CT劑量指數(shù)估算方法研究*

莊靜文鄭鈞正白 玫*

學(xué)術(shù)論著

CT劑量指數(shù)估算方法研究*

莊靜文①鄭鈞正①白 玫①*

目的:研究多排螺旋CT輻射劑量表征量的校正系數(shù).方法:使用 CT-SD 16長桿電離室測(cè)量西門子 SOMATOM Definition Flash CT不同直徑模體中不同準(zhǔn)值寬度、螺距以及管電壓下劑量分布曲線,計(jì)算加權(quán)劑量指數(shù)無窮(CTDI∞)與加權(quán)CTDI100的比值,并以對(duì)結(jié)果有影響的掃描條件為依據(jù)對(duì)此比值分類取平均值.結(jié)果:使用頭部模體進(jìn)行測(cè)量時(shí)加權(quán)CTDI∞與加權(quán)CTDI100的比值為1.123～1.162,使用體部模體進(jìn)行測(cè)量時(shí)加權(quán)CTDI∞與加權(quán)CTDI100的比值在1.118～1.173之間,并隨著準(zhǔn)直寬度的增加此比值增大.結(jié)論:檢測(cè)結(jié)果表明,CTDI100低估了多排螺旋CT輻射劑量水平,因此應(yīng)對(duì)CTDI100進(jìn)行校正.

多排螺旋CT;CT劑量指數(shù);校正系數(shù)

莊靜文,女,(1990- ),碩士,助理工程師.首都醫(yī)科大學(xué)宣武醫(yī)院醫(yī)學(xué)工程處,研究方向:輻射劑量測(cè)量.

[First-author's address] Medical Engineering Department, Xuanwu Hospital of Capital Medical University, Beijing 100053, China.

1972年X射線CT問世,開辟了醫(yī)學(xué)影像數(shù)字化的新時(shí)代[1].隨著設(shè)備的更新?lián)Q代和日益廣泛普及,X射線CT為廣大公眾的保健查體和疾病診治提供了不可或缺的重要手段.同時(shí),X-CT檢查所致受檢者與患者的醫(yī)療照射劑量不斷增加的問題,越來越引起放射防護(hù)與社會(huì)各界的強(qiáng)烈關(guān)注[2-3].因此,深入研究X-CT掃描的輻射劑量學(xué)問題意義重大[4].

為了估算CT檢查所致受檢者輻射劑量,Shope等[5]于1981年提出了CT劑量指數(shù)(computed tomography dose index,CTDI)的概念,其最初定義為沿Z軸從-∞到+∞長度上的劑量積分,即CTDI∞.為CT檢查所致輻射劑量的準(zhǔn)確值,可以通過沿整條分布曲線積分得到.為了便于測(cè)量,國際電工委員會(huì)(International Electrotechnical Commission,IEC)將積分范圍標(biāo)準(zhǔn)化為沿Z軸-50 mm～+50 mm,即CTDI100[6].其值可以方便的使用100 mm電離室測(cè)得,因此CTDI100是目前獲得公認(rèn)的通用反映CT機(jī)掃描劑量特性的表征量之一,用來表示CT機(jī)掃描時(shí)的輸出劑量[7-8].本研究通過實(shí)驗(yàn)測(cè)量西門子SOMATOM Definition Flash CT螺旋掃描模式不同掃描條件下直徑為16 cm和32 cm模體中的劑量分布曲線,分析CT檢查所致輻射劑量的準(zhǔn)確值與目前常用的CT輻射劑量表征量,以及掃描參數(shù)之間的關(guān)系,得到較為簡(jiǎn)便的校正方法.

1 CT劑量指數(shù)校正系數(shù)

Boone[9]首先引入了CT劑量效率這一概念來表示CTDI100的準(zhǔn)確性,CT劑量效率的定義為CTDI100與CTDI∞的比值,其表達(dá)[10]為公式1:

式中當(dāng)i被w替換時(shí),為體部體模加權(quán)CT劑量效率的計(jì)算公式,CTDI100,w、CTDI∞,w分別為加權(quán)CTDI100與加權(quán)CTDI∞;當(dāng)i被vol替換時(shí),為體部模體容積CT劑量效率的計(jì)算公式,CTDI100,vol、CTDI∞,vol分別為容積CTDI100與加權(quán)CTDI∞.

Li等[7]使用蒙特卡羅方法(Monte Carlo)求得了西門子SOMATOM Definition Flash CT機(jī)的ε(CTD100)與ε(CTDI100,w),并結(jié)合先前數(shù)據(jù)給出了不同機(jī)型不同掃描條件下CTDI∞與CTDI100的比值,以此比值對(duì)目前常用的CT輻射劑量表征量進(jìn)行簡(jiǎn)單的校正,可以更為準(zhǔn)確地估算CT檢查所致受檢者輻射劑量.

2 材料與方法

2.1 設(shè)備與材料

使用CT-SD 16長桿電離室測(cè)量西門子 SOMAT OM Definition Flash CT(Siemens AG,德國); CT-SD 16長桿電離室(RTI Electronic,瑞典);有機(jī)玻璃模體(IBA,德國).

2.2 掃描方法

在西門子SOMATOM Definition Flash CT螺旋掃描模式不同掃描條件下掃描直徑16 cm的頭部模體與直徑32 cm的體部模體,使用CT-SD 16長桿電離室依次在模體中心位置以及12點(diǎn)、3點(diǎn)、6點(diǎn)及9點(diǎn)方向的邊緣位置進(jìn)行測(cè)量,獲得不同掃描條件下,模體中不同位置的劑量分布曲線.固定的掃描條件:管電流為160 mAs、球管旋轉(zhuǎn)時(shí)間為1.0 s、層厚為5.0 mm;需要變化的掃描條件有管電壓、準(zhǔn)直寬度及螺距,其中分別設(shè)置管電壓為100 kV、120 kV及140 kV,準(zhǔn)直寬度為16X0.3 mm、16X0.6 mm、20X0.6 mm、40X0.6mm、32X1.2 mm和128X0.6 mm,螺距為0.5、1.0及1.5.

2.3 測(cè)量方法

對(duì)以測(cè)量峰值為中心兩側(cè)各50 mm長度的劑量分布曲線進(jìn)行積分獲得相應(yīng)的CTDI100,對(duì)整條劑量分布曲線積分獲取劑量分布曲線獲得相應(yīng)的CTDI∞,并使用在不同位置測(cè)得的CTDI100及CTDI∞,分別計(jì)算出加權(quán)CTDI100(CTDI100,w)及加權(quán)CTDI∞(CTDI∞,w).

2.4 統(tǒng)計(jì)學(xué)方法

使用SPSS軟件對(duì)所有經(jīng)實(shí)驗(yàn)測(cè)量在相同掃描條件下所測(cè)得的CTDI100,w與CTDI∞,w進(jìn)行線性相關(guān)分析,若其之間存在線性相關(guān)關(guān)系,則計(jì)算CTDI∞,w與CTDI100,w的比值,使用SPSS軟件以管電壓及準(zhǔn)直寬度為分組變量,對(duì)計(jì)算得到的所有校正系數(shù)進(jìn)行Kruscal-Wallis檢驗(yàn),以知道使用不同管電壓或準(zhǔn)直寬度掃描時(shí)校正系數(shù)間是否有顯著差異,并計(jì)算Spearman秩相關(guān)系數(shù),以知道管電壓及準(zhǔn)直寬度和CTDI∞,w與CTDI100,w比值之間的相關(guān)關(guān)系,并根據(jù)上述統(tǒng)計(jì)分析結(jié)果對(duì)上述比值進(jìn)行分類并取平均值.

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

(1)管電壓為120 kV,螺距為1.0時(shí),根據(jù)使用不同準(zhǔn)直寬度進(jìn)行掃描結(jié)果所計(jì)算出的CTDI∞,w與CTDI100,w比值見表1.

(2)分別對(duì)在頭部和體部體模中測(cè)量計(jì)算得到的CTDI100,w與CTDI∞,w進(jìn)行線性相關(guān)分析,Pearson線性相關(guān)系數(shù)分別為0.998和0.993, 表明在進(jìn)行頭部和體部掃描時(shí)CTDI100,w與CTDI∞,w都具有較強(qiáng)的線性相關(guān)性.以管電壓及準(zhǔn)直寬度為分組變量,對(duì)在頭部和體部體模中測(cè)量計(jì)算得到的CTDI100,w比值進(jìn)行Kruscal-Wallis檢驗(yàn),并計(jì)算Spearman秩相關(guān)系數(shù).結(jié)果顯示,對(duì)于頭部體模來說使用不同的準(zhǔn)直寬度掃描時(shí)這一比值間有顯著差異(x2=21.852, P<0.05),準(zhǔn)直寬度與其相關(guān)系數(shù)為0.867,有顯著的正相關(guān)關(guān)系,使用不同管電壓掃描時(shí)此比值間無明顯差異(x2=1.634,P>0.05),管電壓與其相關(guān)系數(shù)為0.198,管電壓與校正系數(shù)無顯著性關(guān)系;對(duì)于體部體模來說,使用不同的準(zhǔn)直寬度掃描時(shí)這一比值間有顯著差異(x2=13.281,P<0.05),準(zhǔn)直寬度與其相關(guān)系數(shù)為0.671,有顯著的正相關(guān)關(guān)系,使用不同管電壓掃描時(shí)此比值無明顯差異(x2=5.675,P>0.05),管電壓與其相關(guān)系數(shù)為0.439,無顯著性相關(guān)關(guān)系.因此,這一比值與螺旋掃描時(shí)所設(shè)置的準(zhǔn)直寬度有關(guān).

表1 CTDI∞,w與CTDI100,w比值

(3)將實(shí)驗(yàn)所得校正系數(shù)根據(jù)掃描時(shí)使用的不同準(zhǔn)直寬度分類并取平均值,結(jié)果見表2.由表2可知,在使用頭部體模進(jìn)行測(cè)量時(shí)CTDI∞,w與CTDI100,w比值為1.123～1.162,在使用體部體模進(jìn)行測(cè)量時(shí)此比值為1.118～1.173,隨著準(zhǔn)直寬度的增加而增大,見表2.

表2 不同準(zhǔn)直寬度分類并取平均值所得的CTDI∞,w與CTDI100,w比值

4 討論

由表2可知,CTDI100,w與CTDI∞,w的差異在10%以上,隨著準(zhǔn)直寬度增大,射線束寬增大,CTDI100所能涵蓋的射線量與實(shí)際總射線量的比值減小,由頭部模體和體部模體中各位置CTDI100加權(quán)得到的CTDI100,w與CT檢查所致輻射劑量加權(quán)的準(zhǔn)確值CTDI∞,w之間的差異增大,因此隨著準(zhǔn)直寬度的增加校正系數(shù)增大.同時(shí)表明了隨射線束寬度的增加,目前所使用的輻射劑量表征量如CTDI100、CTDIw(即本研究中的CTDI∞,w)等表征CT檢查所致輻射劑量的準(zhǔn)確性在降低,應(yīng)當(dāng)進(jìn)行校正.

有研究表明,隨著多排螺旋CT射線束的增寬, CTDI100已無法準(zhǔn)確表達(dá)輻射劑量水平[10-13].Mori等[14]使用1臺(tái)256層CT測(cè)量了一個(gè)長90 cm的圓柱形模體中的劑量分布,并發(fā)現(xiàn)在使用10 mm的射線寬度掃描一個(gè)直徑為32 cm的體部模體時(shí),在體部模體的中心和邊緣位置CTDI100分別為CTDI∞的60%和80%; Nakonechny等[15]的研究表明,使用寬度為3～20 mm的射線掃描在體部模體中心位置CTDI250與CTDI100的比值為1.3;Boone[9]在2007年指出,對(duì)于射線寬度<40 mm的CT成像系統(tǒng)CTDI100與CTDI∞之間的比值可以穩(wěn)定在80%～90%的范圍內(nèi),但當(dāng)射線寬度>40 mm時(shí)CTDI100與CTDI∞的比值會(huì)逐漸下降.由于CTDI100不夠準(zhǔn)確,故在CTDI100的基礎(chǔ)上計(jì)算得到的加權(quán)CT劑量指數(shù)(CTDIw)及容積CT劑量指數(shù)(CTDIvol)也已無法準(zhǔn)確表達(dá)輻射劑量水平,而通常由容積CT劑量指數(shù)估算出的,可用于反映受檢者在放射學(xué)檢查中所受輻射劑量及電離輻射風(fēng)險(xiǎn)的有效劑量亦已不夠準(zhǔn)確,因此有必要對(duì)目前使用的CT輻射劑量表征量進(jìn)行校正.

使用本研究計(jì)算得到的CTDI∞,w與CTDI100,w比值對(duì)被測(cè)量CT機(jī)較為準(zhǔn)確的輻射劑量表征量進(jìn)行估算,由CTDIvol定義可知,CTDI100,vol與CTDI∞,vol比值應(yīng)與本研究中所得的CTDI∞,w與CTDI100,w比值基本相同,因此可以使用這一比值與CT機(jī)操作界面上所顯示的CTDIvol(即CTDI100,vol)估算較為準(zhǔn)確的CTDI∞,vol,以更為準(zhǔn)確地評(píng)價(jià)輻射劑量水平,使其不被低估.但CTDI∞,w與CTDI100,w比值因機(jī)型不同可能存在一定差異,但本研究中所得比值僅為使用1臺(tái)CT進(jìn)行研究的結(jié)果,因此也只能對(duì)該臺(tái)CT較為準(zhǔn)確的輻射劑量表征量進(jìn)行估算.

5 結(jié)論

在CT掃描中,CT機(jī)操作界面上往往顯示基于CTDI100計(jì)算出的CTDIvol(即CTDI100,vol).本研究結(jié)果表明,多排螺旋CT的CTDI100,w與CTDI∞,w的差異在10%以上,因此使用CT機(jī)操作界面上所顯示的CTDIvol值來估算CT所致輻射劑量往往會(huì)低估了輻射劑量水平.由于管電壓對(duì)CTDI∞,w與CTDI100,w比值影響不大,而準(zhǔn)直寬度與不同CT機(jī)型對(duì)這一比值有一定影響,因此應(yīng)使用不同型號(hào)CT的不同準(zhǔn)直寬度掃描有機(jī)玻璃模體,得到CTDI∞,w與CTDI100,w比值,并結(jié)合CT機(jī)操作界面上的CTDIvol值來估算較為準(zhǔn)確的CT劑量指數(shù),而更為簡(jiǎn)便的校正CTDI100的方法有待進(jìn)一步研究.

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An approach to estimate the characterizations of mmulti-detector CT

ZHUANG Jing-wen, ZHENG Jun-zheng, BAI Mei

Objective: The purpose of the current study was to investigate the correction coefficient of the characterizations of multi-detector CT (MDCT). Methods: The dose profile of Siemens SOMATOM Definition Flash CT scanner was measured with CT-SD 16 detector under the conditions of different collimations, pitches and tube voltages in phantoms of different diameters, and the ratio between weighted CTDI∞and weighted CTDI100was calculated. Results: The ratio between weighted CTDI∞and weighted CTDI100, which is growing for increasing beam collimation, was found to range from 1.123 to 1.162 in head phantom and range from 1.118 to 1.173 in body phantom. Conclusion: For MDCT, the use of CTDI100, which is one of the most commonly used characterizations of CT, has always underestimated the levels of radiation dose. Therefore, CTDI100should be corrected.

Multi-detector CT; CT dose index; Correction coefficient

1672-8270(2016)07-0001-04 [中圖分類號(hào)] R144

A

10.3969/J.ISSN.1672-8270.2016.07.001

國家自然科學(xué)基金(81372923)"寬探測(cè)器螺旋CT所致輻射劑量評(píng)價(jià)方法研究";國家科技支撐計(jì)劃(2011BAI02B02)"醫(yī)用光學(xué)與放射影像設(shè)備計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)及溯源體系研究"

①首都醫(yī)科大學(xué)宣武醫(yī)院醫(yī)學(xué)工程處 北京 100053

jswei65@163.com

2016-01-17