宽排CT探测器CT剂量指数应用初探*

刘 彬 白 玫

随着X线计算机断层成像(X-ray computed tomography，CT)技术的广泛应用，CT剂量优化日趋受到人们的重视。Shope等[1]于1981年提出了CT剂量指数(computed tomography dose index，CTDI)的概念。CTDI很快凭借其定义清晰、测量方便等优势被广泛接受和使用。与之配套的CTDI标准测量方法、标准测试体模和电离室也很快被业界认可。CTDI还为CT设备的质量控制和剂量优化提供了基础剂量表征量。根据不同扫描部位转换系数，可通过CTDI值推导有效剂量，然而由于实际患者的受照情况不能用简单的有机玻璃圆柱体模代表，这种估算有效剂量的方法非常粗略[2-4]。目前，学术界更加倾向于用空气中测得的CTDIfree-in-air估算有效剂量。

随着CT探测器技术的研发，新型CT设备不断问世，尤其是宽排探测器的应用使得CTDI面临很大挑战，由于CTDI诞生之际的射线宽度非常窄，学者开始质疑CTDI是否仍然可以表征CT剂量水平[5-6]。Dixon等[7]报道的数据显示，采用传统的CTDI在表征20 mm射线宽度的CT探测器剂量时其误差可达20%。现代的CT设备集成了先进的管电流调节系统以降低患者辐射剂量，这些技术手段打破了整个扫描过程中剂量分布的一致性，增加了CTDI表征CT剂量水平的难度[8-9]。CTDI根据CT技术的发展、完善和改进以适应新型CT系统的剂量表征需求势在必行。

本文通过传统CTDI的应用、宽排CT探测器CTDI的演变、宽排CT探测器CTDI表征方法以及宽排CT探测器CTDI测量方法初步探讨CTDI在宽排CT探测器剂量表征中的应用。

1 传统CTDI的应用

对于归一化射线宽度＜60 mm的扇形扫描束CT来讲，空气中剂量表征量的概念和应用并无较大争议。理论上，当将大部分应用于扇形扫描束CT上的空气中剂量表征量宽展可以应用到宽射线束(体)CT上。但当采用100 mm笔形电离室测量宽排探测器空气中CTDI时则会遇到实际问题。

经过不断的演化，目前体模中CTDI的定义比较其最初的定义已有很大不同。Shope等[1]最初定义CTDI为沿z轴从-∞到+∞长度上的剂量积分。而后食品和药物管理局(FDA)将积分范围标准化为-7T到+7T，T是归一化层厚，因为当时14T的长度恰好等于标准头颅的覆盖范围。同时，100 mm的积分范围和100 mm的笔形电离室应运而生。以往在有机玻璃(PMMA)CT标准剂量体模中测量的CTDI逐渐被在空气中测得的吸收剂量所取代。

在CT剂量体模中测得的5个位置的CTDI用于获得CTDIw，当螺旋CT问世后引进了CTDIvol(CTDIw除以螺距)表征量，以将扫描过程中扫描床的运动考虑进去[10]。

CTDI最常用的表达方式为(公式1)[11]：

式中D(z)是沿着z轴的剂量曲线与断层平面垂直；数值等于各点的空气吸收剂量；N为探测器排数，T为单排探测器宽度，2者乘积为归一化射线宽度。

在使用150 mm长CT剂量体模测量CTDI值时，CT的散射线会超出体模测量范围延伸至周围的空气中。因此，100 mm的笔形电离室测量CTDI值时只能涵盖一部分散射线，因此使用体模测量CTDI时，CTDI100和CTDI∞之间会存在差异，CTDI∞涵盖了所有散射线。CTDI100和CTDI∞的比值称为CTDI测量效率。

Boone等[12]通过实验证实，即便使用头部体模测量10 mm射线宽度的CTDI时，CTDI100的测量值也低于CTDI∞，体模中部的测量效率只有82%，体模四周测量位置的测量效率为90%。使用32 cm直径的体模测量时，测量效率更低，中部只有64%，四周只有88%。测试体模的尺寸和测试点的位置(中部或四周)对CTDI100测量效率的影响很大。幸运的是，对于射线宽度＜40 mm的CT探测器，CTDI100测量效率相对稳定。因此，对于64排(及以下)的CT探测器，CTDI100剂量表征量虽然不能准确地表征一个扫描体积的真实剂量，至少对于真实值的误差的比率是保持恒定的。然而，当射线宽度＞40 mm，CTDI100测量效率逐渐下降，当射线宽度增加到80 mm，CTDI100测量效率会迅速下降。

2 宽排CT探测器CTDI的演变

当第1台宽排锥体束CT问世后科学家们不断寻求针对宽排探测器CTDI适当的表示及测量方法，并曾经使用非常长的CT剂量模体和非常长的笔形电离室进行测量。该模体和电离室可以测量300 mm积分长度的CTDIw,300的剂量值[6,13]。但这种测量方法的实用性不强，原因在于这样长的体模非常笨重，300 mm的电离室只是出于实验目的而制造，并不常见。如果用这种超长模体和超长电离室全面替代现有的模体和电离室其成本过于昂贵。

学者们寄希望于在CTDI100的基础上进行调整，以适应宽排CT探测器的剂量表征需求。对于归一化射线宽度为160 mm(320×0.5 mm)的锥体束CT来说，CTDI100定义公式中的分母N×T超过了剂量曲线D(z)100 mm的积分长度。这与CTDI100所表征的含义从根本上有所冲突。因此，2009年国际电工委员会(IEC)针对宽排锥体束CT，调整了公式1中对于CTDI100的定义[14]。调整方式为：即使N×T超过100 mm也限定分母为100 mm，表示方式如公式2：

从定义公式可以看出，这种定义的最大缺点在于：对于如160 mm宽排锥体束CT，CTDI100只涵盖了一部分主射线和很少一部分散射线。实际上，对于160 mm宽排锥体束CT，公式中定义的CTDI已经不应该称之为CT剂量指数，而应称之为100 mm长度范围内的平均值。

归一化射线宽度(N×T)和实际射线宽度之间通常存在差异。然而，通过针对Toshiba Aquilion ONE 320排CT的实验发现：公式2中定义的CTDI100对于CTDI300是一个很好的指示值。对于不同的曝光条件，CTDI100与CTDI300的比值保持在0.98～1.08(采用体模)和1.08～1.11(采用头模)之间。继而，学术界希望能够找到一个与CTDI∞具有恒定关系的数学模型。如图1所示，对于40 mm内的归一化射线宽度，Boone[12]定义的CTDI100测量效率基本上保持恒定，并且基于体模测量的CTDI值和空气中CTDI成比例。

图1 加权CTDI100测量效率随探测器宽度的变化曲线

3 宽排探测器CTDI表征方法

为了克服对于宽排探测器CTDI100只涵盖部分主射线和很少部分散射线的缺点。IEC 60601-2-44号文件引入了一个CTDI分层定义方法[14]。第1层是对于射线宽度≤40 mm的探测器采用传统CTDI100的定义方法。第2层是对于射线宽度＞40 mm的探测器，推荐在标准CT体模中测量20 mm归一化射线宽度的CTDI作为参考值；再将这个参考值乘以空气中CTDI值(CTDIfree-in-air,ref,N×T)与空气中20 mmCTDI值(CTDIfree-in-air,ref)的比值。采用这种定义方法能够很大程度地平滑不同探测器宽度CTDI100测量效率曲线，其定义表示方法如公式3、公式4：

式中ref下标表示20 mm的参考射线宽度。

应该指出的是，测量计算CTDIfree-in-air,N×T的积分长度需要与归一化射线宽度N×T相适应。表1中列出了相对应不同归一化射线宽度需要的最小积分长度。

表1 不同归一化射线宽度需要的最小积分长度

如图2所示，采用上述定义方法得到的CDTI100测量效率曲线。可以看出，曲线可近似成平行X轴的直线，因此采用上述定义方法，CDTI100的测量效率对于不同探测器宽度(含宽排探测器)接近恒定值。

图2 加权CTDI100测量效率随探测器宽度的变化曲线

然而，从图中可看出该定义方法依然存在缺点，即采用CT体模得到的CDTI100测量效率依然接近75%，距离100%的理想值还相差甚远。

4 宽排CT探测器CTDI测量方法

4.1 标准CTDI100体模测量方法

标准CT剂量指数体模是直径为16 cm(头部体模)和32 cm(体部体模)，长度约为150 mm的有机玻璃(PMMA)剂量体模。体模中CTDI100值是通过100 mm长电离室测得。将射线中心对准体模中心和电离室中心，电离室中心与Z轴重叠进行单次轴扫描，并对电离室读数，其读数要根据气压和温度进行校准。

通常电离室的读数为剂量在一定长度上的积分值IntD，单位为(mGy×cm)，此时CTDI100可表示为公式5：

如果电离室的读数为空气比释动能或剂量平均值，D的单位是(mGy)，此时读数还需乘以电离室长度Lc，CTDI100可表示为公式6：

4.2 CTDIfree-in-air测量方法

以往的CTDIfree-in-air定义中，积分长度被规定为100 mm。IEC目前对这个定义进行了修正,即取消积分长度的限制，使CTDIfree-in-air剂量表征量更好地服务于宽排探测器。IEC指出，CTDIfree-in-air的积分长度至少应满足100 mm，同时根据实际情况，积分长度应超过整个射线宽度40 mm(两侧各20 mm)。因此，对于归一化射线宽度＜60 mm的探测器，积分长度至少要保证100 mm。

IEC对于CTDIfree-in-air修正后的定义如公式7：

式中D(z)是沿着Z轴的剂量曲线与断层平面垂直。数值等于各点的空气吸收剂量。L为积分长度，至少等于归一化射线宽度N×T+40 mm，并且≥100 mm。

对于归一化射线宽度≤60 mm的探测器，CTDIfree-in-air的测量需要积分长度至少为100 mm。标准的100 mm电离室的单次测量一般可以满足这类探测器CTDIfree-in-air的测量需求。由于积分长度为100 mm，CTDIfree-in-air的定义公式和老版本IEC定义相似，如公式8：

对于归一化射线宽度＞60 mm的探测器，积分宽度＞100 mm，超过了标准100 mm电离室的探测长度，因此需要采取特殊的测量方法。要求积分长度至少为N×T+40 mm是因为超过这个长度的积分距离外的散射线可以忽略不计，再加长积分长度也不会对最后的结果产生影响。采用100 mm标准电离室测量＞60 mm的探测器的常用方法是在整个积分长度内进行等距离里多点测量，通常相邻测量点的距离等于电离室的长度。

5 结语

传统CTDI的定义及测试方法在应用于宽排CT探测器，特别是归一化射线宽度＞60 mm的CT探测器时，会面临积分长度失去表征意义的问题。IEC在对传统CTDI进行修正的基础上推出了分层次CTDI表征方式。通过多点分次测量，新定义的分层次CTDI仍然可以采用传统的150 mm有机玻璃(PMMA)CT剂量体模和100 mm电离室进行测量。因此，CTDI表征方式对于宽排CT探测器依然存在价值，能够在保留传统CTDI基本概念和常规测试条件的基础上较好地表征宽排CT探测器的剂量水平。

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