CT剂量计校准装置长度准直器缝宽和倒角对散射的影响

白雪 袁杰 孙训 胡崇庆 / 上海市计量测试技术研究院

0 引言

医用诊断计算机X 射线断层摄影装置（CT）是筛查和诊断疾病常用的放射学设备，由于X 射线的电离特性对患者、医务人员和公众构成了潜在的健康风险，因此，其技术性能的保障至关重要。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》规定对CT 主要性能参数的检定项目有CT 剂量指数、均匀性、噪声水平等。CT剂量计用于测量CT 剂量指数，是CT 计量检定和质量控制检测的关键仪器。

国家计量校准规范 JJF 1621—2017 《诊断水平剂量计校准规范》规定了CT 剂量计的校准项目与校准方法[1]，诊断水平CT 剂量计空气比释动能长度乘积值的校准测量需使用长度准直器，其尺寸应大于CT 探测器的尺寸，中间开长方形孔，孔长度要求在20 ～50 mm 之间，孔长度最大允许误差为±10 μm，宽度约为CT 探测器直径的两倍。长度准直器也称为光阑，用于限制辐射束照射范围以形成部分照射，即形成一个“窄缝”辐射束。IAEA TRS457 报告指出，光阑需要合适的倒角以减少散射和透射，合适的光阑可以减少几何半影和穿射半影[2]。JJF 1621—2017中给出了“窄缝”缝宽指标范围，但没有提出具体的缝宽值和倒角值。中国计量科学研究院发表的论文《CT 电离室校准条件的建立与模拟》和《长杆电离室校准因子及其残留因子研究》，都提出在校准长杆电离室CT 剂量计时需考虑残留因子的影响[3-5]，并指出残留因子的产生主要是因为“窄缝”的散射影响。为降低“窄缝”散射，提高CT 剂量计校准测量的准确性，针对长度准直器的缝宽和倒角及其对散射的贡献，开展相应的实验研究。

1 原理与方法

X 辐射场准直束内的总辐射由“直接辐射”和“散射辐射”两部分组成。“直接辐射”为X 辐射源产生的X 射线，“散射辐射”为直接辐射的光子与物质相互作用后，其能谱与方向发生了改变后的X 射线。

诊断水平CT 剂量计的校准如图1 所示，校准因子为X 参考辐射场中校准测量点上，空气比释动能长度乘积参考值与被校CT 剂量计示值的比值。长度准直器“窄缝”产生的散射辐射直接影响空气比释动能参考值的准确度。“散射辐射”无法消除，但可以通过长度准直器形状与几何尺寸的合理设计、制作工艺的优化来尽量减少。

图1 诊断水平CT 剂量计校准原理

平方反比律的验证法和影锥法是评测辐射场散射辐射大小的两种常用方法。平方反比律验证是指在辐射场内关注点测量得到的直射束剂量率与距离平方反比律的偏离程度，用以评价辐射场散射影响。影锥法用于实验中测量散射辐射大小，具体方法是采用适当形状、尺寸的铅屏蔽体（即影锥）放置在X 辐射源准直射束方向上，及电离室探测器与光阑之间，如图2 所示。调节影锥的位置，使得X 辐射源产生的X 射线不能直接照射到探测器灵敏部分，此时可以认为电离室探测到的辐射以散射辐射为主要成分。

图2 影锥法原理示意图

选用密度较大的钨钢材料制作长度准直器，两边各四片光阑按顺序连续排列形成锥形的“窄缝”，其斜度即为长度准直器的倒角，可借助量角尺准确测量并调节倒角；每边四片光阑间隔层叠在基座支架上，这些间隔用作由前一缝的边缘散射的光子的陷阱，即构造出散射腔；两边光阑片形成的缝宽由电子游标卡尺准确测量。设计制作铅影锥，其形状与参考电离室（型号为PTW 30013）相同，厚度应足以屏蔽150 kV 的X 射线。

采用影锥法实验测量散射辐射，通过调节长度准直器缝宽和倒角，调控被校CT 剂量计的受照长度和散射影响。由图3 可见，当长度准直器的倒角与X 射线在出射口形成的辐射角相等时，X 射线与长度准直器“窄缝”面平行，此时辐射角可以通过三角几何关系计算。设置长度准直器入口距X 辐射源焦点的距离为1 200 mm，缝宽为36 mm，计算得到辐射角为0.86°，则倒角为89.14°。

图3 长度准直器倒角与X 射线辐射方向关系

2 结果与分析

依据IAEA TRS457 报告给出的缝宽推荐值，分别在长度准直器倒角为89.14°时测量不同缝宽的散射剂量，以及在长度准直器缝宽为36 mm 时测量不同倒角的散射剂量，结果如图4、图5 所示。

图4 散射剂量随缝宽的变化

图5 散射剂量随倒角的变化

长度准直器产生的散射剂量随缝宽的减小而减少。当长度准直器的缝宽值在30 ～40 mm 之间，散射剂量随缝宽值变化较小，散射剂量也相对较小，当长度准直器的缝宽值大于40 mm 或小于30 mm 时，散射剂量随缝宽值变化曲率较大。尤其当缝宽值大于40 mm 时，散射剂量明显增加。同时，长度准直器产生的散射剂量随倒角角度的减小而增加。减少长度准直器的倒角，会增大散射接触面，散射剂量急剧增大，而倒角在89.14°时，散射剂量最小，与相关文献的理论分析[3]基本相符。由于实验用长度准直器四片光阑总厚度仅为10 mm，因此，倒角为89.14°和90°时的散射剂量变化不大。同时，实验结果也验证了长度准直器的斜度与X 射线在出射口形成的辐射角相等时散射剂量最小。当长度准直器狭缝面斜度大于X 射线出射角时，被校CT 剂量计的实际受照长度偏大，空气比释动能长度乘积参考值相应变大，导致被校CT 剂量计的校准因子偏高；当长度准直器狭缝面斜度小于X 射线出射角时，会造成辐射场里的射线剂量不均匀且散射剂量增加，影响空气比释动能参考值的准确性，从而导致较大的校准不确定度。

3 结语

CT 剂量计校准装置长度准直器的缝宽和倒角设计与CT 剂量计校准因子的测量结果密切相关。依据IAEA TRS457 报告中对长度准直器的性能要求，设计制作长度准直器开展散射影响测量实验，结果显示，长度准直器的倒角与X 射线束的辐射角相等、狭缝宽度在30 ～40 mm 之间时，散射剂量及其变化最小。研究结果对于CT 剂量计校准装置的设计研制具有借鉴与参考价值。