Αξιολόγηση δόσης και ποιότητας εικόνας στην παιδιατρική ακτινογράφηση με χρήση τεχνικών Monte Carlo

Abstract

Chest and abdomen radiographs are the most common examinations in paediatric radiology. Radiation protection is of particular importance in paediatric radiology. X-ray examination of children attracts particular interest, mainly due to the increased risk for the expression of delayed radiogenic cancers as they have many years of expected life remaining. It is important to ensure that patient radiation dose is kept to low level without image quality degradation. In this work, the effective dose, risk and image quality were assessed in chest and abdomen radiography.Patient data and exposure parameters were recorded during examinations of 240 patients, separated in four age groups undergoing chest or abdomen examinations, according to their anatomical characteristics. The dose and risk were estimated utilizing the PCXMC 2.0 code. The organs received the highest dose in all patient groups were liver, lungs, stomach, thyroid, pancreas, breast, spleen in chest radiographs and liver, lungs, colon, stomach and ovaries, uterus (for girls) and prostate (for boys) in abdomen radiographs. The effective dose for the chest was 4.9 – 10.7 μ Sv, while for the abdomen 21.1- 62.6 μ Sv.The mean REID value was1.254 x10-5 for the abdomen and0.645x10-5for the chest. The risk was slightly higher in the case of 1 y age group. The image quality was assessed by two radiologists based on image features provided by the CEC guidelines. Image quality values were similar for all age groups, with a slight increase in chest radiographs compared to abdomen radiographs. Improved image quality values were obtained for the processed images, for both chest and abdomen radiographs. Additionally, the influence of increased body mass index (BMI) in radiation dose and associated risk was investigated for paediatric patients aged 5 to 6.5 years, undergoing chest (64 patients) or abdomen (64 patients) radiography. Patients were categorized into normal and overweight, according to the BMI classification scheme. Entrance surface dose (ESD), organ dose, effective dose (ED) and risk of exposure induced cancer death (REID) were calculated using the Monte Carlo based code PCXMC 2.0. Statistically significant increase in patient radiation dose and REID was obtained for overweight patients as compared to normal ones, in both chest and abdomen examinations (Wilcoxon singed-rank test for paired data, p<0.001). The percentage increase in overweight as compared to normal patients of ESD, organ dose (maximum value), ED and REID was 13.6%, 24.4%, 18.9% and 20.6%, respectively, in case of chest radiographs. Corresponding values in case of abdomen radiographs were 15.0%, 24.7%, 21.8% and 19.8%, respectively. An increased BMI results in increased patient radiation dose in chest and abdomen paediatric radiography.

Ένα σημαντικό εργαλείο για τη διάγνωση και αντιμετώπιση μιας σειράς παθήσεων και άλλων προβλημάτων είναι η Κλασική Ακτινογράφηση. Οι ακτινογραφίες Θώρακος και Κοιλίας είναι οι πιο συνήθεις εξετάσεις στην παιδιατρική ακτινογράφηση. Έχουν γίνει αρκετές μελέτες τόσο στην κλασική ακτινογράφηση όσο και στην Ακτινοσκόπηση, Υπολογιστική Τομογραφία και Επεμβατική Ακτινολογία με έμφαση στη δόση ασθενούς. Σε όλες τις ανωτέρω περιπτώσεις υπάρχουν δύο βασικές προϋποθέσεις. Η πρώτη είναι η υψηλή ποιότητα εικόνας, ώστε να ικανοποιούνται οι διαγνωστικές απαιτήσεις και δεύτερη η μείωση της δόσης στον ασθενή, καθώς θεωρητικά κάθε έκθεση σε ακτινοβολία εγκυμονεί κινδύνους. Η δεύτερη απαίτηση γίνεται πιο σημαντική και ισχυρή στην περίπτωση των παιδιών, καθώς για την ίδια δόση ο κίνδυνος για ένα παιδί είναι αρκετά υψηλότερος από τον κίνδυνο σε έναν ενήλικα, λόγω αρχικά της υψηλής ακτινοευαισθησίας των ιστών και των οργάνων του παιδιού και δεύτερο λόγω του μεγάλου προσδόκιμου ζωής του.Υπάρχουν διάφοροι μέθοδοι σχετικά με τους οποίους μπορεί να υπολογισθεί η δόση. Είτε με χρήση της Επιφανειακής Δόσης Εισόδου (ESD), της Δόσης επί επιφάνεια (DAP), με δοσίμετρα θερμοφωτάυγειας (TLD) και υπολογιστικά με χρήση τεχνικών Monte Carlo. Το δείγμα των παιδιατρικών ασθενών μπορεί να κατηγοριοποιηθεί ανάλογα με την ηλικία, το φύλο, το βάρος ή και συνδυασμό των παραπάνω. Δεν έχουν γίνει όμως αρκετές μελέτες σχετικά με τη χρήση ψηφιακών ανιχνευτών, δηλαδή με συστήματα νεότερης τεχνολογίας, καθώς επίσης μελέτες για τη διερεύνηση του ρόλου του Δείκτη Μάζας Σώματος (BMI) στη δόση.Σκοπός και βασικός στόχος της παρούσας διατριβής είναι η μελέτη της δόσης και της ποιότητας εικόνας και η διερεύνηση του ρόλου του αυξημένου BMI στις ακτινογραφίες Θώρακος και Κοιλίας στην παιδιατρική ακτινογράφηση, με ακτινολογικό μηχάνημα που κάνει χρήση ψηφιακού ανιχνευτή. Έγινε αξιολόγηση δόσης και εικόνας και ειδικότερα για τη δόση έγινε διερεύνηση με τη χρήση τεχνικών Monte Carlo.Όλα τα δεδομένα συλλέχτηκαν στο Καραμανδάνειο Νοσοκομείο Παίδων, Πάτρας το οποίο χρησιμοποιεί μηχάνημα με ψηφιακό ανιχνευτή. Το δείγμα αποτελούταν από 300 ακτινογραφίες Θώρακος ή Κοιλίας. Καταγράφηκαν τα ανατομικά χαρακτηριστικά των ασθενών (βάρος, ύψος, ηλικία), οι παράμετροι έκθεσης (τάση, φορτίο), τα δεδομένα γεωμετρίας της δέσμης (απόσταση λυχνίας ασθενούς, μέγεθος πεδίου) και τα χαρακτηρίστηκα της λυχνίας (γωνία ανόδου, φίλτρο λυχνίας). Για τις προσομοιώσεις επιλέχθηκε ο PCXMC 2.0 κώδικας προσομοίωσης, ο οποίος είναι εμπορικά διαθέσιμος. Η κάθε προσομοίωση έγινε καταχωρώντας τα πραγματικά δεδομένα που είχαν καταγραφεί. Οι προβολές ήταν οπισθοπρόσθιες για τις ακτινογραφίες Θώρακος και προσθοπίσθιες για τις ακτινογραφίες Κοιλίας. Το πλήθος των φωτονίων ήταν δύο δισεκατομμύρια (συγκρίσιμο με την υπάρχουσα βιβλιογραφία) ώστε να είναι όσο το δυνατόν μικρότερο το σφάλμα. Εκτιμήθηκε η δόση 29 οργάνων, η ενεργός δόση σύμφωνα με δύο πρωτόκολλα (ICRP 60, ICRP 103) και τέλος η πιθανότητα θανάτου από καρκίνου (REID) και η πιθανότητα εμφάνισης καρκίνου. Η παρούσα διατριβή χωρίστηκε σε τρία στάδια συλλογής και επεξεργασίας δεδομένων. Αρχικά έγινε κατηγοριοποίηση των παιδιατρικών ασθενών ανάλογα με την ηλικία σε τέσσερις ομάδες (1, 5, 10, 15 ετών). Δεύτερον, κατηγοριοποίηση ανάλογα με το BMI και το φύλο, για μια ηλικιακή ομάδα (5 ετών). Και τέλος κατηγοριοποίηση ανάλογα με την ασθένεια και την ηλικία (1, 5, 10 ,15). Τα αποτελέσματα χωρίστηκαν κι αυτά σε τρία στάδια. Πρώτον, εκτίμηση δόσης οργάνων , ενεργού δόσης και τιμής REID για όλες τις ηλικιακές ομάδες ανεξαρτήτου φύλου. Δεύτερο, σύγκριση δόσης και τιμής REID για κανονικού βάρους και υπέρβαρους ασθενείς και τρίτο, αξιολόγηση δόσης και αξιολόγηση ποιότητας εικόνας (αρχικές και επεξεργασμένες) από δύο έμπειρους ακτινολόγους, κάτω από συγκεκριμένες συνθήκες παρατήρησης και σύμφωνα με τα Ευρωπαϊκά κριτήρια αξιολόγησης. Τα όργανα που δέχτηκαν υψηλότερη δόση είναι στην ακτινογραφία Θώρακος: ήπαρ, πνεύμονες, θυρεοειδής αδένας, στήθος, πάγκρεας, σπλήνας και στην ακτινογραφία Κοιλίας: ήπαρ, πνεύμονες, έντερο, στομάχι, ωοθήκες- μήτρα (για κορίτσια), προστάτης (για αγόρια). Η Επιφανειακή Δόση Εισόδου (ESD) παρουσιάζει μη στατιστικώς σημαντική διαφορά στα αγόρια και κορίτσια για ακτινογραφίες Θώρακος και Κοιλίας (Mann-Whitney U test, p>0.05), πράγμα που οφείλεται στις παρόμοιες τιμές παραμέτρων έκθεσης για αγόρια και κορίτσια. Παρατηρήθηκε στατιστικώς σημαντική αύξηση (Wilcoxon test, p<0.001) μεταξύ κανονικού βάρους και υπέρβαρων αγοριών, κοριτσιών και του συνόλου παιδιών (19,5%, 14,8% 15,6 %, για ακτινογραφίες Θώρακος και 16,1%, 13,8%, 15,0% για ακτινογραφίες Κοιλίας). Για τη δόση οργάνων, ενεργό δόση και τιμές REID παρουσιάστηκε μη στατιστικώς σημαντική διαφορά στα αγόρια και κορίτσια για ακτινογραφίες Θώρακος και Κοιλίας (Mann-Whitney U test, p>0.05) και στατιστικώς σημαντική αύξηση της δόσης οργάνων (Wilcoxon singed-rank test, p<0.001) μεταξύ κανονικού βάρους και υπέρβαρων αγοριών, κοριτσιών και του συνόλου παιδιών (10-22% για ακτινογραφίες Θώρακος και 16-25% για ακτινογραφίες Κοιλίας). Σε σύγκριση με προγενέστερες μελέτες παρατηρήθηκε ότι οι μέσες τιμές της Επιφανειακή Δόση Εισόδου και της Ενεργού Δόσης είναι συγκρίσιμες με αυτές για τις ακτινογραφίες Θώρακος και συγκρίσιμες ή αρκετά μικρότερες για τις ακτινογραφίες Κοιλίας για όλες τις ηλικιακές ομάδες. Η ποιότητα εικόνας (IQ score) έχει υψηλότερη τιμή για ακτινογραφίες Θώρακος σε σχέση με ακτινογραφίες Κοιλίας και υψηλότερη τιμή για τις επεξεργασμένες εικόνες σε σχέση με τις αρχικές .Συμπερασματικά, ο θεωρητικός κίνδυνος που έχει μια ακτινογραφία Θώρακος ή Κοιλίας δε μπορεί να αποτελεί αντένδειξη για την πραγματοποίηση της. Στις ακτινογραφίες θώρακος και κοιλίας παρατηρούνται αρκετά μικρές τιμές δόσης. Στην παιδιατρική ακτινογράφηση η δόση είναι πάντα μεγαλύτερη στις εξετάσεις Κοιλίας από τις εξετάσεις Θώρακος. Οι τιμές REID είναι ελαφρώς αυξημένες στην περίπτωση της κοιλίας και κυρίως στις μικρότερες ηλικιακές ομάδες. Επίσης, η ποιότητα εικόνας είναι υψηλή και γίνεται ακόμα καλύτερη αν υπάρχει δυνατότητα για ψηφιακή επεξεργασία εικόνας. Επιπλέον, οι αυξημένες τιμές BMI οδηγούν σε αυξημένες τιμές δόσης.