基于蒙特卡洛模拟的头颅CT扫描中晶状体与器官剂量优化研究：机架倾角与扫描范围的影响

《Radiological Physics and Technology》：Optimizing lens and organ dose evaluation in head CT examinations using monte carlo simulation: influence of gantry tilt and scan range

为解决头颅CT检查中眼晶状体等辐射敏感器官的剂量评估不精确问题，研究人员开展了一项基于粒子与重离子输运代码系统（PHITS）的蒙特卡洛模拟研究，系统探讨了机架倾角（-45°至+20°）和扫描范围对晶状体、唾液腺、甲状腺及口腔黏膜剂量的影响。结果表明，向上倾斜≥+5°并结合眼球排除扫描可使晶状体剂量降低高达87%，而扫描范围调整可导致有效剂量差异达1.5倍。该研究为临床CT协议优化提供了高精度剂量分布可视化支持，对辐射防护具有重要意义。

　　

随着多层螺旋CT技术的飞速发展，头部CT检查在临床诊断中的应用日益频繁，其高分辨率成像能力极大提升了疾病诊断的准确性。然而，这种技术进步也伴随着患者辐射暴露风险的增加，尤其是对眼晶状体等辐射敏感器官的潜在损伤。国际放射防护委员会（ICRP）在2011年修订了辐射诱发白内障的阈值剂量，将其降至0.5 Gy，使得晶状体成为需要特别关注的器官。尽管已有研究表明通过调整CT扫描仪的机架倾角可显著降低晶状体剂量，但临床实践中对该技术的应用仍不充分，且现有剂量评估工具（如WAZA-ARI、NCICT）在模拟机架倾角和精细空间剂量分布方面存在局限，无法准确反映临床实际扫描条件下的剂量变化。

为突破上述限制，日本东海大学医院等机构的研究团队在《Radiological Physics and Technology》上发表了一项研究，通过高精度蒙特卡洛模拟方法，系统评估了机架倾角和扫描范围对头部CT检查中多器官剂量的影响。研究采用粒子与重离子输运代码系统（PHITS）构建了可自由配置机架倾角的X射线源模型，并利用2 mm束宽设置实现了对晶状体等小器官剂量分布的高分辨率分析。

研究方法主要包括以下几个关键技术环节：首先，基于西门子SOMATOM Definition Flash扫描仪的物理参数，在PHITS中建立了X射线源模型，并通过调整光束入射方向模拟-45°至+20°的机架倾角（以耳眶线为0°参考）。其次，采用日本原子能机构开发的成人女性体模（JF-103）进行模拟，该体模符合ICRP器官分类标准，能够支持精确的辐射剂量评估。扫描范围设置为两种条件：（i）包含脑部和眼球；（ii）仅包含脑部。剂量计算中引入了CTDI_air（空气比释动能指数）和螺距等参数，并依据美国放射学会（ACR）的诊断参考水平设定管电流-时间积为540 mAs，以确保结果与临床标准的一致性。此外，通过计算剂量分布曲线的半高宽（FWHM）量化了晶状体区域的高剂量区范围。

3.1 晶状体、眼球和脑的剂量分布

模拟结果清晰显示了晶状体剂量分布的尖锐峰值和逐渐衰减的尾部特征。当机架倾角≥+5°时，晶状体剂量峰值达到20.7–21.8 mGy，且半高宽缩小至约6 mm，表明高剂量区更加集中。相比之下，脑部剂量分布在不同倾角下保持稳定，而眼球剂量在扫描范围排除眼球后显著降低。

3.2 机架倾角与扫描范围对晶状体剂量的影响

在包含眼球的扫描条件下，晶状体剂量随倾角增加而上升，在+5°时达到78.8 mGy；而在排除眼球的扫描中，倾角≥+5°可使剂量降至9.7 mGy以下，降幅达87%。值得注意的是，即使峰值区域被排除，剂量尾部仍可能导致残余暴露（如0°倾角时残留剂量为19.8 mGy）。

3.3 甲状腺、唾液腺和口腔黏膜的剂量变化

这些器官的剂量受扫描范围影响显著。在包含眼球的扫描中，唾液腺剂量可达34.4 mGy（+15°倾角），而排除眼球后降至21.4 mGy。甲状腺和口腔黏膜的剂量变化趋势类似，凸显了扫描范围优化对多器官防护的重要性。

3.4 与传统剂量计算工具的对比

与WAZA-ARI工具相比，本研究在模拟倾斜条件时发现晶状体剂量差异更大（例如在+10°倾角下，排除眼球扫描的剂量为9.8 mGy，而WAZA-ARI在垂直入射下为4.6 mGy），说明忽略机架倾角可能导致剂量评估偏差。

3.5 有效剂量分析

有效剂量在排除眼球的扫描中最低（1.56–1.72 mSv），而在包含眼球的扫描中升至2.39 mSv。机架倾角与扫描范围的协同优化可平衡多器官暴露，实现整体辐射风险控制。

研究结论强调，向上倾斜机架（≥+5°）并结合眼球排除扫描是降低晶状体剂量的有效策略，而向下倾斜（如-35°）则通过增加高衰减组织路径实现剂量抑制。此外，剂量分布的精细可视化揭示了传统点测量方法难以捕捉的空间异质性，为临床协议设计提供了新依据。未来需通过物理体模实验和多中心临床验证进一步推广该方法的实用性。

这项研究不仅深化了对CT扫描参数与器官剂量关系的理解，还展示了蒙特卡洛模拟在高精度辐射防护评估中的潜力，对推动个性化、低剂量CT扫描协议的发展具有重要指导意义。