基于蒙特卡洛模拟的儿童全脊柱摄影器官与有效剂量年龄依赖性评估：投照方向与铜滤过的影响分析

《Pediatric Radiology》：Age-dependent evaluation of organ and effective doses in pediatric full-spine radiography: influence of anteroposterior and posteroanterior projection and copper filtration using Monte Carlo simulation

本研究针对儿童脊柱侧凸随访中反复全脊柱X线摄影导致辐射暴露增加的问题，通过蒙特卡洛模拟系统评估了前后位（AP）与后前位（PA）投照方向及0.1-mm铜滤过对5岁、10岁、15岁女性体模器官剂量和有效剂量的年龄依赖性影响。结果显示PA投照可使乳腺等前部辐射敏感器官剂量降低达93%，有效剂量降低约50%，铜滤过可进一步降低15-19%。研究为儿科脊柱摄影的剂量优化提供了重要循证依据。

　　

在青少年特发性脊柱侧凸的诊断与随访过程中，患者需要反复接受全脊柱X线摄影检查。研究表明，在3年随访期内患者平均需接受22次检查，累积有效剂量可达20 mSv。这种反复的辐射暴露尤其对乳腺、甲状腺等前部辐射敏感器官构成潜在风险，大规模流行病学研究已提示儿童期X线暴露与乳腺癌风险增加存在关联。因此，如何在不影响诊断质量的前提下降低辐射剂量，成为国际儿科放射防护的重要课题。

投照方向的改变是降低辐射剂量的有效策略之一。先前研究指出，在腰椎摄影中从前后位（AP）改为后前位（PA）投照，可使有效剂量降低达53%，乳腺剂量降至AP投照的三分之一以下。此外，临床研究证实，在儿科全脊柱摄影中添加0.1-mm铜滤过可使器官剂量降低20-40%，有效剂量降低约30%，同时保持图像质量。然而，年龄和体型因素会显著影响辐射剂量，国际调查显示儿童器官剂量存在高达2-3倍的年龄依赖性差异，但目前尚缺乏系统评估年龄因素影响的研究。

为此，研究人员在《Pediatric Radiology》上发表了最新研究成果，通过蒙特卡洛模拟系统评估了投照方向（AP与PA）和铜滤过对儿童全脊柱摄影中器官剂量和有效剂量的年龄依赖性影响。

研究采用日本原子能机构开发的粒子与重离子输运系统（PHITS）蒙特卡洛模拟代码，使用佛罗里达大学家族混合体模（5岁、10岁、15岁女性模型），模拟了从第一颈椎（C1）至双侧股骨头的全脊柱摄影。研究设置了AP与PA两种投照方向，分别结合使用或不使用0.1-mm铜滤过（Cu±）的条件。X射线能谱通过SpekCalc软件生成，对应年龄的管电压设置为：5岁70 kVp、10岁80 kVp、15岁90 kVp。源至体模距离固定为180 cm，照射野中心位于第七胸椎。剂量计算采用了ICRP（国际放射防护委员会）Publication 116的剂量响应函数评估活性骨髓和骨表面剂量，并通过百分比深度剂量分析评估体厚变化的影响。

吸收剂量分布和年龄依赖性

全身吸收剂量分布图显示，在所有条件下，最大吸收剂量均位于X射线束的入射侧，并随深度逐渐降低，呈现明显的年龄依赖性变化。年轻体模因体厚较小，剂量峰值更靠近躯干中心；而15岁体模的吸收剂量更集中于入射表面附近，表层区域衰减显著。体厚增加影响了内部剂量梯度，使高剂量区向表面移动。

投照方向差异和野外照射

AP投照时，较高剂量集中于前部器官如乳腺和腹部脏器；PA投照则在后部结构如脊柱和椎旁软组织中产生较高剂量区域。虽然照射野定义为C1至双侧股骨头近端，但在该范围外（包括头部和下骨盆区域）也观察到吸收剂量，表明投照方向不仅影响野内器官剂量，也影响野外散射辐射的分布。

器官特异性剂量变化

浅表器官（皮肤、甲状腺、乳腺、胸腺）：PA投照显著降低了前部辐射敏感器官的剂量。在15岁体模中，乳腺剂量从AP的1.72 mGy/源降至PA的0.12 mGy/源，降幅达93%（AP/PA比约14）。甲状腺剂量降低超过80%。铜滤过在AP投照下提供额外15-19%的降低，在PA投照下提供额外5-6%的降低。

中间器官（肺、肝、胃、结肠）：除肺外，中间器官均显示PA投照下的剂量降低，且效果随年龄增长而增强。结肠在15岁体模PA+Cu条件下最大降低84.6%。肺器官表现特殊，在5岁体模中AP与PA无差异，10岁体模略有增加，仅15岁体模显示明显降低。

深部器官（肾脏、肾上腺、胰腺、脾脏）：这些后腹膜器官在PA投照下剂量显著增加，肾脏增加高达506.6%（约6倍），肾上腺增加约273-403%。铜滤过仅提供少量降低，未能根本性缓解PA投照导致的剂量增加。

骨骼和造血组织（活性骨髓、骨表面）：因主要分布于后部骨骼结构，PA投照下剂量增加约46-78%，铜滤过的缓解作用有限。

生殖器官（卵巢、子宫）：卵巢剂量在PA投照下降低36-47%，子宫剂量降低较有限。PA+Cu策略对卵巢保护效果显著。

有效剂量

PA投照使有效剂量降低约47-58%，铜滤过在AP投照下进一步降低15-19%，在PA投照下进一步降低5-6%。PA+Cu组合策略总体降低效果最显著。

百分比深度剂量分析

百分比深度剂量曲线显示，在表层区域（0-10%体厚），所有年龄组均观察到剂量陡降，铜滤过显著降低了表面剂量。在中间区域（30-50%体厚），5岁体模相对剂量最高，铜滤过效果减小。在深部区域（≥70%体厚），铜滤过影响最小，曲线趋于收敛，但年龄依赖性差异明显，年龄越高在更大深度处相对剂量越高。

研究结论与意义

本研究通过蒙特卡洛模拟定量评估了投照方向和铜滤过对儿童全脊柱摄影中器官和有效剂量的年龄依赖性影响。结果表明，PA投照结合铜滤过可有效降低前部辐射敏感器官（如乳腺和甲状腺）的剂量，降幅可达90%以上，同时使有效剂量降低约一半。然而，这种保护策略也带来了后部深部器官（如肾脏和活性骨髓）剂量的增加，凸显了根据患者年龄和器官位置进行协议优化的必要性。

这些发现为儿科脊柱摄影的剂量优化提供了重要依据，支持国际脊柱侧凸 orthopedic 与康复治疗学会（SOSORT）指南中推荐在青少年特发性脊柱侧凸患者中使用PA投照的建议。研究表明，在青少年特发性脊柱侧凸的长期随访中，通过采用PA投照结合铜滤过的策略，可显著降低累积辐射风险，同时强调了在临床实践中需权衡前部器官保护与深部组织剂量增加之间的平衡。