CT剂量指数估算方法研究*

庄静文郑钧正白 玫*

学术论著

CT剂量指数估算方法研究*

庄静文①郑钧正①白 玫①*

目的:研究多排螺旋CT辐射剂量表征量的校正系数.方法:使用 CT-SD 16长杆电离室测量西门子 SOMATOM Definition Flash CT不同直径模体中不同准值宽度、螺距以及管电压下剂量分布曲线,计算加权剂量指数无穷(CTDI∞)与加权CTDI100的比值,并以对结果有影响的扫描条件为依据对此比值分类取平均值.结果:使用头部模体进行测量时加权CTDI∞与加权CTDI100的比值为1.123～1.162,使用体部模体进行测量时加权CTDI∞与加权CTDI100的比值在1.118～1.173之间,并随着准直宽度的增加此比值增大.结论:检测结果表明,CTDI100低估了多排螺旋CT辐射剂量水平,因此应对CTDI100进行校正.

多排螺旋CT;CT剂量指数;校正系数

庄静文,女,(1990- ),硕士,助理工程师.首都医科大学宣武医院医学工程处,研究方向:辐射剂量测量.

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

1972年X射线CT问世,开辟了医学影像数字化的新时代[1].随着设备的更新换代和日益广泛普及,X射线CT为广大公众的保健查体和疾病诊治提供了不可或缺的重要手段.同时,X-CT检查所致受检者与患者的医疗照射剂量不断增加的问题,越来越引起放射防护与社会各界的强烈关注[2-3].因此,深入研究X-CT扫描的辐射剂量学问题意义重大[4].

为了估算CT检查所致受检者辐射剂量,Shope等[5]于1981年提出了CT剂量指数(computed tomography dose index,CTDI)的概念,其最初定义为沿Z轴从-∞到+∞长度上的剂量积分,即CTDI∞.为CT检查所致辐射剂量的准确值,可以通过沿整条分布曲线积分得到.为了便于测量,国际电工委员会(International Electrotechnical Commission,IEC)将积分范围标准化为沿Z轴-50 mm～+50 mm,即CTDI100[6].其值可以方便的使用100 mm电离室测得,因此CTDI100是目前获得公认的通用反映CT机扫描剂量特性的表征量之一,用来表示CT机扫描时的输出剂量[7-8].本研究通过实验测量西门子SOMATOM Definition Flash CT螺旋扫描模式不同扫描条件下直径为16 cm和32 cm模体中的剂量分布曲线,分析CT检查所致辐射剂量的准确值与目前常用的CT辐射剂量表征量,以及扫描参数之间的关系,得到较为简便的校正方法.

1 CT剂量指数校正系数

Boone[9]首先引入了CT剂量效率这一概念来表示CTDI100的准确性,CT剂量效率的定义为CTDI100与CTDI∞的比值,其表达[10]为公式1:

式中当i被w替换时,为体部体模加权CT剂量效率的计算公式,CTDI100,w、CTDI∞,w分别为加权CTDI100与加权CTDI∞;当i被vol替换时,为体部模体容积CT剂量效率的计算公式,CTDI100,vol、CTDI∞,vol分别为容积CTDI100与加权CTDI∞.

Li等[7]使用蒙特卡罗方法(Monte Carlo)求得了西门子SOMATOM Definition Flash CT机的ε(CTD100)与ε(CTDI100,w),并结合先前数据给出了不同机型不同扫描条件下CTDI∞与CTDI100的比值,以此比值对目前常用的CT辐射剂量表征量进行简单的校正,可以更为准确地估算CT检查所致受检者辐射剂量.

2 材料与方法

2.1 设备与材料

使用CT-SD 16长杆电离室测量西门子 SOMAT OM Definition Flash CT(Siemens AG,德国); CT-SD 16长杆电离室(RTI Electronic,瑞典);有机玻璃模体(IBA,德国).

2.2 扫描方法

在西门子SOMATOM Definition Flash CT螺旋扫描模式不同扫描条件下扫描直径16 cm的头部模体与直径32 cm的体部模体,使用CT-SD 16长杆电离室依次在模体中心位置以及12点、3点、6点及9点方向的边缘位置进行测量,获得不同扫描条件下,模体中不同位置的剂量分布曲线.固定的扫描条件:管电流为160 mAs、球管旋转时间为1.0 s、层厚为5.0 mm;需要变化的扫描条件有管电压、准直宽度及螺距,其中分别设置管电压为100 kV、120 kV及140 kV,准直宽度为16X0.3 mm、16X0.6 mm、20X0.6 mm、40X0.6mm、32X1.2 mm和128X0.6 mm,螺距为0.5、1.0及1.5.

2.3 测量方法

对以测量峰值为中心两侧各50 mm长度的剂量分布曲线进行积分获得相应的CTDI100,对整条剂量分布曲线积分获取剂量分布曲线获得相应的CTDI∞,并使用在不同位置测得的CTDI100及CTDI∞,分别计算出加权CTDI100(CTDI100,w)及加权CTDI∞(CTDI∞,w).

2.4 统计学方法

使用SPSS软件对所有经实验测量在相同扫描条件下所测得的CTDI100,w与CTDI∞,w进行线性相关分析,若其之间存在线性相关关系,则计算CTDI∞,w与CTDI100,w的比值,使用SPSS软件以管电压及准直宽度为分组变量,对计算得到的所有校正系数进行Kruscal-Wallis检验,以知道使用不同管电压或准直宽度扫描时校正系数间是否有显著差异,并计算Spearman秩相关系数,以知道管电压及准直宽度和CTDI∞,w与CTDI100,w比值之间的相关关系,并根据上述统计分析结果对上述比值进行分类并取平均值.

3 实验结果

(1)管电压为120 kV,螺距为1.0时,根据使用不同准直宽度进行扫描结果所计算出的CTDI∞,w与CTDI100,w比值见表1.

(2)分别对在头部和体部体模中测量计算得到的CTDI100,w与CTDI∞,w进行线性相关分析,Pearson线性相关系数分别为0.998和0.993, 表明在进行头部和体部扫描时CTDI100,w与CTDI∞,w都具有较强的线性相关性.以管电压及准直宽度为分组变量,对在头部和体部体模中测量计算得到的CTDI100,w比值进行Kruscal-Wallis检验,并计算Spearman秩相关系数.结果显示,对于头部体模来说使用不同的准直宽度扫描时这一比值间有显著差异(x2=21.852, P<0.05),准直宽度与其相关系数为0.867,有显著的正相关关系,使用不同管电压扫描时此比值间无明显差异(x2=1.634,P>0.05),管电压与其相关系数为0.198,管电压与校正系数无显著性关系;对于体部体模来说,使用不同的准直宽度扫描时这一比值间有显著差异(x2=13.281,P<0.05),准直宽度与其相关系数为0.671,有显著的正相关关系,使用不同管电压扫描时此比值无明显差异(x2=5.675,P>0.05),管电压与其相关系数为0.439,无显著性相关关系.因此,这一比值与螺旋扫描时所设置的准直宽度有关.

表1 CTDI∞,w与CTDI100,w比值

(3)将实验所得校正系数根据扫描时使用的不同准直宽度分类并取平均值,结果见表2.由表2可知,在使用头部体模进行测量时CTDI∞,w与CTDI100,w比值为1.123～1.162,在使用体部体模进行测量时此比值为1.118～1.173,随着准直宽度的增加而增大,见表2.

表2 不同准直宽度分类并取平均值所得的CTDI∞,w与CTDI100,w比值

4 讨论

由表2可知,CTDI100,w与CTDI∞,w的差异在10%以上,随着准直宽度增大,射线束宽增大,CTDI100所能涵盖的射线量与实际总射线量的比值减小,由头部模体和体部模体中各位置CTDI100加权得到的CTDI100,w与CT检查所致辐射剂量加权的准确值CTDI∞,w之间的差异增大,因此随着准直宽度的增加校正系数增大.同时表明了随射线束宽度的增加,目前所使用的辐射剂量表征量如CTDI100、CTDIw(即本研究中的CTDI∞,w)等表征CT检查所致辐射剂量的准确性在降低,应当进行校正.

有研究表明,随着多排螺旋CT射线束的增宽, CTDI100已无法准确表达辐射剂量水平[10-13].Mori等[14]使用1台256层CT测量了一个长90 cm的圆柱形模体中的剂量分布,并发现在使用10 mm的射线宽度扫描一个直径为32 cm的体部模体时,在体部模体的中心和边缘位置CTDI100分别为CTDI∞的60%和80%; Nakonechny等[15]的研究表明,使用宽度为3～20 mm的射线扫描在体部模体中心位置CTDI250与CTDI100的比值为1.3;Boone[9]在2007年指出,对于射线宽度<40 mm的CT成像系统CTDI100与CTDI∞之间的比值可以稳定在80%～90%的范围内,但当射线宽度>40 mm时CTDI100与CTDI∞的比值会逐渐下降.由于CTDI100不够准确,故在CTDI100的基础上计算得到的加权CT剂量指数(CTDIw)及容积CT剂量指数(CTDIvol)也已无法准确表达辐射剂量水平,而通常由容积CT剂量指数估算出的,可用于反映受检者在放射学检查中所受辐射剂量及电离辐射风险的有效剂量亦已不够准确,因此有必要对目前使用的CT辐射剂量表征量进行校正.

使用本研究计算得到的CTDI∞,w与CTDI100,w比值对被测量CT机较为准确的辐射剂量表征量进行估算,由CTDIvol定义可知,CTDI100,vol与CTDI∞,vol比值应与本研究中所得的CTDI∞,w与CTDI100,w比值基本相同,因此可以使用这一比值与CT机操作界面上所显示的CTDIvol(即CTDI100,vol)估算较为准确的CTDI∞,vol,以更为准确地评价辐射剂量水平,使其不被低估.但CTDI∞,w与CTDI100,w比值因机型不同可能存在一定差异,但本研究中所得比值仅为使用1台CT进行研究的结果,因此也只能对该台CT较为准确的辐射剂量表征量进行估算.

5 结论

在CT扫描中,CT机操作界面上往往显示基于CTDI100计算出的CTDIvol(即CTDI100,vol).本研究结果表明,多排螺旋CT的CTDI100,w与CTDI∞,w的差异在10%以上,因此使用CT机操作界面上所显示的CTDIvol值来估算CT所致辐射剂量往往会低估了辐射剂量水平.由于管电压对CTDI∞,w与CTDI100,w比值影响不大,而准直宽度与不同CT机型对这一比值有一定影响,因此应使用不同型号CT的不同准直宽度扫描有机玻璃模体,得到CTDI∞,w与CTDI100,w比值,并结合CT机操作界面上的CTDIvol值来估算较为准确的CT剂量指数,而更为简便的校正CTDI100的方法有待进一步研究.

[1]郑钧正.电离辐射医学应用的防护与安全[M].北京:原子能出版社,2009.

[2]郑钧正.CT普及应用所凸显的医疗照射问题[J].世界医疗器械,2015,21(1):41-44.

[3]Brenner DJ,Hall EJ.Computed tomographyan increasing source of radiation exposure[J].N Engl J Med,2007,357(22):2277-2284.

[4]ICRP.ICRP Publication 87,Managing Patient Dose in Computed Tomography[R].Oxford: Pergamon Press,2001.

[5]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.

[6]白玫,郑钧正.多排(层)螺旋CT的辐射剂量表达及其影响因素探讨[J].辐射防护,2008,28(1):1-12.

[7]Li X,Zhang D,Liu B.Estimation of the weighted CTDI for multislice CT examinations[J].Med Phys,2012,39(2):901-905.

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

[9]McCollough CH.It is time to retire the computed tomography dose index(CTDI)for CT quality assurance and dose optimization[J].Med Phys,2006,33(5):1190-1191.

[10]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.

[11]刘彬,白玫.宽排CT探测器CT剂量指数应用初探[J].中国医学装备,2013,10(2):1-4.

[12]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.

[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]Nakonechny KD,Fallone BG,Rathee S.Novel methods of measuring single scan dose profiles and cumulative dose in CT[J].Med Phys,2005,32(1):98-109.

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

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 [中图分类号] R144

A

10.3969/J.ISSN.1672-8270.2016.07.001

国家自然科学基金(81372923)"宽探测器螺旋CT所致辐射剂量评价方法研究";国家科技支撑计划(2011BAI02B02)"医用光学与放射影像设备计量标准及溯源体系研究"

①首都医科大学宣武医院医学工程处 北京 100053

jswei65@163.com

2016-01-17