Abstract
Formål
Lungekreft screening med CT har nylig blitt anbefalt for å redusere lungekreft dødelighet. Stråledosen av CT, men må holdes så lavt som praktisk mulig for å redusere potensielle stokastiske risikoen fra ioniserende stråling. Hensikten med denne studien var å beregne pasientens individuelle lungedoser og å anslå kreftrisiko i lavdose CT (LDCT) sammenlignet med en standard dose CT (SDCT) protokoll.
Materialer og metoder
Denne studien inkluderte 47 voksne pasienter (gjennomsnittsalder 63,0 ± 5,7 år) som gjennomgår bryst CT på en tredje generasjons dual-kilde skanner. 23/47 pasienter (49%) hadde en ikke-forsterket brystet SDCT, 24 pasienter (51%) gjennomgikk LDCT 100 kVp med spektral forme i en dose som tilsvarer en kiste x-ray. 3D-dosefordelinger ble hentet fra Monte Carlo-simuleringer for hver pasient, tar hensyn til deres kroppsstørrelse og individuell CT-protokollen. Basert på dosefordelinger, ble pasientspesifikke lunge doser beregnet og relativ risiko for kreft ble beregnet i henhold til Beir VII anbefalinger.
Resultater
I forhold til SDCT, den LDCT protokollen tillatt for betydelig organ dose og kreft risikoreduksjon (p 0,001). I gjennomsnitt ble lunge dosen reduseres fra 7,7 mGy til 0,3 mGy når du bruker LDCT, som ble assosiert med reduksjon av kreftrisiko 8,6 til 0,35 per 100’000 tilfeller. En sterk lineær sammenheng mellom lunge dose og pasienten effektiv diameter ble funnet for begge protokollene (R
2 = 0,72 og R
2 = 0,75 for SDCT og LDCT, henholdsvis).
Konklusjon
bruk av LDCT protokoll for brystet CT med en dose som tilsvarer en kiste x-ray gir mulighet for betydelig lunge dose og kreftrisiko reduksjon fra ioniserende stråling
Citation. Saltybaeva N, Martini K, Frauenfelder T , Alkadhi H (2016) Organ Dose og tilskrives kreftrisiko i Lung Cancer Screening med lavdose computertomografi. PLoS ONE 11 (5): e0155722. doi: 10,1371 /journal.pone.0155722
Redaktør: Thomas Behrens, Universität Bochum, Tyskland
mottatt: 02.02.2016; Godkjent: 03.05.2016; Publisert: 20 mai 2016
Copyright: © 2016 Saltybaeva et al. Dette er en åpen tilgang artikkelen distribueres under betingelsene i Creative Commons Attribution License, som tillater ubegrenset bruk, distribusjon og reproduksjon i ethvert medium, forutsatt den opprinnelige forfatteren og kilden krediteres
Data Tilgjengelighet:. All relevant data er i avisen og dens saksdokumenter filer
finansiering:.. forfatterne har ingen støtte eller finansiering for å rapportere
konkurrerende interesser:. forfatterne har erklært at ingen konkurrerende interesser eksisterer
Innledning
i løpet av det siste tiåret, flere studier fokusert på lavdose computertomografi (LDCT) -baserte screening for lungekreft [1-5]. Ifølge National Lung Screening Trial (NLST), har kreft screening lunge med LDCT vist en overlevelsesfordel med en 20% reduksjon i lungekreft relatert dødelighet [6, 7]. Men det er en pågående diskusjon i forbindelse med stråledose på LDCT og dens tilhørende potensiell risiko for stråle-indusert lunge cancer. Dette er spesielt viktig for screening programmer på grunn av den kumulative dose forbundet med gjentatte CT-undersøkelser i store kohorter av personer.
De fleste av LDCT protokollene som brukes i dagens lungekreftscreeningforsøk ble hovedsakelig oppnådd ved å redusere tube nåværende ned til 40 MAS, noe som resulterer i estimerte effektive doser av 1-1.5mSv per CT undersøkelse [8-10]. Tredje generasjons dual-kilde CT er utstyrt med en selektiv foton skjold som eliminerer lavere energi fotoner fra røntgen-spekteret, og dermed gir for ytterligere stråledosereduksjon [11]. Nyere studier har vist at den estimerte effektive dose fra brystet CT kan dermed bli redusert ned til 0,06 mSv, å være på nivå med konvensjonelle brystet x-ray og samtidig opprettholde en god bildekvalitet av eksamen [11-15]. I alle disse studiene effektive doser ble estimert basert på volum CT doseindeks (CTDI
vol) verdier hentet fra elektronisk logget protokoller. Selv om denne fremgangsmåten gir mulighet for sammenligning mellom forskjellige protokoller CT, den CTDI
vol reflekterer den dose i ensartede fantomer, og kan ikke brukes som pasientspesifikk dose [16, 17]. En mer nøyaktig evaluering krever beregninger organ dose tar den individuelle pasient kroppshabitus i betraktning. Dessuten er den enkelte dose organ også et bedre mål for estimering pasient risiko, fordi den effektive dosen er beregnet for å estimere stråling fra hele populasjoner og ikke for personer [17-19].
Formålet denne studien var å beregne individuelle pasientlungedoser og levetid tilskrives risikoen for lungekreft fra en LDCT protokoll av brystet på en stråledose som tilsvarer en kiste x-ray og å sammenligne disse verdiene med de fra en standard kiste CT-protokoll. Siden lungekreft screening ble anbefalt for personer i alderen 55 og 74 år [10, 20], fokuserte vi vår studie eksplisitt på pasienter i denne aldersgruppen.
Materialer og metoder
Pasient befolkning
studien inkluderte 47 sammenhengende pasienter mellom 55 og 74 år (gjennomsnittsalder 63,0 ± 5,7 år, 27 menn, gjennomsnittsalder 64,0 ± 5,8 år og 20 kvinner, gjennomsnittsalder 63,0 ± 6,9 år) som var henvist til vår avdeling for ikke-forsterket brystet CT. Gjennomsnittlig kroppsmasseindeks (BMI) var 26,3 ± 5,6 kg /m
2. Indikasjoner for brystet CT var som følger: diffus parenkymatøs lungesykdom (n = 23); denne gruppen gjennomgikk avbildning med vår standard dose CT (SDCT) protokollen, og oppfølging av kjente lunge knuter (n = 15) og mistanke om lungeinfeksjon i immunsvikt pasienter (n = 9); sistnevnte pasientene (totalt n = 24) gjennomgikk avbildning med vår LDCT protokollen beskrevet nedenfor.
Denne studien hadde lokal Institutional Review Board godkjenning (Kantonale Ethikkommission Zürich) for retrospektiv bruk av CT-bildene, der identifiserende informasjon har vært fjernet. Skriftlig informert samtykke ble frafalt på grunn av den retrospektive natur studien.
CT scanning og rekonstruksjon
Alle pasientene ble skannet cranio-caudally på en tredje generasjons 192-bit dual-kilde CT-skanner (SOMATOM Force, Siemens Healthcare, Forchheim, Tyskland) operert i single-source-modus.
Twenty-fire av de 47 pasientene (51%) ble skannet med SDCT protokollen med automatisk demping basert tube spenningsvalg (CAREkV, Siemens) og demping baserte tube strøm modulering (CareDose4D, Siemens) med kvalitet referanseverdier for 120 kVp og 70 mas. De andre tre og tyve pasienter (49%) ble scannet med LDCT ved 100 kVp og med en kvalitet referanse rørstrøm-produkt på 45 MAS, som tidligere vist [11, 13, 15]. En 0,6 mm Sn-filter ble brukt for spektral formingen ved å eliminere lavenergifotoner fra spekteret. En stigning på 1,2, kollimering av 0,6 x 96 mm ved hjelp av z-flygende brennpunktet, og en portal rotasjon tid på 0,5 sekunder ble anvendt for begge protokollene. Alle CT-bildene ble rekonstruert ved anvendelse av en skivetykkelse på 2 mm, en trinnstørrelse på 1,6 mm, og ved hjelp av en skarp vev konvolusjon kjerne (Bl64) med avansert modellerte IR (ADMIRE) ved en styrkenivå tre, slik som tidligere vist [13].
Bildekvalitet kvalitet~~POS=HEADCOMP analyse
en leser (KM, med to års erfaring innen radiologi), ikke er involvert i kvalitativ analyse som er lagt inn fem sirkulære region interesser (Rois) i det subkutane fettvevet av hver pasient skannet med både SD og LDCT. ROI størrelse ble fastsatt til 380 mm
2. Gjennomsnittlig bildestøy ble definert som standardavviket av demping i påfølgende Rois på forskjellige slice posisjoner, som tidligere vist andre steder [13].
For begge pasientgrupper, subjektive bildekvalitet (diagnostisk kontra ikke-diagnostisk) var evaluert av to andre, uavhengige lesere (HA, med 15 års erfaring i radiologi, TF med 14 års erfaring innen radiologi).
Monte Carlo-simuleringer
Monte Carlo (MC) simuleringer var utføres ved hjelp av en kommersielt tilgjengelig programvareverktøy (ImpactMC, CT Imaging GmbH, Erlangen, Tyskland) for å oppnå 3D dosefordelinger. Nøyaktigheten av verktøyet ble tidligere validert i antropomorfe fantomer for både aksial og spiral skannemodi [21]. MC simuleringer ble utført ved anvendelse av spesifikke skanner geometri, filtrering, kollimasjon og rørspenning som anvendt for de respektive CT-undersøkelser. Individuelle pasientbilder kjøpt fra CT-skanner ble brukt som en inngangsvolumet for MC simuleringer. Den opprinnelige tube nåværende modulekurver sammen med start- og sluttvinkelposisjon av røret ble hentet fra rådata ved hjelp av en produsent gitt verktøy.
Organ dose beregning
Basert på en 3D dosefordeling ethvert organ dose innenfor volum kan beregnes som en middelverdi av alle lydelementer som er tilordnet et gitt organ. De lydelementer knyttet til lungevevet ble identifisert basert på CT-data eksplisitt for hver pasient ved hjelp av global HU-baserte thresholding (ImageJ programvare). Da lungene dosen ble beregnet ut fra 3D dosefordeling som en gjennomsnittlig dose verdi innenfor det segmenterte volumet.
For å undersøke avhengighet organ dose på pasientens størrelse, vi målte den enkelte pasientens lateral diameter D
lat og Antero-posterio diameter D
ap ved hjelp av sine CT-bilder. Den effektive diameter D
eff ble beregnet som følger: (1) og ble brukt som en indikator på pasientens størrelse
Risikovurdering
For å estimere den potensielle risikoen for stråling-indusert lunge. kreft vi brukte en modell foreslått av Beir VII [22]. Denne modellen er designet for estimering av levetiden som skyldes faren for en eksponert individ utvikle kreft. Ifølge Beir VII risikoen kan beregnes som følger: (2) R
n er antall krefttilfeller per 100’000 personer for et bestemt organ n; D
n er det organ dose i Gy, og k
n
a, er g en alders- og kjønnsspesifikk risiko koeffisient for orgel n. Koeffisientene k
n
a, g er ordnet i Beir VII rapport for menn og kvinner på diskrete alderen 0, 5, 10, 15, 20, 30, 40, 50, 60, 70 og 80 år . Verdier av risikoen koeffisient på middels alder ble bestemt ved hjelp av lineær interpolasjon. Siden den individuelle risikoen avhenger ikke bare av orgelet dose, men også på pasientens alder og kjønn (se likning 2), ble pasientene delt inn i 3 aldersgrupper (55-60 år, 61-67 år og 68-74 år). De gjennomsnittlige risikoverdier innenfor hver aldersgruppe ble beregnet separat for mannlige og kvinnelige pasienter i både LDCT og SDCT kohorter.
Dataanalyse
Alle statistiske analyser ble utført ved hjelp av kommersielt tilgjengelig programvare (SPSS, utgivelse 22,0, SPSS, Chicago, IL, USA). Normalfordeling ble testet ved hjelp av Shapiro-Wilk test. Post-hoc kraft analyse viste at en prøvestørrelse på 24 i hver pasient gruppe vil gi en betydelig Pearson korrelasjon med en middels virkning størrelse på en 0,05 nivå av betydning, og en styrke på 80%. Lineær regresjonsanalyse ble utført for å vurdere sammenhengen mellom lunge dose og pasienten effektiv diameter for både SDCT og LDCT protokoller. Student
t
-test for uavhengige utvalg ble utført for å bestemme betydningen av forskjellene i lunge doser i LDCT og SDCT brystprotokoller. Det samme
t
-test ble brukt for å vise signifikant forskjell i risiko verdier beregnet for LDCT protokollen i forhold til SDCT en. En to-tailed
p-
verdi under 0,05 ble ansett for å indikere en statistisk signifikant forskjell.
Resultater
Representative bilde eksempler på to pasienter skannet med SDCT og med LDCT er gitt i figur 1. lunge dose for pasienten skannet med SDCT protokollen tangert 5,6 mGy, mens lungene dose for pasienten skannet med LDCT var 0,44 mGy. Begge CT-undersøkelser ble vurdert å være av diagnostisk bildekvalitet.
2 viser et eksempel på pasient CT data og tilhørende 3D dosefordeling i pasientvolumet oppnådd ved MC simuleringer. Det kan sees at spiral banen til røntgenrøret med en stigning på 1,2 er reflektert av spiralstriper i dosefordeling.
Merk spiral banen til røntgenrøret som fører til heterogene dosefordelinger.
Organ dose
Tabell 1 og 2 viser pasientens alder, kjønn, effektiv diameter, og lungene dose beregnes ut fra MC simuleringer for henholdsvis SDCT og LDCT,. Begge SDCT og LDCT pasientpopulasjoner kategorisert etter alder og effektiv diameter ble normalfordelt. Den gjennomsnittlige lunge dosen var 7,7 mGy (range 4,9 til 10 mGy) og 0,3 mGy (område 0,16 til 0,52 mGy) for SDCT og LDCT hhv.
Resultatene for lunge dose som funksjon av pasientens størrelse (effektiv diameter) for begge protokollene er vist i figur 3. med SDCT protokollen de absolutte doseverdier til lungene var en størrelsesorden høyere enn de fra LDCT protokollen (
p 0
.
001)
. Regresjonsanalyse viste en sterk lineær sammenheng mellom pasientens størrelse og lunge dose for begge protokollene (R
2 = 0,72 og R
2 = 0,75 for SDCT og LDCT, henholdsvis).
Lung kreftrisiko
Den gjennomsnittlige levetiden skyldes risikoen for lungekreft fra en enkelt CT undersøkelse beregnet for mannlige og kvinnelige pasienter i enkelte aldersgruppene er vist i figur 4. Den estimerte risikoverdier for kvinner kreft var betydelig høyere enn for hanner i begge LDCT og SDCT protokoller (
p
= 0,004,
p
= 0,001) (tabell 1). Den estimerte levetiden skyldes risikoen for lungekreft var signifikant lavere for LDCT i forhold til SDCT protokollen (
p
0,001). Risikoen falt med høyere pasientens alder for begge protokollene.
Diskusjoner
I denne studien har vi beregnet pasientspesifikke lunge doser og estimert levetid kan tilskrives kreftrisiko fra brystet CT. Vi har sammenlignet to forskjellige protokoller, en SDCT og en nylig introdusert LDCT protokoll med en stråledose som tilsvarer at fra brystet x-ray, som er rapportert å være i størrelsesorden 0.02mSv for posteroanterior studier og i området 0.1mSv for anteroposterior og laterale bryst studier [23]. I motsetning til tidligere forskere [12-14], utførte vi dose vurderinger basert på Monte Carlo-simuleringer, tar examination- og pasientspesifikke parametre i betraktning. I en sammenligning med de grove beregninger basert på CTDI
vol verdier som genereres automatisk av skanneren, denne løsning tillater ikke bare å beregne den effektive dose, men også for å beregne den enkelte pasientens dose til lungene, og således, for å estimere individuell levetid tilskrives risikoen for lungekreft.
Dette arbeidet eksplisitt fokus på lunge dose på grunn av følgende grunn. I motsetning til den strålings-assosiert levetid tilskrives kreftrisiko for det meste av andre organer, som er høyest ved yngre alder, den overskytende risiko for stråleindusert lungekreft er høyest i de under eller omtrent 55 år ved eksponering [22, 24]. Vår undersøkelse har vist at dosen til lungene kan reduseres betraktelig ved bruk av en LDCT i stedet for en standarddose-protokoll. I tillegg kunne vi demonstrere en sterk lineær avhengighet mellom lunge dose og effektiv pasient diameter for begge protokollene. Dette kan forklares ved det faktum at selv om CT-skanner justerer MAS-verdier til pasientens størrelse i henhold til en eksponentiell funksjon, den ytterligere fettvev i mer overvektige pasienter tjener som naturlig skjerming og således dose for indre organer øker langsommere og kan tilnærmes med en lineær funksjon. Ligner organ dose avhengighet av pasientens størrelse har allerede vist av andre forskere [25].
Risikovurderingen utføres i studien viste at for både menn og kvinner levetiden skyldes kreftrisiko er avtagende med pasientens alder for begge LDCT og SDCT protokoller. Dette kan forklares ved det faktum at risikoen er ikke bare en funksjon av dosen organ, men også sterkt avhengig av pasientens alder [22]. Derfor, selv om stråledosen til lungene for noen individer var høyere på grunn av større kroppsstørrelse, gjennomsnittlig risiko hos eldre pasienter (gruppen over 60 år) var lavere.
Selv om vi fant at levetid tilskrives risikoen for lungekreft fra en enkelt LDCT undersøkelse var relativt lav, screening ville gi høyere risikoverdier på grunn av behovet for gjentatte CT-undersøkelser. For eksempel fikk de NLST trial deltakerne screening med årlig lavdose CT i 3 år [26]. I den største europeiske NELSON rettssaken, nåværende røykere eller tidligere røykere som hadde sluttet å røyke mindre enn 10 år siden gjennomgikk en CT-undersøkelse i år 1, 2, 4 og 6 [27]. De siste retningslinjene fra American Cancer Society og National Comprehensive Cancer Network anbefales LDCT screening for personer over 55 i hvert år frem til fylte 74 [28]. Derfor kan antallet av CT-undersøkelsesprosedyrer i cancerscreeningprogrammer varieres med faktoren 3 til 25. Gitt den gjennomsnittlige lunge dose på 7 mGy og 0,3 mGy og tilsvarende levetiden kreftrisiko på 8,6 og 0,35 tilfeller pr 100’000 populasjon fra en enkelt SDCT og LDCT, henholdsvis som beregnet i denne studien, lungekreft screening som anbefalt av disse samfunnene vil bli assosiert med en økning av den som kan tilskrives levetid kreftrisiko opp til 215 og 8,7 tilfeller pr 100’000 innbyggere for SDCT og LDCT hhv. Derfor er det spesielt viktig å holde doseverdier stråling fra individuelle CT-undersøkelser
så lavt som praktisk mulig plakater (den såkalte ALARA-prinsippet i radiologisk avbildning med ioniserende stråling). Ved å bekrefte tidligere studier, kan vi vise at en LDCT protokoll bruke ulike stråledosebesparende teknikker gir mulighet for CT lunge bildebehandling i en dose som tilsvarer en kiste x-ray (0.06mSv).
Følgende studie begrensninger må erkjennes. Først ble de pasient CT data som brukes som en inngang volum for MC simuleringer begrenset av lengden på skanningen og dermed inkluderer ikke over-skanning effekter i beregningene. Men da det i alle CT-undersøkelser lungevolumet var fullstendig dekket av skanneområde, kan virkningen av over-scanning på lungen dosen ubetydelige [29]. For det andre, er nøyaktigheten av våre risiko beregninger begrenset av usikkerheten i dagens kreft risikomodell, basert på levetiden studier av atomic bombe overlevende. Videre risiko koeffisientene publisert i BEIRVII rapporten og brukt i denne studien er statistiske gjennomsnitt over mange individer av samme kjønn og samme alder. Derfor må man være forsiktig når man tolker resultatene av enkelte pasients risiko. Likevel er pasientspesifikk risiko informasjon som presenteres i vår studie representerer et skritt videre utover effektiv dose mot personlig pasientbehandling slutt, vi bare undersøkt en CT-skanner fra en produsent. Siden den selektive fotonet skjold for enkelt energi er i dag en unik teknikk fra én leverandør bare kan resultatene fra denne studien ikke ekstrapoleres til andre systemer.
I konklusjonen, vår studie bestemt pasient og eksamensspesifikke lunge doseverdier , noe som åpner for individuelle pasient risikovurderinger, som er obligatorisk når balansere fordeler og risiko fra ioniserende stråling i forbindelse med lungekreft screening med CT. Lunge doser beregnet i denne studien ytterligere styrke behovet for å ansette LDCT protokoller til lunge screening studier for å holde risikoen for befolkningen generelt så lavt nivå som mulig.
