The Effect of X-ray Energy on Dosimeter Measurements of CT Radiation Dose
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摘要:
目的:使用Raysafe-X2空气电离室(简称“RX2”)、piranha CT dose profiler半导体电离室(简称“CDP”)和
30013 Farmer 空气电离室(简称“PT3”)测量不同X射线能量下的点剂量和容积CT剂量指数(CTDIvol),探讨X射线能量对不同剂量计评估辐射剂量的影响。方法:逐层扫描管电压设置:单能量模式包括:80 kV、90 kV、100 kV、120 kV、140 kV和150 kV(Sn),双能量模式包括:70/150 kV(Sn)、80/150 kV(Sn)、90/150 kV(Sn)、100/150 kV(Sn)和80/140 kV。通过手动调节管电流,保证各组CTDIvol约为20 mGy,记录显示CTDIvol与DLP。使用CDP和PT3测量32 cm模体中心、0点、3点、6点和9点位点剂量值。使用RX2、CDP和PT3测量并计算实际CTDIvol。结果:(1)点剂量:①单能量模式(除Sn150 kV)时CDP在中心位置测得点剂量高于PT3。低能量时非中心位置,CDP测得的75%点剂量高于PT3;高能量时PT3测得的88%的点剂量高于CDP。②双能量模式(除90+Sn150 kV)时CDP在中心位置测得点剂量均高于PT3。除80+140 kV,非中心位置PT3测得点剂量高于CDP。(2)CTDIvol:RX2测量值为(18.89±0.38)mGy,CDP测量值为18.31(19.25,20.84)mGy,PT3测量值为(20.35±0.38)mGy。除使用CDP在150 kV(Sn)的射线能量下,余射线能量下三种剂量计测得CTDIvol均在16 mGy~24 mGy之间。结论:不同剂量计对射线能量的响应特性存在差异,因此在不同测量条件和测量目的下,选择合适的剂量计至关重要。Abstract:Objective: The point dose and volume CT dosimetry index (CTDIvol) at different X-ray energies were measured using the Raysafe-X2 air ionization chamber (referred to as “RX2”), the Piranha CT dose profiler semiconductor ionization chamber (referred to as “CDP”), and the
30013 Farmer air ionization chamber (referred to as “PT3”), in order to explore the effect of X-ray energy on the radiation dose evaluation by different dose meters. Methods : The tube voltage settings for each layer were as follows: single energy mode included 80 kV, 90 kV, 100 kV, 120 kV, 140 kV, and 150 kV (Sn); dual energy mode included 70/150 kV (Sn), 80/150 kV (Sn), 90/150 kV (Sn), 100/150 kV (Sn), and 80/140 kV. The tube current was manually adjusted to ensure that the CTDIvol for each group was approximately 20 mGy, and the displayed CTDIvol and DLP were recorded. Point dose values were measured at the center, 0-point, 3-point, 6-point, and 9-point positions of the 32 cm phantom using CDP and PT3. The actual CTDIvol was measured and calculated using RX2, CDP, and PT3. Results: (1) Point Dose:①in single energy mode (except for Sn150 kV), CDP measured higher point doses at the center compared to PT3. At low energies, the point dose measured by CDP at non-center positions was 75% higher than that of PT3, while at high energies, 88% of the point doses measured by PT3 were higher than those measured by CDP. ②In dual energy mode (except for 90+Sn150 kV), CDP measured higher point doses at the center compared to PT3. However, except for 80+140 kV, PT3 measured higher point doses than CDP at non-center positions. (2) As for CTDIvol, the measured values were as follows: RX2 measured (18.89 ± 0.38) mGy, CDP measured 18.31 (19.25, 20.84) mGy, and PT3 measured (20.35 ± 0.38) mGy. Except when CDP was used at 150 kV (Sn), the CTDIvol measured by all three dose meters for other X-ray energies ranged between 16 mGy and 24 mGy. Conclusion: Different dosimeters exhibit varying responses to X-ray energy. Therefore, selecting an appropriate dosimeter is crucial depending on the measurement conditions and objectives.-
Keywords:
- X-ray energy /
- dosimeter /
- point dose /
- volume CT dosimetry index
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CT检查会产生2~33 mSv的平均辐射剂量[1],辐射可能会引起随机效应或短期健康风险[2-4],尤其是对儿童[5],准确地评估CT辐射剂量显得尤为重要。容积CT剂量指数(volume CT dosimetry index,CTDIvol)是CT检查中扫描覆盖总体积上的平均剂量。点剂量是在CT扫描过程中特定位置或特定点上的辐射剂量。CTDIvol的测量是CT设备质控的重要指标,点剂量测量是评估局部组织或器官辐射水平的重要数值。两种剂量测量的准确性均依赖于剂量计这一工具,它能够反映扫描过程中所产生的辐射量[6]。然而,剂量计的测量精度可能受到多种因素的影响,其中X射线能量是一个重要的变量[7]。不同的X射线能量可能导致剂量计响应的差异,从而影响辐射剂量的测量结果。因此,本文通过使用Raysafe-X2空气电离室、
30013 Farmer空气电离室和piranha CT dose profiler半导体电离室三种剂量计,测量不同X射线能量下的CTDIvol和点剂量值,探讨X射线能量对不同剂量计评估辐射剂量准确性的影响。1. 资料与方法
1.1 实验材料
德国Siemens公司Somatom Force双源CT。32 cm CT剂量模体。Raysafe-X2空气电离室(简称“RX2”),德国PTW公司
30013 Farmer 空气电离室(简称“PT3”),piranha CT dose profiler半导体电离室(简称“CDP”)。1.2 实验方法
1.2.1 CT剂量模体及剂量计放置方式:
将模体置于检查床上,模体中心与机架中心重合。三种剂量计的测量区中心与模体中心重合(图1)。
1.2.2 逐层扫描参数设置与记录:
管电压设置分为单能量和双能量模式,单能量模式包括:80 kV、90 kV、100 kV、120 kV、140 kV和150 kV(Sn),双能量模式包括:70/150 kV(Sn)、80/150 kV(Sn)、90/150 kV(Sn)、100/150 kV(Sn)和80/140 kV,通过手动调节管电流,保证各组CTDIvol相同,约为20 mGy(表1),准直宽度192×0.6 mm,SFOV 400 mm,扫描时间(cycle time)2.5 s。记录扫描后设备显示的CTDIvol与DLP,计算实际扫描长度。
表 1 实际扫描参数和设备显示辐射剂量及扫描长度Table 1. Actual Scanning Parameters, Radiation Dose Displayed by the Equipment, and Scanning Length管电压(kV) Raysafe-X2空气电离室 30013 Farmer 空气电离室
piranha CT dose profiler半导体电离室管电流(mAs) 显示值 扫描长度(cm) 管电流(mAs) 显示值 扫描长度(cm) CTDIvol(mGy) DLP(mGy∙cm) CTDIvol(mGy) DLP(mGy∙cm) 80 1045 20.03 115.4 5.76 870 20.02 192.2 9.60 90 695 20.03 115.4 5.76 578 19.99 191.9 9.60 100 500 20.01 115.3 5.76 416 19.97 191.7 9.60 120 299 19.92 114.8 5.76 249 19.9 191 9.60 140 206 19.99 115.1 5.76 171 19.89 190.9 9.60 Sn150 686 19.97 115 5.76 572 19.97 191.7 9.60 70+Sn150 1053 /26319.93 114.8 5.76 880/220 19.99 191.9 9.60 80+Sn150 595/298 20.06 115.6 5.76 495/248 20.02 192.2 9.60 80+140 544/99 19.98 115.1 5.76 452/82 19.87 190.7 9.60 90+Sn150 425/266 19.97 115 5.76 355/222 20 192 9.60 100+Sn150 367/184 20.01 115.3 5.76 305/153 19.94 191.5 9.60 1.2.3 剂量测量与计算方法:
①点剂量:使用CDP和PT3测量32 cm模体中心、0点、3点、6点和9点位剂量,测量值根据公式1进行归一化,即为点剂量值。②CTDIvol:使用三种剂量计对32 cm模体中心、0点、3点、6点和9点位进行测量,测量值根据式1进行归一化。其中RX2归一化值根据式2、式3计算CTDIvol。CDP和PT3归一化值除以实际扫描长度后乘以100为CTDI100,再根据式3计算CTDIvol。
$$ {\mathrm{C}\mathrm{T}\mathrm{D}\mathrm{I}}_{\mathrm{归}\mathrm{一}\mathrm{化}}=\frac{{\mathrm{C}\mathrm{T}\mathrm{D}\mathrm{I}}_{\mathrm{测}\mathrm{量}\mathrm{值}}}{{\mathrm{C}\mathrm{T}\mathrm{D}\mathrm{I}}_{\mathrm{v}\mathrm{o}\mathrm{l}\mathrm{显}\mathrm{示}}}\times 20 \text{,} $$ (1) $$ {{\mathrm{CTDI}}}_{100}=\frac{1}{N\cdot T}{\int }_{-50\;{\mathrm{mm}}}^{+50\;{\mathrm{mm}}}D\left(z\right){\mathrm{d}}z \text{,} $$ (2) $$ {{\mathrm{CTDI}}}_{W}=\frac{1}{3}{{\mathrm{CTDI}}}_{100\text{,}c} + \frac{2}{3}{{\mathrm{CTDI}}}_{100\text{,}p} 。 $$ (3) 式2中N为探测器数量,T为层厚。
$ {{\mathrm{CTDI}}}_{100,c} $ 为中心点剂量值,$ {{\mathrm{CTDI}}}_{100,p} $ 为0点、3点、6点和9点剂量值。2. 结果
2.1 逐层扫描参数和设备显示剂量值
不同X射线能量下,实际扫描参数和剂量报告中辐射剂量的显示值,见表1。
2.2 不同X射线能量下piranha CT dose profile半导体电离室和
30013 Farmer空气电离室测得点剂量值单能量模式(表2):除Sn150 kV外,在中心位置使用CDP剂量计测得点剂量高于PT3剂量计。80 kV和90 kV时,在非中心位置使用CDP剂量计测得75%的点剂量高于PT3剂量计。100 kV、120 kV、140 kV和Sn150 kV时,在非中心位置使用PT3剂量计测得88%的点剂量高于CDP剂量计,其中Sn150 kV在6点位的点剂量相差约161%。
表 2 单能量模式下使用piranha CT dose profiler与30013 Farmer空气电离室测得点剂量(mGy)Table 2. Point Dose Measured Using a Piranha CT Dose Profiler and30013 Farmer Air Ionization Chamber under the Single Energy Mode (mGy)管电压(kV) 中心 0点 3点 6点 9点 CDP PT3 CDP PT3 CDP PT3 CDP PT3 CDP PT3 80 12.56 10.79 24.76 24.83 25.05 23.18 22.73 21.78 24.57 23.08 90 12.98 11.41 25.9 24.76 24.52 23.21 22.5 24.01 23.65 23.16 100 13.12 11.67 24.6 22.28 22.93 23.08 23.78 23.69 22.5 22.93 120 12.85 11.81 22.32 22.06 21.33 22.61 21.06 21.66 20.45 22.51 140 12.57 12.47 21.18 24.28 19.81 22.93 18.57 21.87 19.43 22.78 Sn150 11.03 13.67 13.15 22.23 13.49 22.63 8.64 22.88 13.14 22.48 注:CDP为piranha CT dose profile半导体电离室。PT3为 30013 Farmer空气电离室。双能量模式(表3):除90+Sn150 kV外,在中心位置使用CDP剂量计测得点剂量高于PT3剂量计。除80+140 kV外,在非中心位置使用PT3剂量计测得点剂量高于CDP剂量计。
表 3 双能量模式下使用piranha CT dose profiler与30013 Farmer空气电离室测得点剂量(mGy)Table 3. Point Dose Measured Using Piranha CT Dose Profiler and30013 Farmer Air Ionization Chamber under the Dual Energy Mode (mGy)管电压(kV) 中心 0点 3点 6点 9点 CDP PT3 CDP PT3 CDP PT3 CDP PT3 CDP PT3 70+Sn150 12 11.91 23.29 24.41 22.37 24.01 19.81 22.86 21.92 23.91 80+Sn150 12.24 12.14 22.3 23.43 20.8 23.68 19.45 23.13 20.26 23.78 80+140 13.02 12.03 24.13 24.01 24.01 24.71 22.25 22.75 23.15 24.26 90+Sn150 12.45 12.6 20.62 23.45 20.53 23.6 19.4 22.7 20.01 23.65 100+Sn150 12.75 12.44 22.23 23.47 20.88 23.47 19.84 23.02 20.72 23.42 注:CDP为piranha CT dose profile半导体电离室。PT3为 30013 Farmer空气电离室。2.3 不同X射线能量下三种剂量计测得容积CT剂量指数值
Sn150 kV,CDP剂量计测得CTDIvol为12.24 mGy。其余X射线能量下,三种剂量计测得CTDIvol均在(20-20×20%)mGy~(20+20×20%)mGy之间[8]。(表4)
表 4 不同X射线能量下使用3种剂量计测得容积CT剂量指数(mGy)Table 4. Volume CT Dosimetry Index Measured Using Three Dosimeters under Different Energies(mGy)管电压(kV) RX2 CDP PT3 80 18.89 21.22 19.87 90 18.96 21.27 20.48 100 18.57 20.84 20.02 120 18.26 19.25 19.53 140 18.33 18.08 20.4 Sn150 18.66 12.24 20.41 70+Sn150 19.18 19.34 20.66 80+Sn150 19.22 18.62 20.53 80+140 19.33 20.77 20.8 90+Sn150 19.34 18.31 20.59 100+Sn150 19.01 18.95 20.52 统计值 18.89±0.38 18.31(19.25,20.84) 20.35±0.38 注:RX2为Raysafe-X2空气电离室。CDP为piranha CT dose profile半导体电离室。PT3为 30013 Farmer空气电离室。3. 讨论
点剂量和CTDIvol都是用来评估患者在CT扫描过程中所受到辐射剂量的关键参数。在临床应用中,点剂量用于评估局部区域的辐射暴露,通常会测量患者体内某个部位(例如身体的中心或边缘)所受到的辐射剂量。CTDIvol是CT设备剂量报告的标准量化指标[9],考虑了整个扫描区域的辐射分布[10],作为CT系统的剂量监控参数,帮助放射技师了解CT扫描的辐射剂量水平,并根据该数值调整扫描参数以尽量减少患者的辐射剂量。针对所测辐射量的特点,需要使用不同的剂量计进行测量,通过入射辐射与剂量计介质相互作用产生电离,将辐射转换为后续电子线路能接收的信息[11-12],如电流、电压及电荷信号。
3.1 不同X射线能量对两种剂量计测得点剂量的影响
本研究中,通过使用CDP和PT3两种剂量计在不同射线能量下测量点剂量进行了评估,结果显示,所有X射线能量下,使用CDP剂量计在剂量模体中心位置测得的点剂量均高于PT3剂量计。而在非中心位置,单能量模式中管电压80 kV和90 kV时,也是CDP剂量计测得的点剂量更高。分析其原因,半导体电离室测量体积较小,具有较高的空间分辨力[13]。同时,半导体电离室采用高原子序数且密度大的硅作为探测介质,其灵敏度远高于以低密度空气作为探测介质的空气电离室。模体中心位置以及单能量低管电压时模体的周边位置均是射线能量较低的区域,进而半导体电离室测得的点剂量较高。但半导体电离室对高剂量辐射易出现饱和,响应范围较空气电离室窄,当X射线能量较高时,如单能量模式高管电压以及双能量模式中B球管输出高管电压时,在模体的非中心位置,PT3空气电离室测得的点剂量较半导体剂量计更高,此结果与沈春花[14]等人的结论一致。
3.2 不同X射线能量对三种剂量计测量CTDIvol的影响
本研究中使用的Raysafe-X2空气电离室通常作为CT稳定性检测中CTDIvol的测量工具,其测量体积较大(10 cm),能够捕获更大范围内的X射线,减少了射线的不均匀性,对辐射场的平均响应更为平滑[15]。经研究证实,在不同X射线能量下,RX2剂量计的测量值保持在18.26~19.34 mGy之间较为稳定,证明该剂量计对不同射线能量的响应较为均衡,与郑海亮[16]等人的研究结果一致。同为空气电离室的PT3剂量计,因其体积小测量射线束的高能量中心区域,其测量值较10 cm空气电离室更为准确,范围在19.53~20.66 mGy之间。而半导体电离室,因其对高能射线(Sn150)存在非线性响应,CDP在剂量模体的周围位置测量效率降低,因此根据5个位置点剂量计算CTDIvol的方法偏差较大。双能量模式时根据实际管电流输出可以看出,A球管的低能量射线占主导位置,因此半导体电离室在双能量模式下的测量结果(18.31~20.77 mGy)相较单能量模式(12.24~21.27 mGy)更为稳定。
3.3 局限性与结论
本研究的不足之处:由于CT设备所发射的X射线为混合能量线束,在常规扫描模式中无法直接获取射线能量的具体数值,本研究以管电压设置作为射线能量的代表便于指导临床剂量测量时选择合适的剂量计,但因双能量模式具有设备的独特性,故超出本研究设定的管电压范围,剂量计的选择需进一步验证。
综上所述,不同剂量计对X射线能量的响应特性存在差异,因此在不同测量条件和测量目的下,选择合适的剂量计至关重要。射线能量较低时,piranha CT dose profiler电离室具有更高的灵敏度和响应效率,适用于中心位置和点剂量的精确测量。射线能量较高时,
30013 Farmer电离室因其良好的线性响应和对高能射线的稳定性表现出明显优势,特别适用于高能射线条件下的非中心位置剂量测量。Raysafe-X2电离室因其测量结果最稳定,适用于标准化测量以及整体CTDIvol的评估。 -
表 1 实际扫描参数和设备显示辐射剂量及扫描长度
Table 1 Actual Scanning Parameters, Radiation Dose Displayed by the Equipment, and Scanning Length
管电压(kV) Raysafe-X2空气电离室 30013 Farmer 空气电离室
piranha CT dose profiler半导体电离室管电流(mAs) 显示值 扫描长度(cm) 管电流(mAs) 显示值 扫描长度(cm) CTDIvol(mGy) DLP(mGy∙cm) CTDIvol(mGy) DLP(mGy∙cm) 80 1045 20.03 115.4 5.76 870 20.02 192.2 9.60 90 695 20.03 115.4 5.76 578 19.99 191.9 9.60 100 500 20.01 115.3 5.76 416 19.97 191.7 9.60 120 299 19.92 114.8 5.76 249 19.9 191 9.60 140 206 19.99 115.1 5.76 171 19.89 190.9 9.60 Sn150 686 19.97 115 5.76 572 19.97 191.7 9.60 70+Sn150 1053 /26319.93 114.8 5.76 880/220 19.99 191.9 9.60 80+Sn150 595/298 20.06 115.6 5.76 495/248 20.02 192.2 9.60 80+140 544/99 19.98 115.1 5.76 452/82 19.87 190.7 9.60 90+Sn150 425/266 19.97 115 5.76 355/222 20 192 9.60 100+Sn150 367/184 20.01 115.3 5.76 305/153 19.94 191.5 9.60 表 2 单能量模式下使用piranha CT dose profiler与
30013 Farmer空气电离室测得点剂量(mGy)Table 2 Point Dose Measured Using a Piranha CT Dose Profiler and
30013 Farmer Air Ionization Chamber under the Single Energy Mode (mGy)管电压(kV) 中心 0点 3点 6点 9点 CDP PT3 CDP PT3 CDP PT3 CDP PT3 CDP PT3 80 12.56 10.79 24.76 24.83 25.05 23.18 22.73 21.78 24.57 23.08 90 12.98 11.41 25.9 24.76 24.52 23.21 22.5 24.01 23.65 23.16 100 13.12 11.67 24.6 22.28 22.93 23.08 23.78 23.69 22.5 22.93 120 12.85 11.81 22.32 22.06 21.33 22.61 21.06 21.66 20.45 22.51 140 12.57 12.47 21.18 24.28 19.81 22.93 18.57 21.87 19.43 22.78 Sn150 11.03 13.67 13.15 22.23 13.49 22.63 8.64 22.88 13.14 22.48 注:CDP为piranha CT dose profile半导体电离室。PT3为 30013 Farmer空气电离室。表 3 双能量模式下使用piranha CT dose profiler与
30013 Farmer空气电离室测得点剂量(mGy)Table 3 Point Dose Measured Using Piranha CT Dose Profiler and
30013 Farmer Air Ionization Chamber under the Dual Energy Mode (mGy)管电压(kV) 中心 0点 3点 6点 9点 CDP PT3 CDP PT3 CDP PT3 CDP PT3 CDP PT3 70+Sn150 12 11.91 23.29 24.41 22.37 24.01 19.81 22.86 21.92 23.91 80+Sn150 12.24 12.14 22.3 23.43 20.8 23.68 19.45 23.13 20.26 23.78 80+140 13.02 12.03 24.13 24.01 24.01 24.71 22.25 22.75 23.15 24.26 90+Sn150 12.45 12.6 20.62 23.45 20.53 23.6 19.4 22.7 20.01 23.65 100+Sn150 12.75 12.44 22.23 23.47 20.88 23.47 19.84 23.02 20.72 23.42 注:CDP为piranha CT dose profile半导体电离室。PT3为 30013 Farmer空气电离室。表 4 不同X射线能量下使用3种剂量计测得容积CT剂量指数(mGy)
Table 4 Volume CT Dosimetry Index Measured Using Three Dosimeters under Different Energies(mGy)
管电压(kV) RX2 CDP PT3 80 18.89 21.22 19.87 90 18.96 21.27 20.48 100 18.57 20.84 20.02 120 18.26 19.25 19.53 140 18.33 18.08 20.4 Sn150 18.66 12.24 20.41 70+Sn150 19.18 19.34 20.66 80+Sn150 19.22 18.62 20.53 80+140 19.33 20.77 20.8 90+Sn150 19.34 18.31 20.59 100+Sn150 19.01 18.95 20.52 统计值 18.89±0.38 18.31(19.25,20.84) 20.35±0.38 注:RX2为Raysafe-X2空气电离室。CDP为piranha CT dose profile半导体电离室。PT3为 30013 Farmer空气电离室。 -
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