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了解心脏成像中的辐射安全:患者指南

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Original medical illustration for: Understanding Radiation Safety in Heart Imaging: A Patient's Guide

目录

要点

  • 对于50岁男性,3.7 mSv的冠状动脉CT血管造影(CTCA)剂量带来的估计终生额外癌症风险约为1/7,000;对于50岁女性,该风险约为1/2,900。
  • 线性无阈值模型假设癌症风险随辐射剂量呈线性增加,不存在低于该阈值即无风险的界限。
  • 对于CTCA,使用0.028 mSv/mGy·cm的转换系数比过时的0.014系数更为恰当,后者会低估有效剂量。
  • 确定性效应(如皮肤红斑)具有阈值剂量,而随机性效应(如癌症)没有阈值,其发生概率随剂量增加而升高。
  • 通过加倍与辐射源的距离、使用铅围裙和甲状腺防护罩,并将探测器靠近患者,可以降低工作人员的辐射暴露。

引言:为何心脏护理中的辐射安全至关重要

电离辐射暴露是一个重要的医疗健康问题,主要原因是其可能增加终生患癌风险。这对接受诊断性影像或介入治疗的患者以及执行这些操作的工作人员都至关重要。电离辐射是指电磁波谱中具有足够能量从原子中移除电子的辐射。在诊断性影像中,这涉及X射线和伽马射线。

为了提供背景参考,英国平均背景辐射剂量为每年2.7 mSv,其中约0.4 mSv(16%)来自诊断性医学检查。医学影像的使用已大幅增长。在英国,CT扫描的数量在1996/1997年至2012/2013年间增加了五倍。全球范围内也出现了类似趋势:

  • 美国核医学程序的年数量已增加三倍。
  • 美国的CT程序在1985年至2005年间增加了20倍。
  • 心脏影像和介入程序约占美国医学影像累积有效剂量的40%。

这种增长意味着心内科团队比以往任何时候都更需要了解如何安全使用辐射,而患者也需要理解这对他们意味着什么。

如何测量辐射剂量

"辐射剂量"一词可根据所使用的影像方法指代几种不同的测量值。了解这些术语有助于患者理解他们可能听到的数值。

按影像类型分类的关键剂量参数

  • 吸收剂量:单位质量物质中沉积的能量。单位:戈瑞(Gy)。1 Gy = 1焦耳/千克。
  • 当量剂量:吸收剂量乘以基于辐射类型的权重因子(X射线和伽马射线的权重因子为1)。单位:希沃特(Sv)。
  • 有效剂量:基于器官吸收剂量的全身性指标,根据各器官对辐射的敏感性进行加权。单位:希沃特(Sv)。

对于透视(用于侵入性冠状动脉血管造影和介入程序),关键测量指标包括:

  • 空气比释动能:单位质量空气中转移的能量,用电离室测量(戈瑞)。
  • 剂量面积乘积(DAP):空气比释动能与X射线束面积的乘积(Gy·cm²)。
  • 峰值皮肤剂量:受照射最严重的皮肤区域累积的吸收剂量(戈瑞)。
  • 透视曝光时间:使用透视的累计时间(秒或分钟)。

对于CT扫描,相关测量指标包括:

  • CT剂量指数(CTDI):单次轴向CT扫描的平均吸收剂量(戈瑞)。
  • 加权CT剂量指数(CTDIw):对视野进行加权的CTDI(中心占三分之一,边缘占三分之二)。
  • 容积CT剂量指数(CTDIvol):CTDIw除以螺距(每旋转的床移动距离除以层厚)。
  • 剂量长度乘积(DLP):CTDIvol乘以总扫描长度(mGy·cm)。

对于核医学,辐射来自发射伽马射线或粒子的放射性药物。 administered放射性活度以贝克勒尔(Bq)为单位测量,代表每秒的核衰变次数。

有效剂量与转换系数

有效剂量是讨论辐射时最常用的指标,因为它可以针对所有成像模态进行计算,并提供整体风险指示。然而,它最初是为人群辐射防护而设计的,仅考虑癌症风险。国际放射防护委员会(ICRP)制定了组织权重因子,以反映不同组织对辐射致癌效应的敏感程度。

组织 权重因子
性腺 0.08
骨髓 0.12
结肠 0.12
肺 0.12
胃 0.12
乳腺 0.12
其余组织* 0.12
膀胱 0.04
食管 0.04
肝脏 0.04
甲状腺 0.04
骨表面 0.01
大脑 0.01
唾液腺 0.01
皮肤 0.01

“其余组织”是指肾上腺、胸外区域、胆囊、心脏、肾脏、口腔黏膜、胰腺、前列腺、小肠、脾脏、胸腺、子宫、淋巴结和肌肉,它们共同被分配了0.12的权重因子。

这些权重因子是所有年龄、性别和体型人群的平均值,并假设风险与吸收剂量均匀分布在整个身体时相同。

有效剂量是通过将每个受照组织中的平均当量剂量乘以其组织权重因子,并对全身求和来计算的。这通常使用蒙特卡洛模拟软件完成。一种更快的方法是将显示的剂量指示器(如DAP或DLP)乘以特定成像模态和身体区域的转换因子。

对于CT,最广泛使用的转换因子是0.014 mSv/mGy·cm。然而,这个数字基于过时的组织权重因子,是使用旧CT技术得出的,并且是为胸部CT设计的——与冠状动脉CT血管造影(CTCA)相比,它包含不同比例的放射敏感组织。因此,该转换因子会低估真实的辐射剂量。

一项使用来自一家制造商的两台扫描仪扫描的患者计算机模型的研究表明,0.028 mSv/mGy·cm是CTCA更合适的转换因子。方便的是,使用旧因子计算的有效剂量值只需翻倍即可。最近的一项体模研究发现,转换因子的范围在0.020到0.043 mSv/mGy·cm之间,具体取决于CT扫描仪类型、协议和管电压。平均值为0.026 mSv/mGy·cm,已被提议作为CTCA更合适的转换因子。

有创冠状动脉造影(ICA)和核成像也存在类似问题。理想情况下,ICA的转换因子应考虑不同投照角度下的透视时间,但在实践中,使用的是基于常用投照角度平均值的单一转换因子。ICA中DAP的转换因子范围在0.18到0.24 mSv/Gy·cm²之间。在核成像中,有效剂量是通过将 administered 放射性药物活度乘以示踪剂特异性转换因子来计算的。不确定性来源于测量 administered 活度的误差、患者药代动力学的差异以及体型的变化。

转换因子的选择对引用的有效剂量有重要影响,因此必须始终说明所使用的因子。对于单个患者,有效剂量的不确定性可能高达±40%。

常见心脏检查的典型剂量

由于设备、协议和患者人口统计数据的差异,常见检查的典型有效剂量差异很大。以下是典型成年患者的近似剂量:

检查项目 有效剂量 (mSv)
胸部X光 0.02
冠状动脉钙化积分CT 1–3
低剂量冠状动脉钙化积分CT* 0.2–0.4
CT冠状动脉血管造影(CTCA) 2–5
TAVI CT评估(胸部、腹部和盆腔) 5–50
有创冠状动脉造影(ICA) 2–20
TAVI,经心尖途径 12–23
TAVI,经股动脉途径 33–100
诊断性电生理检查 0.1–3
射频心律失常消融术 1–25
SPECT:99mTc-甲氧基异丁基异腈(MIBI),仅负荷,全剂量 10
SPECT:静息和负荷,半剂量 6
SPECT:静息和负荷,全剂量 13
SPECT:99mTc-四膦酸盐,静息和负荷,半剂量 6
SPECT:静息和负荷,全剂量 11
SPECT:201铊,静息和负荷,半剂量 10.4
SPECT:静息和负荷,全剂量 21
PET:13N-氨(静息或负荷) 2
PET:15O-水(静息或负荷) 2
PET:82Rb氯化物 3
PET:18F-FDG 5
PET:18F-氟化钠 4

*使用迭代重建和管电压为100 kV或更低。如果在核医学成像中进行衰减校正CT,需额外增加约0.5–2 mSv。

进一步的标准化、审计和质量改进对于降低辐射剂量并提高医院间的一致性至关重要。辐射剂量为估算值,并非精确已知数值。

了解电离辐射的风险

电离辐射可以通过直接损伤蛋白质或DNA等分子,或通过电离产生的自由基的继发效应来损害生物组织。人体具有内在的DNA修复机制,可以减轻这些影响。事实上,研究已在CTCA、ICA和单光子发射计算机断层扫描(SPECT)后发现了DNA损伤和修复的生物化学标志物,但这些标志物在1天内恢复到正常背景水平。

确定性(非随机性)效应

确定性效应——如皮肤发红(红斑)和脱发——具有阈值水平。低于此水平,它们不会发生。高于此水平,效应的严重程度会随着剂量的增加而增加。在常规诊断成像中,超过这些水平的情况很少见。然而,接受长时间介入手术并在同一位置进行长时间透视成像的患者可能会超过皮肤损伤的阈值。

确定性效应 吸收剂量阈值(Gy)*
皮肤红斑(发红) 3–6
皮肤烧伤 5–10
暂时性脱发 4
不育 3–6
白内障 0.5

*对于急性暴露,出现这些效应的时间从皮肤变化的1周到白内障发展的20年不等。

最近的流行病学研究表明,晶状体混浊(白内障)的阈值剂量低于之前的估计——急性和延迟性暴露均为0.5 Gy。这对介入心脏病学和电生理学医生尤为重要,因此建议佩戴铅眼防护装备。

随机性(随机)效应

随机性效应——如恶性肿瘤的发生和生殖细胞突变——没有阈值水平,可能在任何辐射剂量下发生。其可能性(而非严重程度)随着吸收剂量的增加而增加。“线性无阈值”(LNT)模型广泛用于将辐射剂量与这些风险相关联。在该模型中,风险随辐射剂量线性增加,不存在无法发生的剂量下限。

大于100 mSv剂量的随机性效应的证据来自流行病学研究(如原子武器爆炸幸存者和辐射事故受害者)和动物模型。然而,局限性包括涉及的辐射类型不同、吸收剂量的变化、急性和延迟性暴露之间的差异,以及低于100 mSv剂量缺乏证据。暴露与癌症发展之间固有的延迟使情况更加复杂:

  • 实体恶性肿瘤的潜伏期通常为10–20年。
  • 淋巴瘤或白血病的潜伏期较短,为2–5年。

英国的癌症背景风险约为终身50%。因此,评估低剂量辐射的影响需要非常大的流行病学研究。国家研究委员会电离辐射的生物效应(BEIR)VII委员会制定了模型,用于估算医疗辐射暴露导致的潜在终身归因癌症风险。

年轻患者和女性的恶性肿瘤风险更高。使用这些模型,剂量为3.7 mSv的CTCA带来的额外终身癌症风险估计约为:

  • 7,000 人中 1 人,适用于 50 岁男性
  • 2,900 人中 1 人,适用于 50 岁女性

作为粗略估算,辐射暴露导致致命恶性肿瘤的风险可按 每 Sv 5% 或 每 mSv 20,000 人中 1 人 计算。据估计,2010 年英国癌症病例中有 0.59% 是由诊断性辐射暴露引起的。然而,必须始终权衡进行这些检查所带来的明确健康益处。

辐射防护:原则与法规

医疗照射中辐射防护的核心原则是 正当性、最优化 和 限值限制。

  • 正当性 意味着辐射暴露的益处应充分超过风险。适当性标准和国家标准有助于确定影像检查或程序是否适合个别患者。还必须考虑个体患者的具体情况。
  • 最优化 意味着使用达到足够诊断或成功程序所需的最小辐射量——即“合理可行尽量低”(ALARP)原则。
  • 限值限制 意味着个人的有效剂量不应超过推荐的剂量限值。

在英国,有两项关键法规规范辐射使用:

  1. 2017 年电离辐射法规(IRR) —— 旨在确保工作场所辐射使用对员工和公众的剂量保持在合理可行尽量低的水平。这是雇主的职责。通过工程控制、工作流程和个人防护设备来最小化剂量。IRR 规定了个人的年度剂量限值。根据国际放射防护委员会(ICRP)的建议,在最近一次更新中,晶状体的年度剂量限值已从 150 mSv 降低至每年 20 mSv。
  2. 2017 年电离辐射(医疗照射)法规(IR(ME)R) —— 涵盖医疗照射的正当性和最优化。关键角色包括 雇主(设定资格)、转诊医生(请求检查并提供足够信息)、从业者(评估检查是否正当并授权)和 操作员(执行实际操作)。IR(ME)R 还包括对培训、程序和设备的质保、照射最优化以及通知要求的规定。

《电离辐射(医疗暴露)条例》(IR(ME)R)确立了诊断参考水平(DRLs)的要求。DRLs 是基于标准体型患者(体重在50–90 kg的限定范围内)的典型检查剂量水平。在英国,DRLs 是通过对某项检查的剂量学值分布计算得出的四舍五入后的第三四分位数值。目前已有部分常见检查的国家 DRLs——但值得注意的是,目前尚无针对冠状动脉CT血管成像(CTCA)的国家 DRL。

DRLs 不是“平均”辐射剂量,也不是剂量限值。它们作为良好实践的指标,用于基准化本地实践。在正常情况下,预计个人照射不会持续超过 DRLs,但这必须与患者体型、程序复杂性和净患者益处等临床因素一起权衡。可能超过 DRLs 的情况包括慢性完全闭塞的复杂冠状动脉介入治疗(ICA),或当当地人口的平均体质指数高于计算 DRL 所使用的受限体重范围时。

程序 每次检查的吸收剂量面积乘积 (Gy·cm²) 每次检查的透视时间(分钟)
冠状动脉造影 31 4.3
冠状动脉搭桥血管造影 47 13
经皮腔内冠状动脉成形术(单支架) 40 11.3
起搏器(永久性) 7 6

IR(ME)R 还要求雇主制定辐射设备质量保证计划,并确保在暴露发生前向患者提供有关其益处和风险的信息。此外,放射性物质的给药受 IR(ME)R 监管,许可证申请目前由卫生和社会照护部管理。

心脏手术中安全使用荧光透视

荧光透视用于有创冠状动脉造影(ICA)、经皮冠状动脉介入治疗、器械植入和电生理检查。通过硬件改进、软件改进和良好的操作技术这三个途径,优化荧光透视期间的辐射暴露可最大限度地减少患者和工作人员的剂量。

降低剂量的技术

  • 自动曝光控制
  • 光谱束整形滤过器
  • 脉冲式荧光透视
  • 平板探测器
  • "末帧保持"功能
  • 荧光环回和荧光保存功能

良好的操作技术

  • 适当的准直(缩小初级X射线束的尺寸)
  • 最小化曝光时间
  • 使探测器靠近患者
  • 查看保存的荧光环回,而不是重复透视
  • 避免陡峭的斜向荧光透视角度,这会增加辐射剂量

向工作人员提供实时反馈有助于提高对辐射剂量的理解,尤其是对于受训人员。

荧光透视期间的工作人员暴露

工作人员的辐射暴露来自初级束和散射辐射。与经股动脉入路(通过腹股沟进入)相比,经桡动脉入路(通过手腕进入)会使操作者的辐射暴露略微增加,因为操作者离X射线管更近,且天花板安装的屏蔽在此位置效果较差。锁骨下入路意味着操作者位置更近,因此辐射剂量更高。

降低工作人员辐射剂量的最简单方法是"平方反比定律":将操作者与辐射源之间的距离加倍,可将剂量减少至原来的四分之一。

个人防护装备包括铅当量防护服、甲状腺防护罩、护目镜、帽子、手套和小腿防护罩。在 80 kV 下,0.35 mm 铅当量的防护服仅透射 3.1% 的辐射剂量。防护服必须合身并在侧面扣好,因为操作人员通常朝向 X 射线管倾斜。铅防护服和眼部防护应每年检查是否有缺陷,并小心存放。

房间屏蔽包括天花板悬挂式屏蔽、铅制台裙和患者遮盖布。透视室墙壁和门中的屏蔽将控制区外人员的剂量降低到远低于公众剂量限值。在复杂介入手术期间需要格外小心,因为长时间的透视和额外的工作人员会增加职业暴露。仔细的计划——例如在经导管主动脉瓣植入术(TAVI)前通过 CT 评估植入角度,或使用电解剖标测进行消融——可以减少暴露时间。

工作人员剂量监测使用被动或主动的个人剂量计来监测全身、领口、晶状体或四肢的剂量。2009/2010 年英国心脏病学家平均的职业全身暴露量为 0.12 mSv。介入心脏病学家和心脏电生理学家可能具有比诊断放射科医生高 两到三倍 的暴露量。

这种职业暴露的健康影响尚不确定。一项针对 43,763 名放射科医生和 64,990 名精神病学家的研究显示,在 1940 年之前执业的放射科医生中黑色素瘤、非霍奇金淋巴瘤和脑血管疾病有所增加,但在 1940 年之后开始执业的人群中没有超额死亡率。另一项研究确定了在 1940 年之前毕业且进行透视引导介入手术的男性白血病死亡率增加,但与精神病学家相比,总死亡率没有整体增加。

心脏 CT 扫描的安全使用

心脏 CT 有多种形式,包括非增强心电图门控的冠状动脉钙化积分 (CACS)、增强心电图门控的CT 冠状动脉造影 (CTCA),以及 TAVI 前的 CT 成像。在英国,CTCA 的平均患者剂量为 5.9 mSv(209 mGy·cm,使用转换系数 0.028 mSv/mGy·cm)。

CACS 使用标准化的采集参数以提供一致的钙化评估,辐射剂量为 1–3 mSv。低剂量 CACS 是可能的(0.2–0.4 mSv),但可能会高估或低估钙化积分。针对接受 TAVI 的患者的 CT 扫描涉及胸部、腹部和骨盆,以评估心脏和血管系统;由于心率较快和扫描范围较大,其剂量高于 CTCA。

CTCA 的剂量取决于患者因素,如心率和体质指数。检查的原因也很重要——例如,评估冠状动脉旁路移植血管所需的扫描范围比评估原生冠状动脉要大。

CTCA 的辐射剂量减少技术包括:

  • 前瞻性心电图门控
  • 降低管电压和管电流
  • 管电流调制
  • 最小化扫描范围
  • 迭代或基于模型的图像重建(可在较低剂量下提供诊断质量的图像)

对于心率较慢和体质指数较低的患者,使用最先进的技术,CTCA 的平均辐射剂量可低至 0.29 mSv。

核成像的安全使用

核技术是全球最常见的的心脏成像形式。在美国,心脏核成像占所有心脏成像的 26%。这些测试涉及注射放射性药物并测量其发射的伽马射线。

典型的有效剂量取决于所使用的示踪剂和方案。如上表所示,SPECT 的剂量范围从 6 mSv(半剂量静息和负荷方案)到 21 mSv(全剂量铊静息和负荷)。PET 的剂量通常较低,范围从 2 mSv(13N-氨或 15O-水)到 5 mSv(18F-FDG)。如果进行衰减校正 CT,必须将这些值额外增加 0.5–2 mSv。

这些典型值是基于推荐的标准患者示踪剂注射活性。核成像的优化涉及选择仍能产生诊断质量图像的最低活性,同时考虑患者的体型和临床问题。

这对患者意味着什么

对患者而言,关键要点是:单次诊断检查的辐射剂量通常较低,与获得准确诊断带来的益处相比,造成伤害的风险很小。作为参考,对于一位50岁男性,典型剂量为3.7 mSv的CTCA(冠状动脉CT血管造影)所带来的额外终身癌症风险估计约为1/7,000;对于一位50岁女性,该风险约为1/2,900——而背景终身癌症风险约为50%。

某些操作带来的剂量高于其他操作。复杂的介入手术(如经股动脉TAVI)可产生33–100 mSv的剂量,远高于标准CTCA。接受此类手术的患者应与心脏科医生讨论风险与益处;尽管这些手术通常能挽救生命,且益处远大于风险。

对于年轻患者和女性而言,风险相对较高,因此医生会尽可能采取措施尽量减少辐射暴露。您的医生所遵循的适用性标准和国家标准旨在确保您仅在真正需要时才接受辐射照射。

研究局限性

本教育综述承认心脏病学领域在辐射安全方面存在若干重要局限性:

  • 剂量估算的不确定性:对于个体患者,有效剂量的不确定性可达±40%。转换因子因扫描仪类型、方案和管电压而异。
  • 过时的转换因子:广泛使用的0.014 mSv/mGy·cm CT转换因子低估了辐射剂量,且基于旧技术和组织权重因子。
  • 缺乏低剂量证据:LNT模型依赖于高于100 mSv剂量的证据;在诊断成像所使用的低剂量下,关于癌症风险的直接证据有限。
  • CTCA缺乏国家参考剂量水平(DRL):这限制了英国各中心之间CTCA剂量的基准比较和标准化。
  • 职业暴露数据结果不一:对医务人员的调查显示,1940年后开始执业的人员没有出现超额死亡率,但长期影响仍不确定。

给患者的建议

如果您被安排接受涉及辐射的心脏影像检查或手术,以下是您应当了解并询问的内容:

  1. 询问为何需要进行该项检查。您的医生应能解释检查结果将如何改变您的治疗方案。如果某项检查不太可能改变您的管理策略,则可能没有必要进行。
  2. 询问是否有替代方案。对于某些问题,超声心动图或MRI可能在不使用辐射的情况下提供所需信息。
  3. 告知医生既往影像检查情况。如果您近期在其他地方做过CT扫描或核医学检查,请告知您的心脏科团队,以避免不必要的重复暴露。
  4. 不要对必要的检查感到恐惧。单次诊断检查的风险与未诊断或不恰当治疗的心脏疾病风险相比非常小。例如,一位50岁女性接受CTCA时,发生辐射相关癌症的风险约为1/2,900——而背景终身癌症风险为50%。
  5. 询问低剂量方案。许多中心提供低剂量技术(如前瞻性心电图门控或迭代重建),可在保持图像质量的同时显著降低辐射暴露。
  6. 对于介入手术,请与您的介入心脏科医生讨论辐射问题。复杂手术可能涉及较高剂量,您的团队应遵循ALARP(合理可行尽量低)原则以尽量减少暴露。
  7. 医护人员防护也关乎您的安全。如果您在手术过程中看到工作人员穿着铅衣、甲状腺护具和眼罩,这表明团队正在遵循最佳的辐射安全实践——这也保护了您。

常见问题

是否有任何辐射暴露是完全安全的?

文章指出,没有任何辐射暴露是完全没有风险的。线性无阈值模型假设癌症风险随剂量线性增加,且不存在安全下限。然而,准确诊断和挽救生命的治疗带来的益处通常远远超过这一微小的危害。

在心脏手术中采用哪些安全技术来尽量减少辐射?

医疗团队遵循ALARP原则——将剂量保持在合理可行的最低水平。采用的技术包括准直、脉冲透视、使探测器靠近患者、前瞻性心电图门控、降低管电压以及使用迭代重建。工作人员会穿戴铅衣、甲状腺防护罩和眼部防护装备。

我是否需要担心进行必要的心脏影像学检查?

单次诊断检查的风险通常较低,与未诊断或不适当治疗的心脏疾病风险相比微不足道。医生会使用适用性标准来确保检查的合理性。您可以询问为何需要进行该项检查、有哪些替代方案以及是否提供低剂量协议。

我如何减少重复心脏检查带来的辐射暴露?

请告知医生您近期在其他地方接受的CT或核医学扫描,以避免不必要的重复检查。询问是否可以通过超声或MRI在无需辐射的情况下获得所需信息。同时询问是否有低剂量协议可用,以及该检查是否会改变您的治疗方案。

如果我的医生建议进行心脏CT扫描或核医学成像检查,我何时应就辐射风险和可能的替代方案寻求第二诊疗意见?

如果您不确定拟议的心脏影像学检查(如冠状动脉CT血管造影、核负荷试验或透视引导下的手术)是否会改变您的治疗方案,则值得考虑寻求第二诊疗意见。超声(超声心动图)或MRI有时可以在无需辐射的情况下提供所需信息。请告知医生您近期接受的既往影像检查,以避免不必要的重复暴露,并询问低剂量协议。年轻患者和女性的相对辐射风险较高,因此他们尤其可能从确认检查的合理性中受益。Diagnostic Detectives Network 提供独立的专家第二诊疗意见。

来源信息

Original article title: Using radiation safely in cardiology

Authors: Michelle Claire Williams, Christina Stewart, Nicholas W Weir, David E Newby

Publication: Heart (Education in Heart), 2019;105:798–806. Published online 18 February 2019.