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CT机扫描条件对CT值和辐射剂量指数的影响
【来源/作者】中国计量报 【更新日期】2014-12-19 10:37:58

随着使用的日益广泛,X射线计算机断层摄影装置(Xray Computerized Tomography Scanner, 简称CT)已经成为医用诊断中最重要的装置之一,其成像质量对患者病情的诊断有直接的影响;同时,由它带来的辐射剂量控制的问题也越来越受到各国的重视。德国放射防护联邦局1994年的调查结果显示,CT扫描仅仅为所有放射检查的4%,但却是医疗放射人群剂量的1/3;而放射剂量的增加将直接危及人体健康,如增加致癌几率等。我国于2001年制定了JJG961-2001《医用诊断计算机断层摄影装置(CT)X射线辐射源》检定规程,对CT成像质量及剂量指数作出了明确的要求和规定,为CT成像质量及辐射剂量的控制提供了明确的参考。CT成像质量及辐射剂量会受到各方面因素的影响,如管球、探测器、机器类型及使用年限、扫描方式和扫描条件等。在临床单层轴向扫描中,管电压、管电流、曝光时间、层厚、照射野等扫描条件对于CT成像质量及辐射剂量有直接的影响。在本文中,我们根据实际检定工作中得到的临床数据,在其他条件相同的情况下,分析了管电压、管电流和曝光时间对CT值和辐射剂量指数的影响,这将有利于在CT的临床使用中更好地选择扫描条件,保障患者的辐射安全,同时对根据CT值进行临床诊断提供参考依据。

一、CT基本原理

CT成像原理是X射线发生器环绕人体某一检查部位旋转作横断面扫描,如图1所示。高度准直的X射线束从不同方向照射病人,透过人体后再经准直器由探测器接收。探测器接收这些不同方向的强弱不同的X射线所产生的信号,经一系列电路和计算机重建后,就可获得该部位横断面的解剖结构图像。

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<CTSM>图1CT成像原理示意图</CTSM>

探测器接收到的X射线的强弱,取决于该部位的人体截面内不同组织对X射线的吸收系数,用公式表示即为:

I=I0e-μd(1)

式中:I——经人体组织吸收后透射的X射线强度;I0——入射X射线强度;d——该组织的厚度;μ——该组织对X射线的吸收系数,其由X射线的能量以及组织内所包含的物质类型决定。几种不同物质对X射线的吸收系数如图2所示。

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<CTSM>图2不同物质对X射线的吸收系数</CTSM>

根据物质的吸收系数,我们就可以定义物质的CT值:



其单位为霍斯菲尔德(HU)。根据式(2),可得出水的CT值为0HU,空气的CT值为-1000HU。在临床诊断中,CT值是进行医学诊断的重要参考,如某一组织病变之后其CT值将会发生变化。同时,由于CT扫描会产生对病人的辐射危害,因此,我们还特别关心另一个重要的指标——辐射剂量指数。JJG961-2001中将剂量指数(CTDI)定义为:



式中:T——标称断层厚度;N——一次扫描断层层数;D(Z)——垂直于断层平面的坐标轴(Z轴)的单次扫描的吸收剂量分布。由于CT技术的发展,特别是螺旋CT的广泛应用,CTDI的定义也不断更新。目前,最常用的是CTDI100,它表示沿轴线方向,对剂量分布从(-50~+50)mm进行积分,即



在此基础上,进而可计算加权CT剂量指数(CTDIw)和容积CT剂量指数(CTDIvol)等,它们与CTDI100一起作为描述螺旋CT的辐射剂量指数。本文讨论的辐射剂量指数(CTDI)包括由式(3)定义的CTDI或者由式(4)定义的CTDI100

二、有关扫描条件对CT值和辐射剂量指数的影响

对CT值和辐射剂量指数产生影响的因素是多方面的,如扫描方式和扫描条件、硬件状态和软件环境等。在临床扫描和检定中,在其他参数不变的情况下,选择不同的扫描条件(如管电压kV、管电流和曝光时间的乘积mAs)对CT值和辐射剂量指数有着直接的影响。物理原理告诉我们,可将物质对X射线的吸收系数定义为:



式中:ρ——物质密度;A——原子质量;σ(E)——该物质对能量为E的X射线粒子吸收的截面;C——常数。

由式(5)可以看出,吸收系数与物质的类型和X射线能量有关(如图2所示)。同时,由图2中的小图可知,各物质吸收系数与水吸收系数之差随能量增加而增大;再由式(2)可知,各物质CT值必将随X射线能量的增加而增大。X射线的能量由管电压(kV)决定。因此,kV参数变大,各物质CT值将变大(如图3所示)。参数管电流(mAs)直接影响的是X射线的粒子注量Ф(即不影响单个粒子的物理特性,只是影响粒子数目),并不影响物质对X射线的吸收系数,因此,它对CT值的影响将很小。我们在美国GE公司型号为CT/e的CT机上进行了相应的实验,验证了以上的分析(见图3)。

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<CTSM>图3检定时CT扫描参数kV和mAs对CT值的影响</CTSM>

在电子平衡条件下,吸收剂量与粒子注量之间有如下关系:



式中:f——描述被吸收的光子能量转化为带电离子动能的平均份额;μen/ρ——X射线在某物质中的质能吸收系数。

由式(6)可以看出,吸收剂量与X射线的能量E和粒子注量Ф成正比;能量E由参数kV决定,注量Ф由参数mAs决定。因此,结合辐射剂量指数的定义可知,它将随参数kV和mAs增大而增大。我们同样在美国GE公司型号为CT/e的CT机上进行了实验,证明了以上结论,如图4所示。


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<CTSM>图4检定时CT扫描参数kV和mAs对辐射指数的影响</CTSM>

三、结论

本文根据实际检定工作中得到的临床数据,在其他条件(如层厚、照射野等)相同的情况下,研究了管电压、管电流和曝光时间对CT值和辐射剂量指数的影响。通过以上的理论分析与实验结果,我们得到以下结论:X射线计算机断层摄影装置(CT)的扫描条件对CT值和辐射剂量有着直接的影响;其中管电压(kV)将同时影响CT值和辐射剂量,管电流(mA)以及曝光时间将共同影响辐射剂量(详见第二部分)。这为在CT的临床使用中更好地选择扫描条件,保障患者的辐射安全,以及根据CT值进行临床诊断提供了重要的参考依据。


【关键词】X射线, CT, 探测器, 奥科官网 

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