随着我国经济水平的提高，医疗卫生事业不断发展，CT检查的频度也随之快速增加。以上海为例，上海市1996年的CT检查年频度为33.05人次/千人口；2009年上升至137.84人次/千人口，增加了4.17倍^[1]。从2005年到2014年，我国CT检查人次的年增长率约为11.7%^[2]。CT检查在各种X射线诊断类型中的剂量贡献也较大，根据UNSCEAR 2008年报告^[3]的数据，在Ⅰ类保健国家中，CT扫描占诊断检查总数的7.9%，而CT的剂量贡献约占X射线诊断检查所致集体有效剂量的47%。因此，CT扫描所致受检者的辐射剂量越来越引起关注。而估算CT所致剂量，尤其是器官剂量是预测其可能带来的健康风险的重要依据^[4]。

现有的大部分CT剂量评估软件，如德国的CT-Expo^[5]、英国的ImPACT^[6]等，都是基于简单的数学体模进行计算的。由于数学体模在建模时对人体组织器官和外形都进行了一定简化，模型结构与人体真实结构相差较大，因此这些软件对CT扫描所致人体器官剂量评估的准确性有待提高。近年来，美国伦斯勒理工学院徐榭教授的研究组开发了一款基于人体体素模型的CT剂量评估软件VirtualDose^[7-8]，进一步提高了CT扫描剂量评估的准确性。然而VirtualDose软件是基于高加索人种的人体模型进行开发的，不能很好体现中国人的特点。高加索人种的身高、体重均比中国人要大，这导致一些照射情况下，中国人所受的剂量与高加索人种相比差异较大^[9-10]，因此有必要开展针对中国人的CT扫描剂量评估研究。

本研究基于中国成年男女和1岁儿童参考人体模，开发了一款基于web的CT剂量评估软件，通过输入CT扫描参数可以快速评估CT扫描所致中国部分受检者的器官吸收剂量和有效剂量。

1.模拟程序：使用蒙特卡罗程序Geant4^[11]对CT扫描过程进行模拟。本研究计算时使用本研究室基于Geant4二次开发的windows平台可视化工具THUDose软件。THUDose软件采用基于xml的参数化输入界面，有效降低了Geant4模拟程序的实用难度^[12]。

2.人体模型：采用中国成年男性、女性参考人体素模型CRAM^[10]和CRAF^[13]对成年受检者CT扫描剂量进行计算。CRAM模型身高170 cm，体重60 kg，体素尺寸为1.741 mm×1.741 mm×1 mm；CRAF模型身高160 cm，体重57.7 kg，体素尺寸1.226 mm×1.226 mm×1.98 mm。这两个模型的器官质量与中国参考人^[14]数据差异均在5%以内，并且包含国际放射防护委员会(ICRP) 2007年建议书中的所有辐射敏感器官。为了对中国儿童CT扫描剂量进行计算，本研究新建立了1岁儿童参考人面元模型。由于与普通CT图片相比，增强CT图片中器官的轮廓更明显，所以选取1岁儿童的增强CT扫描图片进行建模。首先将CT图片导入3D-Doctor软件，利用半自动阈值分割的方法对骨骼进行划分，建立了23个不同部位的骨骼。对于肺、胰腺、甲状腺、肾上腺等大部分器官，采用在CT图片上手动分割的方式进行划分。将3D-Doctor划分后的器官数据导入到Rhinoceros软件中，经过器官PM网格删减、平滑和修复等操作之后，形成儿童面元模型。对于眼晶状体、睾丸、小肠与结肠等难以在CT图片中手动分割的器官，直接在Rhinoceros软件中手动建立。最后对器官大小进行调整，使其与1岁儿童参考人的器官质量差异在2%以内，至此建立起1岁儿童参考人面元模型CREP01(Chinese reference pediatric phantom，CREP)，该模型身高77 cm，体重10 kg。图 1分别给出了成年男性、女性参考人体素模型和1岁儿童参考人面元模型的三维视图。在蒙特卡罗模拟时，首先将CREP01转化为体素模型，体素尺寸0.618 mm×0.618 mm×1 mm，然后再进行计算。考虑在胸腹部CT扫描时，受检者一般采用手臂上举姿势，为了与临床实际情况更接近，将3个人体模型的手臂从肩部截断后用于CT扫描的剂量计算。

图 1 中国参考人模型A.成年男性；B.成年女性；C.1岁儿童 Figure 1 Chinese reference human phantom A. Adult male; B. Adult female; C. 1-year-old male

3. CT模型：对GE公司LightSpeed 16型号的CT进行蒙特卡罗模拟建模。该型号CT焦点到等中心的距离为54 cm，X射线管电压分别为140、120、100和80 kVp，准直器宽度分别为20、10和5 mm。蝶形过滤器包含头部和体部两种类型，头部和体部扫描时，扇形束张角分别为27.5°和55.0°。CT模型的建模已经经过了实验验证并发表^[15]。X射线能谱采用XCOMP5软件生成的能谱^[16]。

4.器官剂量数据库：CT扫描的方式分为螺旋扫描和轴扫两种方式。螺旋扫描所致官剂量与螺距相关，当螺距为1时，螺旋扫描所致器官剂量与相同参数的轴扫所致器官剂量近似相等^[17]，因此本研究经过验证后采用轴扫方式计算器官剂量数据库。在围绕等中心的圆周上均匀排列16个X射线源和蝶形过滤器，用来模拟实际CT扫描时X射线管旋转1周的情况。沿着人体从脚到头的方向(z方向)，每隔一个准直器宽度计算1次轴向扫描所致器官吸收剂量。分别计算了美国GE公司LightSpeed 16 CT管电压为140、120、100和80 kVp，准直器宽度为20、10和5 mm、头部和体部两种过滤器以及3种人体体模所有组合下的单层轴扫所致器官吸收剂量，建立数据库。由于体模的体素尺寸一般大于皮肤厚度，使得体模中皮肤厚度偏厚。因此，在计算皮肤剂量时采用“等效质量厚度”的方法计算。该方法减小皮肤密度，使得厚皮肤的质量厚度与真实皮肤的质量厚度相同，模拟计算时记录低密度厚皮肤中的沉积能量，再除以皮肤的实际质量得到皮肤剂量^[18]。骨表面剂量采用松质骨近似方法计算，红骨髓剂量采用3CFs-改进方法计算，具体方法描述见Liu等^[19]的文章。

5.CT扫描剂量：采用蒙特卡罗模拟计算得到的器官剂量是归一化到单个X射线光子的，实际CT扫描时X射线光子数目由管电流和扫描时间决定，难以定量获得，因此需要定义一个转换因子(conversion factor, CF)^[20]，如公式(1)所示：

式中，CTDI_{100，测量值}为用笔形电离室在CT等中心测得的每100 mAs扫描空气中的CTDI₁₀₀值，mGy/100 mAs；CTDI_{100，模拟值}为通过蒙特卡罗模拟方法获得的相同CT扫描参数下每单位X射线光子的CTDI₁₀₀值，MeV/g。

根据扫描范围，从数据库中选取相应的单层轴扫器官剂量数据，可计算得到轴扫情况下器官的实际剂量为：

式中，D_j为器官j的实际剂量，mGy；D_{i, j}为器官剂量数据库中第i层轴扫对器官j的吸收剂量，MeV/g；z₁和z₂分别为扫描范围所对应的器官剂量数据库的起始层和终止层；I为管电流，mA；t为CT旋转1周的扫描时间，s。对于螺旋扫描，器官剂量与螺距成反比，首先根据公式(2)计算在相同参数轴扫时的器官剂量，再除以螺距得到螺旋扫描的器官剂量。

根据Turner等^[21]的研究，器官剂量除以容积CT剂量指数CTDI_vol的比值与CT型号基本无关。因此，由其他型号CT扫描所致器官剂量可以由GE LightSpeed 16型号CT的计算结果换算得到，如公式(3)所示：

式中，D_CT1为GE LightSpeed 16型号CT所计算的器官剂量，mGy；CTDI_vol，CT2是其他型号CT的容积CT剂量指数，mGy；CTDI_vol，CT1是相同扫描参数下GE LightSpeed 16型号CT的容积CT剂量指数，mGy。

6.软件构架：CT剂量评估软件是采用Java语言开发的基于web的应用程序。用户直接使用浏览器通过网络访问网页，无需在本地安装和维护。用户在网页上选择或填写各种参数后传递给服务器，服务器根据参数从数据库中读取相关数据并进行计算，最后将结果返回到网页进行显示。数据库采用MySQL软件构建。

1. CT剂量评估软件：软件界面如图 2所示，用户在网页上提供CT型号，过滤器类型、管电压、准直器宽度等CT相关参数。选择要计算的人体模型和扫描区域后，会在人体结构图上对扫描范围进行显示，用户也可以对扫描范围的起始位置和终止位置进行手动调整，调整时人体结构图上显示的扫描范围会随之改变。输入参数后点击计算按钮，参数会传递给后台服务器并进行快速计算，并将计算得到的当前参数下CT扫描所致受检者器官剂量和有效剂量结果返回到用户网页，以表格和图片的方式进行显示。用户点击保存按钮，会生成一个Excel文件，对扫描参数和计算结果进行保存。

图 2 CT剂量评估软件界面 Figure 2 Interface of the software for CT dose assessment

2.与文献数据的比较：VritualDose软件^[7]和Lee等^[22]分别计算了不同型号CT对1岁儿童头部、胸部、腹部盆腔和躯干扫描的CTDI_vol归一化的器官剂量，扫描参数为管电压120 kV，管电流时间乘积100 mAs，准直器宽度10 mm，螺距1，头部扫描采用头部过滤器，胸部、腹部盆腔和躯干扫描采用体部过滤器。为了进行比较，本研究采用CT剂量评估软件计算了1岁儿童在相同扫描部位和扫描参数下的CTDI_vol归一化器官剂量。扫描范围根据美国医学物理学家协会(AAPM)的CT扫描方案选择(www.aapm.org/pubs/CTProtocols)，头部扫描从第1颈椎顶部到颅骨顶部，胸部扫描从肺顶部到肺底部，腹部盆腔扫描从肝顶部到耻骨联合，躯干扫描从肺顶部到耻骨联合。归一化采用的CTDI_vol，对于头部过滤器，采用直径16 cm的头部CTDI模体的测量值；对于体部过滤器，采用直径32 cm的体部CTDI模体的测量值。需要注意的是，Lee等^[22]对1岁儿童所有扫描部位下的器官剂量都采用的头部CTDI_vol归一化，为了统一对比量，将Lee等^[22]研究中1岁儿童胸部、腹部盆腔和躯干扫描CTDI_vol归一化器官剂量乘以头部CTDI_vol再除以体部CTDI_vol后进行对比。本研究计算的CTDI_vol归一化器官剂量与VritualDose和Lee等^[22]的对比结果如图 3所示。对于不同CT扫描部位，完全包含在扫描范围内的器官剂量差异比较小，如头部扫描时，本研究计算的大脑CTDI_vol归一化器官剂量与VritualDose和Lee等^[22]计算结果的相对差异分别为-11%和-8%；胸部扫描时，肺的差异分别为3%和-24%，乳腺的差异分别为-7%和-25%；腹部盆腔扫描时，肝脏的差异分别为5%和-21%，胃的差异分别为3%和-23%；躯干扫描时，乳腺的差异分别为-8%和-24%，结肠的差异分别为-6%和-22%，肝脏的差异分别为0.2%和-18.1%，肺的差异分别为2%和-20%，胃的差异分别为-2%和-19%。从上述扫描范围内主要器官的对比可见，对于体部扫描，本研究的计算结果和VirtualDose计算结果更为接近，都小于Lee等^[22]的计算结果。对于处于未完全包含在扫描范围内的器官，剂量结果差异比较大，如头部扫描时，唾液腺的差异分别为99%和-28%，甲状腺的差异分别为109%和20%；胸部扫描时，肝脏的差异分别为62%和-38%，甲状腺的差异分别为-24%和-82%；腹部盆腔扫描时，乳腺的差异分别为44%和-91%；躯干扫描时，甲状腺的差异分别为-21%和-79%。

图 3 本研究计算的CTDIvol 归一化器官剂量与VirutalDose和Lee等[22]计算比较A.头部扫描；B.胸部扫描；C.腹部盆腔扫描；D.躯干扫描 注：1.骨表面；2.大脑；3.乳腺；4.结肠；5.食管；6.性腺；7.肝脏；8.肺；9.红骨髓；10.唾液腺；11.皮肤；12.胃；13.甲状腺；14.膀胱 Figure 3 Comparison between CTDIvol-normalized organ absorbed doses calculated by this study and those by VirtualDose and Lee[22]A. Head scan; B. Chest scan; C. Abdomen-pelvis scan; D. Chest-abdomen-pelvis scan

3.不同准直器宽度下的CT剂量：本研究采用CT剂量评估软件计算了管电压120 kV，管电流时间乘积100 mAs，螺距为1，准直器宽度分别为5、10和20 mm时腹部盆腔扫描所致1岁儿童的器官剂量，如图 4所示。从图中可见，在相同扫描电压下，受检者器官剂量随着准直器宽度的增加而减小。准直器宽度为10 mm时1岁儿童器官剂量是准直器宽度5 mm时的78%~85%，准直器宽度20 mm时1岁儿童器官剂量是准直器宽度10 mm时的83%~92%。

图 4 管电压120 kV不同准直器宽度腹部盆腔扫描所致器官剂量 注：1.大脑；2.乳腺；3.结肠；4.骨表面；5.肝脏；6.肺；7.食管；8.红骨髓；9.唾液腺；10.皮肤；11.胃；12.睾丸；13.甲状腺；14.膀胱；15.其余组织 Figure 4 Organ absorbed doses from abdomen-pelvis examination at tube potential of 120 kVp with different collimations

CT扫描剂量评估软件对1岁儿童头部、胸部、腹部盆腔和躯干扫描计算的CTDI_vol归一化器官剂量与VritualDose和Lee等计算结果比较，对于完全包含在扫描范围内的器官差异较小，相对差异分别在15%和25%以内。这些器官由于完全包含在扫描范围内，所以器官剂量差异与扫描范围差异无关，不同人体模型体格参数差异(胸围、腰围、腹围等)以及器官在人体横断面上的位置差异是造成器官剂量差异的主要原因。对于部分包含和未包含在扫描范围内的器官，器官剂量差异较大。部分包含在扫描范围内的器官，器官剂量主要受器官包含在扫描范围内的比例影响。未包含在扫描范围内的器官，器官剂量由散射光子造成，器官剂量的大小主要受器官与扫描边界的距离影响，器官距离扫描边界越近，受到的散射剂量越大。在不同人体模型中，器官在纵向分布的相对位置存在差异，所以不同模型中器官与扫描边界的距离存在差异。因此对于部分包含和未包含在扫描范围内的器官，扫描范围差异和不同人体模型中器官在纵向相对位置的差异是造成器官剂量差异的主要因素。

对于同一个受检者，在相同扫描电压下，受检者所受的器官剂量随着准直器宽度的增大而减小。这是因为在头足方向上CT剂量分布曲线不是完全是直方形的，在多周扫描时曲线两端的尾部剂量会互相叠加，导致剂量略微升高。在相同的扫描范围下，准直器宽度越宽，扫描周数越少，剂量就越小。

文献调研发现目前没有用于中国人的CT扫描剂量评估软件。本研究基于中国成年男性、女性和1岁儿童参考人模型，对典型CT扫描患者的剂量进行了模拟与分析。开发了一款基于web的CT剂量评估软件。该软件通过蒙特卡罗模拟建立数据库，用户使用时不需要掌握蒙特卡罗模拟方法或编写蒙特卡罗模拟文件，只需要通过网页访问，填写常规CT参数，就可以利用蒙特卡罗模拟数据库，快速评估受检者CT扫描的器官剂量和有效剂量，具有较高的准确性。该软件无需安装、使用方便。对于临床CT扫描，扫描参数的选择和优化目标是在保证图像质量的条件下尽可能地降低辐射剂量，因此准确评估CT扫描的辐射剂量是非常必要的，本软件为CT扫描剂量的准确快速评估提供了有力工具。