CT劑量計校準裝置長度準直器縫寬和倒角對散射的影響

白雪 袁杰 孫訓 胡崇慶 / 上海市計量測試技術研究院

0 引言

醫用診斷計算機X 射線斷層攝影裝置（CT）是篩查和診斷疾病常用的放射學設備，由于X 射線的電離特性對患者、醫務人員和公眾構成了潛在的健康風險，因此，其技術性能的保障至關重要。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》規定對CT 主要性能參數的檢定項目有CT 劑量指數、均勻性、噪聲水平等。CT劑量計用于測量CT 劑量指數，是CT 計量檢定和質量控制檢測的關鍵儀器。

國家計量校準規范 JJF 1621—2017 《診斷水平劑量計校準規范》規定了CT 劑量計的校準項目與校準方法[1]，診斷水平CT 劑量計空氣比釋動能長度乘積值的校準測量需使用長度準直器，其尺寸應大于CT 探測器的尺寸，中間開長方形孔，孔長度要求在20 ～50 mm 之間，孔長度最大允許誤差為±10 μm，寬度約為CT 探測器直徑的兩倍。長度準直器也稱為光闌，用于限制輻射束照射范圍以形成部分照射，即形成一個“窄縫”輻射束。IAEA TRS457 報告指出，光闌需要合適的倒角以減少散射和透射，合適的光闌可以減少幾何半影和穿射半影[2]。JJF 1621—2017中給出了“窄縫”縫寬指標范圍，但沒有提出具體的縫寬值和倒角值。中國計量科學研究院發表的論文《CT 電離室校準條件的建立與模擬》和《長桿電離室校準因子及其殘留因子研究》，都提出在校準長桿電離室CT 劑量計時需考慮殘留因子的影響[3-5]，并指出殘留因子的產生主要是因為“窄縫”的散射影響。為降低“窄縫”散射，提高CT 劑量計校準測量的準確性，針對長度準直器的縫寬和倒角及其對散射的貢獻，開展相應的實驗研究。

1 原理與方法

X 輻射場準直束內的總輻射由“直接輻射”和“散射輻射”兩部分組成?！爸苯虞椛洹睘閄 輻射源產生的X 射線，“散射輻射”為直接輻射的光子與物質相互作用后，其能譜與方向發生了改變后的X 射線。

診斷水平CT 劑量計的校準如圖1 所示，校準因子為X 參考輻射場中校準測量點上，空氣比釋動能長度乘積參考值與被校CT 劑量計示值的比值。長度準直器“窄縫”產生的散射輻射直接影響空氣比釋動能參考值的準確度?！吧⑸漭椛洹睙o法消除，但可以通過長度準直器形狀與幾何尺寸的合理設計、制作工藝的優化來盡量減少。

圖1 診斷水平CT 劑量計校準原理

平方反比律的驗證法和影錐法是評測輻射場散射輻射大小的兩種常用方法。平方反比律驗證是指在輻射場內關注點測量得到的直射束劑量率與距離平方反比律的偏離程度，用以評價輻射場散射影響。影錐法用于實驗中測量散射輻射大小，具體方法是采用適當形狀、尺寸的鉛屏蔽體（即影錐）放置在X 輻射源準直射束方向上，及電離室探測器與光闌之間，如圖2 所示。調節影錐的位置，使得X 輻射源產生的X 射線不能直接照射到探測器靈敏部分，此時可以認為電離室探測到的輻射以散射輻射為主要成分。

圖2 影錐法原理示意圖

選用密度較大的鎢鋼材料制作長度準直器，兩邊各四片光闌按順序連續排列形成錐形的“窄縫”，其斜度即為長度準直器的倒角，可借助量角尺準確測量并調節倒角；每邊四片光闌間隔層疊在基座支架上，這些間隔用作由前一縫的邊緣散射的光子的陷阱，即構造出散射腔；兩邊光闌片形成的縫寬由電子游標卡尺準確測量。設計制作鉛影錐，其形狀與參考電離室（型號為PTW 30013）相同，厚度應足以屏蔽150 kV 的X 射線。

采用影錐法實驗測量散射輻射，通過調節長度準直器縫寬和倒角，調控被校CT 劑量計的受照長度和散射影響。由圖3 可見，當長度準直器的倒角與X 射線在出射口形成的輻射角相等時，X 射線與長度準直器“窄縫”面平行，此時輻射角可以通過三角幾何關系計算。設置長度準直器入口距X 輻射源焦點的距離為1 200 mm，縫寬為36 mm，計算得到輻射角為0.86°，則倒角為89.14°。

圖3 長度準直器倒角與X 射線輻射方向關系

2 結果與分析

依據IAEA TRS457 報告給出的縫寬推薦值，分別在長度準直器倒角為89.14°時測量不同縫寬的散射劑量，以及在長度準直器縫寬為36 mm 時測量不同倒角的散射劑量，結果如圖4、圖5 所示。

圖4 散射劑量隨縫寬的變化

圖5 散射劑量隨倒角的變化

長度準直器產生的散射劑量隨縫寬的減小而減少。當長度準直器的縫寬值在30 ～40 mm 之間，散射劑量隨縫寬值變化較小，散射劑量也相對較小，當長度準直器的縫寬值大于40 mm 或小于30 mm 時，散射劑量隨縫寬值變化曲率較大。尤其當縫寬值大于40 mm 時，散射劑量明顯增加。同時，長度準直器產生的散射劑量隨倒角角度的減小而增加。減少長度準直器的倒角，會增大散射接觸面，散射劑量急劇增大，而倒角在89.14°時，散射劑量最小，與相關文獻的理論分析[3]基本相符。由于實驗用長度準直器四片光闌總厚度僅為10 mm，因此，倒角為89.14°和90°時的散射劑量變化不大。同時，實驗結果也驗證了長度準直器的斜度與X 射線在出射口形成的輻射角相等時散射劑量最小。當長度準直器狹縫面斜度大于X 射線出射角時，被校CT 劑量計的實際受照長度偏大，空氣比釋動能長度乘積參考值相應變大，導致被校CT 劑量計的校準因子偏高；當長度準直器狹縫面斜度小于X 射線出射角時，會造成輻射場里的射線劑量不均勻且散射劑量增加，影響空氣比釋動能參考值的準確性，從而導致較大的校準不確定度。

3 結語

CT 劑量計校準裝置長度準直器的縫寬和倒角設計與CT 劑量計校準因子的測量結果密切相關。依據IAEA TRS457 報告中對長度準直器的性能要求，設計制作長度準直器開展散射影響測量實驗，結果顯示，長度準直器的倒角與X 射線束的輻射角相等、狹縫寬度在30 ～40 mm 之間時，散射劑量及其變化最小。研究結果對于CT 劑量計校準裝置的設計研制具有借鑒與參考價值。