结果显示平均受照剂量在 18.68~442.66 mGy之间,最大高达 1562.83 mGy。Sandborg M 等[19]在类似手术类型研究结果显示皮肤剂量为 2.51 Gy。也有学者报道[20]患者的 PSD 为 2.3 Gy,平均入射皮肤剂量为0.9±0.5 Gy。有研究显示[21]在冠状动脉血管造影术(CA)和经皮穿刺腔内冠状动脉成形术(PTCA)两种手术类型中参考点处累积剂量(cumulative dose‚CD)分别为 120.0~1016.0 mGy 和 287~2883 mGy。Vano E 等[22]认为非心脏手术和一些心脏手术的 DAP 分别为 200 和 300 Gy·cm2,在其随访过程中发现,患者PSD 超过 1.5 Gy 的占 15%,有部分超过 3 Gy。赵智慧等[23]人在 2009 年至 2011年的中显示,患者的入射体表剂量甚至有不同程度的上升趋势,其中冠状动脉血管造影术、股骨头坏死治疗术的患者受照剂量分布上升了 27.8 %和 42.2 %,最高的肝癌栓塞术竟上升了 82.1 %。在一些技术相对成熟,病情比较稳定的手术,受照剂量变化相对较小,而随着复杂手术的开展,照射时间增加,受照剂量也大幅的增加。这些高剂量辐射产生的后果可能会非常严重,我们通常所说的皮肤损伤不仅仅是皮肤表面,严重时可能到达皮下脂肪和肌肉。后果会给患者带来巨大的痛苦,甚至是毁容。损伤通常在患者背部,也可能是头皮、手臂或乳房的皮肤[ 24,25]。在 Balter S 等人报道中[26],一女性患者在进行神经介入手术过程中,透视时间超过 70 min,造成了典型的红斑以及脱发现象。ICRP85 号出版物中报道了某一患者在接受冠状动脉造影和两次血管成形术后造成了严重的背部皮肤损伤[27]。从以上案例当中可以清楚的认识到电离辐射给人们带来的危害,因此在从事介入诊疗过程中,要注重辐射防护的必要性,以避免或减少辐射损伤的发生。


1.4 患者受照剂量的测量方法
1.4.1 入射皮肤剂量(entrance skin dose,ESD)的测量
介入诊疗过程中,患者 ESD 的测量方法很多,目前有研究[28]直接采用热释光剂量计测量 ESD,来定量描述确定性损伤的严重程度。也有直接使用介入诊疗
 
第 1 章 绪论
仪器自带电离室记录 DAP 值及参考点处累积剂量(CD)来描述受照情况[20]。还有用 Gafchromic 系列胶片直接进行测量[29]。其中电离室和半导体无法提供足够的空间分辨率,利用热释光剂量计测量当需要一维或二维分布时过程非常繁琐且耗时,并且无法重复测量数据。剂量胶片由于尺寸大,能量响应宽等优点,被视为记录 ESD 的最可靠的方法[30,31],它能够记录照射野范围内入射皮肤表面所有的剂量分布。目前市面上胶片种类很多,主要分为两类:辐射显色(RC)胶片例如 Gafchromic MD-55、Gafchromic EBT 系列和 Gafchromic-RTQA2 胶片;辐射显像(RG)胶片例如 Kodak X-OMAT V(XV)和 Kodak EDR2 胶片。在胶片选择上要考虑胶片能量响应、剂量响应线性区间、感光特性、材料、尺寸、稳定性以及对不同处理条件的响应等因素,结合所需测量目的及胶片制造商和胶片处理分析软件制造商的建议,选择合适的胶片。

1.4.2 敏感器官剂量及全身有效剂量的测量
在治疗过程中无法将探测器直接放入器官内部,因此敏感器官的剂量很难被测定,通常是利用仿真人体模型进行测量,具体做法是将 TLD 剂量元件放入组织或器官预定的空腔内部然后进行模拟手术测量。ICRP 虽指出了不同辐射类型的当量剂量评价指标,但是人体不同器官或组织有着不同的辐射敏感程度,其所对应的危险程度也有不同的数值,因此引入有效剂量的概念。有效剂量(ED)可以通过特定组织器官的吸收剂量来进行修正估算,还可以利用蒙特卡罗模拟方法估算由面积剂量推算有效剂量的转换因子,只要知道射线的能量和类型以及成像的解剖部位和拍片方案等参数,就可以通过这些转换因子将面积剂量估算为相应的有效剂量。有效剂量解决了局部不同组织照射或全身脏器受到不均匀照射以及内外混合照射同时存在时的危险评价问题,反应的是该剂量可能导致的辐射危害的大小。

1.5 降低患者受照剂量方法
1.5.1 介入诊疗过程中剂量影响因素
ICRP 第 85 号出版物[27]指出,当患者皮肤最大累积吸收剂量达到数十 cGy时,就被认为是高剂量操作,达到数个 cGy 时被认为是中剂量操作,当低于 1 cGy才被认为是低剂量操作。而实际上介入诊疗过程中均可导致高剂量操作,这和术
 
第 1 章 绪论
者操作的熟练程度,患者的病情及设备的先进程度均有关系。介入诊疗过程中,影响患者受照剂量的主要因素包括[32]:1)曝光时间,特别是对同一区域的长时间曝光,很有可能引起确定性效应的发生;2)患者体型,由于目前诊疗设备大都为自动曝光控制,根据患者体型厚度的增加,剂量率也在
相应增加;3)主射束入射角度,同一患者,入射角度不同,透过身体厚度也不同,剂量率也随之改变;4)X 射线源距患者皮肤表面的距离,距离能够显著影响受照剂量;5)照射野大小;6)透视模式的选择,不同部位选择不同模式,包括帧率的选择;7)准直器、滤线器的使用;8)患者非解剖部位如四肢的遮挡,相当于增加体型厚度;9)患者病情;10)操作者技能熟练程度及防护意识等。

1.5.2 剂量降低方法
想要降低患者受照剂量不但需要操作者熟悉能够降低辐射剂量的一般性技术,还需操作者学习降低辐射剂量的特殊技术以及了解介入诊疗设备的发展现状。降低剂量的主要方法包括:满足诊疗需要的同时,使用最小照射野;利用脚踏式曝光开关,做到间歇式透视;在能够得到诊疗所需的图像的前提下手动调整曝光参数等。关键就是在于降低透视时间,做好屏蔽措施,提高防护意识。除此之外还要充分利用介入诊疗设备中的新技术,例如:优化滤线器技术,有研究表明[334]使用一定厚度的铜作滤线器可有效降低皮肤剂量,并且对图像影响不大;影像冻结技术,Mooney RB等[35]认为采用影像冻结技术后病人剂量下降到原有的70%;感兴趣区透视技术(ROI),Sonig A 证明[36]ROI 透视技术在对图像影响不大的前提下能够有效降低患者受照剂量。有部分介入操作比较复杂,曝光时间会相对较长,若仅保持入射方向不变会使得患者入射皮肤剂量过高,因此利用剂量分散技术增加入射皮肤表面积,这样能有效降低患者最高皮肤剂量以减少确定性效应的发生。虽然设备技术在发展,但是在介入诊疗过程中,在各种客观原因的影响下,操作者不能完全的运用这些新技术,想要降低患者受照剂量还需多方努力。除操作者需注意事项外,患者本身也需注重自身防护,受照前后多补充蛋白质、维生素 [37],蛋白质等的科学补充有利于提高人体治愈率,诱导机体内源性保护。

1.6 研究目的及意义
介入诊疗不同于一般的 X 射线诊断,主要特点就是受照时间较长,有调查显示[38]累积透视时间从几分钟到几十分钟不等,有照射甚至长达数小时,大量的
 
第 1 章 绪论
照射时间可能导致患者确定性效应的出现。然而介入诊疗程序复杂多样,在不同诊疗程序下,即使受照时间一样,受照剂量也不尽相同,受照剂量的影响因素众多,因此人们一直在努力寻找一个可行的方法,对患者受照剂量进行简便的描述,以此来控制受照剂量,来避免患者损伤。我国对于介入诊疗中患者的受照剂量还没有统一的标准测量方法和明确的评价指标,目前常用的指标有 PSD、ESD、CD、DAP、ED、透视时间和摄影帧数等。由于 PSD 及 ED 测量较复杂,但是 PSD 和 ED 又是评价患者受照剂量最直接的指标,并且有学者研究显示[39],特定类型的 ESD 和 DAP 之间存在明确的联系,Mercuri 等[40]认为,CD 值可预测皮肤剂量,DAP 值可用于估算患者的有效剂量。因此,如果没有 ESD、PSD 等的测量数据,可利用 CD 及 DAP 与PSD、ESD 有较好的总体相关性,对 PSD 及 ESD 进行精确估计。本实验就是根据不同介入治疗过程中的摄影和透视条件,利用仿真人体模型,模拟不同类型介入手术,对患者 ESD 及各敏感器官的剂量进行测量,通过对照射野内外器官剂量分布、DAP 与各器官剂量及全身有效剂量的转换因子、PSD与 DAP 转换系数(PSD 与 DAP 间的比值)、CD 与 ESD 之间的剂量指数(ESD与 CD 间的比值)、PSD 的分布情况等剂量学问题进行分析。为介入工作人员实行介入手术时更好的控制照射量提供依据,在防护问题方面,提供一些指导性的建议。
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