白雪 袁杰 孫訓(xùn) 胡崇慶 / 上海市計(jì)量測試技術(shù)研究院

0 引言

醫(yī)用診斷計(jì)算機(jī)X 射線斷層攝影裝置（CT）是篩查和診斷疾病常用的放射學(xué)設(shè)備，由于X 射線的電離特性對(duì)患者、醫(yī)務(wù)人員和公眾構(gòu)成了潛在的健康風(fēng)險(xiǎn)，因此，其技術(shù)性能的保障至關(guān)重要。JJG 961—2017《醫(yī)用診斷螺旋計(jì)算機(jī)斷層攝影裝置（CT）X 射線輻射源》規(guī)定對(duì)CT 主要性能參數(shù)的檢定項(xiàng)目有CT 劑量指數(shù)、均勻性、噪聲水平等。CT劑量計(jì)用于測量CT 劑量指數(shù)，是CT 計(jì)量檢定和質(zhì)量控制檢測的關(guān)鍵儀器。

國家計(jì)量校準(zhǔn)規(guī)范 JJF 1621—2017 《診斷水平劑量計(jì)校準(zhǔn)規(guī)范》規(guī)定了CT 劑量計(jì)的校準(zhǔn)項(xiàng)目與校準(zhǔn)方法[1]，診斷水平CT 劑量計(jì)空氣比釋動(dòng)能長度乘積值的校準(zhǔn)測量需使用長度準(zhǔn)直器，其尺寸應(yīng)大于CT 探測器的尺寸，中間開長方形孔，孔長度要求在20 ～50 mm 之間，孔長度最大允許誤差為±10 μm，寬度約為CT 探測器直徑的兩倍。長度準(zhǔn)直器也稱為光闌，用于限制輻射束照射范圍以形成部分照射，即形成一個(gè)“窄縫”輻射束。IAEA TRS457 報(bào)告指出，光闌需要合適的倒角以減少散射和透射，合適的光闌可以減少幾何半影和穿射半影[2]。JJF 1621—2017中給出了“窄縫”縫寬指標(biāo)范圍，但沒有提出具體的縫寬值和倒角值。中國計(jì)量科學(xué)研究院發(fā)表的論文《CT 電離室校準(zhǔn)條件的建立與模擬》和《長桿電離室校準(zhǔn)因子及其殘留因子研究》，都提出在校準(zhǔn)長桿電離室CT 劑量計(jì)時(shí)需考慮殘留因子的影響[3-5]，并指出殘留因子的產(chǎn)生主要是因?yàn)椤罢p”的散射影響。為降低“窄縫”散射，提高CT 劑量計(jì)校準(zhǔn)測量的準(zhǔn)確性，針對(duì)長度準(zhǔn)直器的縫寬和倒角及其對(duì)散射的貢獻(xiàn)，開展相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)研究。

1 原理與方法

X 輻射場準(zhǔn)直束內(nèi)的總輻射由“直接輻射”和“散射輻射”兩部分組成?！爸苯虞椛洹睘閄 輻射源產(chǎn)生的X 射線，“散射輻射”為直接輻射的光子與物質(zhì)相互作用后，其能譜與方向發(fā)生了改變后的X 射線。

診斷水平CT 劑量計(jì)的校準(zhǔn)如圖1 所示，校準(zhǔn)因子為X 參考輻射場中校準(zhǔn)測量點(diǎn)上，空氣比釋動(dòng)能長度乘積參考值與被校CT 劑量計(jì)示值的比值。長度準(zhǔn)直器“窄縫”產(chǎn)生的散射輻射直接影響空氣比釋動(dòng)能參考值的準(zhǔn)確度?！吧⑸漭椛洹睙o法消除，但可以通過長度準(zhǔn)直器形狀與幾何尺寸的合理設(shè)計(jì)、制作工藝的優(yōu)化來盡量減少。

圖1 診斷水平CT 劑量計(jì)校準(zhǔn)原理

平方反比律的驗(yàn)證法和影錐法是評(píng)測輻射場散射輻射大小的兩種常用方法。平方反比律驗(yàn)證是指在輻射場內(nèi)關(guān)注點(diǎn)測量得到的直射束劑量率與距離平方反比律的偏離程度，用以評(píng)價(jià)輻射場散射影響。影錐法用于實(shí)驗(yàn)中測量散射輻射大小，具體方法是采用適當(dāng)形狀、尺寸的鉛屏蔽體（即影錐）放置在X 輻射源準(zhǔn)直射束方向上，及電離室探測器與光闌之間，如圖2 所示。調(diào)節(jié)影錐的位置，使得X 輻射源產(chǎn)生的X 射線不能直接照射到探測器靈敏部分，此時(shí)可以認(rèn)為電離室探測到的輻射以散射輻射為主要成分。

圖2 影錐法原理示意圖

選用密度較大的鎢鋼材料制作長度準(zhǔn)直器，兩邊各四片光闌按順序連續(xù)排列形成錐形的“窄縫”，其斜度即為長度準(zhǔn)直器的倒角，可借助量角尺準(zhǔn)確測量并調(diào)節(jié)倒角；每邊四片光闌間隔層疊在基座支架上，這些間隔用作由前一縫的邊緣散射的光子的陷阱，即構(gòu)造出散射腔；兩邊光闌片形成的縫寬由電子游標(biāo)卡尺準(zhǔn)確測量。設(shè)計(jì)制作鉛影錐，其形狀與參考電離室（型號(hào)為PTW 30013）相同，厚度應(yīng)足以屏蔽150 kV 的X 射線。

采用影錐法實(shí)驗(yàn)測量散射輻射，通過調(diào)節(jié)長度準(zhǔn)直器縫寬和倒角，調(diào)控被校CT 劑量計(jì)的受照長度和散射影響。由圖3 可見，當(dāng)長度準(zhǔn)直器的倒角與X 射線在出射口形成的輻射角相等時(shí)，X 射線與長度準(zhǔn)直器“窄縫”面平行，此時(shí)輻射角可以通過三角幾何關(guān)系計(jì)算。設(shè)置長度準(zhǔn)直器入口距X 輻射源焦點(diǎn)的距離為1 200 mm，縫寬為36 mm，計(jì)算得到輻射角為0.86°，則倒角為89.14°。

圖3 長度準(zhǔn)直器倒角與X 射線輻射方向關(guān)系

2 結(jié)果與分析

依據(jù)IAEA TRS457 報(bào)告給出的縫寬推薦值，分別在長度準(zhǔn)直器倒角為89.14°時(shí)測量不同縫寬的散射劑量，以及在長度準(zhǔn)直器縫寬為36 mm 時(shí)測量不同倒角的散射劑量，結(jié)果如圖4、圖5 所示。

圖4 散射劑量隨縫寬的變化

圖5 散射劑量隨倒角的變化

長度準(zhǔn)直器產(chǎn)生的散射劑量隨縫寬的減小而減少。當(dāng)長度準(zhǔn)直器的縫寬值在30 ～40 mm 之間，散射劑量隨縫寬值變化較小，散射劑量也相對(duì)較小，當(dāng)長度準(zhǔn)直器的縫寬值大于40 mm 或小于30 mm 時(shí)，散射劑量隨縫寬值變化曲率較大。尤其當(dāng)縫寬值大于40 mm 時(shí)，散射劑量明顯增加。同時(shí)，長度準(zhǔn)直器產(chǎn)生的散射劑量隨倒角角度的減小而增加。減少長度準(zhǔn)直器的倒角，會(huì)增大散射接觸面，散射劑量急劇增大，而倒角在89.14°時(shí)，散射劑量最小，與相關(guān)文獻(xiàn)的理論分析[3]基本相符。由于實(shí)驗(yàn)用長度準(zhǔn)直器四片光闌總厚度僅為10 mm，因此，倒角為89.14°和90°時(shí)的散射劑量變化不大。同時(shí)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果也驗(yàn)證了長度準(zhǔn)直器的斜度與X 射線在出射口形成的輻射角相等時(shí)散射劑量最小。當(dāng)長度準(zhǔn)直器狹縫面斜度大于X 射線出射角時(shí)，被校CT 劑量計(jì)的實(shí)際受照長度偏大，空氣比釋動(dòng)能長度乘積參考值相應(yīng)變大，導(dǎo)致被校CT 劑量計(jì)的校準(zhǔn)因子偏高；當(dāng)長度準(zhǔn)直器狹縫面斜度小于X 射線出射角時(shí)，會(huì)造成輻射場里的射線劑量不均勻且散射劑量增加，影響空氣比釋動(dòng)能參考值的準(zhǔn)確性，從而導(dǎo)致較大的校準(zhǔn)不確定度。

3 結(jié)語

CT 劑量計(jì)校準(zhǔn)裝置長度準(zhǔn)直器的縫寬和倒角設(shè)計(jì)與CT 劑量計(jì)校準(zhǔn)因子的測量結(jié)果密切相關(guān)。依據(jù)IAEA TRS457 報(bào)告中對(duì)長度準(zhǔn)直器的性能要求，設(shè)計(jì)制作長度準(zhǔn)直器開展散射影響測量實(shí)驗(yàn)，結(jié)果顯示，長度準(zhǔn)直器的倒角與X 射線束的輻射角相等、狹縫寬度在30 ～40 mm 之間時(shí)，散射劑量及其變化最小。研究結(jié)果對(duì)于CT 劑量計(jì)校準(zhǔn)裝置的設(shè)計(jì)研制具有借鑒與參考價(jià)值。