醫用CT劑量儀的校準與評價的研究*

歐向明

醫用CT劑量儀的校準與評價的研究*

歐向明①

在分析醫用CT劑量儀結構和電路原理的基礎上，結合國內外相關的法規標準，醫用CT電離室劑量儀在標準劑量學實驗室的檢定校準的程序和方法。闡述了劑量儀的定期校準在CT設備應用質量控制、以及在保障診斷影像質量的前提下降低受檢者劑量的重要性。

醫用CT；CT劑量儀；電離室；校準；評價

據統計我國各省市監測機構目前使用的醫用CT劑量儀約有數百臺，其中絕大多數屬于長壁電離室型劑量儀（以下統稱CT劑量儀），用于醫用CT機開展質量控制（QC）和質量保證(QA)時輻射參數的測量，成為評價該設備應用質量是否合格的基礎。為了更好地貫徹執行《計量法》相關規定[3]，落實衛生部《放射診療管理規定》的有關內容[4]，加強對醫用X射線診斷領域監督監測，對于新購置的、使用中的和修理后的CT劑量儀，像其它法定計量器具一樣, 要求在標準劑量學實驗室進行定期的檢定和校準，其檢定周期為一年。幾年來筆者在中國疾病預防控制中心輻射防護與核安全醫學所、醫用放射診療設備質控室（SSDL 國家二級標準劑量學實驗室），按照相關國際組織出版物和國際電工委員會（IEC）的標準[5][6]，以及我國已頒布執行的國家標準[7]，先后完成了對各省市檢測機構100余套CT劑量儀的校準與評價工作。

1 材料與方法

1.1 CT劑量儀的基本結構和工作原理

目前常用的CT劑量儀是指：采用細長電離室、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能積分的診斷劑量計。通常一套CT劑量儀主要包括電離室型探測器及主機測量電路兩大部分，下面分別介紹它們的基本結構和工作原理。

1.1.1 電離室型探測器：電離室是CT劑量儀最經典、應用最廣的一種探測器，它是將CT診斷的輻射量轉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（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電離室結構示意圖

其工作原理是：當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），次級電子使氣體產生電離，生成正負離子對。在加上極化電壓的兩個電極電場的作用下，正離子和電子所呈現的正電荷向陰極的漂移和負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電離室結構圖可以看出：由于中心電極較細、較長、電離室壁較薄，考慮到檢測機構在使用中擺位及運輸顛振，易引起電離室結構的變化，可能會對測量數據造成影響，所以必須按照檢定周期1年的要求進行定期校準。

1.1.2 CT劑量儀主機測量電路：其等效電路如圖2所示，電離室接收輻射后產生的電離電流is(t) 信號進入主機的輸入端后，經高輸入阻抗的前置放大器PA進行放大，通過I/V轉換電路，輸出端的電壓值uc(t) 近似地正比于輸入電壓us對時間的積分，數據處理后送儀器面板顯示測量結果。其函數表達式為：

圖2 CT劑量儀主機的電路原理圖

目前輻射防護監測機構常用的CT劑量儀主要包括以下幾種：①美國Victoreen公司早期生產的660系列、之后改由美國FLUKE公司生產的35050AT；②中國計量科學研究院研制的T576A系列；③瑞典RTI公司生產的Barracuda；④德國iba公司生產的DOSIMAX plus A等等。由于主機電路采用高輸入阻抗的集成運算放大電路，而且放大倍數較高，所以CT劑量儀主機有故障維修后，與原有的校準因子相比變化較大，需再次送檢標準劑量學實驗室進行重新校準，以保證測量數據的準確性和溯源性。

1.2 校準和評價CT電離室劑量儀的技術要求

1.2.1 參考標準劑量儀：本校準實驗室測量標準輻射場采用的標準劑量儀，是由美國Radcal公司生產的9095讀數儀并配置體積為6 cc標準空氣電離室(Model RC6)組成劑量測量系統。劑量儀的校準因子可溯源到美國國家標準技術研究院（NIST）和中國計量科學研究院（NIM），每年按周期完成檢定。

1.2.2 標準輻射場的X射線參考條件：是由德國PHILIPS公司生產的MG324高穩定度X射線機提供的。校準CT劑量儀時，X射線的峰值管電壓從70 kV到150 kV可調，調節步節為10 kV，共9個能量點，X射線束的總過濾為2.5 mmAl。

1.2.3 CT電離室校準用標準輻射場的幾何條件：如圖3所示,為了選擇合適的照射野尺寸及校準點適當的空氣比釋動能率，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，可加放一個特制鎢鋼標準光闌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電離室校準的幾何條件示意圖

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

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

1.3 參照的標準程序文件

中國疾病預防控制中心輻射防護與核安全醫學所、醫用放射診療設備應用質量控制實驗室（SSDL 國家二級標準劑量學實驗室），前身是衛生部國家二級標準劑量學實驗室，是在IAEA、WHO和衛生部的資助下，于20世紀80年代建立、并通過國家技術監督局計量標準考核的[8]。1992年該實驗室依據IEC 61674建立了檢定和校準CT電離室劑量儀的標準裝置，之后在中國疾病預防控制中心輻射安全所的大力資助下，依據GBZ/T 19629-2005先后多次進行改造與升級，編寫了CT劑量儀校準《作業指導書》，通過了國家認證認可監督管理委員會的計量認證考核，現出具的校準證書上允許加蓋紅色的“CMA”中國計量專用徽章。

2 CT劑量儀的校準

被檢CT劑量儀的校準因子Nc，是在二級標準劑量學實驗室的X射線標準輻射場中，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，儀器表面應有儀器名稱、型號、生產廠、系列號等清晰標記。如果劑量儀是數字顯示面板，主機開機后所顯示的數字應完整無缺。

2.2 漏電流檢測

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

2.3 校準因子Nc的獲得

在《CT劑量儀校準原始記錄》中逐項填寫送檢單位的各項基本信息、記錄校準實驗室的溫度、大氣壓強等環境條件。按照圖3的幾何條件在測量導軌上驗證a至f各項的位置和距離，在位置c處放置2.5 mmAl 附加過濾片。

2.3.1 測量校準點的標準劑量值：我們首先使用本實驗室的參考標準劑量儀（即美國Radcal公司生產的9095讀數儀，及標準電離室組成劑量測量系統）測量校準點的標準劑量值。先將標準電離室按照圖3所示布放于校準點f處，再連接好信號電纜，打開主機電源，按照儀器說明書充分預熱，從主機鍵盤輸入測量時的溫度、大氣壓強等環境條件，以便應用程序對測量結果根據空氣密度進行自動校正。然后分別測量出X射線的管電壓從70 kV到150 kV（調節步節為10 kV，共9個能量條件）校準點f處的劑量標準值，每個能量條件下，重復讀取5個測量結果，依次寫入原始記錄的“標準值”欄目中。

2.3.2 采集被校準CT劑量儀的讀數值：取下標準電離室后，用激光定位器按照圖3的幾何條件將被校準的CT電離室布放于校準點f處，替代標準電離室的位置。重復3.1的步驟進行測量，并分別將結果依次寫入原始記錄的“被校準儀器讀數值”欄目中。

2.3.3 計算校準因子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，修正到公認的參考條件下工作得到的值。計算時先將原始記錄中的“標準值”和“被校準儀器讀數值”，校正到溫度20 ℃、大氣壓強101.3 kPa標準空氣密度狀態，再分別算出“標準值”的平均值R0和“被校準儀器讀數值”的平均值R，通過下面的公式：

Nc = R0/R

分別計算后，即得到管電壓從70 kV到150 kV共9個能量條件下的無量綱的校準因子Nc，表1為某檢測機構送檢的一臺CT劑量儀校準因子實例。

表1 CT劑量儀校準因子實例

3 CT劑量儀的評價

檢測機構在使用CT劑量儀檢測醫療單位的CT機時，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的吸收劑量。在CT機掃描過程中，X射線束相對CT電離室做2π旋轉和平移運動，此時，模體中CT電離室接收到的X射線的能量、方向始終都在發生變化，對CT電離室的能量響應、均勻性、方向響應等項性能要求較高，因此在標準劑量學實驗室校準CT劑量儀時，還要評價CT電離室以下幾個方面的性能：

3.1 能量響應

能量響應是劑量儀在相應射線能量范圍內校準因子的倒數，常用能響曲線來表示。CT劑量儀一般取120 kV的校準因子，通過相應的校準因子的不確定度進行歸一評價，能響要求應符合小于±5%。圖4所示為某檢測機構的CT劑量儀，在70 kV到150 kV的常用診斷X射線范圍內的能量響應曲線。

圖4 CT劑量儀能量響應實例

3.2 均勻性

在進行CT電離室均勻性檢驗時，應采用特制鎢鋼標準窄縫光闌(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行軸向連續掃描評價。在額定的CT電離室長度上，響應的空間均勻性的變化應該不大于土3%。

3.3 方向響應（角響應）

在有用X射線束內, 沿CT電離室軸從0°～180 °范圍內,分別在不同角度測量,并求其平均值與標準差，評價其響應的變化應該不大于土3%。

4 小結

CT臨床檢查給受檢者所帶來的輻射劑量，只有當CT機被調整到既有良好的影像質量又有合適的輻射輸出時，受檢者劑量將會是最小的。在CT機質量性能的檢驗中，CT劑量儀是必不可少的重要儀器之一，對其進行定期檢定和校準是做好CT機質量控制的基礎。我們發現在醫用CT設備質量控制（QC）實際工作中，由于有的監測機構的工作人員對CT劑量儀的結構和性能不熟悉，不了解儀器的校準與評價方法，甚至沒有按照國家相關法規和標準定期送檢，造成對CT掃描時X射線輻射劑量評價的結果產生了較大的不確定度，這種現象應引起相關工作人員的足夠重視。另一方面，遵照國家對計量器具實行強制周期檢定的法規，對相關CT劑量儀進行定期送檢和校準，與檢測機構對醫療機構CT機定期強檢的目的是一致的，都是為了確保醫療設備應用質量合格，技術性能優良，在提高臨床診斷和治療效果的同時，努力降低受檢者的輻射劑量，減少輻射效應的發生概率。

[1]中華人民共和國國家標準,電離輻射防護與輻射源安全基本標準GB18871-2002,附錄G：放射診斷的醫療照射指導水平[S].

[2]中華人民共和國國家標準，X射線計算機斷層攝影放射衛生防護標準，GBZ165-2005[S].4.1.2.

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

[4]中華人民共和國衛生部令第46號，放射診療管理規定[M].北京：人民衛生出版社，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準，醫用電氣設備X射線診斷影像中使用的電離室和(或)半導體探測器劑量計GB/T 19629-2005[S].2005－01017

[8]趙士庵.X射線照射量標準裝置的研究和建立[J].中華放射醫學與防護雜志,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- ),本科學歷，副主任技師，中國醫學裝備協會醫用輻射裝備防護與檢測專業委員會秘書。中國疾病預防控制中心輻射防護與核安全醫學所國家二級標準劑量學實驗室，主要從事醫用診療設備輻射防護方面的研究工作。

2011-04-14

*衛生行業科研專項：輻射危害控制與核輻射衛生應急處置關鍵技術研究及其應用（項目編號201002009）

①中國疾病預防控制中心輻射防護與核安全醫學所 北京 100088

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

計算機體層成像（Computed Tomography, CT）裝置自20世紀70年代開發應用以來，多層螺旋CT(Multi -Slice spiral CT,MSCT) 一直應用于臨床，該技術在無創性影像診斷學中開創了一個全新領域，現已成為近代醫學診斷領域中不可或缺的重要手段之一。然而輻射是一把“雙刃劍”，研究統計表明，公眾接受的人工電離輻射中，醫療照射所占的劑量份額是最大的，因此，減少受檢者在醫用射線診斷檢查中接受的劑量，一直是近年來的中心議題，國家也頒布執行了一系列的法規、標準[1-2]。CT掃描時的X射線輻射劑量，是影響圖像質量的一個重要參數，也是評價受檢者接受的輻射劑量的依據。