PLoS ONE: Organ Dosis og Fordeles Cancer Risk i Lung Cancer Screening med Low-Dose Computed Tomography

Abstrakt

Formål

Lungekræft screening med CT er for nylig blevet anbefalet til faldende lungekræft dødelighed . Strålingen dosis af CT, dog skal holdes så lavt som rimeligt muligt for at reducere potentielle stokastiske risici forbundet med ioniserende stråling. Formålet med denne undersøgelse var at beregne de enkelte patienters lunge doser og at estimere kræftrisiko i lavdosis CT (LDCT) i sammenligning med en standard dosis CT (SDCT) protokol.

Materialer og metoder

Denne undersøgelse omfattede 47 voksne patienter (gennemsnitsalder 63,0 ± 5,7 år) gennemgår brystet CT på en tredje generation dual-source-scanner. 23/47 patienter (49%) havde en ikke-forstærket brystet SDCT, 24 patienter (51%) gennemgik LDCT ved 100 kVp med spektral formning i en dosis svarende til en røntgenundersøgelse af thorax. 3D-dosis distributioner blev opnået fra Monte Carlo simuleringer for hver patient, under hensyntagen til deres kropsstørrelse og individuelle CT-protokol. Baseret på dosis distributioner blev patientspecifikke lunge doser beregnet og relativ risiko for kræft blev anslået i henhold til BEI VII anbefalinger.

Resultater

I forhold til SDCT, den LDCT protokol tilladt for betydelig orgel dosis og reduktioner kræft risiko (p 0,001). I gennemsnit blev lunge dosis reduceret fra 7,7 mGy til 0,3 mGy ved brug af LDCT, der var forbundet med sænkning af kræftrisiko 8,6-0,35 per 100.000 sager. En stærk lineær korrelation mellem lunge dosis og patient effektive diameter blev fundet for begge protokoller (R

2 = 0,72 og R

2 = 0,75 for SDCT og LDCT henholdsvis).

Konklusion

Anvendelse af en LDCT protokol for brystet CT med en dosis svarende til en kiste x-ray giver mulighed for betydelig reduktion lunge dosis og cancer risiko for ioniserende stråling

Henvisning:. Saltybaeva N, Martini K, Frauenfelder T , Alkadhi H (2016) Organ Dosis og fordeles Cancer Risk i Lung Cancer Screening med Low-Dose Computed Tomography. PLoS ONE 11 (5): e0155722. doi: 10,1371 /journal.pone.0155722

Redaktør: Thomas Behrens, Universität Bochum, Tyskland

Modtaget: Februar 2, 2016 Accepteret: 3 maj 2016; Udgivet: 20 maj, 2016

Copyright: © 2016 Saltybaeva et al. Dette er en åben adgang artiklen distribueres under betingelserne i Creative Commons Attribution License, som tillader ubegrænset brug, distribution og reproduktion i ethvert medie, forudsat den oprindelige forfatter og kilde krediteres

Data Tilgængelighed:. Alle relevante data er inden for papir og dens støtte Information filer

finansiering:.. forfatterne har ingen støtte eller finansiering til at rapportere

konkurrerende interesser:. forfatterne har erklæret, at der ikke findes konkurrerende interesser

Introduktion

i det sidste årti, flere undersøgelser fokuseret på lav-dosis computertomografi (LDCT) -baseret screening for lungekræft [1-5]. Ifølge National Lung Screening Trial (NLST), har lungekræft screening med LDCT vist en overlevelse fordel med en 20% reduktion i lungekræft dødelighed [6, 7]. Men der er en løbende debat relateret til strålingsdosis på LDCT med tilhørende potentiel risiko for strålingsinduceret lungekræft. Dette er især vigtigt for screening programmer på grund af den kumulative dosis forbundet med gentagne CT-undersøgelser i store kohorter af individer.

De fleste af de LDCT protokoller, der anvendes i de nuværende lungekræft screening forsøg blev primært opnås ved at reducere røret nuværende ned til 40 mAs, hvilket resulterer i estimerede effektive doser af 1-1.5mSv pr CT-undersøgelse [8-10]. Tredje generation af dual-source CT er udstyret med en selektiv foton skjold, der eliminerer lavere energi fotoner fra x-ray spektrum, hvilket giver mulighed for yderligere reduktion strålingsdosis [11]. Nylige undersøgelser har vist, at den anslåede effektive dosis fra brystet CT således kan reduceres ned til 0,06 mSv, at være på niveau med konventionelle røntgen-ray og samtidig opretholde en god billedkvalitet af undersøgelsen [11-15]. I alle disse undersøgelser blev effektive doser estimeret baseret på CT dosis mængdeindeks (CTDI

vol) værdier taget fra elektronisk logget protokoller. Selv om denne metode giver mulighed for sammenligning mellem forskellige CT-protokoller, CTDI

vol afspejler dosis i ensartede fantomer og kan ikke bruges som patienten-specifikke dosis [16, 17]. En mere præcis vurdering kræver dosis beregninger orgel tager den enkelte patient krop habitus i betragtning. Derudover individuelle orgel dosis er også et bedre mål for estimering patient risiko, fordi den effektive dosis er beregnet til at estimere bestrålingen af ​​hele befolkninger og ikke for enkeltpersoner [17-19].

Formålet med denne undersøgelse var at beregne individuelle patients lunge doser og levetid henføres risiko for lungekræft fra en LDCT protokol af brystet på en strålingsdosis svarende til, at en kiste x-ray, og at sammenligne disse værdier med dem fra en standard kiste CT-protokol. Da lungekræft screening blev anbefalet til personer i alderen 55 og 74 år [10, 20], fokuserede vi vores undersøgelse eksplicit på patienter i denne aldersgruppe.

Materialer og metoder

Patient befolkning

undersøgelsen omfattede 47 konsekutive patienter mellem 55 og 74 år (gennemsnitsalder 63,0 ± 5,7 år, 27 mænd, gennemsnitsalder 64,0 ± 5,8 år og 20 kvinder, gennemsnitsalder 63,0 ± 6,9 år), som var henvist til vores afdeling for ikke-udvidet brystet CT. Mean body mass index (BMI) var 26,3 ± 5,6 kg /m

2. Indikationer for brystet CT var som følger: diffus parenkymalt lungesygdom (n = 23); denne gruppe undergik billeddannelse med vores standard dosis CT (SDCT) protokol, og opfølgning af kendte pulmonale knuder (n = 15) og mistanke om lungeinfektion i immunsvækkede patienter (n = 9); sidstnævnte patienter (i alt n = 24) undergik billeddannelse med vores LDCT protokol beskrevet nedenfor.

Denne undersøgelse havde lokale institutionelle Review Board godkendelse (Kantonale Ethikkommission Zürich) til retrospektiv anvendelse af CT-billeder, hvorfra identificerende oplysninger har været fjernet. Skriftligt informeret samtykke blev givet afkald på grund af den tilbagevirkende kraft af undersøgelsen.

CT scanning og genopbygning

Alle patienter blev scannet kranio-kaudalt på en tredje generation 192-slice dual-source CT-scanner (SOMATOM force Siemens Healthcare, Forchheim, Tyskland) drives i single-source-mode.

Fireogtyve af de 47 patienter (51%) blev scannet med SDCT protokol med automatisk dæmpning-baserede rør spænding udvælgelse (CAREkV, Siemens) og dæmpning-baserede rør aktuelle modulation (CareDose4D, Siemens) med kvalitet referenceværdier på 120 kVp og 70 mAs. De andre tre og tyve patienter (49%) blev scannet med LDCT ved 100 kVp og med en kvalitet henvisning rør nuværende tid produkt af 45 mAs, som vist tidligere [11, 13, 15]. En 0,6 mm Sn-filter blev anvendt til spektral formning ved at fjerne lavenergi fotoner fra spektret. En deling på 1,2, kollimation på 0,6 × 96 mm ved hjælp af z-flyvende brændpunktet, og en portalkran rotation på 0,5 sekunder blev anvendt til begge protokoller. Alle CT billeder blev rekonstrueret under anvendelse af en skivetykkelse på 2 mm, en stigning på 1,6 mm, og med en skarp væv foldningskerne (Bl64) med fremskreden modellerede IR (Admire) i en styrke på 3, som vist tidligere [13].

Billedkvalitet analyse

En læser (KM, med to års erfaring i radiologi), ikke er involveret i kvalitativ analyse, placeret fem cirkulære område af interesser (ROI’er) i det subkutane fedtvæv af hver patient scannet med både SD- og LDCT. størrelse Den ROI blev fastsat til 380 mm

2. Gennemsnitlig billedstøj blev defineret som standardafvigelsen af ​​dæmpning i fortløbende ROI ved forskellige skive positioner, som tidligere vist andre steder [13].

For begge patientgrupper, subjektive billedkvalitet (diagnostisk vs. ikke-diagnostisk) var evalueret af to andre, uafhængige læsere (HA, med 15 års erfaring i radiologi, TF med 14 års erfaring i radiologi).

Monte Carlo-simuleringer

Monte Carlo (MC) simuleringer var udføres ved hjælp af en kommercielt tilgængelig software-værktøj (ImpactMC, CT Imaging GmbH, Erlangen, Tyskland) for at opnå 3D dosis distributioner. Nøjagtigheden af ​​værktøjet er tidligere valideret i antropomorfe fantomer for både aksial og spiral scanningstilstande [21]. MC simulationer blev udført ved hjælp af specifikke scanner geometri, filtrering, kollimering og rør spænding som bruges til de respektive CT-undersøgelser. Individuelle patientbilleder erhvervet fra CT-scanner blev brugt som input volumen for MC simuleringer. De oprindelige rør nuværende graduering kurver sammen med start og slut vinkelposition af røret blev udvundet fra de rå data ved hjælp af en producent-forudsat værktøj.

Organ dosis beregning

Baseret på en fordeling 3D dosis , ethvert organ dosis inden volumen kan beregnes som en middelværdi på alle voxel tildelt en given orgel. De voxels forbundet med lungevæv blev identificeret baseret på CT data udtrykkeligt for hver patient ved hjælp af globale HU-baserede tærskling (ImageJ software). Så lungerne dosis blev beregnet ud fra fordelingen 3D dosis som en middelværdi dosis inden den segmenterede volumen.

For at undersøge orglet dosis afhængighed af patientens størrelse, vi målte den enkelte patienters lateral diameter D

lat og antero-posterio diameter D

ap ved hjælp af deres CT-billeder. Den effektive diameter D

eff blev beregnet som følger: (1) og blev brugt som en indikator for patientens størrelse

Risikovurdering

For at estimere den potentielle risiko for stråling-induceret lunge. kræft brugte vi en model foreslået af BEI VII [22]. Denne model er designet til at estimere levetiden henføres risiko for en udsat person at udvikle kræft. Ifølge BEI VII kan beregnes risikoen som følger: (2) R

n er antallet af kræfttilfælde pr 100.000 personer til et specifikt organ n; D

n er det organ dosis i Gy, og k

n

a, g er en alders- og kønsspecifikke risiko koefficient for orgel n. Koefficienterne k

n

a, g er tabuleret i BEI VII rapporten for mænd og kvinder ved diskrete alderen 0, 5, 10, 15, 20, 30, 40, 50, 60, 70 og 80 år . Værdier af risikoen koefficienten ved mellemliggende aldre blev bestemt ved hjælp af lineær interpolation. Da den individuelle risiko afhænger ikke kun af orglet dosis, men også på patientens alder og køn (se ligning 2), blev patienterne opdelt i 3 aldersgrupper (55-60 år, 61-67 år og 68-74 år). De gennemsnitlige risiko værdier inden hver aldersgruppe blev beregnet særskilt for mandlige og kvindelige patienter i både LDCT og SDCT kohorter.

Dataanalyse

Alle statistiske analyser blev udført ved hjælp af kommercielt tilgængelig software (SPSS, frigivelse 22,0; SPSS, Chicago, IL, USA). Normal fordeling blev testet ved hjælp af Shapiro-Wilk test. Post-hoc power-analyse viste, at en stikprøve af 24 i hver patient gruppe vil give en betydelig Pearson korrelation med en medium effekt størrelse på et 0,05 signifikansniveau og en effekt på 80%. Lineær regressionsanalyse blev udført for at vurdere sammenhængen imellem lunge dosis og patient effektive diameter for både SDCT og LDCT protokoller. The Student

t

-test for uafhængige prøver blev udført for at bestemme betydningen af ​​forskellene i lunge doser i LDCT og SDCT brystet protokoller. Det samme

t

-test blev anvendt for at vise den betydelige forskel i risiko skønnede værdier for LDCT protokol i forhold til SDCT én. En to-tailed

p-

værdi under 0,05 blev anset for at indikere en statistisk signifikant forskel.

Resultater

Repræsentative billede eksempler på to patienter scannet med SDCT og med LDCT er forudsat i figur 1. lunge dosis til patienten scannes med SDCT protokollen lig 5,6 mGy, mens lungerne dosis til patienten scannes med LDCT var 0,44 mGy. Begge CT undersøgelser blev anset for at være af billedkvalitet diagnostisk.

Figur 2 viser et eksempel på patientens CT data og respektive fordeling 3D dosis i patientens volumen opnået ved MC simuleringer. Det kan ses, at spiralen bane af røntgenrøret med en pitch på 1,2 reflekteres af spiral striber i dosisfordeling.

Bemærk spiral bane af røntgenrøret fører til heterogene dosisfordelinger.

Organ dosis

tabel 1 og 2 viser patientens alder, køn, effektiv diameter, og lungerne dosis beregnet ud fra MC simuleringer for SDCT og LDCT hhv. Både SDCT og LDCT patientpopulationer kategoriseret efter alder og effektive diameter blev normalfordelt. Den gennemsnitlige lunge dosis var 7,7 mGy (interval 4,9-10 mGy) og 0,3 mGy (interval 0,16-0,52 mGy) for SDCT og LDCT henholdsvis.

Resultaterne for lunge dosis som funktion af patientens størrelse (effektiv diameter) for begge protokoller er vist i figur 3. med SDCT protokollen de absolutte dosis værdier til lungerne var en størrelsesorden højere end fra LDCT protokollen (

s 0

.

001)

. Regressionsanalyse viste en stærk lineær korrelation mellem patient størrelse og lunge dosis for begge protokoller (R

2 = 0,72 og R

2 = 0,75 for SDCT og LDCT henholdsvis).

Lung kræftrisiko

Den gennemsnitlige levetid kan henføres risiko for lungekræft fra en enkelt CT-undersøgelse beregnet for mandlige og kvindelige patienter i separate aldersgrupper er vist i fig 4. Den skønnede kræftrisiko værdier for kvinder var signifikant højere end for hanner i både LDCT og SDCT protokoller (

s

= 0,004,

s

= 0,001) (tabel 1). Den anslåede levetid skyldes risiko for lungekræft var signifikant lavere for LDCT sammenlignet med SDCT protokollen (

s

0,001). Risikoen faldt med højere patient alder for begge protokoller.

Diskussion

I denne undersøgelse vi beregnet patientspecifikke lunge doser og estimerede levetid henføres kræft risici fra brystet CT. Vi sammenlignede to forskellige protokoller, et SDCT og en nylig indført LDCT protokol med en stråledosis svarende til, at der fra røntgen af ​​thorax, som er rapporteret til at være i intervallet 0.02mSv for posteroanterior undersøgelser og i intervallet 0.1mSv for anteroposteriore og laterale bryst undersøgelser [23]. I modsætning til tidligere forskere [12-14], vi udførte vurderinger dosis baseret på Monte Carlo-simuleringer, idet undersøgelses- og patient-specifikke parametre i betragtning. I en sammenligning med de ru skøn baseret på CTDI

vol værdier automatisk genereret af scanneren, denne fremgangsmåde giver ikke blot at estimere den effektive dosis, men også at beregne de enkelte patienters dosis til lungerne, og dermed, at estimere individuel livstid henførbare risiko for lungekræft.

Dette arbejde eksplicit fokus på lunge dosis på grund af følgende grund. I modsætning til stråling-associerede levetid skyldes cancer risiko for de fleste andre organer, som er højest ved yngre aldersgrupper, den øgede risiko for strålingsinduceret lungekræft er højest i aldersgruppen ca. 55 år ved eksponering [22, 24]. Vores undersøgelse har vist, at den dosis til lungerne kan reduceres væsentligt, når der anvendes en LDCT stedet for en standard dosis-protokol. Desuden kunne vi vise en stærk lineær afhængighed mellem lunge dosis og effektiv patient diameter for begge protokoller. Dette kan forklares ved det faktum, at selv om CT-scanner justerer MAS værdier til patienten størrelse efter en eksponentiel funktion, den yderligere fedtvæv i mere overvægtige patienter tjener som naturlig afskærmning og dermed dosen for indre organer stiger langsommere og kan tilnærmes med en lineær funktion. Lignende afhængighed orgel dosis på patientens størrelse er blevet allerede vist af andre forskere [25].

Vurderingen udført i undersøgelsen risikoen viste, at for både mænd og kvinder levetid henføres kræftrisiko er faldende med patientens alder for både LDCT og SDCT protokoller. Dette kan forklares ved det forhold, at risikoen er ikke kun en funktion af organ- dosis, men også afhænger stærkt af patientens alder [22]. Derfor, selv om den strålingsdosis til lungerne for nogle individer var højere på grund af den større krop størrelse, den gennemsnitlige risiko hos ældre patienter (gruppe over 60 år) var lavere.

Selvom vi fandt, at levetid henføres risiko for lungekræft fra en enkelt LDCT undersøgelse var forholdsvis lav, screening ville give højere risiko værdier på grund af behovet for gentagne CT-undersøgelser. For eksempel modtog de NLST forsøg deltagere screening med årlig lavdosis CT i 3 år [26]. I den største europæiske NELSON retssag, nuværende rygere eller tidligere rygere, der havde Rygestop mindre end 10 år siden gennemgik en CT eksamen i år 1, 2, 4 og 6 [27]. De seneste retningslinjer for American Cancer Society og National Comprehensive Cancer Network anbefalede LDCT screening for personer over 55 i hvert år indtil en alder af 74 [28]. Derfor er antallet af CT undersøgelsesprocedurer i kræftscreeningsprogrammer varieret med faktoren tre op til 25. I betragtning af den gennemsnitlige lunge dosis på 7 mGy og 0,3 mGy og tilsvarende levetid kræftrisiko på 8,6 og 0,35 tilfælde pr 100.000 befolkning fra en enkelt SDCT og LDCT henholdsvis som beregnet i denne undersøgelse, lungekræft screening som anbefalet af disse samfund vil være forbundet med en forøgelse af den henføres risiko levetid kræft op til 215 og 8,7 tilfælde pr 100.000 befolkning for SDCT og LDCT hhv. Således er det især vigtigt at holde stråledosis værdierne fra individuelle CT-undersøgelser

så lavt som rimeligt muligt

(det såkaldte ALARA princippet i radiologiske billeddannelse med ioniserende stråling). Ved at bekræfte tidligere undersøgelser, kunne vi vise, at en LDCT protokol anvender forskellige stråling dosis besparende teknikker giver mulighed for CT lunge billeddannelse ved en dosis svarer til en kiste x-ray (0.06mSv).

Følgende undersøgelse begrænsninger skal anerkendes. Først blev de patient CT data, der bruges som input volumen for MC simuleringer begrænset af længden af ​​scanningen og dermed ikke omfatter over-scanning effekter i beregningerne. Men da i alle CT-undersøgelser lungerne volumen blev fuldstændig dækket af scanningen rækkevidde, kan effekten af ​​over-scanning på lungerne dosis anses for ubetydelig [29]. For det andet, er nøjagtigheden af ​​vores risiko skøn begrænset af usikkerheden i de nuværende kræft risikomodeller, baseret på levetid studier af atomare bombe overlevende. Desuden er risikoen koefficienter offentliggjort i BEIRVII rapporten og anvendt i denne undersøgelse er statistiske gennemsnit over mange individer af samme køn og lignende alder. Derfor skal der udvises forsigtighed ved fortolkning af resultaterne af enkelte patients risiko. Ikke desto mindre, patient-specifikke risiko information, som præsenteres i vores undersøgelse er et skridt fremad ud over effektive dosis mod skræddersyet patientpleje Endelig har vi kun undersøgt én CT-scanner fra én producent. Da den selektive foton skjold for enkelt energi er i øjeblikket en unik teknik fra en leverandør kun kan resultaterne af denne undersøgelse ikke ekstrapoleres til andre systemer.

Som konklusion, vores undersøgelse bestemmes patientår og eksamen-specifikke lunge dosis værdier , der giver mulighed for individuelle vurderinger patient risikovurderinger, hvilket er obligatorisk, når afvejning af fordele og risici fra ioniserende stråling i forbindelse med lungekræft screening med CT. De lunge doser beregnet i denne undersøgelse yderligere at styrke behovet for at ansætte LDCT protokoller til lunge screening undersøgelser for at holde risikoen for den almindelige befolkning så lav som muligt.