CT劑量計校準(zhǔn)裝置長度準(zhǔn)直器縫寬和倒角對散射的影響

白雪 袁杰 孫訓(xùn) 胡崇慶 / 上海市計量測試技術(shù)研究院

0 引言

醫(yī)用診斷計算機X 射線斷層攝影裝置（CT）是篩查和診斷疾病常用的放射學(xué)設(shè)備，由于X 射線的電離特性對患者、醫(yī)務(wù)人員和公眾構(gòu)成了潛在的健康風(fēng)險，因此，其技術(shù)性能的保障至關(guān)重要。JJG 961—2017《醫(yī)用診斷螺旋計算機斷層攝影裝置（CT）X 射線輻射源》規(guī)定對CT 主要性能參數(shù)的檢定項目有CT 劑量指數(shù)、均勻性、噪聲水平等。CT劑量計用于測量CT 劑量指數(shù)，是CT 計量檢定和質(zhì)量控制檢測的關(guān)鍵儀器。

國家計量校準(zhǔn)規(guī)范 JJF 1621—2017 《診斷水平劑量計校準(zhǔn)規(guī)范》規(guī)定了CT 劑量計的校準(zhǔn)項目與校準(zhǔn)方法[1]，診斷水平CT 劑量計空氣比釋動能長度乘積值的校準(zhǔn)測量需使用長度準(zhǔn)直器，其尺寸應(yīng)大于CT 探測器的尺寸，中間開長方形孔，孔長度要求在20 ～50 mm 之間，孔長度最大允許誤差為±10 μm，寬度約為CT 探測器直徑的兩倍。長度準(zhǔn)直器也稱為光闌，用于限制輻射束照射范圍以形成部分照射，即形成一個“窄縫”輻射束。IAEA TRS457 報告指出，光闌需要合適的倒角以減少散射和透射，合適的光闌可以減少幾何半影和穿射半影[2]。JJF 1621—2017中給出了“窄縫”縫寬指標(biāo)范圍，但沒有提出具體的縫寬值和倒角值。中國計量科學(xué)研究院發(fā)表的論文《CT 電離室校準(zhǔn)條件的建立與模擬》和《長桿電離室校準(zhǔn)因子及其殘留因子研究》，都提出在校準(zhǔn)長桿電離室CT 劑量計時需考慮殘留因子的影響[3-5]，并指出殘留因子的產(chǎn)生主要是因為“窄縫”的散射影響。為降低“窄縫”散射，提高CT 劑量計校準(zhǔn)測量的準(zhǔn)確性，針對長度準(zhǔn)直器的縫寬和倒角及其對散射的貢獻，開展相應(yīng)的實驗研究。

1 原理與方法

X 輻射場準(zhǔn)直束內(nèi)的總輻射由“直接輻射”和“散射輻射”兩部分組成?！爸苯虞椛洹睘閄 輻射源產(chǎn)生的X 射線，“散射輻射”為直接輻射的光子與物質(zhì)相互作用后，其能譜與方向發(fā)生了改變后的X 射線。

診斷水平CT 劑量計的校準(zhǔn)如圖1 所示，校準(zhǔn)因子為X 參考輻射場中校準(zhǔn)測量點上，空氣比釋動能長度乘積參考值與被校CT 劑量計示值的比值。長度準(zhǔn)直器“窄縫”產(chǎn)生的散射輻射直接影響空氣比釋動能參考值的準(zhǔn)確度?！吧⑸漭椛洹睙o法消除，但可以通過長度準(zhǔn)直器形狀與幾何尺寸的合理設(shè)計、制作工藝的優(yōu)化來盡量減少。

圖1 診斷水平CT 劑量計校準(zhǔn)原理

平方反比律的驗證法和影錐法是評測輻射場散射輻射大小的兩種常用方法。平方反比律驗證是指在輻射場內(nèi)關(guān)注點測量得到的直射束劑量率與距離平方反比律的偏離程度，用以評價輻射場散射影響。影錐法用于實驗中測量散射輻射大小，具體方法是采用適當(dāng)形狀、尺寸的鉛屏蔽體（即影錐）放置在X 輻射源準(zhǔn)直射束方向上，及電離室探測器與光闌之間，如圖2 所示。調(diào)節(jié)影錐的位置，使得X 輻射源產(chǎn)生的X 射線不能直接照射到探測器靈敏部分，此時可以認(rèn)為電離室探測到的輻射以散射輻射為主要成分。

圖2 影錐法原理示意圖

選用密度較大的鎢鋼材料制作長度準(zhǔn)直器，兩邊各四片光闌按順序連續(xù)排列形成錐形的“窄縫”，其斜度即為長度準(zhǔn)直器的倒角，可借助量角尺準(zhǔn)確測量并調(diào)節(jié)倒角；每邊四片光闌間隔層疊在基座支架上，這些間隔用作由前一縫的邊緣散射的光子的陷阱，即構(gòu)造出散射腔；兩邊光闌片形成的縫寬由電子游標(biāo)卡尺準(zhǔn)確測量。設(shè)計制作鉛影錐，其形狀與參考電離室（型號為PTW 30013）相同，厚度應(yīng)足以屏蔽150 kV 的X 射線。

采用影錐法實驗測量散射輻射，通過調(diào)節(jié)長度準(zhǔn)直器縫寬和倒角，調(diào)控被校CT 劑量計的受照長度和散射影響。由圖3 可見，當(dāng)長度準(zhǔn)直器的倒角與X 射線在出射口形成的輻射角相等時，X 射線與長度準(zhǔn)直器“窄縫”面平行，此時輻射角可以通過三角幾何關(guān)系計算。設(shè)置長度準(zhǔn)直器入口距X 輻射源焦點的距離為1 200 mm，縫寬為36 mm，計算得到輻射角為0.86°，則倒角為89.14°。

圖3 長度準(zhǔn)直器倒角與X 射線輻射方向關(guān)系

2 結(jié)果與分析

依據(jù)IAEA TRS457 報告給出的縫寬推薦值，分別在長度準(zhǔn)直器倒角為89.14°時測量不同縫寬的散射劑量，以及在長度準(zhǔn)直器縫寬為36 mm 時測量不同倒角的散射劑量，結(jié)果如圖4、圖5 所示。

圖4 散射劑量隨縫寬的變化

圖5 散射劑量隨倒角的變化

長度準(zhǔn)直器產(chǎn)生的散射劑量隨縫寬的減小而減少。當(dāng)長度準(zhǔn)直器的縫寬值在30 ～40 mm 之間，散射劑量隨縫寬值變化較小，散射劑量也相對較小，當(dāng)長度準(zhǔn)直器的縫寬值大于40 mm 或小于30 mm 時，散射劑量隨縫寬值變化曲率較大。尤其當(dāng)縫寬值大于40 mm 時，散射劑量明顯增加。同時，長度準(zhǔn)直器產(chǎn)生的散射劑量隨倒角角度的減小而增加。減少長度準(zhǔn)直器的倒角，會增大散射接觸面，散射劑量急劇增大，而倒角在89.14°時，散射劑量最小，與相關(guān)文獻的理論分析[3]基本相符。由于實驗用長度準(zhǔn)直器四片光闌總厚度僅為10 mm，因此，倒角為89.14°和90°時的散射劑量變化不大。同時，實驗結(jié)果也驗證了長度準(zhǔn)直器的斜度與X 射線在出射口形成的輻射角相等時散射劑量最小。當(dāng)長度準(zhǔn)直器狹縫面斜度大于X 射線出射角時，被校CT 劑量計的實際受照長度偏大，空氣比釋動能長度乘積參考值相應(yīng)變大，導(dǎo)致被校CT 劑量計的校準(zhǔn)因子偏高；當(dāng)長度準(zhǔn)直器狹縫面斜度小于X 射線出射角時，會造成輻射場里的射線劑量不均勻且散射劑量增加，影響空氣比釋動能參考值的準(zhǔn)確性，從而導(dǎo)致較大的校準(zhǔn)不確定度。

3 結(jié)語

CT 劑量計校準(zhǔn)裝置長度準(zhǔn)直器的縫寬和倒角設(shè)計與CT 劑量計校準(zhǔn)因子的測量結(jié)果密切相關(guān)。依據(jù)IAEA TRS457 報告中對長度準(zhǔn)直器的性能要求，設(shè)計制作長度準(zhǔn)直器開展散射影響測量實驗，結(jié)果顯示，長度準(zhǔn)直器的倒角與X 射線束的輻射角相等、狹縫寬度在30 ～40 mm 之間時，散射劑量及其變化最小。研究結(jié)果對于CT 劑量計校準(zhǔn)裝置的設(shè)計研制具有借鑒與參考價值。