توزیع پرتودهی در سی تی اسکن سر و قفسه صدری

تحلیل علمی توزیع پرتودهی در سی تی اسکن سر و قفسه صدری به عنوان یکی از حیاتی ترین مباحث فیزیک تصویربرداری پزشکی، نقش تعیین کننده ای در بهینه سازی دوز دریافتی بیمار و ارتقای کیفیت تصاویر ایفا می کند. در سیستم های نوین تصویربرداری، درک نحوه برهمکنش فوتون های ایکس با بافت های متراکم جمجمه در مقابل بافت های متخلخل ریه، پایه و اساس پروتکل های حفاظت پرتویی را تشکیل می دهد. هدف اصلی در بررسی توزیع دوز، برقراری تعادل میان نویز تصویر و حداقل رساندن دوز موثر است تا علاوه بر تشخیص دقیق ضایعات، خطرات احتمالی ناشی از پرتوهای یونیزان نیز به حداقل برسد. این مقاله با نگاهی تخصصی به بررسی شاخص های دوزیمتری و تفاوت های ساختاری توزیع انرژی در دو ناحیه آناتومیک حساس بدن می پردازد و پارامترهای فنی موثر بر این فرآیند را تبیین می کند.

مبانی فیزیکی توزیع پرتودهی در سی تی اسکن سر و قفسه صدری

فرآیند توزیع دوز در تصویربرداری مقطعی بر پایه تضعیف باریکه پرتو ایکس هنگام عبور از حجم بافت استوار است که تابعی از عدد اتمی موثر و چگالی الکترونی بافت محسوب می شود. در سی تی اسکن سر و قفسه صدری، فوتون ها با دو محیط کاملا متفاوت از نظر ضریب تضعیف خطی روبرو هستند که باعث می شود پروفایل دوز در لایه های سطحی و عمقی تغییرات چشمگیری داشته باشد. در مقاطع سر، به دلیل حضور استخوان جمجمه با تراکم بالا، پدیده جذب فوتون در لایه های خارجی شدت بیشتری دارد، در حالی که در قفسه صدری، وجود حفرات هوایی ریه باعث نفوذ پذیری بیشتر و توزیع یکنواخت تر دوز در عمق بافت می شود. مهندسی توزیع دوز در این دستگاه ها به گونه ای طراحی شده است که با استفاده از فیلترهای پروانه ای (Bow-tie filters)، شدت پرتو در لبه های فانتوم کاهش یافته و توزیع دوز بر روی دتکتورها تا حد امکان همگن شود تا از بروز آرتیفکت های سخت شدن اشعه جلوگیری به عمل آید.

همچنین بخوانید: سی‌تی‌اسکن برای چه افرادی خطرناک است؟

آناتومی دوزیمتری در سی تی اسکن مغز و چالش های بافت استخوانی

در بررسی توزیع پرتو در ناحیه سر، ساختار کروی و متراکم جمجمه به عنوان یک سپر محافظتی عمل می کند که بخش بزرگی از پرتوهای کم انرژی را در لایه های سطحی جذب می کند. این پدیده باعث می شود که دوز جذبی در پوست و استخوان کورتیکال به مراتب بیشتر از دوز رسیده به ساختارهای مرکزی مغز باشد که به آن اثر خود حفاظتی (Self-shielding) گفته می شود. به دلیل این عدم یکنواختی، محاسبات دوز در سر معمولا بر اساس فانتوم های استاندارد 16 سانتی متری انجام می شود تا تفاوت دوز در مرکز و محیط به دقت اندازه گیری شود. توزیع دوز در این بخش به شدت تحت تاثیر ولتاژ لوله (kVp) قرار دارد، زیرا افزایش ولتاژ باعث افزایش قدرت نفوذ فوتون ها و در نتیجه یکنواخت تر شدن پروفایل دوز در عرض جمجمه می شود، هرچند که کنتراست بافت نرم را ممکن است تحت الشعاع قرار دهد.

اثر جذب فوتون در کورتکس جمجمه و تاثیر آن بر دوز عمقی

جذب فوتون در استخوان جمجمه یک فرآیند غیرخطی است که باعث می شود طیف پرتو ایکس هنگام رسیدن به بافت مغز، اصطلاحا “سخت تر” شود، یعنی فوتون های با انرژی پایین حذف شده و میانگین انرژی طیف افزایش یابد. این تغییر طیفی در توزیع دوز عمقی بسیار حائز اهمیت است، زیرا باعث می شود دوز موثر در نواحی مرکزی مغز نسبت به لایه های زیر کورتیکال کمتر باشد. برای جبران این کاهش دوز در مرکز و حفظ نسبت سیگنال به نویز (SNR) مناسب، سیستم های مدرن از الگوریتم های بازسازی تکرار شونده استفاده می کنند تا بدون نیاز به افزایش دوز تابشی، وضوح تصاویر در نواحی عمقی مغز حفظ شود.

شاخص دوز سی تی و کاربرد آن در پروتکل های مغزی

شاخص دوز سی تی اسکن که به اختصار CTDI نامیده می شود، اصلی ترین معیار برای کمی سازی خروجی دستگاه در یک اسکن تک مقطعی از سر است. در پروتکل های مغزی، از شاخص CTDIvol استفاده می شود که نشان دهنده میانگین دوز در کل حجم اسکن شده است و به متخصص رادیولوژی اجازه می دهد تا میزان تابش دریافتی بیمار را با سطوح مرجع تشخیصی (DRLs) مقایسه کند. این شاخص در سی تی اسکن سر و قفسه صدری به دلیل تفاوت در ابعاد فانتوم های محاسباتی مقادیر متفاوتی را نشان می دهد که در ناحیه سر، به دلیل قطر کمتر فانتوم، عدد نمایش داده شده معمولا به دوز واقعی جذب شده در بافت نزدیک تر است.

توزیع دوز در سی تی اسکن قفسه صدری و ناهمگونی بافت ریه و قلب

توزیع پرتودهی در ناحیه توراکس یا قفسه صدری به دلیل حضور همزمان بافت های با چگالی بسیار پایین (ریه ها)، بافت نرم (قلب و عروق) و استخوان های قفسه سینه، پیچیدگی های دوزیمتری منحصر به فردی دارد. در این ناحیه، فوتون های اشعه ایکس با مقاومت بسیار کمی در بافت ریه مواجه می شوند که منجر به پدیده “فرار پرتو” و افزایش دوز در نواحی پشتی ریه می شود. برخلاف ناحیه سر، در قفسه صدری توزیع دوز تمایل دارد که در کل مقطع عرضی گسترده شود و اندام های حساسی مانند غدد پستان در زنان و غده تیروئید در بخش فوقانی، در معرض دوزهای جانبی قرار می گیرند. به همین دلیل، طراحی پروتکل ها در این بخش بر روی کاهش دوز در نواحی سطحی قدامی تمرکز دارد تا حساسیت های بیولوژیکی بافت های غده ای در برابر پرتوهای یونیزان لحاظ گردد.

نقش ضریب تضعیف در بافت های حاوی هوا

بافت ریه به دلیل داشتن میانگین عدد اتمی پایین و حضور مقادیر زیاد هوا، ضریب تضعیف خطی بسیار کوچکی دارد که باعث می شود توزیع دوز در سی تی اسکن قفسه صدری نسبت به سایر اندام ها نفوذ بیشتری داشته باشد. این ویژگی فیزیکی اجازه می دهد تا با استفاده از جریان لوله (mAs) کمتر، تصاویری با کیفیت قابل قبول از پارانشیم ریه تهیه کرد، چرا که اختلاف چگالی بین ضایعات و هوا به قدری زیاد است که حتی با دوز پایین نیز قابل تشخیص هستند. این موضوع پایه گذار تکنیک Low-Dose CT برای غربالگری سرطان ریه شده است که در آن توزیع دوز بهینه شده تا حداقل آسیب بیولوژیکی را به بیمار وارد کند.

توزیع محیطی در مقابل توزیع مرکزی دوز در ناحیه توراکس

در سی تی اسکن قفسه صدری، نسبت دوز محیطی به دوز مرکزی معمولا حدود 2 به 1 است، به این معنی که لایه های سطحی بدن دو برابر بیشتر از مرکز قفسه سینه پرتو جذب می کنند. این توزیع نابرابر به دلیل هندسه تابش 360 درجه ای و جذب فوتون ها در دیواره قفسه سینه اتفاق می افتد و مدیریت آن در بیماران با جثه بزرگ چالش برانگیزتر است. با استفاده از تکنولوژی های تعدیل دوز در راستای محور Z، دستگاه می تواند شدت تابش را در مقاطعی که ضخامت شانه ها زیاد است افزایش و در مقاطع میانی قفسه سینه کاهش دهد تا توزیع دوز در طول کل حجم اسکن شده متوازن باقی بماند.

مقایسه پروفایل دوز در فانتوم های سر و بدن

مقایسه پروفایل توزیع دوز در فانتوم های استاندارد سر (قطر 16 سانتی متر) و بدن (قطر 32 سانتی متر) نشان دهنده تفاوت های بنیادین در جذب انرژی توسط بدن انسان است. در فانتوم سر، توزیع دوز نسبتا یکنواخت تر است و تفاوت دوز مرکز و محیط کمتر از فانتوم بدن به چشم می خورد، در حالی که در فانتوم بدن که برای قفسه صدری استفاده می شود، افت شدید دوز از لبه ها به سمت مرکز مشاهده می شود. این تفاوت ها باعث می شود که برای محاسبه دوز موثر، ضرایب تبدیل متفاوتی برای سر و قفسه صدری اعمال شود تا حساسیت رادیوبیولوژیکی اندام های موجود در هر ناحیه به درستی در تخمین ریسک سرطان زایی لحاظ گردد.

پارامتر مقایسه ای	سی تی اسکن سر	سی تی اسکن قفسه صدری
قطر فانتوم استاندارد	16 سانتی متر	32 سانتی متر
نسبت دوز محیط به مرکز	حدود 1.1 تا 1.3	حدود 2.0 تا 2.5
تاثیر استخوان بر توزیع	بسیار زیاد (جذب کورتیکال)	متوسط (دنده ها و ستون فقرات)
عامل اصلی محدود کننده دوز	حساسیت لنز چشم	حساسیت پستان و ریه
مقدار معمول CTDIvol	40 – 60 mGy	10 – 20 mGy

 

استراتژی های کاهش دوز و پروتکل های تصویربرداری کم دوز

بهینه سازی توزیع دوز در سی تی اسکن سر و قفسه صدری بر اساس اصل ALARA (کمترین دوز ممکن که منجر به تشخیص شود) نیازمند به کارگیری تکنولوژی های سخت افزاری و نرم افزاری پیشرفته است. یکی از موثرترین روش ها، استفاده از مدولاسیون خودکار جریان لوله (AECM) است که شدت اشعه را در هر زاویه از چرخش تیوپ بر اساس میزان تضعیف بافت در همان لحظه تغییر می دهد. در اسکن قفسه صدری، این سیستم باعث می شود در زوایای جانبی که ضخامت بدن بیشتر است دوز افزایش و در زوایای قدامی-خلفی دوز کاهش یابد که منجر به توزیع هوشمندانه تر انرژی می شود. همچنین استفاده از فیلترهای فلزی مخصوص در مسیر خروجی اشعه، فوتون های کم انرژی را که تاثیری در تصویرسازی ندارند و فقط دوز سطحی را افزایش می دهند، حذف می کند.

مدولاسیون جریان لوله در مقاطع مختلف

تکنولوژی مدولاسیون جریان لوله در سی تی اسکن سر و قفسه صدری به صورت سه بعدی (XY-Z modulation) عمل می کند تا پروفایل دوز را با آناتومی متغیر بیمار تطبیق دهد. در اسکن سر، این مدولاسیون برای محافظت از عدسی چشم ها در برابر تابش مستقیم بسیار حیاتی است، به طوری که در برخی دستگاه ها با کاهش جریان لوله در زوایای فوقانی، دوز رسیده به چشم ها تا 30 درصد کاهش می یابد بدون اینکه کیفیت تصویر مغز افت کند. در ناحیه قفسه صدری نیز این سیستم با تشخیص تغییرات چگالی بین ناحیه شانه و دیافراگم، از تابش غیرضروری به بافت های شکمی فوقانی جلوگیری کرده و تمرکز پرتو را بر روی ناحیه مورد نظر حفظ می کند.

تحلیل آماری توزیع دوز موثر در اندام های حساس

دوز موثر (Effective Dose) که با واحد میلی سیورت (mSv) اندازه گیری می شود، شاخصی است که ریسک بیولوژیکی درازمدت ناشی از توزیع پرتودهی را نشان می دهد. در سی تی اسکن سر، اگرچه دوز جذبی بافت مغز بالا است، اما به دلیل حساسیت پایین بافت عصبی به پرتو، دوز موثر کل معمولا در محدوده 1 تا 2 میلی سیورت باقی می ماند. در مقابل، در سی تی اسکن قفسه صدری به دلیل وجود اندام های بسیار حساس مانند ریه ها، قلب و پستان ها، دوز موثر می تواند بین 5 تا 8 میلی سیورت متغیر باشد. این تحلیل آماری به پزشکان کمک می کند تا در موارد غیرضروری، از درخواست آزمایشات تکراری اجتناب کنند و برای گروه های حساس مانند کودکان و زنان باردار، پروتکل های اختصاصی با توزیع دوز بسیار محدود تعریف نمایند.

سوالات متداول 

تفاوت اصلی دوز دریافتی در سی تی اسکن سر و قفسه صدری در چیست؟

تفاوت اصلی در حساسیت بافتی و نحوه توزیع فیزیکی پرتو نهفته است؛ در ناحیه سر، استخوان جمجمه بخش زیادی از اشعه را جذب می کند اما بافت مغز در برابر پرتو مقاوم تر است، در حالی که در قفسه صدری، اشعه به راحتی از ریه ها عبور کرده و به اندام های داخلی حساس می رسد. به همین دلیل، با وجود اینکه عدد شاخص دوز در سر بالاتر است، اما ریسک بیولوژیکی (دوز موثر) در اسکن قفسه صدری معمولا بیشتر ارزیابی می شود و نیاز به محافظت پرتویی در این ناحیه برای اندام های حیاتی نظیر قلب و ریه دوچندان است.

آیا استفاده از محافظ های سربی برای تیروئید و پستان در حین اسکن موثر است؟

استفاده از شیلدینگ یا محافظ سربی در سی تی اسکن های نوین موضوعی چالش برانگیز است، زیرا اگر این محافظ ها در مسیر مدولاسیون خودکار جریان لوله (AECM) قرار گیرند، دستگاه به اشتباه تصور می کند که بافت بسیار متراکمی وجود دارد و شدت اشعه را به شدت افزایش می دهد که منجر به افزایش دوز بیمار و ایجاد آرتیفکت در تصویر می شود. روش استاندارد امروزی، استفاده از تکنیک های نرم افزاری کاهش دوز در زوایای حساس (Organ-based tube current modulation) است که به مراتب ایمن تر و دقیق تر از شیلدهای فیزیکی سنتی عمل می کند.

چگونه می توان اثرات تجمعی پرتو را در بیمارانی که نیاز به اسکن های مکرر دارند مدیریت کرد؟

مدیریت دوز تجمعی نیازمند ثبت دقیق محصول دوز در طول (DLP) در پرونده پزشکی بیمار و استفاده از نرم افزارهای مانیتورینگ دوز است که مجموع تابش های دریافتی فرد را در طول زمان محاسبه می کنند. برای این دسته از بیماران، استفاده از تکنولوژی های پیشرفته مانند بازسازی تکرار شونده مدل پایه (Model-based Iterative Reconstruction) و سی تی اسکن های فوق سریع توصیه می شود که می توانند تصاویری با کیفیت تشخیصی را با دوزی معادل یک دهم پروتکل های استاندارد ارائه دهند تا ریسک بروز عوارض قطعی و احتمالی پرتو کاهش یابد.

آیا دوز اشعه در سی تی اسکن های مولتی دتکتور (MDCT) بیشتر از دستگاه های قدیمی است؟

اگرچه دستگاه های مولتی دتکتور یا چند ردیفه توانایی تابش اشعه با قدرت بالاتری را دارند، اما به دلیل سرعت بسیار بالای اسکن و بهره وری بالای دتکتورها، در واقع دوز مفید افزایش یافته و میزان تابش پراکنده (Scatter) کاهش می یابد. این دستگاه ها با استفاده از پرتوهای باریک تر و کنترل دقیق تر هندسه تابش، توزیع پرتودهی را در سی تی اسکن سر و قفسه صدری بهینه کرده اند، به طوری که امروزه می توان یک اسکن کامل قفسه سینه را در کمتر از چند ثانیه و با توزیع دوزی بسیار متمرکز و ایمن به پایان رساند.

جمع بندی 

ورود هوش مصنوعی (AI) و یادگیری عمیق به حوزه رادیولوژی، تحولی شگرف در نحوه توزیع و مدیریت دوز اشعه ایجاد کرده است. الگوریتم های هوشمند قادرند با تحلیل آناتومی دقیق هر بیمار پیش از شروع اسکن، بهینه ترین پارامترهای تابش را به صورت شخصی سازی شده تعیین کنند تا توزیع دوز دقیقا مطابق با نیاز تشخیصی باشد. در آینده ای نزدیک، سیستم های تصویربرداری می توانند با پیش بینی نویز تصویر، دوز اشعه را به سطوحی برسانند که با رادیوگرافی های ساده برابری کند، بدون اینکه دقت تشخیصی در شناسایی تومورهای کوچک یا ضایعات عروقی در سر و قفسه صدری کاهش یابد. این پیشرفت ها نویدبخش عصری است که در آن تصویربرداری پزشکی نه تنها دقیق تر، بلکه برای تمامی گروه های سنی به طور کامل ایمن خواهد بود.