CT设备剂量的测量与分析
作者：余晓锷 冯晓刚 林意群 林木炎
单位：510515 广州，第一军医大学生物医学工程系
关键词：
中华放射医学与防护杂志000425 在CT设备中，剂量大小不仅影响图像质量，而且还与病人的健康息息相关，因此，对CT剂量的测量和评价是十分重要的。放射防护学界所应考虑的原则之一就是用可容许的最小X射线剂量，在低对比分辨力的影像中能看到最小的病灶。
一、材料和方法
1.检测设备：设备是由美国Radical公司生产的model 2026C剂量读数仪、20X6-3CT笔形电离室以及剂量体模组成的。笔形电离室长14 cm(有效长度10 cm)，直径1.2 cm。剂量体模为直径 16 cm (20CT6) 的头模，体模由均匀的有机玻璃组成。在体模的中心和近表层位置分布有若干测试孔，孔的直径与电离室的直径一致，边缘孔的中心离测试表面1 cm，相互间隔为90度，分别用于测试中心和表面剂量。
, 百拇医药
2.检测方法：将16 cm剂量头模置于诊视床上移至机架扫描孔中心位置，体模轴线与扫描面垂直，将电离室探头插入头模中心孔，在测量中不用的孔要紧紧地插入与测试体模相同的材料插件；选择头部常规扫描条件对头模中心层面进行单层扫描，记录剂量仪上的剂量读数，在相同条件下再对该层面作两次单层扫描，记录读数，将电离室探头按顺时针顺序依次插入体模距表层1 cm处的各小孔，分别测量这几处的剂量，测量条件同前，每个位置扫描3次，记录读数。
3.受检设备：为了使设备结果参数具有可比性，9台设备均为东芝TCT-300S，选用头部扫描条件，其具体受检设备测试条件为：80 mA,120 kV,扫描时间为4.5 s，层厚10 mm，标准算法，扫描角度为360度，重建矩阵为512×512，照射野为240 mm。
二、结果
检测结果见表1。表中分别列出了体模中心、上、下、左、右5个位置点的剂量值(用CTDI表示)，为了便于剂量相关因素的分析，同时给出了检测条件和与剂量关系比较大的设备噪声值。表中所列球管曝光次数为测量时球管已曝光次数。
, 百拇医药
表1 9台东芝CT机中心和表面各点的CTDI值 设备
序号
曝光次数
(万次)
中心
上
下
左
右
噪声
(%)
1
3
, http://www.100md.com
42.8
48.8
46.6
38.8
39.1
0.24
2
10
40.5
47.3
39.1
36.8
40.3
, 百拇医药
0.23
3
39
34.0
37.3
33.8
31.7
31.5
0.29
4
8.5
49.8
58.3
, 百拇医药
48.0
45.1
49.3
0.25
5
9
49.2
52.9
49.1
48.7
47.8
0.26
6
, 百拇医药
30
41.4
47.9
38.5
37.2
41.9
0.27
7
18
49.3
54.7
46.3
47.3
, http://www.100md.com
49.8
0.22
8
17
47.1
49.8
47.4
47.0
44.2
0.29
9
2
40.8
, 百拇医药
48.7
39.7
35.5
39.3
0.28
军队暂行CT规范规定头部中心CTDI不得大于50 mGy，头部表面最大剂量不得大于80 mGy，因此9家医院设备的剂量均未超标。但是有3家医院头部中心剂量处于临界状态。从结果表中还可以看出东芝300S型CT机表面最大剂量点在上部12点的位置。
三、讨论
1.关于CT剂量检测方法[1，2]：CT剂量的测试方法有电离室法、热释光剂量计和胶片剂量计。其中笔形电离室法测量剂量是目前最好的一种方法，这种方法在逐步普及。胶片剂量计方法已逐渐淘汰。应该注意的是常规用于放射诊断中的电离室不适用于CT剂量的测量。因为：① 要保证剂量率测量足够的灵敏度，电离室尺寸必须足够大，而CT剂量分布在几个毫米内有很大变化，特别对薄层扫描，因此这种普通电离室不适用；② CT扫描剂量测量需要在体表和体内多处测量，而普通电离室仅在一个点上测量，满足不了测量CT剂量分布要求。
, 百拇医药
2.关于剂量的表达方法[2]：文中剂量值是用CTDI来表示的。CTDI的表达式为：
CTDI10 cm=(1/T)∫+50-50D(z)dz
式中z为沿垂直于断层面上的某一位点z，D(z)为z点剂量；T为标称层厚；在测量中是把笔形电离室依次插入各个待测剂量点的圆孔内，测出的是介质的吸收剂量。在测试中从剂量仪读出的数据是以毫伦(mR)为单位，把它转换为CTDI值，必须除以层厚值再乘以每个位置点的校准因子，然后转换为以毫戈瑞(mGy)为单位的数据。其中的校准因子是由北京市计量科学研究所对剂量测试体模标定而得，本测试头模的中心、上、下、左、右 5个位置点的校准因子分别为8.97、9.12、9.04、8.96和8.82。
3.CT剂量值最大点位置：CT剂量最大点位置不能一概而论，由CT机的结构设计而定。由实验结果数据可知东芝300S型号的CT机在360度旋转分布(曝光时间4.5 s)条件下，最大剂量点在12点位置，在180度非对称旋转分布(曝光时间2.7 s)时最大剂量点在4点半位置。
, http://www.100md.com
4.影响CT剂量的主要因素：影响CT剂量的主要因素可以用下式表示[3]：
DsαkVpc*mAs*(B)/(SSD2)
上式说明，单次扫描剂量Ds随管电压、X射线束的滤过、毫安秒(mAs)、焦点与皮肤距离(SSD)和病人衰减因素而改变。指数c随滤过类型和形状而变，B是病人传递因素，躯体小的病人B较大，SSD与CT机的设计有关。
5.剂量对CT性能参数的影响：在CT设备中，我们关注剂量值的大小，不仅因为剂量超标对受检病人有害，而且剂量值的选取还影响CT设备的性能参数即剂量对噪声的影响，其数学关系可用Brooks公式[4]描述：
σ=k(β)/(W3hD0)
, http://www.100md.com
式中：σ为标准噪声偏差；k为描述剂量探测效率的常数；β为人体衰减因子，β=e-μd；μ为平均线束衰减系数；d为物体厚度；W为象素宽度；h为断层厚度；D0为入射皮肤表面剂量的最大值。上式可以说明各种因素的权衡情况，当噪声减少50%时，剂量就要增加4倍；如噪声不变，象素宽度减少一半，则剂量要增加8倍；或噪声不变，断层厚度降为一半时，剂量要增加2倍。也就是说，噪声应限制在病理学所必须的合理范围内，否则病人的射线负荷太大。
6.有关CT设备中X射线球管的考虑：球管质量的好坏直接影响到CT剂量的质量。衡量球管的老化并非是球管的曝光次数(在表1中我们可以看到有一设备球管曝光39万次，但设备各项参数还很稳定)，而是在于出射的X射线是否影响CT性能参数，主要表现是噪声明显增加，密度分辨率明显降低，导致图像质量恶化，实际上也是投影数据信噪比的下降。这时应更换新的X射线管，以保证图像质量。在CT剂量测量过程中，如果球管老化则在同一参数设置条件测试的剂量极不稳定，测试的剂量值忽大忽小。如果是螺旋CT，则螺旋扫描根本无法进行。但CT球管本身是消耗部件，曝光次数有限，球管的价格又比较昂贵，因此，在设备的运作过程中，可以采取一些措施保护球管，延长球管的寿命，其根本原则是在图像质量能够很好地满足临床诊断的前提下，降低剂量值。由表1可知，在测量条件一致的情况下，球管曝光次数超过一定的数值，则剂量值要略微低一些，因此在球管使用后期，可以略微增大毫安值和曝光时间，以确保剂量能够达到临床诊断要求。
, http://www.100md.com
参考文献
1，Arata Suzuki,Marcia N,Suzuki. Use of a pencil-shaped ionization chamber for measurement of exposure resulting from a computed tomography scan. Med Phys, 1978,5:536-539.
2，尉可道.CT剂量的测量及其表达.中华放射医学与防护杂志，1997，17：347-351.
3，American Association of Physicists in Medicine by the American Institute of Physics. Specification and acceptance testing of computed tomography scanner.Report No.39. New York: 1993.52-56.
4，孙良洲.医用X线CT图像质量评价与控制.中国医疗器械杂志，1995，19：303-307.
(收稿日期:1999-10-05), 百拇医药
单位：510515 广州，第一军医大学生物医学工程系
关键词：
中华放射医学与防护杂志000425 在CT设备中，剂量大小不仅影响图像质量，而且还与病人的健康息息相关，因此，对CT剂量的测量和评价是十分重要的。放射防护学界所应考虑的原则之一就是用可容许的最小X射线剂量，在低对比分辨力的影像中能看到最小的病灶。
一、材料和方法
1.检测设备：设备是由美国Radical公司生产的model 2026C剂量读数仪、20X6-3CT笔形电离室以及剂量体模组成的。笔形电离室长14 cm(有效长度10 cm)，直径1.2 cm。剂量体模为直径 16 cm (20CT6) 的头模，体模由均匀的有机玻璃组成。在体模的中心和近表层位置分布有若干测试孔，孔的直径与电离室的直径一致，边缘孔的中心离测试表面1 cm，相互间隔为90度，分别用于测试中心和表面剂量。
, 百拇医药
2.检测方法：将16 cm剂量头模置于诊视床上移至机架扫描孔中心位置，体模轴线与扫描面垂直，将电离室探头插入头模中心孔，在测量中不用的孔要紧紧地插入与测试体模相同的材料插件；选择头部常规扫描条件对头模中心层面进行单层扫描，记录剂量仪上的剂量读数，在相同条件下再对该层面作两次单层扫描，记录读数，将电离室探头按顺时针顺序依次插入体模距表层1 cm处的各小孔，分别测量这几处的剂量，测量条件同前，每个位置扫描3次，记录读数。
3.受检设备：为了使设备结果参数具有可比性，9台设备均为东芝TCT-300S，选用头部扫描条件，其具体受检设备测试条件为：80 mA,120 kV,扫描时间为4.5 s，层厚10 mm，标准算法，扫描角度为360度，重建矩阵为512×512，照射野为240 mm。
二、结果
检测结果见表1。表中分别列出了体模中心、上、下、左、右5个位置点的剂量值(用CTDI表示)，为了便于剂量相关因素的分析，同时给出了检测条件和与剂量关系比较大的设备噪声值。表中所列球管曝光次数为测量时球管已曝光次数。
, 百拇医药
表1 9台东芝CT机中心和表面各点的CTDI值 设备
序号
曝光次数
(万次)
中心
上
下
左
右
噪声
(%)
1
3
, http://www.100md.com
42.8
48.8
46.6
38.8
39.1
0.24
2
10
40.5
47.3
39.1
36.8
40.3
, 百拇医药
0.23
3
39
34.0
37.3
33.8
31.7
31.5
0.29
4
8.5
49.8
58.3
, 百拇医药
48.0
45.1
49.3
0.25
5
9
49.2
52.9
49.1
48.7
47.8
0.26
6
, 百拇医药
30
41.4
47.9
38.5
37.2
41.9
0.27
7
18
49.3
54.7
46.3
47.3
, http://www.100md.com
49.8
0.22
8
17
47.1
49.8
47.4
47.0
44.2
0.29
9
2
40.8
, 百拇医药
48.7
39.7
35.5
39.3
0.28
军队暂行CT规范规定头部中心CTDI不得大于50 mGy，头部表面最大剂量不得大于80 mGy，因此9家医院设备的剂量均未超标。但是有3家医院头部中心剂量处于临界状态。从结果表中还可以看出东芝300S型CT机表面最大剂量点在上部12点的位置。
三、讨论
1.关于CT剂量检测方法[1，2]：CT剂量的测试方法有电离室法、热释光剂量计和胶片剂量计。其中笔形电离室法测量剂量是目前最好的一种方法，这种方法在逐步普及。胶片剂量计方法已逐渐淘汰。应该注意的是常规用于放射诊断中的电离室不适用于CT剂量的测量。因为：① 要保证剂量率测量足够的灵敏度，电离室尺寸必须足够大，而CT剂量分布在几个毫米内有很大变化，特别对薄层扫描，因此这种普通电离室不适用；② CT扫描剂量测量需要在体表和体内多处测量，而普通电离室仅在一个点上测量，满足不了测量CT剂量分布要求。
, 百拇医药
2.关于剂量的表达方法[2]：文中剂量值是用CTDI来表示的。CTDI的表达式为：
CTDI10 cm=(1/T)∫+50-50D(z)dz
式中z为沿垂直于断层面上的某一位点z，D(z)为z点剂量；T为标称层厚；在测量中是把笔形电离室依次插入各个待测剂量点的圆孔内，测出的是介质的吸收剂量。在测试中从剂量仪读出的数据是以毫伦(mR)为单位，把它转换为CTDI值，必须除以层厚值再乘以每个位置点的校准因子，然后转换为以毫戈瑞(mGy)为单位的数据。其中的校准因子是由北京市计量科学研究所对剂量测试体模标定而得，本测试头模的中心、上、下、左、右 5个位置点的校准因子分别为8.97、9.12、9.04、8.96和8.82。
3.CT剂量值最大点位置：CT剂量最大点位置不能一概而论，由CT机的结构设计而定。由实验结果数据可知东芝300S型号的CT机在360度旋转分布(曝光时间4.5 s)条件下，最大剂量点在12点位置，在180度非对称旋转分布(曝光时间2.7 s)时最大剂量点在4点半位置。
, http://www.100md.com
4.影响CT剂量的主要因素：影响CT剂量的主要因素可以用下式表示[3]：
DsαkVpc*mAs*(B)/(SSD2)
上式说明，单次扫描剂量Ds随管电压、X射线束的滤过、毫安秒(mAs)、焦点与皮肤距离(SSD)和病人衰减因素而改变。指数c随滤过类型和形状而变，B是病人传递因素，躯体小的病人B较大，SSD与CT机的设计有关。
5.剂量对CT性能参数的影响：在CT设备中，我们关注剂量值的大小，不仅因为剂量超标对受检病人有害，而且剂量值的选取还影响CT设备的性能参数即剂量对噪声的影响，其数学关系可用Brooks公式[4]描述：
σ=k(β)/(W3hD0)
, http://www.100md.com
式中：σ为标准噪声偏差；k为描述剂量探测效率的常数；β为人体衰减因子，β=e-μd；μ为平均线束衰减系数；d为物体厚度；W为象素宽度；h为断层厚度；D0为入射皮肤表面剂量的最大值。上式可以说明各种因素的权衡情况，当噪声减少50%时，剂量就要增加4倍；如噪声不变，象素宽度减少一半，则剂量要增加8倍；或噪声不变，断层厚度降为一半时，剂量要增加2倍。也就是说，噪声应限制在病理学所必须的合理范围内，否则病人的射线负荷太大。
6.有关CT设备中X射线球管的考虑：球管质量的好坏直接影响到CT剂量的质量。衡量球管的老化并非是球管的曝光次数(在表1中我们可以看到有一设备球管曝光39万次，但设备各项参数还很稳定)，而是在于出射的X射线是否影响CT性能参数，主要表现是噪声明显增加，密度分辨率明显降低，导致图像质量恶化，实际上也是投影数据信噪比的下降。这时应更换新的X射线管，以保证图像质量。在CT剂量测量过程中，如果球管老化则在同一参数设置条件测试的剂量极不稳定，测试的剂量值忽大忽小。如果是螺旋CT，则螺旋扫描根本无法进行。但CT球管本身是消耗部件，曝光次数有限，球管的价格又比较昂贵，因此，在设备的运作过程中，可以采取一些措施保护球管，延长球管的寿命，其根本原则是在图像质量能够很好地满足临床诊断的前提下，降低剂量值。由表1可知，在测量条件一致的情况下，球管曝光次数超过一定的数值，则剂量值要略微低一些，因此在球管使用后期，可以略微增大毫安值和曝光时间，以确保剂量能够达到临床诊断要求。
, http://www.100md.com
参考文献
1，Arata Suzuki,Marcia N,Suzuki. Use of a pencil-shaped ionization chamber for measurement of exposure resulting from a computed tomography scan. Med Phys, 1978,5:536-539.
2，尉可道.CT剂量的测量及其表达.中华放射医学与防护杂志，1997，17：347-351.
3，American Association of Physicists in Medicine by the American Institute of Physics. Specification and acceptance testing of computed tomography scanner.Report No.39. New York: 1993.52-56.
4，孙良洲.医用X线CT图像质量评价与控制.中国医疗器械杂志，1995，19：303-307.
(收稿日期:1999-10-05), 百拇医药