CT是放射诊疗项目中公众累积剂量占比最大的人工辐射源，其辐射剂量的优化和管理一直是国内外关注的焦点, CT辐射剂量的表达量是基于标准剂量模体测量所得，不能准确反映人体不同尺寸和不同部位所接受的实际剂量。美国医学物理师协会(AAPM)204和220号出版物推荐使用有效直径与水当量直径来表达被检部位的尺寸^[1-2]，以对CT辐射剂量的表达量进行修正。临床实践中，水当量直径和有效直径的确定较为复杂，一般由被扫描范围的一个CT体层图像测量而来。但是，断层面积在人体长轴方向上的尺寸有很大的变化，比较准确的方法是将扫描范围的所有层面图像进行测量，给出患者个性化的准确估计。因此，有必要找到一种快速确定不同CT扫描部位有效直径和水当量直径的简单方法，进而探讨常见检查部位CT辐射剂量修正的快速转换系数。本研究开发了一套自动批量处理CT图像数据程序，探索符合临床需求的CT辐射剂量修正系数。

1.设备和软件：GE Revolution CT机(美国GE公司)；MicroDicom影像软件(1994—2017, OFFIS e.V.保加利亚, 索菲亚公司)；MATLAB image processing tool box图形处理工具包(R2020a，美国MathWorks公司)；SPSS 26.0统计分析软件。

2.自编程序的计算量：

有效直径(D_e)用下式计算:

式中，面积是根据体层图像DICOM文件中像素标签的实际物理尺寸，对整幅图像内人体解剖结构的像素统计得出。

水当量直径(D_w)为:

式中，CT(x, y)为每一像素的HU值；A_roi为兴趣区的总像素面积，一般指层面图像内人体解剖结构的总面积。

体型特异性剂量估计(SSDE)为:

式中，CTDI_vol(容积CT剂量指数)为CT设备的显示值，由直径为16 cm(代表头部)或32 cm(代表体部)标准剂量模体测量所得；f为转换因子。SSDE可由有效直径计算得出，即SSDE_ED；也可由水当量直径计算得出，即SSDE_WED。值得注意的是，AAPM 293号出版物建议^[3]，应该为头部建立一套单独的转换因子，原因是包绕颅脑的头骨密度高，光子的衰减更大, 与身体其他部位的衰减特点不同。转换因子(f)的计算公式为:

3.数据获取：于2021年3月8日至5月10日在首都医科大学附属北京同仁医院抽取患者颅脑、鼻骨、鼻窦、颈部、胸部、腹盆部CT影像资料，样本数分别为40、15、42、37、29、26。男99例，女90例，年龄27~98岁。入组标准为无明显金属异物和运动伪影，图像质量均能满足诊断需求。从每一幅图像的DICOM文件中读取病例的年龄、性别、部位、像素数据、斜率、截距、像素尺寸等标签信息。计算每一个病例所有图像的有效直径和水当量直径，取均值作为该病例的有效直径和水当量直径。

4.图像处理：利用MATLAB编程实现病例图像的自动批量计算，包括前后径(AP)、左右径(LAT)、实际有效直径(D_e)、水当量直径(D_w), 对一个病例的整个图像序列数据取均值。在多数情况下，自编程序可以很好地处理所有图像，并得到准确的结果。本研究采用中值滤波、二值化阈值、连通域面积阈值、灰度值阈值、开闭运算的结构元素大小等一系列固有参数对所有CT图像进行统一操作。同时采用3次样条插值来平滑处理结果数值中的偏差。

5.结果分析：通过计算得到的数据，结合临床便捷使用的需求，给出不同检查部位成年人D_e和D_w的快捷确定方法，比如使用易获得的患者前后径、左右径转换成D_e和D_w。同时，给出不同部位的有效直径和水当量直径的简单换算关系。另外，本研究基于同一部位所有样本的有效直径和水当量直径的均值，给出一个平均体型成人的转换因子，便捷用于患者CTDI_vol的修正。

6.统计学处理：采用SPSS 26.0软件进行数据分析。对校正因子与水当量直径对应的校正因子之间采取相对误差计算，对每个部位尺寸计算结果进行统计，对AP、LAT确定直径的过程，采取开方后除对应直径对缩放因子取平均。CTDI_vol、D_w、D_e、SSDE等计量资料符合正态分布，采用双侧t检验，数据以x±s表示。在CTDI_vol与SSDE双变量相关性采用Pearson分析，相关程度使用最小二乘法线性回归，P＜0.05为差异有统计学意义。

1.不同部位的有效直径和水当量直径: 胸部水当量直径的大小明显小于有效直径，腹部水当量直径与有效直径相差不大。本研究给出各个部位有效直径和水当量直径的平均绝对偏差，在颅脑、鼻骨、鼻窦、颈部4个部位中有效直径分别为0.86、0.83、0.90、0.28 cm小于水当量直径(t=18.98、13.30、20.01、6.70，P < 0.05)。胸部和腹盆的有效直径分别为2.46和0.60 cm大于水当量直径(t=17.09、8.05，P < 0.05)，见表 1。

表 1(Table 1)

表 1 所有患者不同部位水当量直径与有效直径的比较(cm, x±s) Table 1 Comparison of water equivalent diameter with effective diameter in different body parts of patients (cm, x±s) 部位 例数 有效直径 水当量直径 t值 P值 颅脑 40 16.07±0.76 16.93±0.80 18.98 < 0.05 鼻骨 15 16.29±0.63 17.12±0.61 13.30 < 0.05 鼻窦 42 15.85±0.61 16.75±0.69 20.01 < 0.05 颈部 37 17.01±1.39 17.29±1.38 6.70 < 0.05 胸部 29 28.58±2.31 26.12±2.36 17.09 < 0.05 腹盆 26 27.99±2.08 27.39±2.05 8.05 < 0.05

表 1 所有患者不同部位水当量直径与有效直径的比较(cm, x±s) Table 1 Comparison of water equivalent diameter with effective diameter in different body parts of patients (cm, x±s)

2.SSDE快速校正因子的建立: 用程序自动测量和计算样本病例扫描部位AP、LAT、AP+LAT、$ \sqrt{\mathrm{AP} \times \mathrm{LAT}} $、D_e和D_w，并根据AAPM的报告确定相应的校正因子，然后把所有样本的转换因子取均值，建立一个适用于成年人CT扫描辐射剂量(CTDI_vol)的快速校正因子，它们代表了成年人平均体型尺寸下的校正因子，可用于临床便捷地校正设备显示CTDI_vol值(表 2)。

表 2(Table 2)

表 2 成年人各部位CT扫描中基于不同尺寸值的SSDE快速转换因子 Table 2 SSDE rapid conversion factors based on different size values in adult CT procedures 部位 fAP fLAT fAP+LAT $ f ^\sqrt{\mathrm{AP} \times \mathrm{LAT}} $ fe fw 颅脑 0.84 1.11 1.13 1.01 1.01 0.87 鼻骨 0.82 1.08 0.98 0.97 1.01 0.97 鼻窦 0.87 1.10 1.00 1.01 1.01 0.98 颈部 0.86 1.03 0.95 0.93 0.97 0.99 胸部 1.33 1.29 1.30 1.32 1.28 1.42 腹盆 1.34 1.33 1.35 1.32 1.32 1.36 注：fAP、fLAT、fAP+LAT、$ f ^\sqrt{\mathrm{AP} \times \mathrm{LAT}}$、fe和fw是基于AP、LAT、AP+LAT、$ \sqrt{\mathrm{AP} \times \mathrm{LAT}} $、De、Dw所对应的SSDE转换因子

表 2 成年人各部位CT扫描中基于不同尺寸值的SSDE快速转换因子 Table 2 SSDE rapid conversion factors based on different size values in adult CT procedures

表 2中颅脑的f^w计算基于公式(4)而来。其标称值为0.87，如果按照AAPM 220报告^[2]中转换f^w标称值则为0.97。

3.有效直径和水当量直径的便捷确定: 临床实践中，快速计算患者的真实有效直径较为困难，但测量患者的AP和LAT较为便捷。为了便于临床快速估算有效直径，这里给出AP和LAT与真实有效直径的换算关系，$ D_{\mathrm{e}}=\alpha \times \sqrt{\mathrm{AP} \times \mathrm{LAT}}$，$D_{\mathrm{w}}=\beta \times\sqrt{\mathrm{AP} \times \mathrm{LAT}} $(表 3)。

表 3(Table 3)

表 3 患者CT扫描不同部位真实有效直径和水等效直径的快速换算系数 Table 3 Fast conversion coefficients for real effective diameter and water equivalent diameter in different CT scanned body parts 部位 有效直径转换系数α 水当量直径转换系数β 颅脑 0.983 1.036 鼻骨 0.952 1.020 鼻窦 0.976 1.032 颈部 0.956 0.972 胸部 1.009 0.921 腹盆 1.009 0.987

表 3 患者CT扫描不同部位真实有效直径和水等效直径的快速换算系数 Table 3 Fast conversion coefficients for real effective diameter and water equivalent diameter in different CT scanned body parts

4.SSDE转换因子之间的对比：根据AAPM 204^[1]和220号出版物^[2]，可以得到基于AP、LAT、AP+LAT、$ \sqrt{\mathrm{AP} \times \mathrm{LAT}}$、D_e、D_w所对应的SSDE转换因子。表 4是以D_w对应的结果f^w作为标准来评估基于其他尺寸参数所对应因子的相对误差。

表 4(Table 4)

表 4 不同尺寸参数的SSDE转换因子与fw的相对误差(%) Table 4 Relative error between SSDE conversion factors for different dimensions with fw 部位 例数 fAP fLAT fAP+LAT $ f ^\sqrt{\mathrm{AP} \times \mathrm{LAT}} $ fe 颅脑 40 16.30 9.89 15.49 16.09 15.47 鼻骨 15 18.05 7.82 1.93 0.68 3.33 鼻窦 42 14.56 8.25 3.14 3.06 3.51 颈部 37 12.23 5.83 2.72 6.06 2.50 胸部 29 3.00 3.00 7.60 7.04 8.38 腹盆 26 2.80 3.41 2.10 2.94 2.38 注：：fAP、fLAT、fAP+LAT、$ f^{\sqrt{\mathrm{AP} \times \mathrm{LAT}}} $、fe和fw是为基于AP、LAT、AP+LAT、$ \sqrt{\mathrm{AP} \times \mathrm{LAT}} $、De、Dw所对应的SSDE转换因子

表 4 不同尺寸参数的SSDE转换因子与fw的相对误差(%) Table 4 Relative error between SSDE conversion factors for different dimensions with fw

5.CT辐射剂量的校正值：本研究纳入样本的平均CTDI_vol、D_e、D_w、修正后的体型特异性剂量估计(SSDE_ED和SSDE_WED)见表 5，相关性分析见表 6。

表 5(Table 5)

表 5 患者各部位CT剂量均值与标准差(mGy，x±s) Table 5 Estimated CT doses to body parts (mGy, x±s) 部位 例数 CTDIvol SSDEED SSDEWED 颅脑 40 49.8±1.9 50.02±1.9 43.5±1.8 鼻骨 15 25.3±17.6 25.4±18.0 24.8±18.0 鼻窦 42 34.6±14.6 24.9±14.4 33.7±13.6 颈部 37 27.5±2.9 26.7±3.0 27.2±5.2 胸部 29 26.7±8.6 33.9±9.7 37.1±10.8 腹盆 26 34.5±7.3 45.3±8.7 46.5±9.0 注：CTDIvol.容积CT剂量指数；SSDEED.基于有效直径的体型特异性剂量估计；SSDEWED.基于水等效直径的体型特异性剂量估计

表 5 患者各部位CT剂量均值与标准差(mGy，x±s) Table 5 Estimated CT doses to body parts (mGy, x±s)

表 6(Table 6)

表 6 患者CT扫描不同部位SSDEED、SSDEWED与CTDIvol的相关性分析 Table 6 Correlation analysis of SSDEED, SSDEWED and CTDIvol in CT scanned different body parts 部位 SSDEED与CTDIvol相关性 SSDEWED与CTDIvol相关性 相关系数 P值 斜率 截距 相关系数 P值 斜率 截距 颅脑 0.61 < 0.01 0.61 19.60 0.53 < 0.01 0.53 17.10 鼻骨 0.99 < 0.01 1.02 -0.48 0.99 < 0.01 1.00 -0.69 鼻窦 0.99 < 0.01 0.98 0.89 0.99 < 0.01 0.93 1.46 颈部 0.84 < 0.01 0.85 3.29 0.51 < 0.01 0.89 2.49 胸部 0.97 < 0.01 1.11 4.29 0.96 < 0.01 1.22 4.52 腹盆 0.94 < 0.01 1.12 6.56 0.91 < 0.01 1.17 6.12 注：CTDIvol.容积CT剂量指数；SSDEED.基于有效直径的体型特异性剂量估计；SSDEWED.基于水等效直径的体型特异性剂量估计

表 6 患者CT扫描不同部位SSDEED、SSDEWED与CTDIvol的相关性分析 Table 6 Correlation analysis of SSDEED, SSDEWED and CTDIvol in CT scanned different body parts

作为评价被检部位对射线衰减真实情况的衡量，水等效直径是最精确的表达量。以水等效直径作为基准, 可以评价不同扫描部位中基于前后径、左右径和有效直径的辐射剂量转换系数的偏差。本研究结果显示，头部和颈部的CT扫描，前后径所对应的校正系数误差最大，有效直径对应的误差最小，但颅脑扫描时误差较大，高达15.47%，其原因是颅脑周围包绕颅骨的特殊解剖结构特点影响了射线衰减的规律。这也说明了不适合引用AAPM 220号^[2]出版物来计算颅脑水当量直径，可以看到考虑到293号报告^[3]对颅脑部位的单独修正，其与220号报告^[2]在颅脑部位f^w相比小了约10.30%，这与293报告^[3]中的8.7%相接近。在胸部与腹盆部扫描中，左右径和前后径所得转换系数的相对误差很小(＜3.5%)，胸部的有效直径所对应系数f^e的误差较大，相对于另外四个因子f^AP、f^LAT、f^AP+LAT、$ f^{\sqrt{\mathrm{AP} \times \mathrm{LAT}}} $是最大的。因此一个可能的建议是，实际扫描过程中只有胸部和腹盆部的前后径或左右径对应的转换因子可以使用，鼻骨、鼻窦和颈部使用f^AP+LAT、f^e和f^w。

以水当量直径作为评价依据时，胸部与腹部的差异显著。这意味着含气胸腔对X射线的衰减程度不适合使用有效直径进行衡量。但是，在同样含气较多的鼻窦CT水当量直径却大于有效直径，其原因是横截面中含有致密牙齿对CT值有很大的贡献，从而影响水当量直径的计算。但是，牙齿基本不会存在辐射危险的问题，由于较高衰减导致的水当量直径增加而进一步导致的剂量估算偏高，需要在后续的研究中开发更为精准的蒙特卡罗方法作为支撑。

同时，本研究还给出有效直径与水当量直径的便捷转换方法。基于样本数据给出两类直径的线性回归关系。本研究取人体长轴上的所有断层图像进行分析并取均值，而不是仅取一个层面的面积信息，所得结果更接近患者实际体型。对于同样尺寸的组织结果差异和剂量差异，本研究将有效直径和水等效直径建立了线性转换关系。本研究结果显示，胸部、腹盆D_e约比D_w大9.5%和1.8%。这与AAPM 220报告^[2]中的-11%和-3%较为接近。腹部CT水当量直径略低于有效直径，与AAPM 220报告^[2]的-3%相反，可能是腹部扫描中含有较大比例的胸部肺野长度所致。同时还使得SSDE_ED较SSDE_WED小了约为8.6%和2.5%。袁子龙等^[4]得出胸部和腹部D_e比D_w大约为12%和-5.2%。Abuhaimed与Martin^[5]也进行所有断层图像的水当量直径或有效直径平均化，采集了包括成人和儿童的351个样本，表示也可能导致高估或低估真正的水当量直径高达13%。不同的是，AAPM 220报告^[2]给出的有效直径是由(AP+LAT)/2或$\sqrt{\mathrm{AP} \times \mathrm{LAT}} $得到的，本研究是对所有断层图像计算平均而来。除了人们常常关注胸腹部位，还给出颅脑、鼻骨、鼻窦、颈部4个部位的D_e与D_w的数据与差异。鼻窦CT的SSDE_WED与SSDE_ED差异较大，因此鼻窦处水当量直径的使用来修正剂量指数尤为重要。沈伟等^[6]和徐健等^[7]从身高体重出发去估算SSDE，结果发现体重和BMI与水当量直径有较强的相关性，还有学者指出脂肪含量与SSDE的相关性^[8]，这些提示了SSDE从不同维度去估算的可能性。

本研究的不足之处是数据来源单一，数据量较小，计算结果受扫描习惯影响较大。此外，本研究的样本为成人，加大样本量年龄段分组来研究差异，使统计学结果更具有代表性。

本研究主要是使用一种自动化的图像处理过程，批量处理了CT横断面图像的面积信息并进行分析和处理。结合AAPM 204、220、293^[1-3]3个出版物转换为因子，对临床CTDI_vol进行了修正。给出了成人CT扫描不同部位的辐射剂量修正因子，程序具有较好的准确性，便于临床实践中更加精确评估患者所接受到的辐射剂量。

利益冲突  无

作者贡献声明  韩加星负责研究图像处理方法、数据处理、结果统计分析、论文撰写；牛延涛、孙保华负责研究方案的指导，论文的审核修改以及校对