鋁梯在診斷X射線設備中的檢測研究

劉文，徐濤，唐輝，張少青

北京軍區總醫院 醫學工程科，北京 100700

0 前言

目前，國際通用kV（X射線管電壓）檢測設備中有相當部分設備是采用鋁梯楔配級原理設計的。本研究目的是在試驗中找出可以用于開發kV檢測設備的數據和方法。隨著進一步對鋁梯楔的使用與開發，用鋁梯楔與傳感器配合可開發出更多的現代化X射線檢測設備[1-2]。

1 鋁梯楔分類與應用

1.1 鋁梯楔的分類

常用的鋁梯楔是用高純度鋁制成的，分為11階和21階兩種。11階鋁梯楔每階3 mm高度遞進，總高33 mm，最小分辨率10%（圖1）。21階鋁梯楔每階2.1mm高度遞進，總高44.1 mm，最小分辨率5%（圖2）。

圖1 11階鋁梯楔

圖2 21階鋁梯楔

1.2 鋁梯應用

用于X射線機確定mAs線性、vs.kVp對比度。在膠片測試中用于暗室灰度測試、膠片和顯示屏的對比、繪制技術圖表等。在正常情況下鋁梯楔要配合黑度計進行使用，在沒有黑度計的情況下只能用肉眼對鋁梯楔的X射線照片以灰度顯示進行判別。由于X射線透視造影影響因素較多，用鋁梯檢測是非常傳統的檢測方法，被認為是檢測的理論基礎。

2 試驗設備與試驗條件及試驗目的

2.1 試驗設備

試驗選用了日本島津X射線機型（UD150L-30D）50 kW常規X射線機，檢測前根據國家標準GB/T11755.1-1989[3]、GB GB/T11755.2-1989[4]、GB/T11757-1989[5]對 X射線機進行檢測。

醫用診斷X射線機傳感器檢測范圍包括劑量、能量、時間檢測等。通常情況下，管電壓25～200 kV 、曝光時間5～6000 ms、管電流0.5～1250 mA。

2.2 試驗條件

試驗中曝光條件：焦點到成像點距離（SID）100 cm、管電壓50～140 kV、燈絲電流200 mA、曝光時間10 ms、照射野10 cm×10 cm。將鋁梯放置照射野中心進行曝光，上述條件僅改變管電壓的值，依次設置為50、60、70、80、90、100、110、120、130、140 kV。管電壓是醫用診斷X射線機的一項非常重要的參數，它的微小變化都將影響診斷質量。

2.3 試驗目的

本試驗目的是繪出管電壓（kV）在不同厚度濾過質下的曝光曲線。

均勻濾過質的選擇：對于同樣厚度的不同濾過質（均勻），在焦點到電離室距離一定的情況下，用不同管電壓進行曝光，由于不同濾過質對X射線穿透力不一樣，它們的穿透率是有差別的。為了檢測X射線的穿透能力，通常采用不同厚度的相同物質。由于水比重為1（純水），接近人體比重比，而且易獲得，所以常規情況下使用的標準物質是水。但它不能長期保存又攜帶不方便，且不能直接用于測量不同層面。為方便用于不同厚度層面的測量，從比重、加工、造價、便攜角度考慮，本試驗選擇鋁（比重2.25～2.75）材料。

3 檢測試驗原理與數據處理

3.1 康普頓效應檢測數據分析

為了保障數據的準確性，試驗使用上述2.2條件對每個能量點進行3次曝光，將試驗數據用公式(1)進行算術平均處理，得到康普頓效應檢測數據（表1）。

將表1檢測數據分為兩組：50～110 kV為一組；120～140 kV為另一組。兩組檢測數據擬合曲線，見圖3。

圖3 兩組檢測數據擬合曲線

康普頓效應是指在某種射線穿透物體時，入射光子作用于原子外層軌道時與入射角方向形成φ射出，稱為康普頓反沖電子，而射入光子損失部分能量后與φ角形成反方向θ角散射，稱為散射光子。也就是說在膠片上看到的上部3條曲線，除了光電效應外還有散射效應存在，在圖3中可以看到120～140 kV的數據向上臺高。檢測數據說明用鋁梯的檢測方法基本符合醫用診斷X射線能量相互作用原理。

3.2 能量分組與測量

不同管電壓的連續X射線譜，可認為是不同頻率單能X射線的混合，通過表1我們可以看到在其他條件不變的情況下，不同的能量（kV）穿透力是不同的，60 kV的穿透能力在2 (6 mm)、70 kV在4 (12 mm)、80 kV在6 (18 mm)、90 kV在7 (21 mm)等等。本試驗在以上條件下將11階鋁梯全部穿透的是110 kV的能量，說明試驗選擇的條件可作為110 kV能量檢測標準。實際這種方法就是沿用了高壓鋁梯配級或銅梯配級測量原理。用曝光后所選擇的特定層作為參考數據，可作為今后（kV）能量校準參考。

4 自動曝光檢測

用鋁梯楔的方法評估X射線發生裝置自動曝光控制系統的功能，以確保當被照物體厚度變化時，能保持穩定一致的影像密度。

表1 康普頓效應檢測數據表

4.1 能量計算公式

在屏/膠系統X射線攝影中，增感率、膠片感度、原子序數、攝影距離（焦片距）、被檢物體厚度等因素固定，X射線通過鋁梯楔到達膠片的能量為：E=KVnO=KVnmAs

式中：K為常數，V代表管電壓 ( kV)，Q代表管電流量 ，n為kV指數[6]，E為曝光量。

對于相同的部位須相等的曝光量，相同的曝光量可有不同的 kV值與 mAs組合。不同組合間的 kV或 mAs的換算涉及到kV指數 n值， n值隨 kV變化。

n值的計算(2)：

對于同一被照體，要達到預定的曝光量（D）所用電

壓為 V1、管電流量（mAs）為Q1，則曝光量E1= K××Q1；若管電壓為 V2，為保證E1=E2必須改變管電流量為

對E1=E2，即兩邊取對數得：n×lgV2+lgQ2=n× lgV1+lgQ1，整理得：

4.2 檢測方法

用鋁梯楔方法對自動曝光控制（AEC）精度檢測能夠簡化原有方法，提高檢測效率和檢測精度，特別適用于高精DR成像系統的檢測。檢測方法基本同臨床照相，使用鋁板（200 mm×200 mm×20 mm）2塊，或丙烯樹脂板模體（200 mm×200 mm×10 mm）25塊[7]。檢測步驟如下：① 照相條件設為自動；② 調整攝影距離SSD為100 cm、調整X射線照射野在模體平面上略小于模體面積（200 mm×200 mm）；③ 將X射線管頭中心垂直于模體、鋁梯、DR探測板中心，并在一條軸線上；④ 分別進行2次曝光，第一次將鋁板2cm（200 mm×200 mm×20 mm）放置X射線野內，并將鋁梯楔放置鋁板中心之上，對鋁梯楔中心點做好標記，進行曝光。在第一次基礎上增加2cm鋁板或丙烯樹脂板模體15 cm（200 mm×200 mm×10 mm）進行第二次曝光；⑤ 沖洗照片后用黑度計對2張片子進行多點密度測量，取平均值[8]。

按公式(3)計算AEC精度。

4.3 直接閱讀方法

試驗采用的是11階鋁梯、精度為10%，說明設備的自動調整能力沒有超過人眼能識別的最低密度值（20%）。這種方法簡化了傳統判斷方法，可直接用于診斷X射線機自動曝光系統運行情況的判別[9]。試驗對2次曝光得到的2張片子上的鋁梯圖像進行閱讀，沖洗后膠片圖像，見圖3～4。

圖3 11個灰度級圖像

圖4 10個灰度級圖像

本文通過對醫療診斷X射線機檢測中使用鋁梯楔檢測數據和圖表的分析，說明曝光結果符合康普頓效應。

用鋁梯楔的方法對X射線機AEC精度檢測能夠簡化傳統方法，提高檢測效率和檢測精度，特別適用于高精DR成像系統的檢測。

[1]李月卿,王昌元,鄭浩.X 射線照片密度與顯微密度計信號電壓之間關系的實驗探討[J].光學技術,2001,27(4):340-341.

[2]劉亞軍,董華.近十年來放射治療技術與設備的進展[J].中國醫療設備,2012,27(6):9-10.

[3]GB/T11755.1-1989,醫用診斷X射線機管電流檢測方法[S].

[4]GB GB/T11755.2-1989,醫用診斷X射線機管電流檢測方法[S].

[5]GB/T11757-1989,醫用診斷X射線機曝光時間檢測方法[S].

[6]農俊彬.利用電力室自動曝光系統計算千伏指數n值[J].實用放射學雜志,2008,24(2):250-253.

[7]張紹剛,戴建榮,吳宏欽.中低能X射線輸出量測算的研究[J].中華放射學與防護雜志,2005,25(4):375-378.

[8]徐恒,孫剛.醫用診斷X射線機質量檢測控制檢測技術[M].北京:中國質檢出版社,2012.

[9]張遣.通過屏幕檢測獲取數字化射線照片密度的方法[J].生物醫學工程與臨床,2010,11(4):553-555.