利用免洗膠片測量CT軸向和螺旋掃描的劑量分布

戴興，徐加利，梁保輝

1.蚌埠醫(yī)學(xué)院醫(yī)學(xué)影像學(xué)院，安徽蚌埠233000；2.蚌埠醫(yī)學(xué)院第一附屬醫(yī)院放射科，安徽蚌埠233004

前言

隨著計(jì)算機(jī)斷層掃描（Computed Tomography,CT）技術(shù)的發(fā)展以及居民醫(yī)療水平的提高，CT 檢查數(shù)量逐年增加［1-2］。截至2016年底，CT設(shè)備在全國保有量突破兩萬臺(tái)，相比2015年的19 592臺(tái)，保有量增長了10%［3］。在放射診斷中，CT 檢查相對于普通X線攝影的輻射劑量更大，大量研究表明CT診斷所致的輻射劑量增加了受檢者的腫瘤發(fā)病率［4-6］。應(yīng)用降低CT 檢查輻射劑量的技術(shù)能夠降低由輻射誘導(dǎo)的癌癥發(fā)生率［7-8］。在CT 檢查過程中，CT 掃描機(jī)在軸向上的放射線束分布將影響圖像質(zhì)量和輻射劑量，且對CT質(zhì)量保證、輻射劑量計(jì)算和檢查方案優(yōu)化有重要意義［9-10］，因此本研究利用免洗膠片測量軸向掃描和螺旋掃描這兩種模式的劑量分布并分析其影響因素，用于精確評估CT 檢查的輻射劑量，為放射技術(shù)人員快速測量CT 軸向掃描時(shí)的半高寬度和螺旋掃描的過掃描范圍提供參考。

1 材料與方法

1.1 實(shí)驗(yàn)設(shè)備

本研究采用蚌埠醫(yī)學(xué)院第一附屬醫(yī)院放射科GE公司LightSpeed 64 排CT，在軸向掃描時(shí)，測量分析準(zhǔn)直寬度和濾過器對劑量分布的影響；并在螺旋掃描時(shí)，測量分析螺距、準(zhǔn)直寬度和重建層厚對過掃描范圍的影響。測量CT劑量分布通常應(yīng)用常規(guī)膠片、熱釋光劑量系統(tǒng)、長桿電離室等劑量儀器。通常醫(yī)學(xué)影像科室不具備專用劑量測量儀器，且常規(guī)膠片已經(jīng)被淘汰，因此本研究應(yīng)用美國Ashland 公司的Gafchromic 免洗膠片（型號XR-QA2-810）進(jìn)行測量。將免洗膠片置于CT掃描床上，并將膠片中心線置于機(jī)架中心，選定CT曝光條件曝光，膠片曝光后，經(jīng)HP scanjet 7400c 掃描儀處理得到數(shù)字圖像，利用ImageJ 圖像處理軟件（1.51K 版本）處理曝光后的膠片，并繪制劑量分布曲線。

1.2 軸向掃描

軸向掃描時(shí)，測量CT軸向掃描射線束的峰值半值全寬（Full Width at Half-Maximum, FWHM），國際電工委員會(huì)定義CT 斷層層厚為FWHM［11］。FWHM往往與CT 掃描前選擇的斷層厚度即標(biāo)稱層厚存在一定偏差，因此放射線束寬度的測量是CT設(shè)備質(zhì)量控制的常規(guī)項(xiàng)目。美國放射學(xué)會(huì)的CT 質(zhì)量控制規(guī)定測量射束寬度偏差應(yīng)不大于3 mm 或射束寬度的30%［12］。通常將X 線束寬度超過實(shí)際用于成像的探測器寬度范圍稱為超射線束范圍。X 射線束的幾何效率也被用于定量描述超射線束范圍的指標(biāo)。CT軸向掃描時(shí)，管電壓設(shè)置120 kVp，管電流250 mA，設(shè)置準(zhǔn)直寬度為40、20和10 mm，測量不同準(zhǔn)直寬度時(shí)軸向方向的射束劑量分布；并通過設(shè)置不同的視野（Field of View, FOV）和過濾器形狀，測量不同F(xiàn)OV和濾過器形狀對軸向方向射束劑量分布的影響。

1.3 螺旋掃描

螺旋掃描時(shí)，由于斷層圖像的重建算法需要計(jì)劃掃描區(qū)域外的投影數(shù)據(jù)，使得曝光范圍往往大于計(jì)劃掃描范圍，其中計(jì)劃掃描外的曝光區(qū)域稱為過掃描范圍。已有研究表明過掃描范圍受射束準(zhǔn)直寬度、螺距和重建層厚等影響［13-14］，且過掃描范圍增加了受檢者的有效劑量和處于掃描邊界器官的劑量［15-16］。CT 螺旋掃描的過掃描范圍可根據(jù)CT 機(jī)操作界面顯示的相關(guān)參數(shù)進(jìn)行近似估算［17］，但計(jì)算存在誤差，實(shí)際測量能夠精確計(jì)算過掃描范圍。CT 螺旋掃描時(shí)，管電壓設(shè)置120 kVp，管電流350 mA，螺距為0.531、0.969、1.375，重 建 層 厚 為5.000、2.500、0.625 mm，準(zhǔn)直寬度為40、20、10 mm，分別研究螺距、重建層厚和準(zhǔn)直寬度對過掃描范圍的影響。

2 結(jié)果與討論

2.1 CT軸向掃描劑量分布

免洗膠片曝光后，利用掃描儀獲得數(shù)字圖像（圖1）。應(yīng)用數(shù)字圖像處理軟件ImageJ處理軸向灰度分布，曝光量與灰度值處于膠片特性曲線的線性部分，則不同射束準(zhǔn)直寬度CT軸向掃描的劑量分布如圖2所示，設(shè)置不同濾過器形狀時(shí)的劑量分布如圖3所示。根據(jù)半高寬定義，即曝光量最大值的一半處的寬度，計(jì)算FWHM。

圖1 免洗膠片經(jīng)CT機(jī)軸向掃描曝光后Fig.1 Disposable films exposed with CT scanner under axial scanning mode

由圖2可知，免洗膠片測量不同準(zhǔn)直寬度的FWHM與射束準(zhǔn)直寬度近似相等，且劑量分布趨勢與其他方法的測量結(jié)果［18］相同。標(biāo)稱射束寬度40、20和10 mm的FWHM分別為43、23和14 mm，標(biāo)稱射束寬度與測量的FWHM偏差小于4 mm。CT掃描的FOV選擇影響著過濾器形狀，本研究選擇不同F(xiàn)OV，測量不同F(xiàn)OV對劑量分布的影響（圖3），結(jié)果表明可以忽略FOV和濾器形狀大小對軸向劑量分布的影響，雖然不同F(xiàn)OV 的FWHM的偏差小于3 mm，但FOV大小對幾何效率的影響尚需進(jìn)一步研究。Berris等［19］利用膠片測量射線束劑量分布，認(rèn)為幾何效率主要受射線束準(zhǔn)直寬度和焦點(diǎn)的影響，而受管電壓的影響較小，但普通膠片測量方法較繁瑣，且在顯影定影時(shí)容易引入誤差，免洗膠片的應(yīng)用可以避免類似誤差。

2.2 CT螺旋掃描劑量分布

CT 螺旋掃描時(shí)，為重建斷層圖像而出現(xiàn)的過掃描范圍主要與螺距、射束準(zhǔn)直寬度和重建層厚相關(guān)，本研究利用免洗膠片驗(yàn)證這3 種因素對過掃描范圍的影響。以最大曝光值一半的范圍定義曝光范圍，成像范圍與曝光范圍之差近似于過掃描范圍，計(jì)算得螺距為1.375、0.984 和0.516 的過掃描范圍分別為76、70和70 mm，由此可知螺距減少對過掃描范圍的影響極小，與相關(guān)文獻(xiàn)報(bào)道的GE 16 排CT 螺旋掃描過程中，螺距對過掃描影響規(guī)律一致［13］。CT 螺旋掃描時(shí)不同螺距下的劑量分布如圖4所示。

圖2 不同射束準(zhǔn)直寬度時(shí)軸向掃描后免洗膠片的灰度分布Fig.2 Gray-level distributions of disposable film under axial scanning mode with different beam collimations

圖3 不同視野對軸向掃描峰值半高寬的影響Fig.3 Effects of field of view on full width at half-maximum under axial scanning mode

圖4 螺旋掃描時(shí)不同螺距對劑量分布的影響Fig.4 Effects of pitch on dose profile under helical scanning mode

研究重建層厚對過掃描范圍的影響，在射束準(zhǔn)直寬度、螺距、管電壓、管電流和掃描范圍不變情況下，設(shè)置重建層厚分別為5.000、2.500和0.625 mm，螺旋掃描時(shí)不同重建層厚時(shí)的劑量分布如圖5所示。曝光范圍近似為76 mm，但斷層圖像范圍分別為8層面×5 mm、15 層面×2.5 mm 和57 層面×0.625 mm，過掃描范圍分別為34.0、37.5 和40.4 mm。3 種不同重建層厚的過掃描范圍差異均小于1 cm，因此可以忽略重建層厚對過掃描范圍的影響。

圖5 螺旋掃描不同重建層厚時(shí)的劑量分布Fig.5 Dose profiles under helical scanning mode with different reconstructed slice thicknesses

研究射束準(zhǔn)直寬度對螺旋掃描過掃描范圍的影響時(shí)，螺距設(shè)為0.5，測量射束準(zhǔn)直寬度設(shè)為20 和40 mm，得到的劑量分布如圖6所示，過掃描范圍分別為34和63 mm。本研究中射束準(zhǔn)直寬度對過掃描范圍的影響與Schilham等［13］的研究結(jié)果一致。

在螺距、射束準(zhǔn)直寬度和重建層厚等因素不變的情況下，設(shè)置不同的FOV，得到的劑量分布相同，即FOV 大小不影響螺旋掃描時(shí)軸向劑量分布，因此FOV對過掃描范圍的影響很小，可以忽略。

圖6 螺旋掃描時(shí)不同射束準(zhǔn)直寬度的劑量分布Fig.6 Dose profile under helical scanning mode with different beam collimation widths

由上述研究可知CT 螺旋掃描過程中的過掃描范圍主要受到射束準(zhǔn)直寬度的影響，重建層厚、螺距和FOV等因素的影響較小，此外，過掃描范圍還受重建算法和CT 類型的影響［13,20］。本研究僅針對GE 公司LightSpeed 64 排CT，對于其他廠家或類型的CT螺旋掃描過掃描范圍的影響因素尚需進(jìn)一步測量。

3 結(jié)論

本研究利用免洗膠片測量GE公司LightSpeed 64排CT軸向掃描和螺旋掃描的劑量分布。在軸向掃描過程中，標(biāo)稱射束準(zhǔn)直寬度與FWHM偏差小于4 mm，且軸向劑量分布不受FOV 大小的影響；在螺旋掃描過程中，通過測量不同檢查條件的過掃描范圍發(fā)現(xiàn)，過掃描范圍的大小主要受射束準(zhǔn)直寬度的影響，螺距、重建層厚和FOV 的影響較小，可以忽略。研究CT 軸向掃描的劑量分布及其影響因素，了解射線束分布均勻性和射線束利用效率，可用于優(yōu)化CT檢查參數(shù)，降低受檢者的輻射劑量。