漫话CT（七） CT辐射剂量的测量、报告和管理
导语
CT的剂量有多少，CT所引发风险有多大？CT剂量与其他放射影像相比如何？这可能是每个病人、家属及医生心中的疑问。而作为专业工作者，我们又遇到非常繁复的CT剂量名词：CTDI100, CTDIw, CTDIvol, DLP, E, 等等……不是每个人都搞得明白。本篇文章来为大家梳理CT剂量的方方面面。
Happy New Year
2020/12/31
Part 1
CT扫描参数对剂量的影响
CT剂量与mA、kVp、扫描时间、螺距、扫描层厚、射线过滤等因素有关。
1.1
管电流 mA
首先我们来看看管电流 (mA，毫安) ，或毫安秒(mAs，管电流和旋转周期的乘积)。管电流代表球管产生X光的量。管电流越高，产生的光子越多，毫无疑问，影像板接收到的光子越多，噪音减低，图像质量得到改善。
mA的选择与不同的临床目的有关。如下图为了看钙化，用低管电流就可以实现，而为了实现血管造影，则需要用到较高的管电流。
同时因为产生的光子越多，病人受到的剂量越多。剂量与管电流成线性正比关系。举个例子，在其他参数不变的情况下，
如果400 mA对应的是10 mSv
那么200 mA 对应 5 mSv
100 mA 对应 2.5 mSv
50 mA 对应 1.25 mSV
小结一下，更高的管电流意味着：
同样的对比度
更少的噪音
更高的病人剂量，剂量与mA成正比
更高的热负荷，与更短的球管寿命
1.2
管电压 kV
管电压为球管阳极与阴极之间的电压差，用于定义“X射线质量”。120 kV为CT最常见的电压。其他CT电压还有140、135、110、100、90、80与70 kV，其中，100 kV与80 kV 经常用于很瘦或者儿童病人。
更高的电压意味着：
更少的对比度
更少的噪音
更高的病人剂量，剂量与kV2.7成比例
更高的热负荷，与更短的球管寿命
1.3
扫描时间 S
扫描时间通常指的是机架旋转一周的时间，通常我们希望减少旋转时间。
它影响：
CT总扫描时间
时间分辨率
剂量
1.4
螺距 Pitch
螺距= I/W
其中I为球管转一圈，床向前移动的距离 (mm)，W为射线束宽度。
现代CT多为多排CT。在多排CT中，
螺距 = I/(N*T)
其中T为单通道的宽度 (mm)，T为通道的个数。
举例，在一个64排，每排宽度为 0.5 mm 的CT中， N*T = 32 mm。对这台 CT，如果机架旋转一周，床向前移动了 32 mm，那么螺距就是1。
剂量与 1/螺距 成正比。
在多排CT中：
螺距 > 1 即移床的距离大于射线宽度，意味着同一扫描时间内扫描范围会增加，但螺距的增大使得同样扫描范围内的光子量减少，噪音明显增加，当然也意味着更少的剂量。
螺距 < 1 意味着每圈有重叠的扫描，扫描速度虽减慢但因为光子更多，噪音也随之减少，图像质量得到提高，代价是剂量更高。
有些厂家 (西门子及飞利浦) 采用有效毫安秒 (effective mAs) 概念，其内涵为 mAs/螺距。有效毫安秒是等于是在保持图像质量相同的情况下，排除了螺距这个影响因素。
Part 2
CT剂量如何测量？
CT剂量并不是直接在病人身体内测得，CT的预期吸收剂量是利用类似人体组织材料的标准化模体测量再加以计算得到。
在进入硬核段落前，先预报第二部分介绍的剂量因子之间的整体转换过程为：
常用的CT剂量测量模体包括直径32 cm 的圆柱体代表躯干，及16 cm 的圆柱体透明亚克力模体代表头颈部位。每个模体上有 5 个孔用来放置电离室，其中一个在中心，另外四个在边缘。测量CT剂量的电离室为长度为 10 cm 的笔型电离室。
2.1
CT剂量指数100 CTDI100
相比较于使用TLD热释光剂量计，CTDI100提供了更具有可操作性的测量吸收剂量方法。CTDI100是CT旋转一周 (one axial scan)，将平行于旋转轴的剂量分布D(z)沿Z轴从 -50 mm到 +50 mm积分 (也就是这只10 cm长的CT电离室接收到的剂量)，除以层厚T与扫描断层数N后所得结果。当然，±50 mm以外剂量不会一下变成零，但CTDI100的局限性为不考虑电离室长轴以外的剂量。
测量读数为曝光 (exposure)，单位为C/kg或R (伦琴)，测量值需要进行温度气压修正、静电计校准、电离室转换因子、曝光到吸收剂量转换因子 (f factor)转换。
通常在空气中， 伦琴到毫戈瑞的转换因子为8.77。例如，在某个测量点产生1 R的曝光的 100 kV X射线在该点也将产生约8.77 mGy的空气剂量和约9.5 mGy的组织剂量。
2.2
加权CT剂量指数 CTDIw
射线穿透模体时，在模体离源近的部分沉积剂量高，经过衰减与散射，在模体远端剂量较低。下图中较粗的线表示入射皮肤剂量，其远大于由较细的线表示的射出皮肤剂量。这种差异会在患者身体中产生剂量梯度。
CT是360°旋转扫描，右图中粗线代表入射皮肤剂量，该剂量远大于身体中心处的剂量（由细线表示）。这种差异导致患者体内出现放射状对称的剂量梯度。
Radiographics 2002 22:154-1553
在CT剂量模体测量中，根据模体大小，中心与皮肤的剂量可以相等，也可以不等。
加权CT剂量考虑了CT剂量在体内分布不均匀问题，要求分别测量模体中心和四周的CTDI100。将模体中心采集的 CTDI100 与外围各点采集的CTDI100 的平均值进行加权求和可以得到加权CT剂量指数。其中中心测得的剂量所占权重为1/3，外围各点测量的平均剂量权重为2/3。
CTDIw= 1/3(CTDI100,中心)+ 2/3(CTDI100,边缘）
2.3
容积CT剂量指数 CTDIvol
容积CT剂量指数为加权CT剂量指数除以螺距因子。如前文所述，螺距等于床移距离除以断层数和扫描层厚T。容积CT剂量指数把CT每圈扫描之间的重叠/间隙纳入考量范围了。
CTDIvol = CTDIw / 螺距
一般厂商会提供在一些标准化的扫描参数组合情况下的扫描剂量，减轻了用户测量的任务量。用户在验收阶段，需要抽检一些，来验证厂商提供的数值。如下面厂家提供的表格有说到在相应不同直径的模体里，在周边或中心测得的 CTDI100 剂量，以及对应的 CTDIw 与 CTDIvol。
考考你，下表第三列Typical body对应的螺距是多少？
西门子SOMATOM Definition Flash手册
CTDIvol有其局限性，首先它不代表身体里的最高剂量 ，最高剂量通常位于皮肤处。而皮肤剂量对于CT灌注 (perfusion) 及透视 (fluoroscopy)来说，是影响确定性效应的关键因素。
其次，CTDIvol不是病人真正剂量。CTDIvoll与病人剂量之间有许多因素，包括病人体型与扫描部位的组成。在同样的CTDIvol下，瘦的病人会比胖的病人吸收剂量大。AAPM 204号报告就提出了一个体型大小的剂量估算参数 (Size specific dose estimate, SSDE) ，用以基于病人大小调整CTDIvol，本篇暂不详述。
到这里，我们做个简短回顾，将影响CT剂量的主要因素梳理一遍:
2.4
剂量长度乘积 Dose-Length Product (DLP)
为什么都有CTDIvol，还要再搞个DLP出来描述剂量？这是因为CT扫描总长度越长，辐射剂量越高。DLP考虑到扫描长度，将CTDIvol乘以沿人体长轴的扫描长度，单位为毫戈瑞厘米（mGy·cm）。
DLP = CTDIvol × 扫描长度
通过下面例子我们可以明显得看出，在CTDIvol同样为2 mGy的情况下，上面的扫描长度为10 cm， 下面的扫描长度是上面的两倍，DLP也就是上图的两倍。所以说，DLP更好地代表了确定性效应的风险。
我国2018年发布X射线计算机断层摄影成年人诊断参考水平，见下表。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 扫描时，为了更好地控制不必要的辐射，需要更精确地限定曝光范围，做好非检查部位的防护。同时也不能用成人的辐射剂量评估标准来评估儿童的辐射剂量。
2.5
了解CT机器上的剂量展示
在扫描前，机器会根据用户选择的扫描参数，展示CTDIvol 及 DLP，让操作者心里有数。如果出现太离谱的剂量，要检查扫描参数。如果出现红色警示，则不应该继续进行扫描。
在扫描结束之后，也在DICOM头文件里可以找到扫描参数信息表，包含CTDIvol和 DLP的辐射剂量。
得到DLP后完了吗？没完……
当病人或医生问：这次扫描接受了多少CT辐射剂量，他们真正的问题是：风险有多大？
这就要引出有效剂量这个概念了。
2.6
有效剂量 Effective Dose (E)
当人体不同部位或器官受到在同样吸收剂量下，不同类型的射线引起不同程度损伤，这就是当量剂量。在相同当量剂量的照射时，所产生的风险因组织、器官不同而不同。例如，当甲状腺与肺部受到相同当量剂量的辐照时，甲状腺患致命恶性肿瘤的风险相对较小。因此，在评估辐射所致人体健康的总损伤时，必须考虑人体不同组织器官的因素，有效剂量就是为了这两种考虑而引入的物理量。有效剂量的定义为人体各组织或器官的当量剂量乘以相应的组织权重因子后的和。
对于CT来说，有效剂量E (单位 Sv) 可以基于DLP进行估算：
E = DLP*k
AAPM TG 96号报告给出了不同器官的转换参数k的表格。
对于大多数的心脏CT扫描，一个简单粗暴的有效剂量估计为DLP的1.4%。例如，如果DLP为 1000 mGy·cm, 那么E 为14 mSv。如果DLP为 500 mGy·cm，E就为 7 mSv。
引言中的问题：CT剂量与其他放射影像如何比较？到此步才得解：不同模态的放射影像都可以推导出其对应的有效剂量，就可以拿来横向评估。
Part 3
总结
感谢大家一直看到文章的最后，到最后甜点时间。
首先，了解扫描参数如何影响剂量与图像质量非常重要。
其次各种CT剂量因子并不是特定病人的辐射剂量，而只是一个估计！
CT扫描的辐射剂量最好表示为CTDIvol (mGy) 和 DLP (mGy·cm)。射线从球管出来到有效剂量的转化，这一路的过程也可以用图总结为：
编辑：曾华驱
参考资料
1. IOMP webinar, CT scan parameters and radiation dose, Mahadevappa Mahesh, 2020
2. AAPM/RSNA Physics Tutorial for Residents: Topics in CT Radiation Dose in CT, Michael F. McNitt-Gray, 2002