120 kV CT诊断条件下热释光剂量计测量X射线剂量的研究

陈基炜，黄圣雁，朱振华，屠建春，涂 彧

（1.昆山市中医医院，江苏昆山215300；2.苏州大学医学部放射医学与防护学院，省部共建放射医学与辐射防护国家重点实验室，江苏省高校放射医学协同创新中心，江苏苏州215123）

0 引言

热释光剂量计（thermoluminescence dosimeter，TLD）由于具有体积小、能量依赖性低、稳定性好、敏感度高、人体组织等效性好、剂量线性区域较宽、价格便宜、操作方便和退火处理简单等诸多优势[1-2]，在放射剂量学测量中应用较为广泛。TLD目前多应用于肿瘤放射治疗中剂量的估算[3-4]、放疗设备性能的检测[5-6]、蒙特卡罗模拟估算后的实验验证[7-8]等，是放射从业人员个人剂量监测的常规仪器[9]，在辐射防护与放射卫生体系中发挥着至关重要的作用。

目前测量放射源剂量学参数的常规方法是采用TLD和电离室剂量计（ionization chamber dosemeter，ICD）相互验证[10-11]，虽然ICD验证方法准确可靠，但受限于电离室的长度、形状、体积或连接线等一系列客观存在的因素，在某些检测情况下并不适用。TLD由于上述优点，可作为ICD剂量验证方法的补充。TLD能量响应特性在MV级电子线和X射线研究中的应用较多，相关研究也证明了在MV级条件下TLD能量响应较好，测量较为准确[12-13]。相对于MV级X射线，CT输出的kV级X射线具有散射大、剂量低、线束强度较低、曝光时间短等特点，但TLD在CT kV级条件下测量输出剂量的相关资料较少，使用TLD进行CT输出剂量测量是否可行，需要通过实验进行验证。本研究模拟在CT设定为120 kV的诊断条件下，在CT模体内先后放置TLD与ICD，以获得在相同的设定输出条件下2种测量方法的剂量值，并进行测量结果的对比研究。

1 材料与方法

1.1 设备和材料

1.1.1 CT

使用西门子医疗公司Definition AS高端能谱螺旋64排128层CT，该CT采用磁悬浮机架驱动技术，转速0.3 s/r，空间分辨力为30 lp/cm，Z轴分辨力为0.33 mm。

1.1.2 剂量模体

使用瑞典RTI公司生产的聚甲基丙烯酸甲酯（polymethyl methacrylate，PMMA）均质圆柱CT剂量头部模体，直径为160 mm，长度约为15 cm，在模体中心和距模体表面10 mm处有5个可放置剂量仪探测器的孔（探针孔）：1个位于模体中心，其余4个沿模体周边分布，距边缘1 cm，孔内径为1.31 cm。孔内用5个丙烯酸树脂塞棒填充。

1.1.3 ICD

使用瑞典RTI公司的Piranha 657多功能X射线质量检测仪和其公司生产的型号为DCT10的长杆电离室。

1.1.4 TLD

使用美国康科德电子公司生产的2000C型氟化锂热释光剂量片，其材料为Li F（Mg，Cu，P），在退火后可重复使用，规格为直径4.5 mm、厚度0.8 mm。另准备10只热释光剂量片作为本底剂量片，与试验剂量片分开包装，统一存放。TLD的探测阈为100 nGy，相对灵敏度为LiF（Mg，Ti）的40倍，重复性为±5%，线性检测范围为10μGy~12 Gy。

1.1.5 热释光退火炉

使用RGD-3D型热释光退火炉，测量范围为0.01μGy～10.00 Gy，线性小于1%偏差，可测量多种类型热释光探测器，如圆片、方片、玻璃管及粉末等类型。

1.2 检测方法

选取CT头部扫描Head Routine Seq序列轴扫模式，CT曝光条件为手动选取常用诊断条件管电压120 kV，因需要判断TLD在区间范围内输出剂量的一致性，故输出管电流范围选择50~400 mAs。每50 mAs设置为一挡实验条件，共计8组。重建层厚4.8 mm，探测器参数（Acq.）设置为12排×1.2 mm，每扫描一次进床14.4 mm。将CT模体摆放至扫描床上，使用激光定位灯进行定位，完成定位像扫描之后，再将ICD依次插入CT头部模体中心和四周的5个探针孔，未插入ICD的孔洞使用树脂塞棒进行填充。依次进行5次曝光，记录X射线质量检测仪输出的剂量值，记为Mi。

使用小棒将5只热释光剂量片分别推入头部模体的5个孔洞中心位置，完成安装后进行层扫曝光，每个挡位进行10次上述操作，共计使用50只热释光剂量片。曝光完成后将热释光剂量片送至热释光退火炉进行读数，记为NT，本底剂量片退火后读数记为N0。在每次曝光的同时记录下西门子CT主控计算机曝光界面的容积CT剂量指数（volume CT dose index，CTDIvol）值，作为比较参考值，记为CTDICT-vol。

1.3 质量控制

1.3.1 CT检定与试验校准

西门子Definition AS CT已通过苏州计量检测研究院的检定，计量特性检测结果符合技术要求，扩展不确定度U=5%（包含因子k=2）。在进行每挡曝光试验前，为确保CT输出剂量精准，对CT进行空气校准：选择“setup”菜单栏下“check-up”选项曝光。

1.3.2 测量仪器质量控制

ICD于2020年5月送至中国测试技术研究院校准，校准使用的计量标准溯源至国家计量基准，校准证书给出在120 kV条件下的标准系数Np=1.056。

热释光剂量片在曝光完成后使用小棒推出，为避免解除受热导致读数损失，试验人员使用镊子将热释光剂量片放入外壳中进行编码，完成编码后进行遮光包装，再运输至相关机构进行退火。

RGD-3D型热释光退火炉经过苏州市计量测试院校准，温度在240℃时波动度为±0.3℃。选取最优化的退火方式：退火温度为240℃，恒温退火10 min[13]，退火后在室温下将退火盘置于冷却板上自然冷却。然后以20℃/s的速度升温至140℃，并保持20 s，再以20℃/s的速度升温至240℃，保持20 s。

1.3.3 试验人员

为减少试验测量偏倚，所有试验人员（共A、B、C 3人）在试验前均进行过相关培训。A负责操作CT、进行模体和ICD以及热释光剂量片的摆放；B负责记录X射线质量检测仪输出剂量值（M1~M5）和CT输出的CTDICT-vol，并记录热释光剂量片退火后的计数（NT）和本底剂量片计数（N0）；C负责进行原始数据换算和统计学处理。

1.4 数据处理

1.4.1 ICD数据处理

ICD剂量值Mi实际为ICD在扫描期间获得的总剂量值，将平均分布在模体中心和四周共5个孔洞的100 mm长度的容积CT剂量指数（CTDIICD-100）记为Ki。因数据需要修正，根据中国测试技术研究院给出的校准因子Np，将Mi代入公式（1），经过数值修正得到Ki：

式中，L为DCT10电离室的长度，L=10 cm。将修正过的CTDIICD-100（中心和四周）每挡条件扫描共计5个值分别代入公式（2），得出CTDIW-ICD的剂量值，表示每单位长度电离室扫描平面的剂量值：

1.4.2 TLD数据处理

热释光剂量片经退火炉得到的计数为NT，本底剂量片得到的计数为N0，将NT和N0代入公式（3）中得到每个点的剂量值CTDITLD-100（中心和四周）[13]：

式中，kT为退火炉机构给出的校准因子；Ka为Sv-Gy转换系数。由于每个孔洞放入的是一只热释光剂量片，获得的5个数据即为CTDITLD-100的点剂量值，再将每次获得的CTDITLD-100（中心）和CTDITLD-100（四周）的5处剂量值代入公式（2），得出加权CT剂量指数CTDIW-TLD，表示在每个扫描层面上热释光剂量片测得的剂量值。总共完成10个层面，共计得出10个CTDIW-TLD。将数据进行处理，整理成均数±标准差（±s）的形式。

1.4.3 CT数据处理

由于CT使用的扫描条件为序列轴扫模式，扫描范围为10 cm，将CTDIW-ICD和CTDIW-TLD代入公式（4）和公式（5）得出ICD与TLD测量条件下的容积CT剂量指数CTDIICD-vol和CTDITLD-vol：

式中，N为轴扫球管旋转1次产生的体层数；T为体层厚度；d为轴扫1次的进床距离。

1.5 统计学分析

采用Excel软件绘制出CTDIICD-vol、CTDITLD-vol和CTDICT-vol的输出剂量曲线，并进行横向比较。因ICD校准可溯源至国家计量基准，故认为ICD数值CTDIICT-vol为计量标准值，采用SPSS 19.0软件以标准值CTDIICD-vol对CTDITLD-vol值进行单样本t检验分析。参考国家计量检定规程JJG 961—2017《医用诊断螺旋计算机断层摄影装置（CT）X射线辐射源》的计量性能要求[14]和国家卫生行业标准WS 519—2019《X射线计算机体层摄影装置质量控制检测规范》质量控制技术要求[15]，对比CTDITLD-vol和CTDICT-vol的相对误差是否在标准要求的范围内。采用SPSS 19.0软件以CTDIICD-vol作为比对参考值对CTDITLD-vol进行线性拟合分析。

2 结果

2.1 CTDIvol结果

3种方法测得的CTDIvol数值详见表1。使用3组测得的CTDIvol数据绘制散点趋势图，如图1所示。从表1和图1可以得出，在50~400 mAs条件下，ICD所获得的剂量值换算成的CTDIICD-vol基本上等同于CT设定的容积剂量指数输出值CTDICT-vol，证明CT实际输出与CT设定的剂量值基本上是一致的（在50 mAs时最大相对误差为7.31%）。但TLD所获得的剂量值与CT设定的剂量值在150和350 mAs时有稍大的相对误差，分别为9.62%和8.65%。

表1 不同曝光条件下3种方法测得的CTDIvol单 位：mGy

2.2 统计学结果

通过单样本t检验得出t和P，TLD测得的CTDITDL-vol与ICD测得的CTDIICD-vol没有显著差异，详见表2。

图1 120 kV（50~400 mAs）曝光条件下3种方法测得的CTDIvol散点趋势图

表2 不同曝光条件下CTDITLD-vol与单样本CTDIICD-vol的t检验结果（自由度v=9）

2.3 相对误差

TLD测得的CTDITLD-vol与CT设定值CTDICT-vol相比，取CTDITLD-vol均数x¯进行相对误差的计算，在150 mAs条件下得到最大相对误差（9.62%），250 mAs时获得最小相对误差（2.04%），小于JJG 961—2017标准中计量性能要求所规定的20%变化范围，小于WS 519—2019标准中质量控制技术要求的15%基线误差。

2.4 TLD数据线性分析

根据表1中的CTDITLD-vol均数x¯，使用Excel软件拟合出TLD测得的CTDITLD-vol变化的趋势图（如图2所示），得出线性回归方程y=0.153 9x-0.495 7。对该回归方程的回归系数进行统计学检验，得到t=40.921，，差异有统计学意义，表明回归系数存在，可以用x的变异来预测y的变异，证明本研究中曝光设置的管电流和TLD的剂量值有显著的线性回归关系。对回归方程进行线性的决定系数计算，得到R2=0.996 4，表示因变量y变异的99.64%可以由x的变异来解释，说明本次拟合效果良好。

3 讨论

为保持影像质量与患者吸收剂量之间的适当平衡，测量X射线剂量的常用仪器主要有ICD、TLD和半导体探测器3种。ICD又分为自由空气电离室、圆柱和平行板电离室、投射电离室3种。半导体探测器相对精准，但成本较高，市场尚未普及。小型TLD可用于患者剂量测量，缺点是能量响应比ICD差，多用于邮寄比对[16]和日常临床测量。

热释光是一种材料受到辐射照射后经加热所发射的光，被辐照后的材料形成电子陷阱受热激发，释放陷阱中的电子进而发光，光强度与材料接收的辐射相关。最常用的热释光体有氟化锂（LiF）、氧化铍（BeO）、氟化钙（CaF2）、硼酸锂（Li2B4O7）、硫酸钙（CaSO4）和硅酸镁（Mg2SiO4）[17-18]。TLD具有组织等效性好、灵敏度和准确性高、商业可用性强、稳定性强、重复性和线性响应好、测量范围大等诸多优点，但也有其固有缺陷，如退火程序与退火温度对TLD测量的计数影响程度较大。因ICD具有便携性、可读性、直接测量等诸多优势，许多研究使用ICD进行X射线剂量测量[19-21]。但因ICD价格较为昂贵，导致其普及使用的程度和获得的途径相对不易，同时受限于ICD尺寸和形状，有些实验无法将电离室放在模体内部，仅用于表面或较大腔体内的测量。TLD具有普及程度高、获取方法较为容易、测量方法与放置程度较为简单的优势，但其分散性较大，需提前进行筛选后再进行实验，读取数据方式需要退火后换算，属于一种间接测量的方式。TLD本身也存在着一定的缺陷，如不同辐射能量种类条件下相同剂量的辐照、相同剂量但不同X射线角度的辐照均有可能造成30%以上的测量偏差[22]。

图2 TLD测得的CTDITLD-vol线性趋势图

本文分别使用TLD和LCD测量CT输出管电压120 kV、管电流50~400 mAs条件下的输出剂量值，并与CT设定的输出剂量值进行比对。得出以下结论：（1）由于ICD经可溯源至国家计量基准的标准检定，其可作为计量标准。而TLD与ICD在120 kV、50~400 mAs条件下所获得的数据通过独立样本t检验在统计学上没有明显的差异，故可认为使用TLD检测X射线剂量的方法等效于使用ICD的方法。（2）使用TLD测量X射线剂量随着CT输出管电流的规律性变化具有明显的线性特性，且线性拟合度较好（R2=0.996 4，R=0.998 2），接近正强相关。（3）TLD测得的CTDITLD-vol与CT显示的CTDICT-vol差异均小于国家计量检定规程和国家卫生行业标准所规定的限值。虽然TLD存在相对误差，但与设定值的相对误差较小，符合国家相关规定限值要求。王进等[10]和胡传朋等[11]使用平板型电离室和TLD验证直线加速器电子线MV级的剂量比对，结果均显示平板型电离室验证效果较优，TLD可作为电子线剂量验证方法的补充，与本实验得出的结果一致。根据上述分析，ICD和TLD 2种测量方法在一定程度上可以相互弥补自身的缺点，实验者可以根据实际情况较为灵活地选择测量方式。

本实验的不足之处在于使用TLD测得的数据具有较高的分散性，标准差s几乎为平均值的1/3~1/4，所以在选择TLD进行剂量实验时，有必要事先进行预实验，在筛选（分散程度在5%以内）、校准、刻度、测量和数据处理环节进行严格的质量控制，以保证验证结果的可靠性。另外，本试验仅研究了在CT常用管电压120 kV、50~400 mAs条件下TLD测得的CT输出剂量值的情况，但临床CT拥有4个管电压挡位（80、100、120、140 kV），技师会根据不同受检者和不同检查部位选择相应的管电压。下一步将在80、100、140 kV和50~400 mAs相互组合的条件下，以ICD检测方法为计量基准进一步进行研究，以验证TLD是否可以用于检测CT常规条件下的剂量输出值。

综上所述，TLD可用于测量CT输出X射线剂量，总体准确度较高，与ICD测量数值无明显差异，可用于120 kV CT诊断条件下的辐射剂量学研究。