中华放射医学与防护杂志  2020, Vol. 40 Issue (6): 484-488   PDF    
引用本文
刘建新, 曹甡晖, 徐同江, 王旭. 数字X射线摄影中入射表面剂量显示值与测量值相对偏差及影响因素的实验研究[J]. 中华放射医学与防护杂志, 2020, 40(6): 484-488, DOI: 10.3760/cma.j.issn.0254-5098.2020.06.013.
数字X射线摄影中入射表面剂量显示值与测量值相对偏差及影响因素的实验研究
刘建新 , 曹甡晖 , 徐同江 , 王旭     
应急总医院影像科, 北京 100028
收稿日期: 2019-12-10
通信作者: 刘建新, Email:ljx1963@aliyun.com
[摘要] 目的 比较DR设备在不同管电压、源像距和模体厚度条件下入射表面剂量（entrance surface dose，ESD）显示值与测量值之间的相对偏差，为利用ESD显示值实时评估患者受辐射剂量大小和曝光参数适宜性提供依据。方法 在2种管电压、2种源像距条件下，用3个厚度分别为5、10和20 cm的聚乙烯模体（表面积30 cm×30 cm）进行曝光实验。每次曝光后记录DR设备上的ESD显示值以及辐射剂量检测仪测量值，采用Wilcoxon秩和检验对二者差异进行比较，并用公式计算ESD显示值相对偏差。结果 在相同管电压和源像距曝光条件下，ESD显示值不受模体厚度影响，但测量值随模体厚度变化；模体厚度10和20 cm时，ESD显示值均小于测量值，差异有统计学意义（Z=-2.201、-2.203，P < 0.05）。模体厚度越厚，显示值与测量值的相对偏差越大，但只有模体厚度20 cm、源像距100 cm时的相对偏差>±20%。结论 DR设备中ESD显示值可以用于评估受检者皮肤入射剂量，但要考虑受检者的体厚影响。
[关键词] 数字X射线摄影    表面入射剂量    显示值    相对偏差    
Experimental study on relative deviation between display value and measured value of entrance surface dose (ESD) in digital radiography and influencing factors
Liu Jianxin , Cao Shenhui , Xu Tongjiang , Wang Xu     
Department of Radiology, Emergency General Hospital, Beijing 100028, China
Corresponding author: Liu Jianxin, Email:ljx1963@aliyun.com
[Abstract] Objective To compare the relative deviation between display value and measured value of entrance surface dose (ESD) at different tube voltages, source-to-image distances and phantom thicknesses, so as to provide the basis for the feasibility of using real-time ESD display value to evaluate the radiation dose and the suitability of exposure parameters. Methods At two different tube voltages and source-to-image distances, the exposure experiments were carried out using three polyethylene models with surface area of 30 cm×30 cm and thickness of 5 cm, 10 cm and 20 cm, respectively. After each exposure, the ESD display values on DR equipment and the measured values on radiation dose detector were recorded. The Wilcoxon rank sum test was used to compare the difference between them, with the relative deviation of ESD display value calculated using formula. Results At the same tube voltage and source-to-image distance, the ESD display values were not affected by the thickness of phantom, but the measured value changed with the thickness of the phantom. When the thickness of the phantom was 10 cm and 20 cm respectively, the ESD display value was smaller than the measured value and the difference was statistically significant (Z=-2.201, -2.203, P < 0.05). The thicker mold would lead to the larger relative deviation between display value and measured value. Only when the thickness of mold was 20 cm and source-to-image distance 100 cm, the relative deviation was greater than±20%. Conclusions The ESD display value on DR equipment can be used to evaluate the skin incident dose to the examinee, with necessary account taken of the influence of their body thickness.
[Key words] Digital radiography    Entrance surface dose (ESD)    Display value    Relative deviation    

常规X射线检查在全部放射诊断中占比为52.4%[1]，尽管单次检查的辐射剂量远低于CT，但由于检查人次相对多，辐射实践“最优化”对降低公众受辐射剂量仍有意义。目前, 数字X射线设备(digital radiography，DR)已经普及，有些DR设备在曝光后有入射表面剂量(entrance surface dose，ESD)显示。但是，DR设备上的剂量显示值是基于标准测试条件的计算值，X射线摄影时所用曝光条件与标准测试条件不同，显示值能否真实反映受检者体表入射剂量有待验证。有学者从DR的DICOM文件中提取信息, 按照剂量面积乘积法和曝光参数法分别计算ESD信息化值并与热释光探测器测量值进行对比，结果显示有较好一致性[2]，但没有给出相对偏差大小。也有学者对数字减影血管造影设备的空气比释动能进行检测，结果显示透视和摄影时显示值与测量值平均差值约为15.6%[3]。由此可见，DR设备的ESD显示值与测量值之间的相对偏差受设备类型和曝光参数影响。DR设备中的ESD显示值可用于推测受检者体表入射剂量，但需要了解显示值与测量值之间误差[4]。本实验通过比较DR设备在高、低管电压和3种模体厚度、以及2种常用源像距(source-image distance，SID)条件下的ESD显示值与测量值之间的相对偏差，为利用ESD显示值实时评估患者受辐射剂量大小和曝光参数适宜性的可行性提供依据。

资料与方法

1.实验设备:美国GE公司Definium6000数字化X射线摄影机，曝光参数：管电压70和120 kV，管电流-时间乘积为1、2、4、8、16、32 mAs，SID为100和180 cm。大小为30 cm×30 cm，厚度分别为5、10、20 cm的聚乙烯模体。德国PTW-FREIBURG公司11001型辐射剂量检测仪，气体电离室探头，2、20、200 mGy 3种量程范围选择，该仪器经过厂家的出厂检定。将探头置于模体入射X射线面中央位置。使用70 kV/100 kV档、最小量程范围检测，提示过载时改用高一挡量程范围。两次测量间隔时间不小于2 min。

2.实验方法:将聚乙烯模体贴靠于DR立位摄影架台面，模体中心与探测器台面中心重合，X射线中心对准探测器台面中点，遮线器光野四周超出模体边缘约2 cm，附加滤过选择为0.1 mm Cu。在70和120 kV、100和180 cm、6种mAs曝光条件下依次对5、10、20 cm 3种厚度模体摄影。每次曝光后记录DR设备上的ESD显示值与PTW-FREIBURG辐射剂量检测仪的测量值。

3.统计学处理:使用SPSS 17.0软件对2种管电压、2种SID、3种模体厚度ESD显示值与测量值差别进行比较。定量资料根据其分布特征用中位数描述，对相同曝光条件和模体厚度的ESD显示值与测量值组间比较采用Wilcoxon秩和检验。P < 0.05为差异有统计学意义。相对偏差的计算以测量值为参考值，用百分数表示。

结果

1.ESD显示值:相同管电压和SID条件下，不同模体厚度的ESD显示值基本相同，显示值与模体厚度变化关系不大。

2. ESD测量值:管电压和SID相同、模体厚度10和20 cm时，ESD显示值均小于测量值(Z=-2.201、-2.203，P＜0.05，表 1)；仅在120 kV、模体厚度5 cm时，ESD显示值大于测量值，且差别均有统计学意义(Z=-2.201，P＜0.05，表 1)。不同模体厚度的相对偏差范围，5 cm时为-2.99%~10%，10 cm时为-16.41%~-2.0%，20 cm时为-31.64%~-9.13%，模体厚度越大，相对偏差范围越大(表 2)。

表 1 不同厚度模体的入射表面剂量显示值与测量值比较(中位数，mGy) Table 1 Comparison of display values and measured values of entrance surface dose for different thicknesses of the phantom (median, mGy)

表 2 不同厚度模体的入射表面剂量显示值的相对偏差(%) Table 2 Relative deviation of display values of entrance surface dose for the different thicknesses of the phantom(%)

讨论

ESD是指X射线束轴与被照体入射体表的横切面上某点的空气吸收剂量，包括被照体体表产生的反散射照射。DR设备ESD显示值是基于标准测试条件的测量值并通过数学模型计算得出的，该测量值为空气比释动能，没有考虑被照体不同厚度对显示值的影响。目前用于估算X射线摄影中受检者ESD的模型仍存在较大差异和不足，反散射校正公式并不统一，还很难根据现有估算模式来准确评价受检者ESD[5]。按照国际电工委员会(International Electrotechnical Commission，IEC)61267-2005[6]文件要求，DR剂量校准应在一定的辐射质下进行，X射线质应遵循放射质量保证(radiation quality assurance，RQA)。通常使用RQA5，即附加滤过为21 mm Al、半值层为7.1 mm Al、SID≥150 cm、管电压70 kV左右。但是，X射线摄影时所使用的管电压和SID与标准测试条件不全一致，因此ESD显示值与实际测量值之间可能会存在相对偏差。从本次实验结果看，管电压和SID相同时，不同模体厚度的ESD显示值基本不变，差异无统计学意义，这是由于基于标准测试条件得到的ESD显示值没有考虑被照体厚度变化。但ESD测量值随模体厚度增加而增大，70 kV、100 cm和180 cm时，5、10、20 cm厚度模体的ESD测量值中位数分别为0.575、0.655、0.815 mGy和0.111、0.119、0.133 mGy；120 kV、100 cm和180 cm时，3种厚度模体的ESD测量值中位数分别为1.615、1.930、2.315 mGy和0.308、0.347、0.359 mGy，除120 kV、5 cm厚度模体外均大于相应的ESD显示值，且差异有统计学意义，其原因与模体厚度增加导致的散射线量增大有关。从相对偏差大小来看，管电压和SID相同时，模体厚度20 cm时相对偏差范围为-31.64%~-9.13%，比10 cm时的-16.41%~2.0%相对偏差范围大，即模体越厚相对偏差越大，也提示散射线是导致ESD显示值相对偏差的原因。

调查ESD显示值相对偏差可以为诊断参考水平的制定提供可信数据。我国现行法规中的X射线摄影诊断参考水平源自《电离辐射防护与辐射源安全基本标准》(GB 18871-2002)[7]，典型部位入射受检者体表剂量推荐值是基于中等体型患者群体的剂量调查值，并强调应根据影像转换介质的感度合理使用。目前DR设备逐渐普及，影像转换介质从屏-胶组合改为数字探测器，但诊断参考水平仍为沿用。国内最新版CT诊断参考水平已在2018年发布，是首次基于国人标准体型的CT辐射剂量调查数据制定的[8]。有学者对DR受检者体表入射剂量进行过相关调查，并对DR诊断参考水平提出了建议[9-11]。但DR的辐射剂量调查比CT复杂，通过ESD显示值为DR诊断参考水平的制定提供数据支持，前提是把握不同DR设备ESD显示值与测量值之间的相对偏差。从本次实验结果来看，不同模体厚度的相对偏差范围，5 cm时为-2.99%~10%，10 cm时为-16.41%~-2.0%，20 cm时为-31.64%~-9.13%。即模体厚度越大，相对偏差范围越大。模体厚度相同时，管电压和SID对相对偏差也有影响，提示大样本采集典型部位DR摄影的ESD显示值数据时，应在明确标准体型的基础上，限定管电压和SID范围，并根据所用设备ESD显示值与测量值的相对偏差设定校正系数。

此外，了解ESD显示值相对偏差对设置适宜的DR曝光参数也有意义。常规X射线摄影中，密度、对比度、锐利度、颗粒性是影响影像质量的因素，也是适宜曝光参数的设置依据。而在DR摄影中，这些影像特征可以利用后处理软件在一定范围内调节。因此，常规X射线摄影曝光参数设置方法不能直接用于数字X射线摄影，必须结合数字系统自身特性进行适当改变。日本自1974年开始的X射线设备使用情况和曝光参数调查显示，胸部后前正位X射线摄影的曝光量从最初相差约150倍变为目前相差10倍左右[12]，提示DR摄影时曝光过度难以通过影像密度直接发现[13]。有关DR曝光参数与受检者ESD关系的研究已有报道，也证实适宜曝光参数可以降低患者受辐射剂量[14]，但DR摄影曝光参数的设置依据尚未明确提出。既然DR系统的曝光量对影像质量和辐射剂量都有影响，是否可以将影像质量标准和诊断参考水平共同作为DR摄影曝光参数设置依据值得探讨，而DR设备中ESD显示值的真实性又是用于评价曝光参数适宜性的前提。从本次实验结果看，只有模体厚度20 cm、且摄影距离为100 cm时的相对偏差在-21.32%至-31.64%之间，其他实验条件下的相对偏差均在±20%以内。由此可见，利用ESD显示值实时评估患者受辐射剂量大小和适宜曝光参数具有可行性。需要注意的是，70和120 kV、模体厚度10和20 cm时，两种SID的ESD显示值均小于测量值，提示对体厚度大的受检者有偏小评价可能。

综上，DR设备中的ESD显示值可以用于评估受检者皮肤入射剂量，为设置适宜曝光参数提供依据，但应注意受检者体厚对ESD显示值相对偏差的影响。不同品牌型号DR设备的ESD显示值相对偏差未必一致，因此，将来有必要对更多DR设备开展调查研究，以便推广ESD显示值的应用。

利益冲突  无

作者贡献声明  刘建新负责实验设计和论文的撰写与修改；曹甡晖负责数据采集；徐同江和王旭负责数据分析、论文审阅与修改

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