自1972年英国工程师Hounsfield发明了世界上第一台CT机以来, 至今40多年的历史, X射线CT机的发展日新月异突飞猛进, 经历了一个个里程碑, 从普通CT, 单排螺旋CT, 到多排(层)螺旋CT, 到今天的高端CT, CT在医学领域的应用极其广泛, 为人类的卫生健康做出了巨大贡献, 但同时X射线是一种电离辐射, 对受检者具有一定危险性, 当今世界人民对CT检查安全性的关注度越来越高, 如何降低CT电离辐射的剂量, 提高检查的安全性, 成为厂家、用户、受检者、操作人员最为关心的问题。一些新技术、新方法、新材料不断应用于CT, 在追求高图像质量的同时, 不断地降低CT的辐射剂量, 同时也降低了受检者的吸收剂量, 高清CT, 绿色CT, 化学CT的时代到来了。通用电气公司的宝石CT, 西门子公司的炫速双源128层CT, 飞利浦公司的极速256层CT, 东芝公司的320排CT, 成为今日高端CT的代表。能谱成像开辟了医学影像新的成像方式, 具有无限前景。在高端CT还没有普及, 多排(层)螺旋CT仍是主流的今天, 重视受检者防护仍具有重要意义。本研究以东芝Aquilion 64 CT机为例详尽描述多排(层)螺旋CT扫描所致受检者剂量与扫描参数的关系, 旨在帮助优化扫描的实施, 在图像质量满足诊断需要的同时, 降低受检者的吸收剂量。

1 X射线穿透衰减特性^[1-4]

CT成像利用了X射线具有一定能量和穿透衰减特性, 通过数据采集系统从不同的方向对穿过受检者被衰减的X射线进行采集, 获得大量数据, 由计算机重建图像, 以不同灰度显示出来。多排(层)螺旋CT使用厚扇形X射线束, 扫描一周获得多个层面图像, X射线扇束厚度等于多个层面的总厚度, 或等于准直器宽度或探测器排宽度。X射线穿过物质时, 与物质发生相互作用, 从而发生衰减, 对于某一均匀物质, X射线穿过该物质后的强度与入射X射线强度呈指数关系:I₁=I₀·e^-ud, 式中I₀是入射X射线强度, I₁是穿过物质后X射线强度, u是线性衰减系数, d是物质的厚度, e是常数。人体组织器官是由多种物质成分和不同密度构成, 在X射线束穿过的方向将人体分为若干个厚度为d的非常小的容积单元, 每个容积单元近似看做一个均匀物质, 具有线性衰减系数u, X射线穿过人体后的强度与入射X射线的强度呈指数关系:I₁ =I₀·e^{-(u1+u2+﹍+un) d}, I₁为探测器检测到的X射线强度, 用于重建图像, 而被衰减的X射线强度:I₂=I₀ -I₁=I₀-I₀ · e^{-(u1+u2+﹍+un) d}=I₀(1- e ^{-(u1+u2+﹍+un) d}), I₂构成了受检者所吸收的剂量。

2 X射线辐射量和单位

辐射防护中最重要的剂量学量是组织器官的平均吸收剂量D_T, 它是单位质量物质中吸收的X射线能量, 国际单位是焦耳每千克(J·Kg^-1), 称为戈瑞(Gy), 由吸收剂量用辐射权重因数加权而得到组织器官的当量剂量H_T, X射线权重因数为1, H_T=D_T·1= D_T, 由当量剂量用组织权重因子W_T加权并对各组织求和而得到有效剂量E, , 当量剂量和有效剂量国际单位是焦耳每千克(J·kg^-1), 称为希沃特(Sv)。在多排(层)螺旋CT扫描时, 受检者的吸收剂量很难直接测得。

3 多排(层)螺旋CT辐射剂量表达和受检者有效剂量估算^[5-6] 3.1 CT剂量指数

CTDI₁₀₀是通过100 mm的笔形电离室在通用标准剂量模体中测量得到。考虑到扫描层面中不同区域的CTDI₁₀₀的不一致性, 扫描层面的平均剂量由权重CTDI表示, CTDI_w=(CTDI_100中心)/3+2 (CTDI_100周边)/3, 式中, CTDI_100中心是在模体中心位置上的测量值, CTDI_100周边是在模体周边四个不同位置上测量值的平均值。容积CT剂量指数CTDI_vol考虑了X射线源连续旋转下的剂量曲线间隔及重叠程度, 可以表示CT扫描时X、Y、Z三个方向上某点的平均吸收剂量分布, 表达式:CTDI_vol=CTDI_w/螺距因子。CTDI₁₀₀描述的是X射线CT标准测量模体中某一点所沉积的X射线能量, CTDI_w描述的是X射线CT所扫描某一断层面上的平均剂量状况, CTDI_vol描述的是多排(层)螺旋CT在整个容积扫描内的平均辐射剂量。

3.2 剂量长度乘积(DLP)

多排(层)螺旋CT中DLP表示给定扫描方案中受照部位所接受的总剂量, DLP=CTDI_vol ·L, L为扫描范围长度。东芝Aquilion64CT机具有辐射剂量预示功能, 当确定了扫描方案中的扫描参数时, 就会自动显示CTDI_vol、DLP剂量学数值, 单位分别是mGy和mGy·cm。

3.3 受检者有效剂量ED估算

利用多排(层)螺旋CT自动计算的DLP乘以特定的剂量转换系数K估算出有效剂量ED:ED=K·DLP, 式中K (mSv·mGy^-1 ·cm^-1)由实验研究所得, 与受检者身体部位有关, 不同部位的剂量转换系数K值的大小可参见欧盟委员会(CEC)关于CT质量标准指南, 其中颅脑和腹部的K值分别是0.0023和0.0150, ED单位:mSv。

4 设备及扫描参数

东芝Aquilion64CT机64个数据通道, 64排探测器, 探测器等宽型, 宽度为0.5 mm, 最大扫描长度1 800 mm, 扫描参数有:管电压(kV)、管电流(mA)、转架每圈旋转时间(s)、扫描层厚(mm)、螺距(螺距因数)、探测器排宽度(准直器宽度mm)、扫描范围长度(mm)。扫描曝光时间由后五项扫描参数决定。颅脑、腹部容积扫描序列及剂量如表 1。

5 受检者剂量与扫描参数的关系

多排(层)螺旋CT球管发射的厚扇形X射线束随转架连续旋转, 并围绕着随床匀速运动的受检者身体区段连续扫描照射, X射线束的能量是探测器检测数据和计算机重建图像的根本因素, 也是所致受检者剂量的因素。X射线束的总能量取决于X射线光子能量的大小和数量, 管电压决定X射线光子的能量, 管电压值大, 单个光子的能量就大, X射线束的总能量也就越大; 管电流量决定着X射线光子的数量, X射线光子数量越多, X射线束的总能量也就越大。管电流量即管电流与扫描曝光时间的乘积。X射线束的总能量一部分被探测器检测用于重建图像, 另一部分被人体器官组织吸收成为受检者剂量, 并有可能导致随机性效应的发生。

5.1 管电压、管电流、旋转时间^[7]

分别在颅脑、腹部容积扫描程序序列方案中, 分别依次选择不同的管电压、管电流、旋转时间扫描参数, 一次只调整一个扫描参数, 其他参数不变, 用扫描方案中的DLP值乘以剂量转换系数K值, 求出每个扫描方案中的受检者剂量值。如表 2所示。

5.2 扫描层厚、准直器宽度、螺距

东芝Aquilion64CT机准直器规格有7种, 当选定了准直器, 扫描层厚和准直器宽度就定了, 而螺距有一定选择范围。如表 3所示。在扫描方案中当管电压、管电流、旋转时间、扫描长度及准直器确定以后, 受检者剂量随螺距变化的情况。

6 结论

受检者剂量与管电压、管电流和旋转时间成正比关系, 与螺距成反比关系, 尤其是管电压、管电流对受检者剂量影响最大。在颅脑扫描时, 管电压从120 kV升到135 kV, 受检者剂量就会从2.253 mSv上升到2.875 mSv, 提高了27%;在腹部扫描时, 管电流从200 mA增加到250 mA, 受检者剂量从9.495 mSv增加到11.868 mSv, 提高了25%。多排(层)螺旋CT在扫描程序序列中设置了管电压、管电流、旋转时间、准直器及螺距等扫描参数, 可供操作人员拟定扫描方案选用, 不同的扫描方案会产生不同的图像质量和受检者剂量。东芝Aquilion64CT机提供了管电压参数4个, 管电流参数8个, 旋转时间参数7个, 准直器规格7种, 对于某个扫描部位, 可以有4 × 8 × 7 × 7=1 568个扫描方案, 如果再加上螺距参数扫描方案会更多。如何设计扫描方案是个很复杂的技术问题, 结合自动管电流调制技术, 最大限度地利用各种扫描参数优化扫描方案是每个操作人员必须认真履行的责任和义务。