Устройство для экспериментального определения дозовых распределений мультисрезовых компьютерных томографов

Полезная модель относится к оборудованию для проведения испытаний рентгеновских компьютерных томографов и предназначена для экспериментального определения дозовых распределений мультисрезовых компьютерных томографов (МСКТ) с целью оценки показателей дозы компьютерных томографов
Одним из важнейших контролируемых параметров рентгеновских компьютерных томографов (КТ) в условиях эксплуатации в лечебно-профилактических учреждениях (ЛПУ) является показатель дозы КТ (в литературе используется англоязычная аббревиатура CTDI - Computed Tomography Dose Index). В соответствии с требованиями стандарта ГОСТ Р МЭК 61223-2-6-2001 оценка этого параметра должна осуществляться с периодичностью не реже одного раза в полгода. Значение параметра CTDI определяется, как отношение интеграла дозового распределения (профиля дозы), полученного в воздухе или внутри тест-объекта определенной конструкции за один оборот рентгеновского излучателя, к ширине рентгеновского пучка в области изоцентра апертуры гентри (произведению толщины среза на количество срезов).
Показатель дозы КТ (параметр CTDI) оценивают с использованием двух комбинаций параметров съемки, соответствующих режимам исследования головы и тела (в качестве тела, как правило, подразумевается грудная клетка).
Из уровня техники известны тест-объекты, используемые для оценки CTDI в режимах сканирования головы и тела, которые изготавливаются в форме цилиндров из полиметилметакрилата (ПММА). Такие тест-объекты имеют, соответственно, следующие размеры (ГОСТ Р МЭК 60601-2-44-2013 Изделия медицинские электрические. Часть 2-44. Частные требования безопасности с учетом основных функциональных характеристик к рентгеновским компьютерным томографам): высота - в диапазоне от 140 до 200 мм и диаметр - 160 мм, высота - в диапазоне от 140 до 200 мм и диаметр - 320 мм. В этих тест-объектах имеются по пять глухих отверстий (одно в центре, четыре на периферии - на расстоянии 10 мм от края), оси отверстий параллельны образующей цилиндров.
Эти отверстия предназначены для того, чтобы устанавливать в них ионизационную камеру цилиндрической формы (датчик) для измерения дозы. В свободные от датчика четыре отверстия устанавливают заглушки, выполненные из того же материала что и тест-объект. Как правило, интерес представляют следующие оценки параметра CTDI: значение CTDIc, полученное в центральной области тест-объекта, значение CTDIp, определенное как результат усреднения значений CTDI в четырех точках на периферии тест-объекта, а также взвешенное значение CTDIw, рассчитываемое как результат суммирования оценок CTDIc и CTDIp с весовыми коэффициентами 1/3 и 2/3 соответственно.
Традиционно оценку дозы путем интегрирования дозового профиля (для определения CTDI) осуществляют на длине 100 мм (в диапазоне от -50 до +50 мм относительно томографической плоскости - плоскости, в которой совершает вращение система «рентгеновский излучатель-приемник»).
В этой связи все промышленно выпускаемые для оценки дозы ионизационные камеры имеют чувствительную область 100 мм. Данные требования к оценке CTDI были разработаны в конце 90-х годов двадцатого века, когда большинство находящихся в эксплуатации КТ были односрезовыми с максимальной коллимацией рентгеновского пучка порядка 10 мм. Считалось, что в этом случае размера (высоты) тест-объектов, а также чувствительной длины датчика вполне достаточно для того, чтобы регистрировать полное дозовое распределение, формирующееся при поглощении и рассеивании в веществе тест-объектов падающего рентгеновского потока.
В настоящее время в ЛПУ широко используются мультисрезовые КТ (в основном 16-и, 32-х, 64-х и 128-и срезовые) с шириной рентгеновского пучка в диапазоне от 10 до 80 мм. В ряде случаев (например, при исследовании сердца и коронарных сосудов) применяются также 320-срезовые КТ с шириной пучка 160 мм. Проводимые с данными аппаратами исследования показывают, что использование традиционных тест-объектов и измерительного прибора с чувствительной длиной 100 мм приводит к значительным погрешностям оценки CTDI вследствие недоучета влияния рассеянного излучения [McCollough С.et al. СТ Dose Index and Patient Dose: They Are Not the Same Thing, Radiology, 2011, Vol. 259, No. 2].
В публикации [Anam С.et al. Scatter index measurement using a CT dose profiler, Journal of Medical Physics and Biophysics, 2017, Vol. 4, No. 1] показано, что даже при ширине рентгеновского пучка, равной 8 мм, наблюдается недоучет уровня дозы на 11% при проведении исследований в режиме сканирования головы и на 19% при исследовании тела. Очевидно, что для 128-и срезовых, а тем более для 320-и срезовых КТ (количество данных аппаратов увеличивается с каждым годом) погрешности оценки CTDI с использованием традиционного метода будут еще больше.
Таким образом, для более точной оценки CTDI МСКТ необходимо выполнять измерение дозового профиля на длине, значительно превышающей 100 мм. В настоящее время промышленно не выпускаются дозиметры с датчиком карандашного типа, имеющего чувствительную длину порядка 400 мм.
В этой связи предлагается новая конструкция измерительного элемента (датчика).
Достигаемым при использовании предлагаемой полезной модели техническим результатом является повышение точности определения показателей дозы мультисрезовых компьютерных томографов в условиях клинического использования оборудования.
Технический результат достигается тем, что разработано устройство для экспериментального определения дозовых распределений мультисрезовых компьютерных томографов с целью оценки показателей дозы компьютерных томографов, которое представляет собой выполненный из полиметилметакрилата разборный увеличенный в размерах контейнер цилиндрической формы, состоящий из двух соединенных между собой полуцилиндрических секций, при этом в одной из секций выполнен прямоугольный паз на всю длину секции, ширина и высота которого позволяют устанавливать в один ряд вплотную друг к другу и свободно изымать из него терм о люминесцентные дозиметры. В предпочтительном варианте осуществления заявляемая полезная модель характеризуется конструктивными элементами следующих размеров: контейнер имеет длину 400 мм и диаметр 13 мм, состоит из двух соединенных между собой полуцилиндрических секций, в одной из секций симметрично относительно оси полуцилиндра на расстоянии 20 мм от основания выполнен прямоугольный паз длиной 380 мм, шириной 6 мм и высотой 2 мм, в котором с возможностью установки/выемки из него размещены в один ряд вплотную друг к другу термолюминесцентные дозиметры, предназначенные для накопления дозы во время выполнения экспозиции, каждый из дозиметров имеет диаметр около 5 мм и высоту около 1 мм, а вторую полуцилиндрическую секцию используют в качестве крышки для первой секции.
Заявляемая полезная модель поясняется чертежами, где на Фиг. 1 представлен общий вид устройства, на Фиг. 2 - общий вид полуцилиндрической секции, частично заполненной термолюминесцентными дозиметрами (ТЛД), на Фиг. 3 - поперечный разрез этой секции.
Предлагаемое устройство (измерительный элемент) представляет собой разборный контейнер 1 цилиндрической формы (Фиг. 1). Контейнер 1 состоит их двух соединенных между собой полуцилиндрических секций. Одну полуцилиндрическую секцию используют в качестве крышки (на чертеже не показана). Со стороны внутренней поверхности другой полуцилиндрической секции 2 (Фиг. 2) выполнен продольный прямоугольный паз 3, который расположен симметрично относительно оси полуцилиндра 2 на расстоянии 20 мм от основания контейнера 1. Прямоугольный паз 3 выполнен длиной 380 мм, шириной 6 мм и высотой 2 мм. В прямоугольном пазу 3 с возможностью установки/выемки из него размещены в один ряд вплотную к друг другу термолюминесцентные дозиметры 4, предназначенные для накопления дозы во время выполнения экспозиции. Каждый из ТЛД 4 имеет диаметр 5 мм и высоту 1 мм.
Контейнер 1 выполнен из полиметилметакрилата и имеет диаметр 13 мм и длину 400 мм. Данное конструктивное исполнение контейнера 1 необходимо для обеспечения работоспособности предлагаемого измерительного элемента. Так, диаметр цилиндрического контейнера 1 (13 мм) соответствует диаметру глухих отверстий, выполненных в тест-объектах, традиционно использующихся для оценки показателя дозы КТ (цилиндры высотой порядка 150 мм и диаметрами 160 и 320 мм). Устройство позволяет оценивать профиль дозы для подобных тест-объектов при частичном заполнении его набором ТЛД.
Размеры прямоугольного паза 3 и размеры каждого из термолюминесцентных дозиметров 4 также выбраны из условия обеспечения работоспособности и достижения заданного технического результата. Для этой же цели ТЛД 4 размещают в прямоугольном пазе 3 цилиндрического контейнера 1.
Количество устанавливаемых в контейнере 1 ТЛД 4 формирует чувствительную длину измерительного элемента (датчика). Чувствительная область датчика рассчитывается как произведение количества ТЛД и величины их диаметра. При полном заполнении контейнера набором ТЛД размер чувствительной области датчика будет составлять 380 мм (что соответствует длине паза 3)
В современных МСКТ ширина рентгеновского пучка может достигать 160 мм (например, для аппарата «Aquilion One», который имеет 320 рядов детектора, а толщина каждого среза составляет 0,5 мм). Оценку дозовых профилей МСКТ в интересах расчета показателей дозы КТ определяют как в воздухе, так и в специальных цилиндрических фантомах. Для регистрации полного дозового распределения МСКТ в воздухе (то есть без использования дополнительных тест-объектов) размер чувствительной длины датчика должен быть не меньше ширины рентгеновского пучка. Так как в этом случае практически отсутствует рассеянное излучение, то для регистрации полного дозового распределения в воздухе для указанного аппарата необходимо иметь датчик с чувствительной областью порядка 160 мм.
При определении дозовых профилей внутри тест-объектов необходимо регистрировать уровень дозы не только в пределах ширины рентгеновского пучка (область «основного пучка»), но и за его пределами (в силу значительного уровня рассеянного в материале тест-объекта излучения). Области дозового распределения за пределами ширины рентгеновского пучка (справа и слева от него) принято называть зоной «хвостов».
Чувствительная область датчика, равная 380 мм, в случае ширины рентгеновского пучка 160 мм, позволяет регистрировать как уровень дозы в области «основного пучка», так и уровень дозы в области «хвостов» распределения на длине 220 мм. Данная область позволяет учесть большую часть формирующего зону «хвостов» рассеянного излучения.
Ширина паза 3 (6 мм) позволяет свободно устанавливать и извлекать ТЛД 4 из полуцилиндрической секции 2 (поскольку диаметр ТЛД порядка 5 мм).
Глубина паза 3 (2 мм) обеспечивает надежное расположение набора ТЛД в полуцилиндрической секции 2. В данном случае исключается смещение ТЛД за пределы контейнера (так как толщина ТЛД составляет около 1 мм).
Прямоугольный паз 3 полуцилиндра смещен на величину 20 мм от основания. Эта область контейнера (не предназначенная для установки в нее ТЛД) используется для закрепления двух полуцилиндрических секций.
В качестве фиксирующего элемента для полуцилиндрических секций контейнера 1 может быть использовано кольцо (на чертеже не показано), выполненное из того же материала, что и секции контейнера. Кольцо может иметь следующие размеры: длина - 20 мм, наружный диаметр около 20 мм, а внутренний диаметр - 13 мм.
В комплект устройства (измерительного элемента) включено 380 термолюминесцентных дозиметров, которые предназначены для накопления дозы для всех рабочих положений датчика при проведении измерений (для одного измерения используют 76 единиц ТЛД).
Информации, накопленной на 380 единицах ТЛД, достаточно для определения всех необходимых дозовых распределений и оценки взвешенного показателя дозы МСКТ в режиме сканирования головы или тела.
Предлагаемое устройство функционирует следующим образом.
Предлагаемое устройство (измерительный элемент) используют при проведении экспериментальной оценки показателей дозы МСКТ в режиме исследования головы и в режиме исследования тела.
При этом используют соответствующий тест-объект «голова» либо «тело», измерительный элемент предлагаемой конструкции в совокупности с набором предварительно пронумерованных ТЛД в количестве 380 единиц (76×5) и четыре заглушки.
Также предлагаемое устройство может быть использовано для определения показателя дозы МСКТ в воздухе. В этом случае дополнительные тест-объекты не применяются и достаточно одного измерения.
Тест-объект «голова» и тест-объект «тело» в своем конструктивном исполнении имеют центральное и периферические отверстия, которые при проведении исследований предназначены для размещения в них измерительного элемента.
При проведении оценок дозовых распределений в режиме сканирования «голова» либо «тело», соответствующий тест-объект устанавливают и центрируют на деке стола пациента.
Далее цилиндрический контейнер 1 измерительного элемента заполняют набором термолюминесцентных дозиметров 4, для чего ТЛД 4 в количестве 76 единиц (количество достаточное для одного измерения) размещают в прямоугольном пазу 3 полуцилиндрической секции 2 контейнера 1. Заполненную набором ТЛД секцию закрывают крышкой и обе части контейнера скрепляют кольцом. Измерительный элемент готов к работе.
Подготовленный к работе датчик помещают в центральное отверстие тест-объекта (это может быть тест-объект «голова» или тест-объект «тело», в зависимости от того, в каком режиме проводят исследования: в режиме сканирования головы или в режиме сканирования тела), в остальные отверстия вставляют заглушки. Проводят сканирование.
В процессе сканирования все 76 ТЛД 4 накапливают дозу. Величина накопленной в ТЛД дозы может быть считана в течение нескольких часов. После окончания сканирования измерительный элемент извлекается из центрального отверстия тест-объекта; используемые ТЛД 4 последовательно изымаются из контейнера и далее хранятся в соответствии с их номерами.
После этого цилиндрический контейнер 1 измерительного элемента заполняют новым (неиспользованным) набором ТЛД 4 (размещение ТЛД 4 проводят также, как и для первого измерения) и устанавливают вновь подготовленный к работе датчик в одно из периферических отверстий; в центральное отверстие вставляют заглушку. Повторяют сканирование.
По окончании сканирования снова освобождают контейнер, заполняют его новым набором ТЛД и вставляют измерительный элемент в другое периферическое отверстие и т.д., до тех пор пока не будут проведены измерения во всех периферических отверстиях тест-объекта.
В результате пяти измерений накопится 5×76 использованных ТЛД (380 штук).
Далее проводят считывание показаний с каждого ТЛД-накопителя.
центр
центр
По результатам считанных значений 76 ТЛД, расположенных в центральном отверстии тест-объекта, строят дозовое распределение и рассчитывают интегральное значение дозы как площадь под полученным распределением (D). Определенное значение D является оценкой дозы, которую измерил бы датчик карандашного типа с чувствительной длиной порядка 380 мм.
периферия_средн
центр
периферия_средн
Подобным образом рассчитывают четыре значения интеграла дозы для периферических отверстий, а после этого их среднее значение D. Определение величин CTDIc, CTDIp и CTDIw выполняют на основании значений D и D аналогично традиционному способу.
Таким образом, предлагаемая конструкция устройства позволяет повысить точность определения показателей дозы мультисрезовых компьютерных томографов в условиях клинического использования оборудования.