Inter- and intra-individual radiation dose variability in oncologic chest and abdominal computed tomography

Abstract

Purpose

Computed tomography (CT) plays a central role in oncologic imaging, yet repeated examinations contribute substantially to cumulative radiation exposure. This study aimed to evaluate inter- and intra-individual radiation dose variability in chest and abdominal CT and the impact of CT device model and protocol standardization.

Materials and Methods

In this retrospective single-center study, 42441 CT scans from 4986 adult oncologic patients were analyzed. Dose metrics (CTDIvol, DLP, SSDE, effective dose) were extracted using automated dose monitoring. Inter- and intra-individual radiation dose variability was assessed across four CT device models and various protocol subtypes. Intra-individual radiation dose variability was calculated relative to the lowest dose per patient and compared across CT devices and protocol subtypes.

Results

Radiation dose varied substantially between devices, with CTDIvol differences of up to 2.4-fold in chest CT (2.98–7.26 mGy) and 1.7-fold in abdominal CT (5.26–8.77 mGy). The median intra-individual radiation dose variability was 93.7% (IQR 19.8–142.0%) in non-contrast chest CT, 66.3% (31.1–105.4%) in contrast-enhanced chest CT, 19.8% (11.8–32.3%) in non-contrast abdominal CT, and 28.2% (16.6–41.0%) in contrast-enhanced abdominal CT. When consecutive scans were performed on the same scanner, intra-individual radiation dose variability decreased to 14.7% (IQR 8.1–33.1%), 18.1% (9.5–31.3%), 11.7% (7.8–19.8%), and 15.3% (8.3–24.7%), respectively, indicating substantial device-specific effects.

Conclusion

Significant radiation dose variability persists in oncologic CT, both between and within patients, despite the use of standardized protocols. Device-adapted dose management and consistent device use may improve dose consistency, support optimization in oncologic imaging, and reduce radiation exposure.

Key Points

• Substantial radiation dose variability persists across CT devices despite protocol standardization.

• Intra-individual radiation dose variability is significant and highest in non-contrast chest CT.

• Consistent use of the same scanner reduces intra-individual radiation dose variability significantly.

• Internal diagnostic reference levels may improve radiation dose consistency and minimize exposure.

Citation Format

• Moradians AF, Rosok D, Serger R et al. Inter- and intra-individual radiation dose variability in oncologic chest and abdominal computed tomography. Rofo 2026; DOI 10.1055/a-2786-2534

Zusammenfassung

Ziel

Die Computertomografie (CT) spielt eine zentrale Rolle in der onkologischen Bildgebung, jedoch tragen wiederholte Untersuchungen wesentlich zu einer kumulativen Strahlenexposition bei. Ziel dieser Studie war es, die inter- und intraindividuelle Variabilität der Strahlendosis bei Thorax- und Abdomen-CTs zu untersuchen und den Einfluss des CT-Gerätemodells sowie der Standardisierung der Protokolle zu analysieren.

Material und Methoden

In dieser retrospektiven Einzelzentrumsstudie wurden 42441 CT-Scans von 4986 erwachsenen onkologischen Patient:innen analysiert. Der volumengewichtete CT-Dosisindex (CTDIvol), das Dosis-Längen-Produkt (DLP), das Size-Specific Dose Estimate (SSDE) und die effektive Dosis (ED) wurden mittels eines automatisierten Dosisüberwachungssystems extrahiert. Die inter- und intraindividuelle Strahlendosisvariabilität wurde zwischen vier CT-Gerätemodellen und verschiedenen Protokollsubtypen evaluiert. Die intraindividuelle Dosisvariabilität wurde jeweils im Verhältnis zur niedrigsten individuellen Dosis berechnet und geräte- sowie protokollübergreifend verglichen.

Ergebnisse

Die Strahlendosis variierte deutlich zwischen den Geräten, mit bis zu 2,4-fachen Unterschieden des CTDIvol bei Thorax-CTs (2,98–7,26 mGy) und bis zu 1,7-fachen Unterschieden bei Abdomen-CTs (5,26–8,77 mGy). Die mediane intraindividuelle Dosisvariabilität betrug 93,7% (IQR 19,8–142,0%) für native Thorax-CTs, 66,3% (31,1–105,4%) für Thorax-CTs mit Kontrastmittel, 19,8% (11,8–32,3%) für native Abdomen-CTs und 28,2% (16,6–41,0%) für Abdomen-CTs mit Kontrastmittel. Wurden die Folgeuntersuchungen jeweils am gleichen Scanner durchgeführt, verringerte sich die intraindividuelle Variabilität auf 14,7% (IQR 8,1–33,1%), 18,1% (9,5–31,3%), 11,7% (7,8–19,8%) bzw. 15,3% (8,3–24,7%), was auf substanzielle gerätespezifische Faktoren hindeutet.

Schlussfolgerung

Trotz standardisierter Untersuchungsprotokolle besteht bei der onkologischen Computertomografie eine signifikante Variabilität der Strahlendosis, sowohl zwischen als auch innerhalb einzelner Patient:innen. Ein gerätespezifisches Dosismanagement und die konsequente Nutzung gleicher CT-Geräte könnten die Dosiskonstanz verbessern, zur Optimierung der onkologischen Bildgebung beitragen und die Strahlenexposition reduzieren.

Kernaussagen

• Trotz standardisierter Protokolle besteht eine substanzielle Strahlendosisvariabilität zwischen unterschiedlichen CT-Geräten.

• Die intraindividuelle Strahlendosisvariabilität ist signifikant und am höchsten bei nativen Thorax-CTs.

• Eine konsequente Nutzung des gleichen CT-Geräts verringert die intraindividuelle Strahlendosisvariabilität deutlich.

• Institutionsinterne Referenzwerte können zur Verbesserung der Dosiskonstanz und Reduktion der Strahlenexposition beitragen.

Keywords

Computed Tomography - Oncologic Imaging - Dose Monitoring - Radiation Dose Variability - Diagnostic Reference Levels (DRLs) - CT Protocol Optimization

Publikationsverlauf

Eingereicht: 04. August 2025

Angenommen nach Revision: 04. Januar 2026

Artikel online veröffentlicht:
30. Januar 2026

• References

• 1 Bos D, Guberina N, Zensen S. et al. Radiation Exposure in Computed Tomography. Deutsches Ärzteblatt international 2023; 120: 135-141
• 2 Bundesamt für Strahlenschutz. Röntgendiagnostik: Häufigkeit und Strahlenexposition für die deutsche Bevölkerung (18.10.2024). Zugriff am 18. Mai 2025 unter: https://www.bfs.de/DE/themen/ion/anwendung-medizin/diagnostik/roentgen/haeufigkeit-exposition.html
• 3 Bundesamt für Strahlenschutz (BfS), Bundesministerium für Umwelt, Naturschutz, Reaktorsicherheit und Verbraucherschutz. Umweltradioaktivität und Strahlenbelastung – Jahresbericht 2020. 2020 http://nbn-resolving.de/urn:nbn:de:0221–2023092039261
• 4 Bundesamt für Strahlenschutz. Computertomografie – Expositionspraxis in Deutschland und Möglichkeiten der Dosisreduktion (20.09.2022). Zugriff am 18. Mai 2025 unter: https://www.bfs.de/DE/themen/ion/anwendung-medizin/diagnostik/roentgen/ct-untersuchungen.html
• 5 Schegerer AA, Nagel H-D, Stamm G. et al. Current CT practice in Germany: Results and implications of a nationwide survey. Eur J Radiol 2017; 90: 114-128
• 6 Nekolla EA, Schegerer AA, Griebel J. et al. Häufigkeit und Dosis diagnostischer und interventioneller Röntgenanwendungen: Trends zwischen 2007 und 2014. Radiologe 2017; 57: 555-562
• 7 Miglioretti DL, Smith-Bindman R. Overuse of computed tomography and associated risks. Am Fam Physician 2011; 83: 1252-1254
• 8 ICRP. The 2007 Recommendations of the International Commission on Radiological Protection. ICRP publication 103. Ann ICRP 2007; 37: 1-332
• 9 Garba I, Zarb F, McEntee MF. et al. Computed tomography diagnostic reference levels for adult brain, chest and abdominal examinations: A systematic review. Radiography (Lond) 2021; 27: 673-681
• 10 Kumsa MJ, Nguse TM, Ambessa HB. et al. Establishment of local diagnostic reference levels for common adult CT examinations: a multicenter survey in Addis Ababa. BMC Med Imaging 2023; 23: 6
• 11 Smith TB, Zhang S, Erkanli A. et al. Variability in image quality and radiation dose within and across 97 medical facilities. J Med Imaging (Bellingham) 2021; 8: 52105
• 12 Smith-Bindman R, Wang Y, Chu P. et al. International variation in radiation dose for computed tomography examinations: prospective cohort study. BMJ 2019; 364: k4931
• 13 Council of the European Union. Council Directive 2013/59/Euratom of 5 December 2013 laying down basic safety standards for protection against the dangers arising from exposure to ionising radiation, and repealing Directives 89/618/Euratom, 90/641/Euratom, 96/29/Euratom, 97/43/Euratom and 2003/122/Euratom. Official Journal of the European Union 2013. http://data.europa.eu/eli/dir/2013/59/2014–01–17
• 14 McNitt-Gray MF. AAPM/RSNA Physics Tutorial for Residents: Topics in CT. Radiation dose in CT. Radiographics 2002; 22: 1541-1553
• 15 Bundesamt für Strahlenschutz. Bekanntmachung der aktualisierten diagnostischen Referenzwerte für diagnostische und interventionelle Röntgenanwendungen [Vom 17. November 2022] (01.07.2024). Zugriff am 16. Juni 2025 unter: https://www.bfs.de/SharedDocs/Downloads/BfS/DE/fachinfo/ion/drw-roentgen.pdf?__blob=publicationFile&v=1
• 16 Kordolaimi SD, Argentos S, Pantos I. et al. A new era in computed tomographic dose optimization: the impact of iterative reconstruction on image quality and radiation dose. J Comput Assist Tomogr 2013; 37: 924-931
• 17 Krazinski AW, Meinel FG, Schoepf UJ. et al. Reduced radiation dose and improved image quality at cardiovascular CT angiography by automated attenuation-based tube voltage selection: intra-individual comparison. Eur Radiol 2014; 24: 2677-2684
• 18 Lee S, Yoon S-W, Yoo S-M. et al. Comparison of image quality and radiation dose between combined automatic tube current modulation and fixed tube current technique in CT of abdomen and pelvis. Acta Radiol 2011; 52: 1101-1106
• 19 Mayer C, Meyer M, Fink C. et al. Potential for radiation dose savings in abdominal and chest CT using automatic tube voltage selection in combination with automatic tube current modulation. AJR Am J Roentgenol 2014; 203: 292-299
• 20 Kobayashi N, Nakaura T, Yoshida N. et al. Impact of deep learning reconstruction on radiation dose reduction and cancer risk in CT examinations: a real-world clinical analysis. Eur Radiol 2025; 35: 3499-3507
• 21 Paudyal R, Shah AD, Akin O. et al. Artificial Intelligence in CT and MR Imaging for Oncological Applications. Cancers (Basel) 2023; 15
• 22 Rusanov B, Hassan GM, Reynolds M. et al. Deep learning methods for enhancing cone-beam CT image quality toward adaptive radiation therapy: A systematic review. Med Phys 2022; 49: 6019-6054
• 23 Suntharalingam S, Stecker FF, Guberina N. et al. How Much Is the Dose Varying between Follow-Up CT-Examinations Performed on the Same Scanner with the Same Imaging Protocol?. PLoS One 2016; 11: e0152961
• 24 Smith-Bindman R, Kang T, Chu PW. et al. Large variation in radiation dose for routine abdomen CT: reasons for excess and easy tips for reduction. Eur Radiol 2024; 34: 2394-2404
• 25 Fathelrahman SA, Ahmed AT, Khalid NH. et al. Study the variations in radiation doses in different multi-slice CT scan machines. GSC Adv. Res. Rev 2023; 17: 221-228
• 26 Harri PA, Moreno CC, Nelson RC. et al. Variability of MDCT dose due to technologist performance: impact of posteroanterior versus anteroposterior localizer image and table height with use of automated tube current modulation. AJR Am J Roentgenol 2014; 203: 377-386
• 27 Kaasalainen T, Palmu K, Reijonen V. et al. Effect of patient centering on patient dose and image noise in chest CT. AJR Am J Roentgenol 2014; 203: 123-130
• 28 Lange I, Alikhani B, Wacker F. et al. Intraindividual variation of dose parameters in oncologic CT imaging. PLoS One 2021; 16: e0250490
• 29 Pantos I, Thalassinou S, Argentos S. et al. Adult patient radiation doses from non-cardiac CT examinations: a review of published results. Br J Radiol 2011; 84: 293-303