醫(yī)用CT劑量儀的校準(zhǔn)與評價(jià)的研究*

歐向明

醫(yī)用CT劑量儀的校準(zhǔn)與評價(jià)的研究*

歐向明①

在分析醫(yī)用CT劑量儀結(jié)構(gòu)和電路原理的基礎(chǔ)上，結(jié)合國內(nèi)外相關(guān)的法規(guī)標(biāo)準(zhǔn)，醫(yī)用CT電離室劑量儀在標(biāo)準(zhǔn)劑量學(xué)實(shí)驗(yàn)室的檢定校準(zhǔn)的程序和方法。闡述了劑量儀的定期校準(zhǔn)在CT設(shè)備應(yīng)用質(zhì)量控制、以及在保障診斷影像質(zhì)量的前提下降低受檢者劑量的重要性。

醫(yī)用CT；CT劑量儀；電離室；校準(zhǔn)；評價(jià)

據(jù)統(tǒng)計(jì)我國各省市監(jiān)測機(jī)構(gòu)目前使用的醫(yī)用CT劑量儀約有數(shù)百臺，其中絕大多數(shù)屬于長壁電離室型劑量儀（以下統(tǒng)稱CT劑量儀），用于醫(yī)用CT機(jī)開展質(zhì)量控制（QC）和質(zhì)量保證(QA)時(shí)輻射參數(shù)的測量，成為評價(jià)該設(shè)備應(yīng)用質(zhì)量是否合格的基礎(chǔ)。為了更好地貫徹執(zhí)行《計(jì)量法》相關(guān)規(guī)定[3]，落實(shí)衛(wèi)生部《放射診療管理規(guī)定》的有關(guān)內(nèi)容[4]，加強(qiáng)對醫(yī)用X射線診斷領(lǐng)域監(jiān)督監(jiān)測，對于新購置的、使用中的和修理后的CT劑量儀，像其它法定計(jì)量器具一樣, 要求在標(biāo)準(zhǔn)劑量學(xué)實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行定期的檢定和校準(zhǔn)，其檢定周期為一年。幾年來筆者在中國疾病預(yù)防控制中心輻射防護(hù)與核安全醫(yī)學(xué)所、醫(yī)用放射診療設(shè)備質(zhì)控室（SSDL 國家二級標(biāo)準(zhǔn)劑量學(xué)實(shí)驗(yàn)室），按照相關(guān)國際組織出版物和國際電工委員會(huì)（IEC）的標(biāo)準(zhǔn)[5][6]，以及我國已頒布執(zhí)行的國家標(biāo)準(zhǔn)[7]，先后完成了對各省市檢測機(jī)構(gòu)100余套CT劑量儀的校準(zhǔn)與評價(jià)工作。

1 材料與方法

1.1 CT劑量儀的基本結(jié)構(gòu)和工作原理

目前常用的CT劑量儀是指：采用細(xì)長電離室、在CT X射線掃描的橫截方向上輻照，測量沿探測器長軸方向上的空氣比釋動(dòng)能積分的診斷劑量計(jì)。通常一套CT劑量儀主要包括電離室型探測器及主機(jī)測量電路兩大部分，下面分別介紹它們的基本結(jié)構(gòu)和工作原理。

1.1.1 電離室型探測器：電離室是CT劑量儀最經(jīng)典、應(yīng)用最廣的一種探測器，它是將CT診斷的輻射量轉(zhuǎn)換為可測量的電信號的電離探測器。其剖面圖如圖1所示：圖中1：為高阻抗雙屏蔽電纜；2：電離室柄；3：底端絕緣子；4：保護(hù)（平衡）套；5：電離室壁；6：電離腔；7：中心電極；8：頂端絕緣子。

圖1 CT電離室結(jié)構(gòu)示意圖

其工作原理是：當(dāng)射線入射到電離腔的靈敏體積中，在中心電極或電離室壁上打出次級電子（光電子和康普頓電子），次級電子使氣體產(chǎn)生電離，生成正負(fù)離子對。在加上極化電壓的兩個(gè)電極電場的作用下，正離子和電子所呈現(xiàn)的正電荷向陰極的漂移和負(fù)電荷向陽極方向漂移，在外電路中收集成微弱的本征電離電流。從此類CT電離室結(jié)構(gòu)圖可以看出：由于中心電極較細(xì)、較長、電離室壁較薄，考慮到檢測機(jī)構(gòu)在使用中擺位及運(yùn)輸顛振，易引起電離室結(jié)構(gòu)的變化，可能會(huì)對測量數(shù)據(jù)造成影響，所以必須按照檢定周期1年的要求進(jìn)行定期校準(zhǔn)。

1.1.2 CT劑量儀主機(jī)測量電路：其等效電路如圖2所示，電離室接收輻射后產(chǎn)生的電離電流is(t) 信號進(jìn)入主機(jī)的輸入端后，經(jīng)高輸入阻抗的前置放大器PA進(jìn)行放大，通過I/V轉(zhuǎn)換電路，輸出端的電壓值uc(t) 近似地正比于輸入電壓us對時(shí)間的積分，數(shù)據(jù)處理后送儀器面板顯示測量結(jié)果。其函數(shù)表達(dá)式為：

圖2 CT劑量儀主機(jī)的電路原理圖

目前輻射防護(hù)監(jiān)測機(jī)構(gòu)常用的CT劑量儀主要包括以下幾種：①美國Victoreen公司早期生產(chǎn)的660系列、之后改由美國FLUKE公司生產(chǎn)的35050AT；②中國計(jì)量科學(xué)研究院研制的T576A系列；③瑞典RTI公司生產(chǎn)的Barracuda；④德國iba公司生產(chǎn)的DOSIMAX plus A等等。由于主機(jī)電路采用高輸入阻抗的集成運(yùn)算放大電路，而且放大倍數(shù)較高，所以CT劑量儀主機(jī)有故障維修后，與原有的校準(zhǔn)因子相比變化較大，需再次送檢標(biāo)準(zhǔn)劑量學(xué)實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行重新校準(zhǔn)，以保證測量數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性和溯源性。

1.2 校準(zhǔn)和評價(jià)CT電離室劑量儀的技術(shù)要求

1.2.1 參考標(biāo)準(zhǔn)劑量儀：本校準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)室測量標(biāo)準(zhǔn)輻射場采用的標(biāo)準(zhǔn)劑量儀，是由美國Radcal公司生產(chǎn)的9095讀數(shù)儀并配置體積為6 cc標(biāo)準(zhǔn)空氣電離室(Model RC6)組成劑量測量系統(tǒng)。劑量儀的校準(zhǔn)因子可溯源到美國國家標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)研究院（NIST）和中國計(jì)量科學(xué)研究院（NIM），每年按周期完成檢定。

1.2.2 標(biāo)準(zhǔn)輻射場的X射線參考條件：是由德國PHILIPS公司生產(chǎn)的MG324高穩(wěn)定度X射線機(jī)提供的。校準(zhǔn)CT劑量儀時(shí)，X射線的峰值管電壓從70 kV到150 kV可調(diào)，調(diào)節(jié)步節(jié)為10 kV，共9個(gè)能量點(diǎn)，X射線束的總過濾為2.5 mmAl。

1.2.3 CT電離室校準(zhǔn)用標(biāo)準(zhǔn)輻射場的幾何條件：如圖3所示,為了選擇合適的照射野尺寸及校準(zhǔn)點(diǎn)適當(dāng)?shù)目諝獗柔寗?dòng)能率，確定從X射線管焦斑到CT電離室中心的水平距離為1.5 m。在X射線束照射CT電離室前，可加放一個(gè)特制鎢鋼標(biāo)準(zhǔn)光闌e，用于檢測CT電離室的有效長度邊際及軸線方向的劑量均勻性。

圖3 CT電離室校準(zhǔn)的幾何條件示意圖

圖3中：a：X射線管；b：限束系統(tǒng)；c：附加Al過濾片；d：透射束監(jiān)督電離室；e：特制鎢鋼標(biāo)準(zhǔn)窄縫光闌；f：標(biāo)準(zhǔn)參考電離室（或被校準(zhǔn)CT電離室）。

1.2.4 其它必要的附屬設(shè)備：主要包括測量車、軌道、吸收片支架和電離室夾具，以及用于監(jiān)測X射線機(jī)輸出量率變化的透射電離室監(jiān)測裝置，輻射場中CT電離室定位的激光（光學(xué)）準(zhǔn)直裝置,以及分別由國家計(jì)量院和國家氣象局校準(zhǔn)的標(biāo)準(zhǔn)溫度計(jì)和氣壓表等。

1.3 參照的標(biāo)準(zhǔn)程序文件

中國疾病預(yù)防控制中心輻射防護(hù)與核安全醫(yī)學(xué)所、醫(yī)用放射診療設(shè)備應(yīng)用質(zhì)量控制實(shí)驗(yàn)室（SSDL 國家二級標(biāo)準(zhǔn)劑量學(xué)實(shí)驗(yàn)室），前身是衛(wèi)生部國家二級標(biāo)準(zhǔn)劑量學(xué)實(shí)驗(yàn)室，是在IAEA、WHO和衛(wèi)生部的資助下，于20世紀(jì)80年代建立、并通過國家技術(shù)監(jiān)督局計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)考核的[8]。1992年該實(shí)驗(yàn)室依據(jù)IEC 61674建立了檢定和校準(zhǔn)CT電離室劑量儀的標(biāo)準(zhǔn)裝置，之后在中國疾病預(yù)防控制中心輻射安全所的大力資助下，依據(jù)GBZ/T 19629-2005先后多次進(jìn)行改造與升級，編寫了CT劑量儀校準(zhǔn)《作業(yè)指導(dǎo)書》，通過了國家認(rèn)證認(rèn)可監(jiān)督管理委員會(huì)的計(jì)量認(rèn)證考核，現(xiàn)出具的校準(zhǔn)證書上允許加蓋紅色的“CMA”中國計(jì)量專用徽章。

2 CT劑量儀的校準(zhǔn)

被檢CT劑量儀的校準(zhǔn)因子Nc，是在二級標(biāo)準(zhǔn)劑量學(xué)實(shí)驗(yàn)室的X射線標(biāo)準(zhǔn)輻射場中，采用替代法得到的，主要步驟如下：

2.1 劑量儀外觀檢查

CT劑量儀不允許有影響正常工作的污染，銹蝕，破損等缺陷，儀器表面應(yīng)有儀器名稱、型號、生產(chǎn)廠、系列號等清晰標(biāo)記。如果劑量儀是數(shù)字顯示面板，主機(jī)開機(jī)后所顯示的數(shù)字應(yīng)完整無缺。

2.2 漏電流檢測

此處的漏電流是指：不是由電離輻射在CT電離室中產(chǎn)生的、在CT電離室或劑量儀主機(jī)部件中發(fā)生的信號回路中的任何電流。檢測漏電流時(shí)，需連接好CT電離室的信號電纜，打開主機(jī)電源，按照說明書要求充分預(yù)熱，至少在60 s內(nèi)，漏電流不應(yīng)該超過所用的量程上的最小有效空氣比釋動(dòng)能率的5.0%。

2.3 校準(zhǔn)因子Nc的獲得

在《CT劑量儀校準(zhǔn)原始記錄》中逐項(xiàng)填寫送檢單位的各項(xiàng)基本信息、記錄校準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)室的溫度、大氣壓強(qiáng)等環(huán)境條件。按照圖3的幾何條件在測量導(dǎo)軌上驗(yàn)證a至f各項(xiàng)的位置和距離，在位置c處放置2.5 mmAl 附加過濾片。

2.3.1 測量校準(zhǔn)點(diǎn)的標(biāo)準(zhǔn)劑量值：我們首先使用本實(shí)驗(yàn)室的參考標(biāo)準(zhǔn)劑量儀（即美國Radcal公司生產(chǎn)的9095讀數(shù)儀，及標(biāo)準(zhǔn)電離室組成劑量測量系統(tǒng)）測量校準(zhǔn)點(diǎn)的標(biāo)準(zhǔn)劑量值。先將標(biāo)準(zhǔn)電離室按照圖3所示布放于校準(zhǔn)點(diǎn)f處，再連接好信號電纜，打開主機(jī)電源，按照儀器說明書充分預(yù)熱，從主機(jī)鍵盤輸入測量時(shí)的溫度、大氣壓強(qiáng)等環(huán)境條件，以便應(yīng)用程序?qū)y量結(jié)果根據(jù)空氣密度進(jìn)行自動(dòng)校正。然后分別測量出X射線的管電壓從70 kV到150 kV（調(diào)節(jié)步節(jié)為10 kV，共9個(gè)能量條件）校準(zhǔn)點(diǎn)f處的劑量標(biāo)準(zhǔn)值，每個(gè)能量條件下，重復(fù)讀取5個(gè)測量結(jié)果，依次寫入原始記錄的“標(biāo)準(zhǔn)值”欄目中。

2.3.2 采集被校準(zhǔn)CT劑量儀的讀數(shù)值：取下標(biāo)準(zhǔn)電離室后，用激光定位器按照圖3的幾何條件將被校準(zhǔn)的CT電離室布放于校準(zhǔn)點(diǎn)f處，替代標(biāo)準(zhǔn)電離室的位置。重復(fù)3.1的步驟進(jìn)行測量，并分別將結(jié)果依次寫入原始記錄的“被校準(zhǔn)儀器讀數(shù)值”欄目中。

2.3.3 計(jì)算校準(zhǔn)因子Nc：是指無量綱的倍乘因子，將劑量儀的指示值由在特定條件下工作得到的值，修正到公認(rèn)的參考條件下工作得到的值。計(jì)算時(shí)先將原始記錄中的“標(biāo)準(zhǔn)值”和“被校準(zhǔn)儀器讀數(shù)值”，校正到溫度20 ℃、大氣壓強(qiáng)101.3 kPa標(biāo)準(zhǔn)空氣密度狀態(tài)，再分別算出“標(biāo)準(zhǔn)值”的平均值R0和“被校準(zhǔn)儀器讀數(shù)值”的平均值R，通過下面的公式：

Nc = R0/R

分別計(jì)算后，即得到管電壓從70 kV到150 kV共9個(gè)能量條件下的無量綱的校準(zhǔn)因子Nc，表1為某檢測機(jī)構(gòu)送檢的一臺CT劑量儀校準(zhǔn)因子實(shí)例。

表1 CT劑量儀校準(zhǔn)因子實(shí)例

3 CT劑量儀的評價(jià)

檢測機(jī)構(gòu)在使用CT劑量儀檢測醫(yī)療單位的CT機(jī)時(shí)，常要使用CT檢測專用模體，將CT電離室插入CT檢測模體，模擬測量受檢者體內(nèi)的吸收劑量。在CT機(jī)掃描過程中，X射線束相對CT電離室做2π旋轉(zhuǎn)和平移運(yùn)動(dòng)，此時(shí)，模體中CT電離室接收到的X射線的能量、方向始終都在發(fā)生變化，對CT電離室的能量響應(yīng)、均勻性、方向響應(yīng)等項(xiàng)性能要求較高，因此在標(biāo)準(zhǔn)劑量學(xué)實(shí)驗(yàn)室校準(zhǔn)CT劑量儀時(shí)，還要評價(jià)CT電離室以下幾個(gè)方面的性能：

3.1 能量響應(yīng)

能量響應(yīng)是劑量儀在相應(yīng)射線能量范圍內(nèi)校準(zhǔn)因子的倒數(shù)，常用能響曲線來表示。CT劑量儀一般取120 kV的校準(zhǔn)因子，通過相應(yīng)的校準(zhǔn)因子的不確定度進(jìn)行歸一評價(jià)，能響要求應(yīng)符合小于±5%。圖4所示為某檢測機(jī)構(gòu)的CT劑量儀，在70 kV到150 kV的常用診斷X射線范圍內(nèi)的能量響應(yīng)曲線。

圖4 CT劑量儀能量響應(yīng)實(shí)例

3.2 均勻性

在進(jìn)行CT電離室均勻性檢驗(yàn)時(shí)，應(yīng)采用特制鎢鋼標(biāo)準(zhǔn)窄縫光闌(光闌寬度分別為5.0 mm和10.0 mm)，放置于圖3的e處，按垂直射線束方向平移CT電離室，延電離室的長度方向進(jìn)行軸向連續(xù)掃描評價(jià)。在額定的CT電離室長度上，響應(yīng)的空間均勻性的變化應(yīng)該不大于土3%。

3.3 方向響應(yīng)（角響應(yīng)）

在有用X射線束內(nèi), 沿CT電離室軸從0°～180 °范圍內(nèi),分別在不同角度測量,并求其平均值與標(biāo)準(zhǔn)差，評價(jià)其響應(yīng)的變化應(yīng)該不大于土3%。

4 小結(jié)

CT臨床檢查給受檢者所帶來的輻射劑量，只有當(dāng)CT機(jī)被調(diào)整到既有良好的影像質(zhì)量又有合適的輻射輸出時(shí)，受檢者劑量將會(huì)是最小的。在CT機(jī)質(zhì)量性能的檢驗(yàn)中，CT劑量儀是必不可少的重要儀器之一，對其進(jìn)行定期檢定和校準(zhǔn)是做好CT機(jī)質(zhì)量控制的基礎(chǔ)。我們發(fā)現(xiàn)在醫(yī)用CT設(shè)備質(zhì)量控制（QC）實(shí)際工作中，由于有的監(jiān)測機(jī)構(gòu)的工作人員對CT劑量儀的結(jié)構(gòu)和性能不熟悉，不了解儀器的校準(zhǔn)與評價(jià)方法，甚至沒有按照國家相關(guān)法規(guī)和標(biāo)準(zhǔn)定期送檢，造成對CT掃描時(shí)X射線輻射劑量評價(jià)的結(jié)果產(chǎn)生了較大的不確定度，這種現(xiàn)象應(yīng)引起相關(guān)工作人員的足夠重視。另一方面，遵照國家對計(jì)量器具實(shí)行強(qiáng)制周期檢定的法規(guī)，對相關(guān)CT劑量儀進(jìn)行定期送檢和校準(zhǔn)，與檢測機(jī)構(gòu)對醫(yī)療機(jī)構(gòu)CT機(jī)定期強(qiáng)檢的目的是一致的，都是為了確保醫(yī)療設(shè)備應(yīng)用質(zhì)量合格，技術(shù)性能優(yōu)良，在提高臨床診斷和治療效果的同時(shí)，努力降低受檢者的輻射劑量，減少輻射效應(yīng)的發(fā)生概率。

[1]中華人民共和國國家標(biāo)準(zhǔn),電離輻射防護(hù)與輻射源安全基本標(biāo)準(zhǔn)GB18871-2002,附錄G：放射診斷的醫(yī)療照射指導(dǎo)水平[S].

[2]中華人民共和國國家標(biāo)準(zhǔn)，X射線計(jì)算機(jī)斷層攝影放射衛(wèi)生防護(hù)標(biāo)準(zhǔn)，GBZ165-2005[S].4.1.2.

[3]中華人民共和國主席令第28號，中華人民共和國計(jì)量法[S].1985－09－06.

[4]中華人民共和國衛(wèi)生部令第46號，放射診療管理規(guī)定[M].北京：人民衛(wèi)生出版社，2006:6-9.

[5]Medical electrical e quipment-Dosimeters with ionization chambers and/or Semiconductors as used in X-ray diagnostic imaging,（IEC61674:1997),IDT.

[6]ICRU REPORT No.74.PATIENT DOSIMETRY FOR X RAYS USED IN MEDICAL IMAGING,THE INTERNATIONAL CO-MISSION ON RADIATION UNITS AND MEASUREMENTS.DECEMBER 2005,66.

[7]中華人民共和國國家標(biāo)準(zhǔn)，醫(yī)用電氣設(shè)備X射線診斷影像中使用的電離室和(或)半導(dǎo)體探測器劑量計(jì)GB/T 19629-2005[S].2005－01017

[8]趙士庵.X射線照射量標(biāo)準(zhǔn)裝置的研究和建立[J].中華放射醫(yī)學(xué)與防護(hù)雜志,1995,15(1)：30.

Research on calibration and evaluation of medical CT dosimeter

OU Xiangming

In this paper,the author analyzed ionization chamber structure and circuits of medical CT dosimeter, introduced standard and calibration method of CT dosimeter of the Secondary Standard of Dosimetry Laboratory (Beijing SSDL), emphasized on importance of the calibration on quality control of the CT medical equipment.

Computerized tomography; CT dosimeters; Ionization chamber; Calibration; Evaluation

National Institute for Radiological Protection, Chinese Center for Disease Control and Prevention, Beijing 100088, China.

1672-8270(2011)07-0025-05

TH 774

A

歐向明,男,(1964- ),本科學(xué)歷，副主任技師，中國醫(yī)學(xué)裝備協(xié)會(huì)醫(yī)用輻射裝備防護(hù)與檢測專業(yè)委員會(huì)秘書。中國疾病預(yù)防控制中心輻射防護(hù)與核安全醫(yī)學(xué)所國家二級標(biāo)準(zhǔn)劑量學(xué)實(shí)驗(yàn)室，主要從事醫(yī)用診療設(shè)備輻射防護(hù)方面的研究工作。

2011-04-14

*衛(wèi)生行業(yè)科研專項(xiàng)：輻射危害控制與核輻射衛(wèi)生應(yīng)急處置關(guān)鍵技術(shù)研究及其應(yīng)用（項(xiàng)目編號201002009）

①中國疾病預(yù)防控制中心輻射防護(hù)與核安全醫(yī)學(xué)所 北京 100088

China Medical Equipment,2011,8(7):25-29.

計(jì)算機(jī)體層成像（Computed Tomography, CT）裝置自20世紀(jì)70年代開發(fā)應(yīng)用以來，多層螺旋CT(Multi -Slice spiral CT,MSCT) 一直應(yīng)用于臨床，該技術(shù)在無創(chuàng)性影像診斷學(xué)中開創(chuàng)了一個(gè)全新領(lǐng)域，現(xiàn)已成為近代醫(yī)學(xué)診斷領(lǐng)域中不可或缺的重要手段之一。然而輻射是一把“雙刃劍”，研究統(tǒng)計(jì)表明，公眾接受的人工電離輻射中，醫(yī)療照射所占的劑量份額是最大的，因此，減少受檢者在醫(yī)用射線診斷檢查中接受的劑量，一直是近年來的中心議題，國家也頒布執(zhí)行了一系列的法規(guī)、標(biāo)準(zhǔn)[1-2]。CT掃描時(shí)的X射線輻射劑量，是影響圖像質(zhì)量的一個(gè)重要參數(shù)，也是評價(jià)受檢者接受的輻射劑量的依據(jù)。