基于90万例腹部CT扫描的群智优化方案：低剂量协议聚类分析揭示三倍剂量差异

《European Radiology》：Crowd-sourcing optimized abdomen CT protocols from 908,000 examinations in a large radiation dose registry

本刊推荐：针对常规腹部CT扫描中存在的辐射剂量巨大差异问题，Smith-Bindman等人利用大型国际CT剂量登记系统（UCSF International CT Dose Registry），对90.8万次检查涉及的1767个扫描协议进行k-means聚类分析。研究发现，不同协议簇之间的尺寸调整后剂量长度积（DLP）存在三倍差异（486-1382 mGy·cm），最低剂量协议簇特征为单期相扫描和低千伏（kV≈100）。该研究为临床医师提供了从真实世界数据中识别优化协议的新框架，强调减少非必要期相是降低辐射剂量的关键。

　　

在医学影像学领域，计算机断层扫描（Computed Tomography, CT）已成为不可或缺的诊断工具，尤其腹部CT作为欧洲第二常见的CT检查类型，其辐射暴露贡献度远高于多数其他常见诊断性影像检查。然而，一个严峻的现实是，不同医疗机构之间用于常规腹部CT的辐射剂量存在巨大差异。此前一项涵盖超74万例成人常规腹部CT检查的多国分析揭示，在调整患者体型因素后，不同扫描协议间的平均辐射剂量存在高达六倍的差异。这种不必要的剂量差异不仅使患者暴露于额外的癌症风险之中，更与放射学实践中“在保证图像质量的前提下最小化辐射暴露”的基本原则背道而驰。

辐射剂量的差异主要并非源于患者个体差异或设备特性，而是根植于各医疗机构在制定本地化扫描协议时所做的技术参数选择，例如扫描期相（phase）的数量及其他采集参数（acquisition parameters）的设定。尽管诸如自动千伏调节（automated kV modulation）和限制非适应症期相扫描等成熟的剂量优化策略早已被证实有效，但其在临床实践中的普及程度仍不理想。缺乏一个基于广泛实践、共识性的“最佳实践指南”，使得各家机构的放射科医师、医学物理师和技术人员投入大量时间与资源进行协议调试，这本身就成了剂量差异的重要推手。面对这一挑战，一个核心问题浮现出来：能否从海量的临床实践数据中，智能地识别出那些在保证诊断图像质量的同时，能实现较低辐射剂量的优化扫描协议，从而为临床提供一份切实可行的“协议设计宝典”？

为了回答这一问题，由Rebecca Smith-Bindman领衔的研究团队在《European Radiology》上发表了其最新研究成果。研究者们创新性地采用“群智（crowd-sourcing）”方法，对来自加州大学旧金山分校（UCSF）国际CT剂量登记系统中，2015年1月至2021年3月期间进行的90万7992例成人常规腹部CT检查数据进行了深入分析。这些数据覆盖了7个国家、26个医疗组织、132家机构的1767个独特扫描协议。研究者将“协议”定义为医疗机构、扫描仪型号、CT适应症和协议名称的唯一组合。

研究的关键技术方法包括：1) 数据预处理与协议定义：基于DICOM头文件信息筛选常规腹部CT检查，排除创伤、血管成像等特殊适应症，确保每个协议包含至少20次检查以代表常规可用性。2) 剂量标准化：采用对数线性混合回归模型计算尺寸调整后的体积CT剂量指数（CTDI_vol）和剂量长度积（DLP），以消除不同机构患者体型差异对剂量比较的影响。3) k-means聚类分析：以毫安秒（mAs）、螺距（pitch）、千伏（kV）、准直（collimation）、扫描长度（scan length）和期相数量（number of phases）这六个关键技术参数作为输入，通过“肘部法则（elbow method）”确定最优聚类数为9，将具有相似参数组合的协议归入同一簇，从而识别出不同的协议设计模式。

研究结果

协议聚类与剂量差异

分析最终将1767个协议成功归类为9个具有显著特征的簇。每个簇包含的协议数量从62到508个不等，对应的检查例数从15,317到381,457例。最为重要的是，不同簇之间的平均尺寸调整后DLP呈现出近三倍的巨大差异，范围从簇1的486 mGy·cm (95% CI 461, 512) 到簇9的1382 mGy·cm (95% CI 1260, 1504)。各簇患者的平均有效直径（effective diameter）相近（例如簇1为305 mm，簇9为303 mm），表明剂量差异并非由患者体型因素导致。

低剂量协议簇的特征

剂量最低的簇1和簇2（尺寸调整后DLP分别为486和507 mGy·cm）主要通过使用较低的千伏（平均kV分别为105和102）来实现剂量优化。簇1还采用了较低的螺距（平均0.75）和较短的扫描长度（平均437 mm），而簇2则使用了较高的螺距（平均1.37）。这两个簇的期相数接近平均值（1.2和1.4）。值得注意的是，仅有约13%的检查采用了属于这两个最低剂量簇的协议。

高剂量协议簇的驱动因素

剂量最高的簇8和簇9（尺寸调整后DLP分别为989和1382 mGy·cm）揭示了过量辐射的不同来源。簇8的特征是极高的采集技术参数，包括最高的平均mAs（338）和平均kV（125）。相比之下，簇9的采集技术参数（mAs=166, kV=117）接近平均水平，但其平均期相数高达3.3，远高于其他簇（1.1-1.6），这是导致其总剂量最高的主要原因。这两个高剂量簇所服务的患者比例较小（簇8为2.0%，簇9为1.7%）。

最常见实践与中间剂量簇

簇6是最大的簇，包含了508个协议和381,457例检查（占总数的42%），代表了最普遍的临床实践，其尺寸调整后DLP为643 mGy·cm。簇3至簇7的剂量水平居中（尺寸调整后DLP在598-699 mGy·cm之间），技术参数组合各异。例如，簇7因包含大量使用80毫米宽体探测器的扫描仪（如GE Revolution CT, Philips ICT 256），其平均准直值显著高于其他簇（77 mm）。

剂量与时间、患者体型的关系

进一步分析表明，研究所采用的尺寸调整方法有效地消除了患者体型对剂量比较的混淆影响。在不同有效直径十分位数组内，未调整的DLP随患者体型增大而显著增加，但尺寸调整后的DLP在不同体型组间保持稳定。尽管在研究期间（2015-2021年），总体未调整和尺寸调整后的辐射剂量指标均下降了约20%，但在每一年度内，不同簇之间的剂量梯度依然显著存在，表明协议设计选择而非时间趋势是剂量差异的主要驱动力。

结论与讨论

本研究通过创新的群智和聚类分析方法，从大规模真实世界CT剂量登记数据中，成功识别出用于常规腹部CT的多种优化扫描协议模式。研究结论明确指出，在保证图像质量（由协议被常规使用所间接证明）的前提下，显著降低患者辐射剂量是完全可行的。低剂量协议簇（特别是簇1和簇2）的共同特征凸显了降低千伏（kV）和限制扫描期相数量在剂量优化中的关键作用。相反，高剂量主要源于非适应症的额外期相扫描以及过于保守的高技术参数设置。

该研究的重大意义在于它超越了简单地报告剂量差异或设定剂量参考水平（diagnostic reference levels），而是提供了一个可操作的“协议设计框架”。它向临床工作者展示了同行机构在真实实践中采用的、被证明有效的多种技术参数组合（如簇1至簇6），而非单一的最优解。这为各家机构根据自身设备、患者群体和诊断需求，选择和调整适合的低剂量协议提供了宝贵的、数据驱动的参考。研究结果强有力地提示，临床质量改进的努力应聚焦于两个主要方向：一是改变“实践文化（practice culture）”，坚决摒弃常规腹部CT中的非必要多期相扫描；二是优化“采集技术（acquisition technique）”，积极推广低千伏扫描等成熟剂量控制技术的应用。

总之，这项研究为放射学界推动CT扫描协议的标准化和优化提供了强有力的科学依据与实践工具。它证明，通过借鉴海量临床实践中涌现出的最佳方案，并利用先进的数据分析方法，我们有能力在确保诊断效能的同时，最大限度地保护患者免受不必要的辐射暴露，最终实现更安全、更高效的医学影像服务。