医用X射线CT辐射剂量影响因素研究

1、医用X射线CT辐射剂量影响因素研究        【摘要】     目的分析不同管电压、管电流、模体直径、模体内深度、螺距、准直宽度、照射野、算法及管电流调制技术等因素对多层CT辐射剂量的影响。方法用CT笔形电离室、头部和体部剂量模体及国人仿真人体模型，在CT机上测量在不同管电压、管电流、模体直径、模体内深度、螺距、准直宽度、照射野、算法及管电流调制技术条件下的CT剂量学表征量。结果当其它参数一定时，管电压与CT剂量成正比；管电流与CT剂量成线性正相关；模体直径与C

2、T剂量成反比；CT剂量随模体内径向深度的增加而减少；螺距与剂量成反比，螺距的增加使超成像范围的剂量增加；准直宽度与剂量成反比；照射野和算法对CT剂量没有影响；采用管电流调制技术可降低CT剂量。结论降低管电压、降低管电流、增加螺距、限制分段扫描、增加准直宽度、降低体形瘦小受检者的扫描条件及采用管电流调制技术可使CT剂量降低。     【关键词】  多层CT；CT剂量指数；螺距；准直宽度    An evaluation on influence factors of radiation dose for t

3、he medical X-ray computed tomography LU He-qing，ZHU Guo-ying，ZHUO Wei-hai，GUO Chang-yi，GAO Lin-feng，LIU Hai-kuanInstitute of Radiation Medicine，Fudan University，Shanghai 200032，China；Shanghai Municipal Center for Disease Control and Prevention，Shanghai 200336，China 【】  Objective 

4、 To evaluate those factors which affect on to the radiation dose of multi-slice CT, such as voltage and current of tube, diameter of  phantom, depth of inside phantom, pitch, collimation, field of view, algorithm and tube current modulation technology and so on.  Methods  A pencil-lik

5、e ion chamber, head and body dose phantom, and Chinese anthropomorphic phantom were used to measure the characteristic quantum of CT dosimetry when different voltage and current of tube, diameter of phantom, depth of inside phantom,  pitch, collimation, field of view, algorithm and tube current

6、 modulation technology were adopted.  Results  When all  other parameters kept unchanged, the tube voltage was direct proportional to CTDI(CT dose index), the tube current was positive linear correlation to CTDI, the diameter of phantom was inverse proportional to CTDI, radiation dose

7、 of CT was decreasing while measuring depth increased of inside phantom, pitch was inverse proportional to accumulated dose, overexposure from spiral scanning out of topogram range led to the increasing of radiation dose, collimation was inverse proportional to CTDI, CTDI was not affected by field o

8、f view and algorithm, and radiation dose of CT was decreased by using tube current modulation technology. Conclusion  Radiation dose of CT can be decreased by  reducing voltage and current of tube, increasing pitch，limiting the block number of helical scanning during a single CT examinatio

9、n，increasing width of collimation, decreasing scan parameters of slim patients rationally and adopting tube current modulation technology.【 】 Multi-slice CT(MSCT)； CT dose index； Pitch； Collimation众多受检者、患者所受的医疗照射已经成为全民所受各种电离辐射照射中最大的又是不断增加的人工电离辐射照射来源1。近年来，CT在放射诊断中应用越来越广泛，在设备数量和接受CT检查人数上均逐年增加。在过去20年间，

10、全世界CT检查频率增长超过8倍2,由此而来的受检者接受的辐射剂量也相应增加。据报道，在英国，CT检查人次占所有放射检查的4，但辐射剂量却占到受检者总辐射剂量的403。另外单次CT检查给予受检者的辐射剂量高于常规X射线检查。我国CT设备发展非常迅速，CT绝对数已居世界第三位4，轴扫CT和单层螺旋CT正逐步被双层和多层螺旋CT代替，多层CT应用日益普及，多层CT具有扫描速度快，重建图像质量好，可进行大范围容积扫描和三维图像重建，提高了诊断准确率和单位时间检查效率。与单层CT比较，多层CT由于采用更薄的层厚，在较短的时间内覆盖较大的范围，可能会产生更大的X射线辐射5。CT检查引起的照射可能会增加致癌

11、的风险，特别是对辐射敏感的儿童6。因此，CT医疗照射有可能成为各类医疗照射所致集体剂量的最大来源，CT医疗照射防护已成为涉及广大公众的重要公共卫生问题，在国内外已成为辐射防护领域的重点和热点问题。CT医疗照射防护不仅仅是放射防护人员的职责，也是临床医生与放射医师应共同承担的责任7。为做好CT检查的放射防护和X射线CT医疗照射防护最优化工作，优化CT扫描条件，使其符合正当化和最优化原则8,9，尽量减少受检者接受的辐射剂量，需要研究影响多层CT剂量的主要因素。本文在不同扫描条件下，根据剂量实测结果，总结出不同影响因素所致CT剂量变化的规律。管电流调制技术是一个自动曝光控制系统，系统的功能包括可以根

12、据受检者身材和脏器的解剖形态自动调整球管电流，以及对于每一次球管旋转的在线可控式球管电流调制。这样就在较低的射线剂量水平上提供稳定的图像质量。本文采用管电流调制与管电流恒定两种方法，分别对胸部进行扫描，评价管电流调制技术对胸部扫描剂量的影响程度。材料与方法一、实验器材美国GE公司LightSpeed 16型CT机，德国Siemens公司Somatom Emotion 6型CT机，荷兰Philips公司Brilliance 16型CT机，德国Siemens公司Somatom Sensation 16型CT机，德国Siemens公司Somatom Emotion 16型CT机，瑞典RTI公司Bar

13、racuda型医用诊断X射线机质量检测系统和DCT 10 RS Lemo型CT笔形电离室（长100mm），美国Victoreen公司76-414型头部剂量模体（16cm）和76-415型体部剂量模体（32cm），国人仿真人体模型（成人）。二、实验方法1管电压影响研究：将LightSpeed 16型CT机的管电压分别设置为80、100、120、140 kV时，采用260 mAs，准直10 mm，FOV250 mm和重建算法std，对放置在空气中并位于扫描机架中心的CT笔形电离室进行单圈轴位扫描，相同扫描条件扫描3次，取其平均值并计算nCTDIair（即CTDIair每100mAs）。再采用以上4

14、种不同kV的扫描条件，对放置在头部剂量模体和体部剂量模体的中心孔和四周孔中的CT笔形电离室进行单圈轴位扫描，根据测量值计算不同kV的头部和体部模体中心和表面位置的nCTDI100并计算nCTDIw。2管电流时间影响研究：将Somatom Emotion 6型CT机的管电流时间分别设置为100、120、150、200、250、300、330 mAs，对放置在空气中并位于扫描机架中心的CT笔形电离室进行单圈轴位扫描，相同扫描条件扫描3次，取其平均值并计算CTDIair。3模体直径与模体内深度的影响研究：在Somatom Emotion 6型CT机上设置扫描条件为130 kV、300 mAs、FOV

15、 25 cm、层厚10 mm，分别对放置在直径8 cm、16 cm、32 cm剂量模体的中心孔和四周孔中的CT笔形电离室进行单圈轴位扫描，根据测量值计算不同直径模体中心和表面位置的nCTDI100并计算nCTDIw。4螺距影响研究：用CT笔形电离室和头部剂量模体在Brilliance 16型CT机上，按头部CTA螺旋扫描条件，120 kV、117 mA、0.75 s、准直16×1.5 mm、层厚2 mm、FOV250 mm、Filter EB、扫描长度201 mm（覆盖CT笔形电离室），分别选取不同螺距值：0.438、0.688、0.938、1.313进行扫描，其它参数固定，测量头部

16、剂量模体中心CT笔形电离室的剂量积分值，并归一到扫描长度201 mm时的剂量积分值；在Somatom Sensation 16型CT机上选择腹部常规螺旋扫描模式，准直16×0.75 mm，层厚10 mm，120 kV，200 mAs，在定位图像中设置成像范围200 mm，分别设置螺距为0.5、0.75、1.0、1.25、1.5进行扫描，观察超出成像范围的床位移长度，并计算实际曝光长度（床位移长度准直宽度）与超出成像范围的曝光长度。5准直宽度影响研究：将Brilliance 16型CT机的扫描条件设置为120 kV，200 mAs，FOV 250 mm，头部标准算法，分别采用准直宽度4

17、×0.75 mm、4×1.5 mm、16×0.75 mm、4×4.5 mm、16×1.5 mm对放置在扫描机架中心空气中的CT笔形电离室进行单圈轴位扫描，相同扫描条件扫描3次，取其平均值并计算nCTDIair。6照射野大小与算法影响研究：设置LightSpeed 16型CT机的扫描参数为120 kV，100 mAs，准直10 mm，FOV分别采用20、30、40、50 cm，对每个FOV再采用smooth、standard、bone 3种算法，对插有CT电离室并位于机架中心的头部剂量模体进行扫描，每种扫描条件分别测量CTDIc和CTDIp并计算

18、CTDIw。7管电流调制技术对CT剂量的影响研究：将国人仿真人体模型放置在Somatom Emotion 16型CT机的诊断床上，模型沿Z轴方向对称分布并位于扫描机架中心，扫描范围从胸廓入口到肺底，分别采用管电流调制与管电流恒定两种方法，分别对胸部进行扫描。管电流调制方法选用扫描程序中的“care dose”项，管电流恒定方法不选该项，其它扫描参数相同。扫描模式为成人胸部常规扫描，扫描范围300 mm，扫描参数：130 kV，有效mAs 70，准直16×1.2 mm，层厚8 mm，旋转时间0.6 s，螺距1.0，质量参考mAs 70，卷积核B41s，窗位纵隔，FOV300 mm，重建

19、增量8 mm。扫描结束后，分别从受检者资料栏记录有效mAs、扫描长度、CTDIvol、DLP。再将CT笔形电离室放置在体部剂量模体的中心孔和四周孔中测量CTDIc和CTDIp，根据测量值、扫描参数计算CTDIw及有效mAs为70的CTDIvol、DLP。三、统计分析实验数据采用STATA 7.0统计软件分析。检验水准0.05。结果一、管电压对CT剂量的影响见图1。CTDI值随着管电压的增加而增加，并与管电压的23次幂成正比，即管电压变化较小幅度可引起CTDI值较大变化。与140 kV相比，选用80 kV可使头部CTDIw值与体部CTDIw值分别减少78与81。当头部CTDIw值与体部CTDIw

20、值相同时，体部剂量模体所需设置的管电压要大于头部剂量模体的管电压。二、mAs与CT剂量的关系见图2。mAs与CTDI值成正比，并成线性关系。三、模体直径与模体内深度对CT剂量的影响见图3。nCTDI值随剂量模体直径的增大而减小，并且8 cm、16 cm直径模体的中心CTDI值与表面CTDI值很接近，32 cm直径模体的表面CTDI值明显大于中心CTDI值，即随着模体内深度的增加，剂量衰减较快。四、螺距对CT剂量的影响见表1和表2。当扫描长度一定时，扫描范围内的剂量积分值随螺距的增加而减少，即受照剂量与螺距成反比。当设置成像范围相同时，不同螺距会产生不同的超成像范围床位移长度和超成像范围曝光长度

21、。螺距越大，超成像范围床位移长度和超成像范围曝光长度越长。五、准直宽度对CT剂量的影响见图4。当其它扫描参数相同时，不同的准直宽度的nCTDIair值不同。随着准直宽度的增加，nCTDIair值逐渐变小，但相互之间的差异逐渐减小。准直4×0.75 mm的CTDI明显高于其它准直宽度。六、照射野大小与算法对CTDI的影响见表3。不同FOV和算法下的CTDIc、CTDIp、CTDIw值基本接近（P>0.05），因此只要照射野大于模体直径，且模体位于机架中心，则照射野大小与算法对CTDI值没有影响。七、管电流调制技术对CT剂量的影响见表4。在同一机型、扫描参数相同、扫描长度大致相等的

22、条件下，采用管电流调制技术比管电流恒定可使胸部CT剂量降低约16，管电流调制的有效mAs比管电流恒定降低16。讨论当其它参数一定时，管电压与CT剂量成正比；管电流与CT剂量线性正相关；模体直径与CT剂量成反比；CT剂量随模体内径向深度的增加而减少；螺距与受照剂量成反比，同时螺距的增加使超成像范围的额外剂量增加；准直宽度与剂量成反比；照射野和算法对CT剂量没有影响；采用管电流调制技术可在保证影像质量的前提下减少CT剂量。一、CT扫描时，降低管电压可使受检者剂量有较大幅度的减少，剂量与管电压的幂指数成正比，而幂指数会随CT球管的滤过类型和形状改变。在要求相同影像质量的情况下，肥胖受检者需要使用较高

23、的管电压，而瘦小受检者或儿童可使用较低管电压进行扫描。目前，很多医院对各种体形和不同体重或年龄的受检者进行CT扫描时均采用单一管电压（如120 kV），使得在影像质量已满足临床诊断要求的情况下，增加了较小体形受检者的剂量，特别对于儿童受检者将大大增加其受照剂量。因此，对儿童或射线衰减量较小的部位进行CT扫描时，可以在满足临床诊断的前提下，适当降低管电压。二、由于mAs与CT剂量成正比线性相关，因此CT扫描时，对于体形较小受检者或高对比度内部结构（如空气含量较多）的脏器可合理减小mAs值，以降低受检者剂量。三、剂量模体直径较小时的CTDI值较大，表明在相同扫描条件下，体形瘦小者或儿童受检者受到的

24、辐射剂量高于体形肥胖者或成年人，且体形瘦小者或儿童CT图像的噪声往往低于诊断所需的噪声值，因此在保证影响质量的前提下，对于体形瘦小者或儿童应合理降低扫描条件以减少CT剂量。对于肥胖受检者，因中心剂量较低，为保证影像质量可能需要适当增加扫描条件。四、在螺旋CT中，当扫描长度一定时，剂量随螺距的增加而减少，即螺距与剂量成反比，这是由于扫描Z轴上某一点的受照时间缩短所致。因此，在不影响诊断信息的前提下，应尽量采用较大螺距扫描，以减少受检者的受照剂量。在螺旋扫描模式中，由于内插算法的需要，实际曝光范围会超过成像范围。当成像范围相同时，螺距变大会造成超过成像范围的曝光长度变长，使受检者受到超出成像范围的

25、额外照射剂量变大，但使在成像范围内的受照剂量变小。因此在CT扫描时，对设定的扫描范围不要分段进行扫描，减少扫描起止位置的额外照射剂量。同时，当螺距增加时，受照剂量的降低幅度远大于由于超成像范围额外剂量增加引起的受照剂量增加幅度。五、准直宽度较小时的CTDI较大是由于有用线束两侧的非成像束（半影）照射剂量占有用射线束剂量的比例较大，使剂量效率降低，较宽准直的CTDI较小，但可能会限制较薄层面图像的重建。六、CT扫描时，当照射野大于扫描部位直径，且扫描部位位于机架中心时，改变照射野大小与算法对CT剂量的影响可以不做考虑，而只需考虑影像质量的需要。七、采用管电流调制技术可明显降低CT扫描剂量，用户可

26、以根据诊断要求设置质量参考mAs，一旦设置完成，图像质量（图像噪声）就已确定，管电流调制技术将根据受检解剖结构的衰减特性调整输出管电流，并保证所有图像满足设定的图像质量，因此，管电流调制技术在降低剂量的同时不会降低图像质量。X射线在胸部正、侧面方向上的衰减特性有较大的差别。胸部前后位的组织较薄，X射线衰减较少；侧面较厚，X射线衰减较大。管电流调制技术在受检组织对X射线衰减多的侧面方向增加管电流的输出，在受检组织对X射线衰减少的前后方向降低管电流的输出。在CT机型号和扫描参数相同时，对体型瘦小者或儿童采用该技术会使CT剂量降低较多，而肥胖者的剂量会降低较少。因此，管电流调制技术最适合用于降低体型

27、瘦小者和儿童的CT剂量。因此，采用降低管电压、降低管电流、增加螺距、限制一个螺旋扫描序列分段扫描、增加准直宽度、降低体形瘦小受检者扫描条件及采用管电流调制技术等措施均可使多层CT所致受检者剂量水平降低。    【参考文献】  1 郑钧正.放射防护与放射学的发展J.中华放射学杂志，2003，37（纪念特刊）：100-105.2 Frush DP, Soden B, Frush KS, et al. Improved pediatric multidetector body CT using a size-based color-coded formatJ. Am J Roentgenol，2002，1