120 kV CT診斷條件下熱釋光劑量計測量X射線劑量的研究

陳基煒，黃圣雁，朱振華，屠建春，涂 彧

（1.昆山市中醫醫院，江蘇昆山215300；2.蘇州大學醫學部放射醫學與防護學院，省部共建放射醫學與輻射防護國家重點實驗室，江蘇省高校放射醫學協同創新中心，江蘇蘇州215123）

0 引言

熱釋光劑量計（thermoluminescence dosimeter，TLD）由于具有體積小、能量依賴性低、穩定性好、敏感度高、人體組織等效性好、劑量線性區域較寬、價格便宜、操作方便和退火處理簡單等諸多優勢[1-2]，在放射劑量學測量中應用較為廣泛。TLD目前多應用于腫瘤放射治療中劑量的估算[3-4]、放療設備性能的檢測[5-6]、蒙特卡羅模擬估算后的實驗驗證[7-8]等，是放射從業人員個人劑量監測的常規儀器[9]，在輻射防護與放射衛生體系中發揮著至關重要的作用。

目前測量放射源劑量學參數的常規方法是采用TLD和電離室劑量計（ionization chamber dosemeter，ICD）相互驗證[10-11]，雖然ICD驗證方法準確可靠，但受限于電離室的長度、形狀、體積或連接線等一系列客觀存在的因素，在某些檢測情況下并不適用。TLD由于上述優點，可作為ICD劑量驗證方法的補充。TLD能量響應特性在MV級電子線和X射線研究中的應用較多，相關研究也證明了在MV級條件下TLD能量響應較好，測量較為準確[12-13]。相對于MV級X射線，CT輸出的kV級X射線具有散射大、劑量低、線束強度較低、曝光時間短等特點，但TLD在CT kV級條件下測量輸出劑量的相關資料較少，使用TLD進行CT輸出劑量測量是否可行，需要通過實驗進行驗證。本研究模擬在CT設定為120 kV的診斷條件下，在CT模體內先后放置TLD與ICD，以獲得在相同的設定輸出條件下2種測量方法的劑量值，并進行測量結果的對比研究。

1 材料與方法

1.1 設備和材料

1.1.1 CT

使用西門子醫療公司Definition AS高端能譜螺旋64排128層CT，該CT采用磁懸浮機架驅動技術，轉速0.3 s/r，空間分辨力為30 lp/cm，Z軸分辨力為0.33 mm。

1.1.2 劑量模體

使用瑞典RTI公司生產的聚甲基丙烯酸甲酯（polymethyl methacrylate，PMMA）均質圓柱CT劑量頭部模體，直徑為160 mm，長度約為15 cm，在模體中心和距模體表面10 mm處有5個可放置劑量儀探測器的孔（探針孔）：1個位于模體中心，其余4個沿模體周邊分布，距邊緣1 cm，孔內徑為1.31 cm?？變扔?個丙烯酸樹脂塞棒填充。

1.1.3 ICD

使用瑞典RTI公司的Piranha 657多功能X射線質量檢測儀和其公司生產的型號為DCT10的長桿電離室。

1.1.4 TLD

使用美國康科德電子公司生產的2000C型氟化鋰熱釋光劑量片，其材料為Li F（Mg，Cu，P），在退火后可重復使用，規格為直徑4.5 mm、厚度0.8 mm。另準備10只熱釋光劑量片作為本底劑量片，與試驗劑量片分開包裝，統一存放。TLD的探測閾為100 nGy，相對靈敏度為LiF（Mg，Ti）的40倍，重復性為±5%，線性檢測范圍為10μGy~12 Gy。

1.1.5 熱釋光退火爐

使用RGD-3D型熱釋光退火爐，測量范圍為0.01μGy～10.00 Gy，線性小于1%偏差，可測量多種類型熱釋光探測器，如圓片、方片、玻璃管及粉末等類型。

1.2 檢測方法

選取CT頭部掃描Head Routine Seq序列軸掃模式，CT曝光條件為手動選取常用診斷條件管電壓120 kV，因需要判斷TLD在區間范圍內輸出劑量的一致性，故輸出管電流范圍選擇50~400 mAs。每50 mAs設置為一擋實驗條件，共計8組。重建層厚4.8 mm，探測器參數（Acq.）設置為12排×1.2 mm，每掃描一次進床14.4 mm。將CT模體擺放至掃描床上，使用激光定位燈進行定位，完成定位像掃描之后，再將ICD依次插入CT頭部模體中心和四周的5個探針孔，未插入ICD的孔洞使用樹脂塞棒進行填充。依次進行5次曝光，記錄X射線質量檢測儀輸出的劑量值，記為Mi。

使用小棒將5只熱釋光劑量片分別推入頭部模體的5個孔洞中心位置，完成安裝后進行層掃曝光，每個擋位進行10次上述操作，共計使用50只熱釋光劑量片。曝光完成后將熱釋光劑量片送至熱釋光退火爐進行讀數，記為NT，本底劑量片退火后讀數記為N0。在每次曝光的同時記錄下西門子CT主控計算機曝光界面的容積CT劑量指數（volume CT dose index，CTDIvol）值，作為比較參考值，記為CTDICT-vol。

1.3 質量控制

1.3.1 CT檢定與試驗校準

西門子Definition AS CT已通過蘇州計量檢測研究院的檢定，計量特性檢測結果符合技術要求，擴展不確定度U=5%（包含因子k=2）。在進行每擋曝光試驗前，為確保CT輸出劑量精準，對CT進行空氣校準：選擇“setup”菜單欄下“check-up”選項曝光。

1.3.2 測量儀器質量控制

ICD于2020年5月送至中國測試技術研究院校準，校準使用的計量標準溯源至國家計量基準，校準證書給出在120 kV條件下的標準系數Np=1.056。

熱釋光劑量片在曝光完成后使用小棒推出，為避免解除受熱導致讀數損失，試驗人員使用鑷子將熱釋光劑量片放入外殼中進行編碼，完成編碼后進行遮光包裝，再運輸至相關機構進行退火。

RGD-3D型熱釋光退火爐經過蘇州市計量測試院校準，溫度在240℃時波動度為±0.3℃。選取最優化的退火方式：退火溫度為240℃，恒溫退火10 min[13]，退火后在室溫下將退火盤置于冷卻板上自然冷卻。然后以20℃/s的速度升溫至140℃，并保持20 s，再以20℃/s的速度升溫至240℃，保持20 s。

1.3.3 試驗人員

為減少試驗測量偏倚，所有試驗人員（共A、B、C 3人）在試驗前均進行過相關培訓。A負責操作CT、進行模體和ICD以及熱釋光劑量片的擺放；B負責記錄X射線質量檢測儀輸出劑量值（M1~M5）和CT輸出的CTDICT-vol，并記錄熱釋光劑量片退火后的計數（NT）和本底劑量片計數（N0）；C負責進行原始數據換算和統計學處理。

1.4 數據處理

1.4.1 ICD數據處理

ICD劑量值Mi實際為ICD在掃描期間獲得的總劑量值，將平均分布在模體中心和四周共5個孔洞的100 mm長度的容積CT劑量指數（CTDIICD-100）記為Ki。因數據需要修正，根據中國測試技術研究院給出的校準因子Np，將Mi代入公式（1），經過數值修正得到Ki：

式中，L為DCT10電離室的長度，L=10 cm。將修正過的CTDIICD-100（中心和四周）每擋條件掃描共計5個值分別代入公式（2），得出CTDIW-ICD的劑量值，表示每單位長度電離室掃描平面的劑量值：

1.4.2 TLD數據處理

熱釋光劑量片經退火爐得到的計數為NT，本底劑量片得到的計數為N0，將NT和N0代入公式（3）中得到每個點的劑量值CTDITLD-100（中心和四周）[13]：

式中，kT為退火爐機構給出的校準因子；Ka為Sv-Gy轉換系數。由于每個孔洞放入的是一只熱釋光劑量片，獲得的5個數據即為CTDITLD-100的點劑量值，再將每次獲得的CTDITLD-100（中心）和CTDITLD-100（四周）的5處劑量值代入公式（2），得出加權CT劑量指數CTDIW-TLD，表示在每個掃描層面上熱釋光劑量片測得的劑量值?？偣餐瓿?0個層面，共計得出10個CTDIW-TLD。將數據進行處理，整理成均數±標準差（±s）的形式。

1.4.3 CT數據處理

由于CT使用的掃描條件為序列軸掃模式，掃描范圍為10 cm，將CTDIW-ICD和CTDIW-TLD代入公式（4）和公式（5）得出ICD與TLD測量條件下的容積CT劑量指數CTDIICD-vol和CTDITLD-vol：

式中，N為軸掃球管旋轉1次產生的體層數；T為體層厚度；d為軸掃1次的進床距離。

1.5 統計學分析

采用Excel軟件繪制出CTDIICD-vol、CTDITLD-vol和CTDICT-vol的輸出劑量曲線，并進行橫向比較。因ICD校準可溯源至國家計量基準，故認為ICD數值CTDIICT-vol為計量標準值，采用SPSS 19.0軟件以標準值CTDIICD-vol對CTDITLD-vol值進行單樣本t檢驗分析。參考國家計量檢定規程JJG 961—2017《醫用診斷螺旋計算機斷層攝影裝置（CT）X射線輻射源》的計量性能要求[14]和國家衛生行業標準WS 519—2019《X射線計算機體層攝影裝置質量控制檢測規范》質量控制技術要求[15]，對比CTDITLD-vol和CTDICT-vol的相對誤差是否在標準要求的范圍內。采用SPSS 19.0軟件以CTDIICD-vol作為比對參考值對CTDITLD-vol進行線性擬合分析。

2 結果

2.1 CTDIvol結果

3種方法測得的CTDIvol數值詳見表1。使用3組測得的CTDIvol數據繪制散點趨勢圖，如圖1所示。從表1和圖1可以得出，在50~400 mAs條件下，ICD所獲得的劑量值換算成的CTDIICD-vol基本上等同于CT設定的容積劑量指數輸出值CTDICT-vol，證明CT實際輸出與CT設定的劑量值基本上是一致的（在50 mAs時最大相對誤差為7.31%）。但TLD所獲得的劑量值與CT設定的劑量值在150和350 mAs時有稍大的相對誤差，分別為9.62%和8.65%。

表1 不同曝光條件下3種方法測得的CTDIvol單 位：mGy

2.2 統計學結果

通過單樣本t檢驗得出t和P，TLD測得的CTDITDL-vol與ICD測得的CTDIICD-vol沒有顯著差異，詳見表2。

圖1 120 kV（50~400 mAs）曝光條件下3種方法測得的CTDIvol散點趨勢圖

表2 不同曝光條件下CTDITLD-vol與單樣本CTDIICD-vol的t檢驗結果（自由度v=9）

2.3 相對誤差

TLD測得的CTDITLD-vol與CT設定值CTDICT-vol相比，取CTDITLD-vol均數xˉ進行相對誤差的計算，在150 mAs條件下得到最大相對誤差（9.62%），250 mAs時獲得最小相對誤差（2.04%），小于JJG 961—2017標準中計量性能要求所規定的20%變化范圍，小于WS 519—2019標準中質量控制技術要求的15%基線誤差。

2.4 TLD數據線性分析

根據表1中的CTDITLD-vol均數xˉ，使用Excel軟件擬合出TLD測得的CTDITLD-vol變化的趨勢圖（如圖2所示），得出線性回歸方程y=0.153 9x-0.495 7。對該回歸方程的回歸系數進行統計學檢驗，得到t=40.921，，差異有統計學意義，表明回歸系數存在，可以用x的變異來預測y的變異，證明本研究中曝光設置的管電流和TLD的劑量值有顯著的線性回歸關系。對回歸方程進行線性的決定系數計算，得到R2=0.996 4，表示因變量y變異的99.64%可以由x的變異來解釋，說明本次擬合效果良好。

3 討論

為保持影像質量與患者吸收劑量之間的適當平衡，測量X射線劑量的常用儀器主要有ICD、TLD和半導體探測器3種。ICD又分為自由空氣電離室、圓柱和平行板電離室、投射電離室3種。半導體探測器相對精準，但成本較高，市場尚未普及。小型TLD可用于患者劑量測量，缺點是能量響應比ICD差，多用于郵寄比對[16]和日常臨床測量。

熱釋光是一種材料受到輻射照射后經加熱所發射的光，被輻照后的材料形成電子陷阱受熱激發，釋放陷阱中的電子進而發光，光強度與材料接收的輻射相關。最常用的熱釋光體有氟化鋰（LiF）、氧化鈹（BeO）、氟化鈣（CaF2）、硼酸鋰（Li2B4O7）、硫酸鈣（CaSO4）和硅酸鎂（Mg2SiO4）[17-18]。TLD具有組織等效性好、靈敏度和準確性高、商業可用性強、穩定性強、重復性和線性響應好、測量范圍大等諸多優點，但也有其固有缺陷，如退火程序與退火溫度對TLD測量的計數影響程度較大。因ICD具有便攜性、可讀性、直接測量等諸多優勢，許多研究使用ICD進行X射線劑量測量[19-21]。但因ICD價格較為昂貴，導致其普及使用的程度和獲得的途徑相對不易，同時受限于ICD尺寸和形狀，有些實驗無法將電離室放在模體內部，僅用于表面或較大腔體內的測量。TLD具有普及程度高、獲取方法較為容易、測量方法與放置程度較為簡單的優勢，但其分散性較大，需提前進行篩選后再進行實驗，讀取數據方式需要退火后換算，屬于一種間接測量的方式。TLD本身也存在著一定的缺陷，如不同輻射能量種類條件下相同劑量的輻照、相同劑量但不同X射線角度的輻照均有可能造成30%以上的測量偏差[22]。

圖2 TLD測得的CTDITLD-vol線性趨勢圖

本文分別使用TLD和LCD測量CT輸出管電壓120 kV、管電流50~400 mAs條件下的輸出劑量值，并與CT設定的輸出劑量值進行比對。得出以下結論：（1）由于ICD經可溯源至國家計量基準的標準檢定，其可作為計量標準。而TLD與ICD在120 kV、50~400 mAs條件下所獲得的數據通過獨立樣本t檢驗在統計學上沒有明顯的差異，故可認為使用TLD檢測X射線劑量的方法等效于使用ICD的方法。（2）使用TLD測量X射線劑量隨著CT輸出管電流的規律性變化具有明顯的線性特性，且線性擬合度較好（R2=0.996 4，R=0.998 2），接近正強相關。（3）TLD測得的CTDITLD-vol與CT顯示的CTDICT-vol差異均小于國家計量檢定規程和國家衛生行業標準所規定的限值。雖然TLD存在相對誤差，但與設定值的相對誤差較小，符合國家相關規定限值要求。王進等[10]和胡傳朋等[11]使用平板型電離室和TLD驗證直線加速器電子線MV級的劑量比對，結果均顯示平板型電離室驗證效果較優，TLD可作為電子線劑量驗證方法的補充，與本實驗得出的結果一致。根據上述分析，ICD和TLD 2種測量方法在一定程度上可以相互彌補自身的缺點，實驗者可以根據實際情況較為靈活地選擇測量方式。

本實驗的不足之處在于使用TLD測得的數據具有較高的分散性，標準差s幾乎為平均值的1/3~1/4，所以在選擇TLD進行劑量實驗時，有必要事先進行預實驗，在篩選（分散程度在5%以內）、校準、刻度、測量和數據處理環節進行嚴格的質量控制，以保證驗證結果的可靠性。另外，本試驗僅研究了在CT常用管電壓120 kV、50~400 mAs條件下TLD測得的CT輸出劑量值的情況，但臨床CT擁有4個管電壓擋位（80、100、120、140 kV），技師會根據不同受檢者和不同檢查部位選擇相應的管電壓。下一步將在80、100、140 kV和50~400 mAs相互組合的條件下，以ICD檢測方法為計量基準進一步進行研究，以驗證TLD是否可以用于檢測CT常規條件下的劑量輸出值。

綜上所述，TLD可用于測量CT輸出X射線劑量，總體準確度較高，與ICD測量數值無明顯差異，可用于120 kV CT診斷條件下的輻射劑量學研究。