文章来源：鼎湖影像
温馨提示：本文非大众科普文，只想从专业层面对CT检查的辐射剂量计算和危害量化进行解读。
前言
一
辐射剂量的表示方法多种多样，上学期间就学过，比如有：照射量、吸收剂量、当量剂量和有效剂量等等，但这些物理量如何与临床工作中的辐射剂量相互转换呢？换句话说没有专业仪器的我如何知道正在检查的病人受到了多少辐射剂量呢？直到毕业我也没能想明白这个问题，现在我们先回到起点，回顾作为一位大学生，我们已经知道的知识：
①照射量X
照射量是描述辐射场的量，指X光子在单位质量（dm）空气中释放出的所有次级电子（正负离子）完全被空气阻挡，所产生离子总电荷量的绝对值（dQ）。
公式：X=dQ/dm，SI（国际单位）单位C/kg，原单位伦琴（R）
注意dQ只考察射线电离空气产生次级电子的电荷量，并不考察次级电子的电离作用，虽然后来也用于其他介质受到的辐射剂量，但基本不用于人体。
②吸收剂量D
吸收剂量是表示单位质量的物质吸收电离辐射能量大小的量，指任意电离辐射授予质量（dm）的物质的平均能量（dE）除以dm的商。
公式：D=dE/dm，SI单位J/kg，专用单位戈瑞（Gy）
③当量剂量H
实际上不同射线种类对人体的危害程度也不同，为平衡这一参数，我们将射线危害程度考虑进去，即当量剂量等于辐射权重因数乘以吸收剂量。
公式：H=WR*D，WR为辐射权重因子，SI单位J/kg，专用单位希沃特（Sv）
数据来源：中华人民共和国国家标准《电离辐射防护与辐射源安全基本标准》GB18871-2002
④有效剂量E
相同的射线同样的剂量，对人体不同部位的辐射危害也可不同，因此需要将人体各组织加权，即有效剂量E为人体各组织或器官的当量剂量乘以相应的组织权重因数WT。
公式：E=∑WT*H，专用单位希沃特（Sv）
数据来源：中华人民共和国国家标准《电离辐射防护与辐射源安全基本标准》GB18871-2002
学到这也许你会窃喜，这可能是因为知识的逻辑性让你感到愉悦，但仅凭此还不能与病人受到的辐射剂量挂钩：因为你很难测得任意环节中的辐射剂量。我曾自费在某宝购买了一件小几百块钱的辐射剂量检测仪，但经过多次测试，发现他的精度和准确度堪忧：有次进行床旁摄影，我满心欢喜的带着它，想测试床旁DR摄影中，最近安全距离是多少，但直到我待在床旁机旁边，和病人一起接受曝光，数据读数也显示正常，当时我以为他的精度有限，无法读出如此之小的辐射，但大概几小时后，它却毫无征兆的报警了，因此如此价位的检测仪不可信。
在临床工作中，我注意到每个检查任务都会附带一个看不懂的剂量参数DLP，这引起了我的注意：也许它能带着我从另一个角度了解我想知道的东西。
图片来源：SIEMENS SOMATOM Definition AS设备中胸部CT平扫界面
事实证明也确实如此：设备厂商考虑到临床工作中测定辐射剂量不太现实，因此根据CT设备机型、管电压、管电流量、螺旋因子、准直宽度和固有滤过附加滤过等等因素，结合模型估算出指定曝光条件下人体所受辐射剂量，这就是CT辐射剂量指数CTDI(CT Dose Index)。
正文
二
CT剂量指数(CT Dose Index，CTDI)，用于表示CT检查中，受检者受到射线平面内的辐射剂量；常用的CTDI有三个，分别是：CTDI剂量指数100(CTDI100）、加权CT剂量指数(CTDIW）、容积CT剂量指数CTDIvol，另外还有剂量长度乘积（DLP）涉及其中，为何会有如此之多剂量指数，在具体场景中应该使用哪个参数来计算辐射剂量？这需要了解以上四个参数的实际意义。
①CTDI100
CTDI100指CT设备旋转一周，对于+5cm到-5cm范围内每个旋转切面的剂量积分D（Z)后除以层厚T与断层数量N乘积后的结果。
公式：
本方法是射线对±5cm范围内的射线积分求和，然后平均到扫描层厚范围内的辐射剂量，这就导致四个特点：
⒈该方案忽略±5cm范围外的射线；
⒉该方案将在某一扫描层面外而在±5cm范围内组织受到散射线导致的辐射剂量累加到该层面上，且每层都会累加计算其他层面对本层面的辐射剂量，更加贴近实际剂量。
⒊实际测量中，由于同一扫描层面中的不同位置辐射剂量也有所不同，为平衡这一差异，通常使用多组笔形电离室，分别测得上、下、左、右、中，共五点的辐射剂量，通过加权计算获得该层面平均剂量，这就是下面CTDIW的由来。（从公式上看CTDI100似乎已经是层面平均剂量，但其实并不是，这是因为笔形电离室，仅能代表该点的辐射剂量，无法代表整个层面辐射剂量。）
4.CTDI100反映的是甲基丙烯酸甲酯模体中测得某点空气中沉积的X射线的能量。
5.N*T代表扫描范围，所以应当使用相同的层厚和间隔以实现无缝重建。
图片来源：公众号医学物理世界《CT辐射剂量的测量、报告和管理》
②加权CT剂量指数CTDIw
考虑CT剂量在体内分布不均匀的问题，将测量体模中心和四周的CTDI100加权求和得出加权CT剂量指数，更客观真实的反应某一层面的辐射剂量。
公式：CTDIw= 1/3(CTDI100中心)+ 2/3(CTDI100边缘）
图片来源：公众号爱影联盟《CT辐射剂量到底是如何计算出来》
③容积CT剂量指数CTDIvol
滑环技术引入CT后，新加了螺距这个重要参数，其他条件不变的情况下，螺距越大辐射剂量越小，反之亦然。这是因为螺距=1时，无缝隙扫描；螺距＜1时为重叠扫描；螺距＞1时为间隔扫描。因此为了衡量螺旋CT的辐射剂量，需要将CT每圈扫描之间的重叠或间隙考量进去，即容积CT剂量指数CTDIvol。
公式：CTDIvol=CTDIw/螺距P
④剂量长度乘积
然而CTDIvol并不是终点，因为通过一系列计算，我们得到的CTDIvol只是较真实的计算出了某一层面的辐射剂量，但具体计算某次扫描所致辐射剂量时，还需要将其与扫描长度相乘，即获得：剂量长度乘积DLP（Dose Length Product）
公式：DLP=CTDIvol×扫描长度
至此，我们已经计算出了某次检查中该病人受到的辐射剂量指数，但也要清醒的认识到这个值有一定局限性，比如：它仅代表在该设备参数条件下用模体计算出的辐射剂量，它既不能代表身体中的最高剂量，也不能表示病人实际受到的有效剂量！它的意义和价值在于能较快捷的知晓病人所受辐射剂量，指导我们做好辐射防护工作。
在剂量长度乘积DLP相同的情况下，有效剂量E主要与患者年龄和扫描部位等因素有关，通过对模体的实验测量结合人体敏感器官组织分布特点，这就得到了转换系数K。综上，有效剂量E等于剂量长度乘机DLP乘以转换系数K。
公式：E=DLP*k
数据来源：中华人民共和国国家标准《X射线诊断中受检者器官剂量的估算方法》GB/T16137-2021
到这一步终于可以说前后呼应修成正果了，现在我们基本可以做到了解每个病人所受大概辐射剂量了。
实际上还有提升空间，比如有学者发现受检者体型的胖瘦也会影响辐射剂量，根据体型再次加权计算，可以更加准确的计算辐射剂量，这就是：体型特异性剂量评估（Size-Specific Dose Estimates, SSDE）。
2011年美国医学物理学会(AAPM)的204号报告中介绍基于体型特异性估算辐射剂量，2014年又发布220号报告提出利用水当量直径估算SSDE的方法。
204号报告提出的根据受检者前后径（APD）和横径（LD）计算有效直径（ED），结合数学运算和查表获得体型特异性转换系数与CTDIvol乘积估算体型特异性剂量（SSDE）。
而2014年提出的220号报告将CT断层各组织对射线的衰减等效模拟为一定直径的圆珠型水体模，利用水体模估算受检者辐射剂量。如此不仅能考虑体型对辐射剂量计算的差异，还将整个人体截面对射线衰减能力的强弱考虑入内，是204号报告计算方法的升级版。
水当量直径计算方法为：
其中CTROI为断层图像内所有人体组织像素点CT值的均值，AROI为断层图像像素面积。
（计算转换系数f与SSDE的公式与204号报告的公式一致。）
另外220号报告还提出了利用定位像计算水当量直径的方法，但由于限值条件较多（需去除扫描床对射线衰减、需经过边缘增强处理、需使受检者处于等中心处），因此220报告不推荐使用该方法。
虽然SSDE发展飞速，是衡量辐射剂量的未来。不过当前仍以CTDI和DLP组合计算受检者受到的有效剂量为主。本文也以这一组合衡量辐射剂量大小，不过频繁在扫描界面查找DLP比较繁琐，事实上设备厂商早早的考虑到了这一点，设计出了辐射剂量报表，将当前扫描所有与辐射相关的参数均统计在内，便于我们快速查阅相关参数。
图像来源：从上到下依次为SIEMENS、PHILIPS、GE三家厂商的辐射剂量报表
解读：从上到下依次为西门子（SIEMENS）、飞利浦（PHILIPS）、GE三家厂商在一次胸部CT的辐射剂量报表样式，三者CTDIvol依次为11.48、10.31、9.39mGy，DLP依次为422.8、411.9、375.36mGy*cm，均在辐射剂量参考水平内。（注：图像为随机选取，因此受检者体型不同，造成的辐射剂量差异并不能反映设备性能）
那么做一次CT检查辐射剂量大概是多少呢？不同人、不同设备参数会导致辐射剂量略有差异，但整体范围应当在辐射剂量参考水平上下波动。为了保准后续辐射危害量化数据的客观性，我们找到国内辐射剂量参考水平：
数据来源：中华人民共和国卫生行业标准《X射线计算机断层摄影成年人诊断参考水平》WS/T637-2018
从上图可以看出，常规胸部CT平扫的辐射剂量和诊断参考水平的DLP为470，可能符合诊断水平的DLP为300，异常低剂量水平的DLP为200。
我们以辐射剂量参考水平为准，计算出一名成年人做常规部位的CT受到的辐射剂量如下：
至此，我们得到了一名成年人做不同部位的有效剂量，依次为1.8、3.5、6.6、11.9、10.5、10.4、19.7、89.4。
学过辐射危害的人肯定知道：有效剂量一般只用于评估患者受到的总的辐射剂量大小，以此来评估随机性效应带来的危害，但评估确定性效应则应当考虑器官所受当量剂量，这是因为不同组织器官的危害阈值差异性较大。
而事实上，器官受到当量剂量的计算非常复杂，例如：计算眼晶体的受照剂量不仅需要应用公式和多个转换系数进行运算，并且还需要知道个人剂量当量监测结果及射线能量与入射方向等信息。
数据来源：中华人民共和国国家职业卫生标准《电离辐射所致眼晶状体剂量估算方法》GBZ/T 301-2017
如此复杂的计算方法仅能测算出一个器官的当量剂量，这与我们想达到的目标：测算不同部位CT扫描中全身各器官的当量剂量似乎有点遥不可及。倒也有相关学者经过试验证实部分器官受照剂量可用CTDIvol代替，如：眼晶体受到的当量剂量可用CTDIvol代替（晶状体剂量与CTDIvol之比为80.6%～103.4%）。
文献来源：Suzuki, S., Furui, S., Ishitake, T., Abe, T., Machida, H., Takei, R., Ibukuro, K., Watanabe, A., Kidouchi, T. and Nakano, Y. Lens exposure during brain scans using multidetector row CT scanners: methods for estimation of lens dose. Am. J. Neuroradiol. 31, 822–826 (2010).
但这需要大量试验进行论证，并且最致命的是大部分器官受照剂量与CTDIvol值并不相近，甚至可以说相差甚远。这个难题困扰了我许久，甚至一度想要放弃这篇科普文。好在在一位老师的鼓励下，我坚持了下去，进一步查阅了相关文献，找到了一个便捷的解决方案——软件估算。
从软件研发者的角度也很容易理解：器官当量剂量估算的难点有目共睹，那么有什么方法可以避开实际工作的难题，快速对已知的扫描方案进行器官当量剂量的估算呢？那就是建模，通过对不同扫描条件下模体所受辐射剂量的大小，拟出回归方程，然后创造出虚拟操作软件，给定扫描条件即可获得各器官的当量剂量。类似的软件有很多，如ImPACT CTDosimetry、CT DOSE、CT-Expo、ImpactDose、eXposureTM、WAZA-ARI及VirtualDose等，本文使用的VirtualDose CT剂量计算软件是美国伦斯勒理工学院辐射测量与剂量工作组（RRMDG）所开发。
图片来源：VirtualDose CT 剂量计算软件主界面（试用版翻译后界面）
通过输入扫描条件，即可获取各组织器官当量剂量。
图片来源：VirtualDose CT 剂量计算软件各器官剂量报告（试用版）
接下来的事情就简单多了，根据全国各部位辐射剂量参考水平，反推出各部位恰当的扫描条件，然后输出并统计各器官所受当量剂量即可。
图片来源：基于VirtualDose CT软件各部位CT扫描中各器官当量剂量的模拟值（成年男性）
图片来源：基于VirtualDose CT软件各部位CT扫描中各器官当量剂量的模拟值（成年女性）
至此辐射剂量计算方面的内容介绍完毕，我们简要回顾这方面知识：通过课本我们学过照射量、吸收剂量、当量剂量和有效剂量，但这些都无法表征一次CT检查中的辐射剂量。为了衡量CT设备及扫描条件的差异，设备厂商以水模型在指定条件下对X射线的吸收为基础，建立了以CTDI100、CTDIw、CTDIvol和DLP为核心的估算辐射剂量的参数，这些参数能够便捷的表示任意一次扫描中CT辐射剂量的大小。不过基于原理的局限，这些参数并不能反映患者的体型和对X射线衰减的大小，于是体型特异性剂量评估（SSDE）横空出世。鉴于器官当量剂量计算的复杂程度，我们使用了VirtualDose CT软件快速的计算不同部位的CT扫描中各器官的当量剂量。
接下来我们该讨论不同的辐射剂量下会带来怎样的辐射危害，但由于全文较长，因此将辐射危害量化部分单独分解为辐射危害量化篇，欢迎各位同学继续关注、阅读和探讨。
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