劉 彬 白 玫

隨著X線計(jì)算機(jī)斷層成像(X-ray computed tomography，CT)技術(shù)的廣泛應(yīng)用，CT劑量?jī)?yōu)化日趨受到人們的重視。Shope等[1]于1981年提出了CT劑量指數(shù)(computed tomography dose index，CTDI)的概念。CTDI很快憑借其定義清晰、測(cè)量方便等優(yōu)勢(shì)被廣泛接受和使用。與之配套的CTDI標(biāo)準(zhǔn)測(cè)量方法、標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試體模和電離室也很快被業(yè)界認(rèn)可。CTDI還為CT設(shè)備的質(zhì)量控制和劑量?jī)?yōu)化提供了基礎(chǔ)劑量表征量。根據(jù)不同掃描部位轉(zhuǎn)換系數(shù)，可通過(guò)CTDI值推導(dǎo)有效劑量，然而由于實(shí)際患者的受照情況不能用簡(jiǎn)單的有機(jī)玻璃圓柱體模代表，這種估算有效劑量的方法非常粗略[2-4]。目前，學(xué)術(shù)界更加傾向于用空氣中測(cè)得的CTDIfree-in-air估算有效劑量。

隨著CT探測(cè)器技術(shù)的研發(fā)，新型CT設(shè)備不斷問(wèn)世，尤其是寬排探測(cè)器的應(yīng)用使得CTDI面臨很大挑戰(zhàn)，由于CTDI誕生之際的射線寬度非常窄，學(xué)者開(kāi)始質(zhì)疑CTDI是否仍然可以表征CT劑量水平[5-6]。Dixon等[7]報(bào)道的數(shù)據(jù)顯示，采用傳統(tǒng)的CTDI在表征20 mm射線寬度的CT探測(cè)器劑量時(shí)其誤差可達(dá)20%?，F(xiàn)代的CT設(shè)備集成了先進(jìn)的管電流調(diào)節(jié)系統(tǒng)以降低患者輻射劑量，這些技術(shù)手段打破了整個(gè)掃描過(guò)程中劑量分布的一致性，增加了CTDI表征CT劑量水平的難度[8-9]。CTDI根據(jù)CT技術(shù)的發(fā)展、完善和改進(jìn)以適應(yīng)新型CT系統(tǒng)的劑量表征需求勢(shì)在必行。

本文通過(guò)傳統(tǒng)CTDI的應(yīng)用、寬排CT探測(cè)器CTDI的演變、寬排CT探測(cè)器CTDI表征方法以及寬排CT探測(cè)器CTDI測(cè)量方法初步探討CTDI在寬排CT探測(cè)器劑量表征中的應(yīng)用。

1 傳統(tǒng)CTDI的應(yīng)用

對(duì)于歸一化射線寬度＜60 mm的扇形掃描束CT來(lái)講，空氣中劑量表征量的概念和應(yīng)用并無(wú)較大爭(zhēng)議。理論上，當(dāng)將大部分應(yīng)用于扇形掃描束CT上的空氣中劑量表征量寬展可以應(yīng)用到寬射線束(體)CT上。但當(dāng)采用100 mm筆形電離室測(cè)量寬排探測(cè)器空氣中CTDI時(shí)則會(huì)遇到實(shí)際問(wèn)題。

經(jīng)過(guò)不斷的演化，目前體模中CTDI的定義比較其最初的定義已有很大不同。Shope等[1]最初定義CTDI為沿z軸從-∞到+∞長(zhǎng)度上的劑量積分。而后食品和藥物管理局(FDA)將積分范圍標(biāo)準(zhǔn)化為-7T到+7T，T是歸一化層厚，因?yàn)楫?dāng)時(shí)14T的長(zhǎng)度恰好等于標(biāo)準(zhǔn)頭顱的覆蓋范圍。同時(shí)，100 mm的積分范圍和100 mm的筆形電離室應(yīng)運(yùn)而生。以往在有機(jī)玻璃(PMMA)CT標(biāo)準(zhǔn)劑量體模中測(cè)量的CTDI逐漸被在空氣中測(cè)得的吸收劑量所取代。

在CT劑量體模中測(cè)得的5個(gè)位置的CTDI用于獲得CTDIw，當(dāng)螺旋CT問(wèn)世后引進(jìn)了CTDIvol(CTDIw除以螺距)表征量，以將掃描過(guò)程中掃描床的運(yùn)動(dòng)考慮進(jìn)去[10]。

CTDI最常用的表達(dá)方式為(公式1)[11]：

式中D(z)是沿著z軸的劑量曲線與斷層平面垂直；數(shù)值等于各點(diǎn)的空氣吸收劑量；N為探測(cè)器排數(shù)，T為單排探測(cè)器寬度，2者乘積為歸一化射線寬度。

在使用150 mm長(zhǎng)CT劑量體模測(cè)量CTDI值時(shí)，CT的散射線會(huì)超出體模測(cè)量范圍延伸至周圍的空氣中。因此，100 mm的筆形電離室測(cè)量CTDI值時(shí)只能涵蓋一部分散射線，因此使用體模測(cè)量CTDI時(shí)，CTDI100和CTDI∞之間會(huì)存在差異，CTDI∞涵蓋了所有散射線。CTDI100和CTDI∞的比值稱為CTDI測(cè)量效率。

Boone等[12]通過(guò)實(shí)驗(yàn)證實(shí)，即便使用頭部體模測(cè)量10 mm射線寬度的CTDI時(shí)，CTDI100的測(cè)量值也低于CTDI∞，體模中部的測(cè)量效率只有82%，體模四周測(cè)量位置的測(cè)量效率為90%。使用32 cm直徑的體模測(cè)量時(shí)，測(cè)量效率更低，中部只有64%，四周只有88%。測(cè)試體模的尺寸和測(cè)試點(diǎn)的位置(中部或四周)對(duì)CTDI100測(cè)量效率的影響很大。幸運(yùn)的是，對(duì)于射線寬度＜40 mm的CT探測(cè)器，CTDI100測(cè)量效率相對(duì)穩(wěn)定。因此，對(duì)于64排(及以下)的CT探測(cè)器，CTDI100劑量表征量雖然不能準(zhǔn)確地表征一個(gè)掃描體積的真實(shí)劑量，至少對(duì)于真實(shí)值的誤差的比率是保持恒定的。然而，當(dāng)射線寬度＞40 mm，CTDI100測(cè)量效率逐漸下降，當(dāng)射線寬度增加到80 mm，CTDI100測(cè)量效率會(huì)迅速下降。

2 寬排CT探測(cè)器CTDI的演變

當(dāng)?shù)?臺(tái)寬排錐體束CT問(wèn)世后科學(xué)家們不斷尋求針對(duì)寬排探測(cè)器CTDI適當(dāng)?shù)谋硎炯皽y(cè)量方法，并曾經(jīng)使用非常長(zhǎng)的CT劑量模體和非常長(zhǎng)的筆形電離室進(jìn)行測(cè)量。該模體和電離室可以測(cè)量300 mm積分長(zhǎng)度的CTDIw,300的劑量值[6,13]。但這種測(cè)量方法的實(shí)用性不強(qiáng)，原因在于這樣長(zhǎng)的體模非常笨重，300 mm的電離室只是出于實(shí)驗(yàn)?zāi)康亩圃?，并不常?jiàn)。如果用這種超長(zhǎng)模體和超長(zhǎng)電離室全面替代現(xiàn)有的模體和電離室其成本過(guò)于昂貴。

學(xué)者們寄希望于在CTDI100的基礎(chǔ)上進(jìn)行調(diào)整，以適應(yīng)寬排CT探測(cè)器的劑量表征需求。對(duì)于歸一化射線寬度為160 mm(320×0.5 mm)的錐體束CT來(lái)說(shuō)，CTDI100定義公式中的分母N×T超過(guò)了劑量曲線D(z)100 mm的積分長(zhǎng)度。這與CTDI100所表征的含義從根本上有所沖突。因此，2009年國(guó)際電工委員會(huì)(IEC)針對(duì)寬排錐體束CT，調(diào)整了公式1中對(duì)于CTDI100的定義[14]。調(diào)整方式為：即使N×T超過(guò)100 mm也限定分母為100 mm，表示方式如公式2：

從定義公式可以看出，這種定義的最大缺點(diǎn)在于：對(duì)于如160 mm寬排錐體束CT，CTDI100只涵蓋了一部分主射線和很少一部分散射線。實(shí)際上，對(duì)于160 mm寬排錐體束CT，公式中定義的CTDI已經(jīng)不應(yīng)該稱之為CT劑量指數(shù)，而應(yīng)稱之為100 mm長(zhǎng)度范圍內(nèi)的平均值。

歸一化射線寬度(N×T)和實(shí)際射線寬度之間通常存在差異。然而，通過(guò)針對(duì)Toshiba Aquilion ONE 320排CT的實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)：公式2中定義的CTDI100對(duì)于CTDI300是一個(gè)很好的指示值。對(duì)于不同的曝光條件，CTDI100與CTDI300的比值保持在0.98～1.08(采用體模)和1.08～1.11(采用頭模)之間。繼而，學(xué)術(shù)界希望能夠找到一個(gè)與CTDI∞具有恒定關(guān)系的數(shù)學(xué)模型。如圖1所示，對(duì)于40 mm內(nèi)的歸一化射線寬度，Boone[12]定義的CTDI100測(cè)量效率基本上保持恒定，并且基于體模測(cè)量的CTDI值和空氣中CTDI成比例。

圖1 加權(quán)CTDI100測(cè)量效率隨探測(cè)器寬度的變化曲線

3 寬排探測(cè)器CTDI表征方法

為了克服對(duì)于寬排探測(cè)器CTDI100只涵蓋部分主射線和很少部分散射線的缺點(diǎn)。IEC 60601-2-44號(hào)文件引入了一個(gè)CTDI分層定義方法[14]。第1層是對(duì)于射線寬度≤40 mm的探測(cè)器采用傳統(tǒng)CTDI100的定義方法。第2層是對(duì)于射線寬度＞40 mm的探測(cè)器，推薦在標(biāo)準(zhǔn)CT體模中測(cè)量20 mm歸一化射線寬度的CTDI作為參考值；再將這個(gè)參考值乘以空氣中CTDI值(CTDIfree-in-air,ref,N×T)與空氣中20 mmCTDI值(CTDIfree-in-air,ref)的比值。采用這種定義方法能夠很大程度地平滑不同探測(cè)器寬度CTDI100測(cè)量效率曲線，其定義表示方法如公式3、公式4：

式中ref下標(biāo)表示20 mm的參考射線寬度。

應(yīng)該指出的是，測(cè)量計(jì)算CTDIfree-in-air,N×T的積分長(zhǎng)度需要與歸一化射線寬度N×T相適應(yīng)。表1中列出了相對(duì)應(yīng)不同歸一化射線寬度需要的最小積分長(zhǎng)度。

表1 不同歸一化射線寬度需要的最小積分長(zhǎng)度

如圖2所示，采用上述定義方法得到的CDTI100測(cè)量效率曲線。可以看出，曲線可近似成平行X軸的直線，因此采用上述定義方法，CDTI100的測(cè)量效率對(duì)于不同探測(cè)器寬度(含寬排探測(cè)器)接近恒定值。

圖2 加權(quán)CTDI100測(cè)量效率隨探測(cè)器寬度的變化曲線

然而，從圖中可看出該定義方法依然存在缺點(diǎn)，即采用CT體模得到的CDTI100測(cè)量效率依然接近75%，距離100%的理想值還相差甚遠(yuǎn)。

4 寬排CT探測(cè)器CTDI測(cè)量方法

4.1 標(biāo)準(zhǔn)CTDI100體模測(cè)量方法

標(biāo)準(zhǔn)CT劑量指數(shù)體模是直徑為16 cm(頭部體模)和32 cm(體部體模)，長(zhǎng)度約為150 mm的有機(jī)玻璃(PMMA)劑量體模。體模中CTDI100值是通過(guò)100 mm長(zhǎng)電離室測(cè)得。將射線中心對(duì)準(zhǔn)體模中心和電離室中心，電離室中心與Z軸重疊進(jìn)行單次軸掃描，并對(duì)電離室讀數(shù)，其讀數(shù)要根據(jù)氣壓和溫度進(jìn)行校準(zhǔn)。

通常電離室的讀數(shù)為劑量在一定長(zhǎng)度上的積分值IntD，單位為(mGy×cm)，此時(shí)CTDI100可表示為公式5：

如果電離室的讀數(shù)為空氣比釋動(dòng)能或劑量平均值，D的單位是(mGy)，此時(shí)讀數(shù)還需乘以電離室長(zhǎng)度Lc，CTDI100可表示為公式6：

4.2 CTDIfree-in-air測(cè)量方法

以往的CTDIfree-in-air定義中，積分長(zhǎng)度被規(guī)定為100 mm。IEC目前對(duì)這個(gè)定義進(jìn)行了修正,即取消積分長(zhǎng)度的限制，使CTDIfree-in-air劑量表征量更好地服務(wù)于寬排探測(cè)器。IEC指出，CTDIfree-in-air的積分長(zhǎng)度至少應(yīng)滿足100 mm，同時(shí)根據(jù)實(shí)際情況，積分長(zhǎng)度應(yīng)超過(guò)整個(gè)射線寬度40 mm(兩側(cè)各20 mm)。因此，對(duì)于歸一化射線寬度＜60 mm的探測(cè)器，積分長(zhǎng)度至少要保證100 mm。

IEC對(duì)于CTDIfree-in-air修正后的定義如公式7：

式中D(z)是沿著Z軸的劑量曲線與斷層平面垂直。數(shù)值等于各點(diǎn)的空氣吸收劑量。L為積分長(zhǎng)度，至少等于歸一化射線寬度N×T+40 mm，并且≥100 mm。

對(duì)于歸一化射線寬度≤60 mm的探測(cè)器，CTDIfree-in-air的測(cè)量需要積分長(zhǎng)度至少為100 mm。標(biāo)準(zhǔn)的100 mm電離室的單次測(cè)量一般可以滿足這類探測(cè)器CTDIfree-in-air的測(cè)量需求。由于積分長(zhǎng)度為100 mm，CTDIfree-in-air的定義公式和老版本IEC定義相似，如公式8：

對(duì)于歸一化射線寬度＞60 mm的探測(cè)器，積分寬度＞100 mm，超過(guò)了標(biāo)準(zhǔn)100 mm電離室的探測(cè)長(zhǎng)度，因此需要采取特殊的測(cè)量方法。要求積分長(zhǎng)度至少為N×T+40 mm是因?yàn)槌^(guò)這個(gè)長(zhǎng)度的積分距離外的散射線可以忽略不計(jì)，再加長(zhǎng)積分長(zhǎng)度也不會(huì)對(duì)最后的結(jié)果產(chǎn)生影響。采用100 mm標(biāo)準(zhǔn)電離室測(cè)量＞60 mm的探測(cè)器的常用方法是在整個(gè)積分長(zhǎng)度內(nèi)進(jìn)行等距離里多點(diǎn)測(cè)量，通常相鄰測(cè)量點(diǎn)的距離等于電離室的長(zhǎng)度。

5 結(jié)語(yǔ)

傳統(tǒng)CTDI的定義及測(cè)試方法在應(yīng)用于寬排CT探測(cè)器，特別是歸一化射線寬度＞60 mm的CT探測(cè)器時(shí)，會(huì)面臨積分長(zhǎng)度失去表征意義的問(wèn)題。IEC在對(duì)傳統(tǒng)CTDI進(jìn)行修正的基礎(chǔ)上推出了分層次CTDI表征方式。通過(guò)多點(diǎn)分次測(cè)量，新定義的分層次CTDI仍然可以采用傳統(tǒng)的150 mm有機(jī)玻璃(PMMA)CT劑量體模和100 mm電離室進(jìn)行測(cè)量。因此，CTDI表征方式對(duì)于寬排CT探測(cè)器依然存在價(jià)值，能夠在保留傳統(tǒng)CTDI基本概念和常規(guī)測(cè)試條件的基礎(chǔ)上較好地表征寬排CT探測(cè)器的劑量水平。

[1]Shope TB,Gagne RM,Johnson GC.A method for describing the doses delivered by transmission x-ray computed tomography[J].Med Phys,1981,8(4):488-495.

[2]Cohnen M,Poll LJ,Puettmann C,et al.Effective doses in standard protocols for multi-slice CT scanning[J].Eur Radiol,2003,13(5):1148-1153.

[3]Hausleiter J,Meyer T,Hadamitzky M,et al.Radiation dose estimates from cardiac multislice computed tomography in daily practice:impact of different scanning protocols on effective dose estimates[J].Circ ulation,2006,113(10):1305-1310.

[4]Hohl C,Mühlenbruch G,Wildberger JE,et al.Estimation of radiation exposure in low-dose multislice computed tomography of the heart and comparison with a calculation program[J].Eur Radiol,2006,16(8):1841-1846.

[5]Perisinakis K,Damilakis J,Tzedakis A,et al.Determination of the weighted CT dose index in modern multi-detector CT scanners[J].Phys Med Biol,2007,52(21):6485-6495.

[6]Geleijns J,Salvadó Artells M,de Bruin PW,et al.Computed tomography dose assessment for a 160 mm wide, 320 detector row, cone beam CT scanner[J].Phys Med Biol,2009,54(10):3141-3159.

[7]Dixon RL.A new look at CT dose measurement:beyond CTDI[J].Med Phys,2003,30(6):1272-1280.

[8]Perisinakis K,Raissaki M,Theocharopoulos N,et al.Reduction of eye lens radiation dose by orbital bismuth shielding in pediatric patients undergoing CT of the head:a Monte Carlo study[J].Med Phys,2005,32(4):1024-1030.

[9]Ruan C,Yukihara EG,Clouse WJ,et al.Determination of multislice computed tomography dose index(CTDI)using optically stimulated luminescence technology[J].Med Phys,2010,37(7):3560-3568.

[10]Li X,Zhang D,Liu B.A practical approach to estimate the weighted CT dose index over an infinite integration length[J].Phys Med Biol,2011,56(18):5789-5803.

[11]Zoetelief J,Wambersie A.Response to'Patient dose measurements in radiological practices'[J].Phys Med Biol,2006,51(11):L35-L37.

[12]Boone JM.The trouble with CTDI100[J].Med Phys,2007,34(4):1364-1371.

[13]Mori S,Endo M,Nishizawa K,et al.Enlarged longitudinal dose profiles in cone-beam CT and the need for modified dosimetry[J].Med Phys,2005,32(4):1061-1069.

[14]International electro technical commission.Medical electrical equipment-Part 2-44 Edition 3.Particular requirements for basic safety and essential performance of X-ray equipment for computed tomography[C].Geneva:IEC-60601-2-44-Edition 3,2009.