不断发展并日益普及的X射线诊断技术, 在电离辐射医学应用中占最大份额^[1]。X射线诊断的医疗照射是最大的人工电离辐射照射来源^[2], 因而X射线诊断医疗照射的剂量水平引人注目。除了关注受检者所受的个体剂量以外, 往往还估算所考察群体的集体剂量^[3]。国际放射防护委员会(ICRP)第60号出版物指出, 定义以人·希沃特为单位的集体剂量用于反映一个群体受到照射的总后果, 其条件是限于后果确实正比于剂量学的量与受照人数, 并且已有适用的概率系数(Probability Coefficient) ^[4]。集体剂量的应用是有其相应的适用条件的。鉴于医疗照射的特殊性, 接受医疗照射的群体在性别及年龄构成等方面与职业照射群体不同, 扩展应用有效剂量有缺欠^[5]。用集体剂量反映医疗照射剂量水平, 主要是从便于比较出发。必须强调不能将有效剂量和集体有效剂量直接用于评价个体和群体所受医疗照射的辐射危害^[6]。

从便于进行不同电离辐射照射来源、不同时期、不同国家或地区的相互比较出发, 当估算医疗照射所致集体有效剂量和人均个体剂量时, 必须依据各种放射诊断的平均个体剂量^[5]。显然, 受检者个体剂量是分析、评价医疗照射的基础, 因此, 各种检查所致受检者剂量的表征及监测非常重要。受检者为了医疗目的或者各种健康查体需要而接受X射线诊断检查, 虽然直接从中获得了利益, 但依然面临合理减少受照剂量以及辐射安全问题^[7]。同时, 加强医疗照射防护最优化, 合理减少受检者剂量有很大潜力^[4], 因而国际基本安全标准(IBSS)把ICRP有关医疗照射剂量约束概念具体化, 尝试建立放射诊断的医疗照射指导水平^[8]。鉴于此方面工作的重要性, 我国国家自然科学基金资助本课题组开展此方面的研究工作。

放射诊断的医疗照射指导水平是针对各种诊断性医疗照射中受检者所受照射, 经有关部门精心分析选定的剂量、剂量率或活度等定量水平, 指导执业医师改善医疗照射的防护最优化。这是医疗照射防护最优化中应用剂量约束的一种具体体现, 相当于调查水平^[9]。近几年有关放射诊断的医疗照射指导水平(或称参考水平)是医疗照射防护的热点课题^[10]。为探索建立既与国际接轨, 又适合我国实际需要的指导水平, 除了大量相关基础资料的调查研究外, 必须针对各种X射线诊断所致受检者剂量, 选定恰当的表征量, 并建立相应的监测方法。确定表征量及监测方法所遵循的原则是力求科学并便于实用。

1 入射体表剂量和剂量面积之积

最基本的X射线诊断检查方法可归结为X射线摄影和X射线透视。一般情况下相应这两类检查所致受检者剂量的表征量, 选用入射体表剂量(Entrance Surface Dose, ESD)和入射体表剂量率(ESDR) ^[8]。从实用出发, 实际上ESD和ESDR是包括反散射在内的入射体表处的空气比释动能和空气比释动能率, 均能直接测量^[11]。

1.1 入射体表剂量(ESD)

联合国原子辐射效应科学委员会(UNSCEAR)一直系统收集医疗照射资料, 并加以综合分析评述^[12]。在最近的1993年和2000年报告书中, 对X射线诊断摄影所致受检者个体剂量都是采用ESD描述^{[6, 13]}。以平均每次检查的入射体表剂量建立X射线摄影检查的指导水平非常便于实施^[8]。“九五”期间全国医疗照射水平调查研究中, X射线诊断医疗照射的剂量水平调查所采用的剂量学量就是ESD^[14]。

X射线诊断中, 各部位、各种投照条件下的X射线摄影是常见的检查。监测受检者入射体表投照部位中心的空气比释动能, 可作为受检者入射体表处皮肤吸收剂量的参考。通常用性能良好的热释光剂量计(TLD)置于体表投照部位中心监测^[14]。这样比较简便易行, 已被国内外普遍采用。然而必须注意, 监测ESD的TLD应在常用医用诊断X射线能量范围, 并有反散射的条件下进行刻度。刻度结果应能溯源到国家基准或国际基准。凡不同地区进行ESD调查监测, 必须同时进行TLD比对以使监测数据有可比性^[15]。此外, 现场ESD监测既可直接在受检者体表布放TLD, 也可以用合格的各类体模^[11]。为建立医疗照射指导水平的各种X射线摄影所致受检者ESD调查, 必须注意记录各种检查的投照条件, 包括X射线机型号、投照电压、曝光量、过滤条件、胶片与增感屏组合类别, 有否滤线栅、焦皮距、照射野尺寸等, 这样便于分析比较监测数据^[16]。基于不同条件或不同目的, 也可用电离室型剂量仪表进行监测, 同样要注意能响刻度和比对等问题。

1.2 剂量面积之积(DAP)

对于X射线透视检查监测ESDR, 通常是医用诊断X射线机质量检验(稳定性检验)或者影像质量保证措施之一, 与上述X射线摄影监测ESD相比, 应增加曝光时间的监测, 才能正确反映特定X射线透视检查中受检者的入射体表处的皮肤吸收剂量。ESDR监测可用经过刻度的空气电离室型剂量率仪表在合格的体模上进行, 也可用TLD和合格的体模同时测量剂量和曝光时间, 然后导出ESDR。

虽然常规的X射线透视应用频率逐渐下降, 但有些需要动态功能观察的检查仍然采用透视检查方法。一些特殊检查, 包括介入放射学均用透视方法, 而且应用范围在迅速扩大。由于X射线透视检查中, 根据临床实际需要, 照射位置和照射野大小是变动的。如果用TLD监测ESDR和ESD, 则TLD要根据检查类型相应布点于一定范围^[17]。TLD方法的优点是能监测入射体表处的剂量分布, 和导出平均的ESDR值, 其缺点是不能进行实时监测。利用剂量面积积分仪(DAP仪)可方便地实现实时在线显示剂量率或者累积剂量^[18]。一些较好的医用X射线诊断设备已经直接装备有DAP仪。根据测得的DAP值和照射野位置和大小可估算出受检者的器官剂量和有效剂量。对X射线透视, 宜推广应用DAP仪。但是, 对于透视时间长, 可能造成局部受照部位皮肤发生放射性损伤的一些检查, 如某些介入放射学检查和治疗程序, 仍需采用TLD方法监测可能受到大剂量照射部位的累积剂量^[19]。

2 CT剂量指数(CTDI)和多层扫描平均剂量(MSAD)

在X射线CT检查中, 经准直的扇形X射线束围绕受检者待检部位旋转而形成断层影像, 其照射条件与传统的X射线检查完全不同, 从而在受检者体内造成的剂量分布模式也完全不同。用于传统放射学摄影的剂量学量入射体表剂量不能反映CT检查的照射特点和受检者照射剂量分布特征。1981年Shope首先提出CT剂量指数(CTDI)的概念用来表征单次扫描时受检者断层内的剂量学特征, 以及多层扫描平均剂量(MSAD)的概念用于表征多次扫描时受检者断层内的剂量学特征^[20]。这两个剂量学量先后被美国食品药物管理局(FDA)、国际电工委员会(IEC)、欧共体(CEC)、国际基本安全标准(IBSS)等所采用, 并规范了测量方法, 广泛用于CT机质量控制、受检者剂量调查以及医疗照射指导水平或参考剂量^{[8, 21, 22, 23]}。

2.1 CTDI₁₀₀, CTD_W和DLP

ICRP第87号出版物附录A“用于计算机断层方法的参考剂量学量”中指出, 用于CT的最基本的剂量学量是CT剂量指数(CTDI) ^[24]。利用灵敏长度为100 mm的笔形电离室可以很容易地测量CTDI₁₀₀, 其定义为

(1)

式中n为单次旋转中断层的数目, T为标称断层厚度。单位为空气吸收剂量。

用于CT受检者的参考剂量是在标准的CT剂量学模体中测得。标准模体由均质圆柱形有机玻璃制成(PMMA), 密度为1.19 ±0.01 g/cm³。头模直径为16.0 cm, 躯干模体直径为32.0 cm, 长度至少14.0 cm。模体中设置五个与所用笔形电离室相匹配的通孔, 其方向与圆柱体的中心轴平行, 一个孔位于模体中心, 四个孔的中心距模体表面10 mm, 并互成90°。测量时一个孔放置剂量仪, 另四个孔用相同直径的有机玻璃棒塞住。在模体中心孔内测得的结果记为CTDI_{100, C}, 在周边四个孔测得的结果记为CTDI_{100, P}^{[22, 23]}。

加权CT剂量指数(CTDI_W)由下式求出

(2)

式中CTDI_{100, P}为周边四个孔测量结果的平均值。

CTDI_W表征单次扫描在断层内的平均剂量分布, 是受检者剂量参考剂量之一, 用于控制曝光参数的选择。IEC规定制造商应在操作台上显示出每次参数选择的CTDI_W值^[22~24]。

ICRP第87号出版物推荐的另一个CT诊断参考剂量学量是剂量长度乘积, DLP, 其定义为

(3)

式中i :是一次检查中的第i次扫描系列;

n :为单次扫描的断层数目;

T :标称单次扫描的为断层厚度, (cm);

N :为第i次扫描的曝光量, (mAs)。

DLP用于控制受照体积和总的照射量, 与受检者的器官剂量和有效剂量有直接关系。

2.2 MSAD

IBSS将多层扫描平均剂量(MSAD)规定为表征CT检查受检者的剂量指导水平的剂量学量, 其数值由水当量体模中旋转轴上的测量值推导而得; 体模长15 cm, 直径16 cm(头)和30 cm(腰椎和腹部), 单位为空气吸收剂量^[8]。

MSAD的定义公式为:

(4)

式中D_m (z)为m次扫描在z轴上的剂量分布, I为标称扫描层距。

如果在相同模体内测量MSAD和CTDI, 不难导出两者之间的关系,

(5)

显然当标称厚度T等于层距I时, MSAD和CTDI在数值上相同。

要注意的是MSAD规定的剂量学模体和CTDI规定的剂量学模体有两方面的差别, 一是材料, MSAD规定的为水当量材料, 而CTDI规定为PMMA; 第二个差别是CTDI的躯干体模直径为32 cm而MSAD为30 cm。

根据用PMMA躯干模体和10 cm灵敏体积笔型电离室得到的实测结果表明, 模体表面下1 cm处剂量大约为中心轴剂量的三倍左右(见图 1);若剂量分布沿径向成线性减少的话^[24], 则表面下15 cm处的剂量约比轴心16 cm处的剂量高13 %。同时PMMA对EX = 130 keV的X射线的线性减弱系数μ_P大约为水的线性减弱系数μ的1.12倍, 由半径15 cm模体中心的CTDI或MSAD值据估计要比同样尺寸PMMA模体中心的CTDI或MSAD值高百分之几。两种效应的综合结果, 则直径30 cm水当量模体旋转轴上的CTDI值应比直径32 cm PMMA模体旋转轴上的CTDI值高20 %左右。换言之, 若将IBSS推荐的MSAD值转换成用直径32 cm PMMA模体旋转轴处的剂量测应除以一个转换系数, 其数值大约为1.20左右(与机型, 特别是过滤器形状和厚度有关)。

3 乳腺平均剂量

IBSS对乳腺检查规定的医疗照射剂量指导水平是指腺体平均剂量, 并在“术语”部分给出了腺体平均剂量与空气中入射照射量之间的关系。同时假定标准乳房由50 %腺组织和50 %脂肪组成, 压缩厚度为4.5 cm。IBSS关于乳腺剂量的定义和模体的规定十分明确, 需测量的量是给定投照条件下, 相对于压缩乳房上表面处的空气照射量。目前需要解决的问题有:

(1) 中国成年妇女的平均乳腺压缩厚度是否可采用IBSS的建议值4.5 cm。解决这个问题, 可在一些大中城市的妇儿专科医院作些调查工作。根据深圳市2000年对市妇儿医院82名乳腺检查者的调查, 其平均乳腺压缩厚度为4.46 ±0.11 cm, 与IBSS的建议十分相近^[25]。

(2) 作为常规质检工具, 应尽快研制标准的乳腺模体。

(3) 确定乳腺平均剂量的程序是:先确定有乳房时的投照参数, 然后在该投照参数下用TLD或其他剂量仪表测定乳房所在处的自由空气中的照射量。最后根据IBSS术语中给出的公式计算出腺体平均剂量。在进行大规模普查时, 也可直接测量乳腺投照时的ESD, 求出总样本的平均ESD, 利用平均反散射校正因子1.05进行校正求得自由空气中的平均照射量, 最后计算出平均腺体平均剂量, 这样引入的附加误差在3 %左右。需特别注意的是能量响应问题, 因为乳腺检查的管压一般在25 kV ~35 kV, 能量较低必须进行能响校正^[25]。

4 牙科X射线摄影所致受检者剂量

在IBSS中对牙科放射学诊断的医疗照射剂量指导水平分为两类, 一类是AP投照, 即口内片:另一类是牙根尖周摄影, 即体层投影包括平面体层摄影和曲面体层摄影。这两种检查造成的受检者者剂量分布差别很大, 测量方法应当有所不同, 但在IBSS中对测量方法并未给出详细说明。根据近四年来本课题组研究的结果, 谈一些看法以供参考。

4.1 牙口内片

口内片(检查牙齿)和口外片(检查口腔其他部位)的摄影特点是X射线管和摄影底片固定不动, 与传统X射线摄影检查相同, 但由于牙科X射线机球管的特点, 照射野近似为圆形, 照射中心水平线上的入射体表剂量(ESD)分布如图 2所示。ESD分布的半高宽FWHM介于5 ~10 cm之间, 在照野中心水平线上下1 cm的范围内ESD的变化不超过10 %。根据ESD分布的这些特点, 国内外口内片剂量学调查通常均采用TLD方法, 有些国家牙科机质检中心将封装好的TLD片(或管), 连同标准负片一同寄往牙科中心。牙医按规定方法投照后, 将TLD袋标准片测量结果及本中心的负片寄返质检中心待查^[26]。

测量方法为:将三个TLD管或片平行地封装在一个纸袋或塑料袋内, 固定好, 不能重叠, 放于照射中心的皮肤表面上(或仿真人头模)。按规定的程序投照即可。需注意的是, 口内片投照时X射线管的线束中心与地面经常保持一定角度(即投射角), 要切实保证TLD在照野中心处, 否则测不到最大剂量。

4.2 牙科X射线全景摄影

为了得到牙根尖周清晰的平面图像, 在体层摄影中, X射线管和底片均在移动, 而且方向相反; 特别是曲面体层牙科摄影, 不仅X射线管和底片绕同一轴转动, 底片还要绕自己的轴转动, 从右下颌骨位开始, 经后颈部, 止于左下颌骨位处。头部照射野中心线上的ESD分布为, 相对于颈椎成反对称分布的双峰剂量曲线(见图 3)。剂量峰近似为正态分布, 半高全宽FWHM介于6 ~10 cm之间。剂量峰位于投照起始和终止位处, 谷位在颈椎位。峰剂量与谷剂量之比与机型有关, 介于2.5倍至25倍之间, 但峰剂量与照射中心径迹上的平均剂量之比与机型关系不大, 介于3.5倍至5倍之间, 6种机型的平均值大约为4.0 ^[27]。

IBSS中只规定测量入射表面剂量, 却没有明确指出是测量峰值剂量还是平均剂量, 但从所推荐的医疗照射指导水平为7 mGy来看, 可推断出其所指的是峰值剂量。测量峰值剂量方法简单, 易于实施, 同时又可大致估算出沿照野中心轨迹上的平均剂量值。

可采用口内片剂量测量的方法测量体层摄影的峰值剂量。方法是将含有3个TLD管的剂量袋平放在投照起始位的照野中心处, 投照完后取其平均值为峰值剂量。需注意的问题依然是要确保TLD位于照野中心, 否则会得到错误的结果。从本次全国医疗照射剂量调查结果看, 不少省市没有测到峰位剂量, 而且明显低于照射中心轨迹上的平均剂量值。

从2001年3月在西班牙Malaga由IAEA主办的受检者防护会议所发表的论文来看, IAEA有关剂量学和医学辐射物理学的一个工作组, 正在考虑用圆柱型电离室来测量曲面牙科体层摄影中受检者所受剂量, 因为从受检者头部内部的剂量分布来看曲面体层摄影类似于CT断层扫描。但文中并未给出详细说明^[28]。

5 结束语

对于放射诊断医疗照射, 选择受检者参考剂量的目的是使放射诊断操作性能定量化, 并且作为医疗照射最优化过程中的一个参数, 能够对不同医疗中心的同种检查技术进行比较, 推进良好的放射实践的确定和发展。从已有的参考剂量值的确定方法可以看出, 作为诊断医疗照射的参考剂量值, 本质上讲是调查水平, 它与典型的实践有关, 而不是与单个病人有关, 它的设定为判定可能的不可接受的实践提供了一个指标, 超过参考剂量值的实践被认为是不可接受的, 应当进行调查, 采取修正行动或进行正当化分析, 使病人剂量降低^{[23, 29]}。“九五”期间全国医疗照射水平调查研究工作, 对了解我国目前X射线诊断医疗照射的剂量水平, 确定符合我国国情的放射诊断参考剂量或剂量指导水平提供了珍贵的基础资料, 必将推进我国医疗照射最优化工作的深入发展。

对于检查程序比较复杂, 病人受照剂量较高的一些放射诊断学检查, 如放射介入学检查等, 如何选择表征受检者剂量的剂量学量, 仍在探讨之中, 因为在某些检查中受检者皮肤局部剂量可能超过确定性效应的阈值^[30], 应作为今后关注的热点课题。