【本文高能】CT辐射剂量到底是如何计算出来？

【别名】CT 辐射剂量那些事儿

文 / 赵喜  西门子医疗

1背景：

由于电离辐射的两大生物学效应：确定性效应（具有较大剂量阈值才会发生，且其严重程度取决于受照剂量大小：如辐射导致的白内障）和随机性效应（不存在发生效应的剂量阈值，但发生几率与受照剂量大小有关：如诱发肿瘤与遗传效应）的存在，辐射剂量增加对人体的危害会相应地增加。一般而言，CT 扫描比普通 X 射线检查剂量大，照射剂量的增加导致辐射诱发癌症等随机效应的发生几率增加。

2009 年，位于美国洛杉矶的Cedars-Sinai 医疗中心的一名患者在接受 CT 神经灌注扫描后出现头发脱落现象。该医院经过调查发现，自 2008 年 2 月开始在 18 个月内，共 206 名患者在 CT 过程中被错误施加高达正常剂量值8 倍的辐射剂量。为了规范 CT 检查的行为，美国食品药品管理局（FDA）推荐在 CT 检查中评估患者的接受的辐射剂量。

中国卫生部于 2012  年公布新版《GBZ165-2012 X  射线计算机断层摄影放射防护要求》，首次公布了针对不同人群、不同部位 CT  检查的诊断参考水平。新版标准 2013 年 2 月 1 日起实施，旧版标准同时废止。根据《防护要求》，典型成年患者 X 射线 CT 检查头部、腰椎和腹部的诊断参考水平分别为 50mGy、35mGy 和 25 mGy，0 - 1 岁儿童患者胸部和头部诊断参考水平为 23 mGy 和 25mGy，10 岁儿童患者胸部和头部诊断参考水平为 26mGy 和28mGy。《防护要求》提出，CT  工作人员应在满足诊断需要的同时，尽可能减少受检者所受照射剂量。在开展 CT 检查时，做好非检查部位的防护，严格控制对诊断要求之外部位的扫描。要禁止用成人的辐射剂量评估标准来评估儿童的辐射剂量。

为了保证临床医生获得剂量相关的信息，我们在每次检查结束之后都会得到图 2 这样一张辐射剂量的报告表，在这张表格中，我们可以获得大部分和扫描相关的信息。与辐射剂量相关的参数主要有两个，CTDI vol和 DLP。那么那个是有效辐射剂量，如果不是，患者的有效辐射剂量如何计算呢？

今天我们就来聊聊辐射剂量的那些事儿。

图 2：CT 检查的剂量报告表

2CT 剂量指数（CT Dose Index, CTDI）：

CTDI 是指在 CT 检查中，受检者接收的射线平面内的辐射剂量，一般是用 16cm（代表头部和四肢）和 32cm（代表体部）的圆柱状的充水体模进行测量（单位：mGy），1981 年首次由 Shope 提出后，先后被 FDA、IEC、CEC、IAEA 等多个权威组织所定义并采用，是目前国际上应用最广泛的一种 CT 剂量指标，我国国家标准亦采用此概念。

目前国际上对 CT 剂量的表征量和测量方法（包括模体种类）未有一致意见，ICRP 亦指出为避免混淆，应明确各种 CTDI 定义的区别。

目前公认的 CTDI 有以下三个，三个指数并不直接表征各种 CT 扫描所致受检者的剂量，但与受检者剂量密切相关。与吸收剂量有相同的量纲，以毫戈瑞（mGy）为单位。

CT 剂量指数 100（CTDI 100 ）

CTDI 100 是迄今广泛应用的最基本的反映 CT 扫描剂量特征的表征量，可用于统一比较 CT 机性能。其定义为：CT 旋转一周，将平行与旋转轴（z 轴，即垂直于断层平面）的剂量分布 D (z) 沿 Z 轴从 -50mm 到 +50mm积分，除以层厚 T 与扫描断层数 N 的乘积之商。即：

CTDI 100 可用热释光探测器（TLD），在专用的 TLD 插件中进行各点剂量分布的测量，进而得出剂量分布曲线 D (z)，再依剂量分布曲线的半高宽（Full Width at Half Maximum，FWHM）通过拟合计算求得CTDI。CTDI 100 采用积分区间从 -50 mm 到 +50 mm，可用有效长度正好为 100mm 的笔形电离室在通用标准剂量模体中方便地测量到，从而方便进行 CT 机的验收与经常性的质量控制检测等。

CTDI 100 这个最基本的表征量反映的是在标准甲基丙烯酸甲酯模体中测得某点空气中沉积的 X 射线能量。

加权 CT 剂量指数（CTDI W ）

由于在同一个模体中不同位置的辐射剂量有所区别，因此为了更好的表达整体的辐射剂量水平，需要引入加权 CT 剂量指数（CTDI W ）的概念，其可以准确反映扫描平面中的平均剂量。

CTDI 100 （中心）为在模体中心位置上的测量值；

CTDI 100 （外周）表示在模体周边四个不同位置上（至少以 90°为间隔的模体表面下 10mm 处）测量值的平均值。

目前普遍采用的与有效长度 100mm 笔形电离室检测仪器配套的标准有机玻璃剂量模体，分头部模体（直径160mm）与躯干模体（直径 320mm）两种，均呈长度为140mm 的圆柱体状，模体中心及其四周表面下 10mm 处都有专用的检测电离室插孔（该孔不测量时即插入组织等效的有机玻璃棒）。

加权 CT 剂量指数（CTDI w ）已被选来作为 CT 诊断医疗照射的指导（参考）水平的表征量之一。可以反映多层连续扫描的平均剂量（pitch=1 时），但对于不连续的多层扫描， CTDI w 不能准确反映其平均剂量。

容积 CT 剂量指数（CTDI vol ）

螺旋 CT 问世后，CTDI w 已经不能准确表征辐射剂量的水平，需要考虑螺距对扫描剂量的影响：

CT 螺距（因子）=Δd / N·T

Δ d 为 X 射线管每旋转一周检查床移动的距离；

N 为一次旋转扫描产生的断层数；

T 为扫描层厚

容积 CT 剂量指数 CTDI vol 反映整个扫描容积中的平均剂量。这也是我们的剂量报告表格中与剂量直接相关的第一个参数。

小结 

容积 CT 剂量指数 CTDI vol 可由加权 CT 剂量指数 CTDI w 求得，而 CTDI w 则是剂量模体中心位置与周边四个不同位置 CTDI 100 测量值的加权结果。因此：

CTDI 100 反映的是 CT 标准测量模体中某一点所沉积的 X射线能量；

CTDI w 描述 CT 所扫描某一断层平面上的平均剂量状况；

CTDI vol 是描述多排（层）螺旋 CT 在整个扫描容积范围内的平均辐射剂量。

获得单位容积的辐射剂量水平之后，我们还需要了解一次检查的总体辐射剂量水平。这就是剂量报告表中的第二个和剂量直接相关的参数。

3剂量长度乘积 DLP：

DLP 用来评价受检者一次完整 CT 扫描的总的辐射剂量。对于序列扫描 DLP（单位：mGy·cm），可以表述为：

DLP=i∑nCTDIw·nT·N·C

i 为 X-CT 扫描序列数；

N 为旋转圈数；

nT 为每旋转一圈的标称限束准直宽度（cm）；

C 为 X 射线管每旋转一周的管电流与曝光时间之积（mAs）；

nCTDI w 则表示与所用管电压和总标称限束准直宽度相对应的归一的加权 CT 剂量指数（mGy·mA -1 ·s -1 ）。

对于螺旋扫描 DLP 可方便地表达为：

DLP=CTDI vol  × L

CTDI vol 为多排（层）螺旋 CT 扫描的容积 CT 剂量指数；

L 为沿 Z 轴的扫描长度。

4有效剂量 D：

在获得累计辐射剂量之后，这个参数还不是最终患者接受的辐射剂量，受检者的辐射剂量终将落实到有关各组织或器官的吸收剂量（D），组织或器官的吸收剂量是 X射线积在受检者单位质量组织或器官里的能量。

单位 : Gy, 1Gy=1 焦尔· 千克 -1 (J·kg -1 )100c   Gy=100rad

组织或器官的吸收剂量的严格定义是物理意义上的点量，即吸收剂量是指致电离辐射授予某一体积元内物质的平均能量除以该体积元内物质的质量而得的商。即：D=dε / dm

组织或器官的吸收剂量是最完整地表征受检者所接受的X 射线照射的量，然而大多数情况下是不可能直接测量的，通过体模模拟研究可以解决：

用仿真人体模型，借助 TLD 和其它发光剂量计等探测器，测量受检者组织或器官的吸收剂量及其分布，采用蒙特卡罗（Monte Carlo）方法运算，估算组织或器官的吸收剂量。

吸收剂量的生物效应决定于射线的种类和照射条件。如相同的吸收剂量，α射线对生物体危害比 X 线大 20 倍。在辐射防护中，将个人或集体实际接收的或可能接收的吸收剂量根据组织生物效应加权修正，经修正后的吸收剂量在放射防护中称为当量剂量。

当量剂量的单位与吸收剂量一样，即焦尔· 千克 -1 (J·kg -1 )，专名是 Sv，

1Sv=1J·kg-1  (=1 Gy)

比较不同类型放射学检查的相对电离辐射风险，并且考虑到不同组织或器官的不同辐射敏感性时，采用以希沃特（Sivert, Sv）为单位的有效剂量 E 来表征。全身有效剂量是一个反映非均匀照射归一到全身照射危险度的剂量参数。

有效剂量（Effective Dose）专指当所考虑的效应是随机性效应（例如辐射诱发的癌症等）时，在全身非均匀照射的情况下，人体所有组织或器官的当量剂量的加权总和。即：

E=∑WT·HT

HT 为组织或器官 T 所受的当量剂量；WT 为 T 的组织权重因子。

有效剂量是器官和 / 或组织的当量剂量按各组织权重因子加权之和。

螺旋 CT 的有效剂量：

利用 CTDI vol 及其扫描长度 L 计算出剂量长度乘积 DLP，再乘以特定的转换系数 k 来估计出有效剂量 E：

E=k·DLP

转换系数 k(mSv·mGy -1 ·cm -1 ) 与检查部位有关。

同一个体的不同部位对相同辐射剂量的敏感程度不同，具体表现为 K 值的不同。K 值是不同部位的归一化有效剂量权重因子。同一解剖部位，年龄越大，K 值越小；同一年龄段个体的头颈部 K 值小于腹、盆部。另外不同器官对射线的敏感性不同，敏感器官包括眼晶体、甲状腺、乳房、生殖腺和造血系统等。在受到不必要的或过量的放射线照射时，人体发生白内障、甲状腺癌及乳腺癌的概率会增加。

2体型特异性扫描剂量评估：

体型特异性扫描剂量评估（Size-Specific Dose Estimates, SSDE）

以上这些评估方法主要是根据模体测量的结果进行推测，由于实际患者的体型并非圆柱体，且密度有有差别，因此使用上述方法对于准确反映患者接受的辐射剂量会存在误差。2011 年，美国医学物理家协会（American Association of Physicists in Medicine, AAPM) 提出了体型特异性扫描剂量评估（Size-Specific Dose Estimates, SSDE）的方法。

SSDE 计算了有效直径（Effectivediameter, ED）的概念，指假设被扫描患者有一个圆形的横截面，沿着其头足方向的某一个给定位置处的直径。虽然体部的某些部位有近似的圆截面，但大部分位置不是。因此有效直径可以被认为是与患者体部横截面面积相等的圆的直径。SSDE 指经过患者体型校正的患者接受的 CT 剂量估算值，是基于 CT 操作界面上显示的容积 CT 剂量指数 CTDI vol 通过体型相关转换系数得到的。相对于上述评估方法，SSDE 相对准确，不过 SSDE 估算值与患者接受辐射的真实值之间，仍有一定的差距。

在 CT  检查中可使用防护围脖、眼罩和乳腺表面屏蔽等进行防护。在设置扫描参数的时候，要时刻注意 ALARA原则，ALARA 原则是全世界医学物理辐射安全计划的指导原则，和持续地、科学地审视剂量和成像质量之间的联系以不断促进低剂量、高质量的成像技术发展的主要动力。总之，表面屏蔽法和前置滤线器方法均可与其他降低剂量的方法联合应用，如减小扫描覆盖范围、管电压调节、管电流调节、缩短扫描时间、迭代算法等技术，进一步降低敏感器官所受辐射剂量。

*推荐阅读：

1. Mahesh,M. MDCT Physics: The Basics- Technology, Image Quality and Radiation Dose.Lippincott Williams & Wilkins; Philadelphia, PA: 2009.

2. McCollough,C.; Cody, D.; Edyvean, S.; et al. Report of AAPM Task Group 23 of theDiagnostic Imaging Council CT Committee. American Association of Physicists inMedicine; College Park, MD: 2008. The Measurement, Reporting, and Managment ofRadiation Dose in CT.; p.1-28.

3. MartinCJ. Effective dose: how should it be applied to medical exposures? Br J Radiol.2007; 80: 639 - 47.

4. Smith-BindmanR, Lipson J, Marcus R, et al. Radiation dose associated with common computedtomography examinations and the associated lifetime attributable risk ofcancer. Arch Intern Med. 2009; 169: 2078 - 2086.

5. MettlerFA Jr. Huda W, Yoshizumi TT, et al. Effective doses in radiology and diagnosticnuclear medicine: a catalog. Radiology. 2008; 248: 254 - 263.

6. NationalCouncil on Radiation Protection and Measurements. Ionizing radiation exposureof the population of the United States. National Council on RadiationProtection and Measurements; Bethesda, MD: 2009. NCRP Report No. 160

7. JessenK, Panzer W, Shrimpton P. European guidelines on quality criteria for computedtomography: EUR 16262. European Commission website. w3.tue.nl / fileadmin /sbd /Documenten / Leergang / BSM/European_Guidelines_Quality_Criteria_Computed_Tomography_Eur_16252.pdf.Published2000.

8. MooreBM, Brady SL, Mirro AE, et al. Size-specific dose estimate provides a simplemethod to calculate organ dose for pediatric CT examinations. Med Phys 2014;41: 071917

9. BradySL, Kaufman RA. Investigation of American Association of Physicists in Medicinereport 204: size-specific dose estimates for pediatric CT implementation. Radiology2012; 265: 832 - 840

10. Boone J,Strauss K, Cody D, et al. Size-specific dose estimates (SSDE) in pediatric andadult body CT examinations: report of AAPM task group 204. American Associationof Physicists in Medicine website. www.aapm.org/pubs/reports/rpt_204. pdf.Published 2011.

11. BradySL, Mirro AE, Moore BM, et al. How to Appropriately Calculate Effective Dosefor CT Using Either Size-Specific Dose Estimates or Dose-Length Product.  AJR Am J Roentgenol. 2015 Mar 2: 1 - 6.

12. Leng S,Shiung M, Duan X, et al. Size-specific Dose Estimates for Chest, Abdominal, andPelvic CT: Effect of Intrapatient Variability in Water-equivalent Diameter. Radiology.2015 Feb 25: 142160.