乳腺非介入管電壓影響因素研究

董鳳華，張曉棟，董文龍，楊建，范杰

中國測試技術研究院，四川成都 610021

前言

乳腺X射線的管電壓性能非常重要，它既決定了射線的穿透能力，對輻射劑量影響較大，又對乳腺診斷品質有重要影響［1-4］。目前乳腺X 射線的管電壓測試方法主要有兩種［5-6］：一是介入式測試方法，使用高精度的分壓箱和數字采集單元對X 射線的高壓發生器直接進行電壓采集，得到相當精確的電壓結果；二是非介入式測試方法，主要由非介入管電壓表或者多參數劑量儀（包含管電壓測量功能），通過至少兩個探測器陣列在乳腺X 射線輻射場內測量相應的數據計算能譜曲線從而得到較為精確的平均峰值電壓（Kilovolt Peak，kVp）或實用峰值電壓（PPV）；隨著探測器技術及算法的改進，這種方式已經是現場測試最為主要的方法，其原理見圖1。由于非介入式測試方法自身的測量特點，使其測量結果除了受到高壓發生器影響外，還受到測量儀器標準數據精度、探測器響應能力、算法及輻射場等因素影響。基于上述研究背景，筆者認為有必要參照IEC61676 標準中的影響量，考慮實際使用中測量條件容易發生改變或出現差異的情況，研究在一定管電壓范圍內，Mo/Mo和W/Rh 兩種輻射場（能譜差異）情況下，距離、過濾條件和陽極角變化（能譜的變化）對測量結果的影響，以及Fluke X2（以下簡稱X2）和RTI piranha 657（以下簡稱657）兩類測量設備測量結果的差異。

圖1 非介入管電壓儀器測試原理Fig.1 Test principle of non-invasive tube voltage measuring instrument

1 材料和方法

1.1 材料

1.1.1 標準實用峰值電壓測量系統由介入式高頻高壓分壓器及高速數字采集器構成，經過計量校準，直流電壓分壓比10 000：1，直流電壓分壓比誤差為±1%，可測頻率范圍為0～1 MHz，采樣速率1 MHz/s。

1.1.2 乳腺輻射源乳腺輻射源由X 射線高壓發生器和X 射線管組成。球管靶材有兩種：Mo 和W；過濾材料：0.025 mm Rh、1 mm Al、0.025 mm Rh、0.4 mm Al、0.5 mm Al、0.7 mm Al、0.05 mm Ag、0.075 mm Ag和0.06 mm Mo等。實驗中只采用兩種市場上應用最廣泛的靶材與過濾材料組合產生的輻射場：Mo/0.032 mm Mo（以下簡稱Mo/Mo）和W/0.05 mm Rh（以下簡稱W/Rh），并用疊加高純度（0.05～2.00 mm）鋁片測定第一半值層［7-10］，測量示意圖見圖2。Mo/Mo符合IEC 61267要求，W/Rh測量結果見表1。

表1 W/Rh輻射質測量結果Tab.1 Measurements of radiation quality in W/Rh

圖2 半值層和非介入管電壓測量示意圖Fig.2 Schematic diagram of half-value layer and non-invasive tube voltage measurement

1.1.3 乳腺非介入管電壓測量儀器選用國內最為常見的兩家公司的產品：福祿克公司的X2和RTI公司的657，其中X2測量結果為kVp，用高于峰值信號33%的所有樣本平均值計算得到，顯示分辨率為0.1 kV；657測量結果為PPV，按照IEC 61676中定義計算得到，顯示分辨率為0.01 kV。兩套儀器均經過計量校準。

1.1.4 蒙特卡羅軟件使用蒙特卡羅軟件模擬實際球管條件，并生成過濾條件變化情況下達到測量儀器的能譜，并計算達到不同探測器的總計數，方便定性分析實驗結果。

1.2 方法

1.2.1 測試方法通過標準實用峰值電壓測量系統介入光機初級電路直接得到管電壓結果，確定光機穩定性符合傳遞輻射場的建立，其短期變化不影響結果［11］；分壓器、高速數字采集器與光機初級電路采用特殊設計的專用接頭按照圖3進行連接。

圖3 介入式測量連接示意圖Fig.3 Connection diagram of intrusive measurement

將X2 或657 分別放置于乳腺輻射源產生的輻射場中測試平面的幾何中心位置，如圖2所示，分別在Mo/Mo 和W/Rh 情況下，選取恒定的電流時間積，在下列條件變化情況下進行曝光，每個電壓點測量3次求平均值。

（1）距離變化：考慮到IEC 61676 中非介入管電壓表的參考測量距離、廠家說明和乳腺劑量測量常規距離，筆者選取3 種焦室距（FDD），分別為40、50和60 cm，設置常用管電壓為20～35 kV，分別記錄兩類儀器測量結果。

（2）過濾條件變化：由于過濾片的厚度受到加工及測量精度的影響，難以控制，筆者參考IEC 61267建立乳腺輻射場的半值層要求（±0.02 mm Al），在已有過濾情況下，附加一定厚度鋁片，使得過濾條件發生微小變化（附加0.01～0.04 mm Al，能在20～39 kV的管電壓范圍內使半值層增加0.006～0.020 mm Al），FDD為50 cm，分別記錄兩類儀器測量結果。

（3）陽極角變化：由于陽極角屬于球管的特性，無法進行現場改變，已經建立的輻射場中只有W 靶具有兩個陽極角可供選擇（10°和16°），因此本實驗只能在W/Rh 中進行，設置管電壓為20～35 kV，FDD 為50 cm，分別記錄兩類儀器測量結果。

1.2.2 統計學方法采用Excel 2010 進行數據處理與數據擬合作圖。

2 結果

2.1 光機穩定性

通過標準實用峰值電壓測量系統介入光機初級電路直接得到管電壓的標準偏差都在0.19%以內（表2），說明光機穩定性符合傳遞輻射場的建立。

表2 介入式管電壓測量結果Tab.2 Measurement results of tube voltage by intrusive method

2.2 蒙特卡羅仿真能譜曲線

達到探測器A 的總計數與達到探測器B 的總計數之比為R值，它的準確性是非介入測量管電壓儀器測量管電壓的關鍵［12］。假設圖1中A 和B 兩個探測器前端過濾分別為經典的1 mm Al 和2 mm Al，為了較直觀地表現兩種輻射場能譜的差異和條件改變后能譜的變化，本研究以過濾變化條件為例，用蒙特卡羅程序完成與實驗條件相同的仿真：（1）管電壓為25～35 kV 時W/Rh 和Mo/Mo 達到A 和B 兩個探測器的能譜（計數），圖4為管電壓為35 kV 時的能譜圖；（2）在（1）其他條件不變的情況下，在W/Rh 出束口附加不同厚度的Al 片，達到A 和B 兩個探測器的能譜（計數），圖5為管電壓為35 kV時的能譜圖；（3）在（1）其他條件不變的情況下，在Mo/Mo 出束口附加不同厚度的Al片，達到A 和B 兩個探測器的能譜（計數），圖6為管電壓35 kV時的能譜圖。

圖4 W/Rh和Mo/Mo輻射場35 kV情況下達到兩個探測器的能譜（計數）Fig.4 Energy spectrum(count)of two detectors in W/Rh and Mo/Mo at 35 kV

圖5 W/Rh輻射場在出束口附加不同厚度的Al片，達到A和B探測器的能譜（計數）Fig.5 In W/Rh with different thickness of Al plates attached at the beam exit,the energy spectrum(count)to reach detectors A and B

圖6 Mo/Mo輻射場在出束口附加不同厚度的Al片，達到A和B探測器的能譜（計數）Fig.6 In Mo/Mo with different thickness of Al plates attached at the beam exit,the energy spectrum(count)to reach detectors A and B

計算模擬得到的各個設定條件下達到探測器的能譜，以無附加過濾情況下的R值為參考，發現在低管電壓的時候R值變化率非常小（比如20 kV），隨著管電壓增加，R值變化率隨著附加過濾的增加而變大；在同一管電壓條件下Mo/Mo 輻射場中R值變化率比W/Rh 大，能達到1%左右（比如35 kV）；同時能譜的變化主要源自于其中低能段。

2.3 距離變化的影響

不同FDD 下管電壓測量結果見表3、表4。以FDD 為40 cm 時管電壓的測量結果為基值，以FDD為自變量，以FDD 為40～60 cm 時管電壓的測量結果與基值的差作因變量，繪圖，結果見圖7～10。

表3 Mo/Mo輻射場在不同FDD下的測量結果（kV）Tab.3 Measurement results in Mo/Mo under different FDD(kV)

表4 W/Rh輻射場在不同FDD下的測量結果（kV）Tab.4 Measurement results in W/Rh under different FDD(kV)

從圖7～10可以看出在標稱值20～35 kV范圍內，隨著管電壓增加，兩類儀器測量結果隨著距離增加整體趨勢是變大的，但是20 kV時候基本上不發生變化，FDD為40 與50 cm時測量結果變化很小（0.2 kV以內）；Mo/Mo在35 kV情況下X2測量結果增大了0.5 kV，變化最大，而同一情況下657測量結果只增大了0.2 kV，兩類儀器測量結果最大變化在0.5 kV以內（含0.5 kV）。

圖7 Mo/Mo輻射場下Fluke X2管電壓測量Fig.7 Tube voltage measurement of Fluke X2 in Mo/Mo

圖8 Mo/Mo輻射場下RTI piranha 657管電壓測量Fig.8 Tube voltage measurement of RTI piranha 657 in Mo/Mo

圖9 W/Rh輻射場下Fluke X2管電壓測量Fig.9 Tube voltage measurement of Fluke X2 in W/Rh

圖10 W/Rh輻射場下RTI piranha 657管電壓測量Fig.10 Tube voltage measurement of RTI piranha 657 in W/Rh

2.4 過濾條件變化的影響

測量結果見表5、表6。FDD 為50 cm，以不附加Al 片情況下的測量結果為基值，以添加Al 片厚度為自變量，以添加不同厚度Al 片時的測量結果與基值的差為因變量，繪圖，結果如圖11～14所示。

表5 Mo/Mo輻射場下附加過濾測量影響（kV）Tab.5 Effects of additional filter on measurement in Mo/Mo(kV)

表6 W/Rh輻射場下附加過濾測量影響（kV）Tab.6 Effects of additional filter on measurement in W/Rh(kV)

圖11 Mo/Mo輻射場下Fluke X2管電壓測量Fig.11 Tube voltage measurement of Fluke X2 in Mo/Mo

圖12 Mo/Mo輻射場下RTI piranha 657管電壓測量Fig.12 Tube voltage measurement of RTI piranha 657 in Mo/Mo

圖13 W/Rh輻射場下Fluke X2管電壓測量Fig.13 Tube voltage measurement of Fluke X2 in W/Rh

圖14 W/Rh輻射場下RTI piranha 657管電壓測量Fig.14 Tube voltage measurement of RTI piranha 657 in W/Rh

從圖11～14可以看出在標稱值20～39 kV范圍內，隨著管電壓增加，差值隨著附加過濾增加整體趨勢變大，管電壓為20 kV時基本上不發生變化。Mo/Mo情況下，附加0.02和0.04 mm厚度Al片Fluke X2測量結果變化大于0.5 kV，最大增加值為1.6 kV；而同一情況下RTI piranha 657測量結果最大增加值為0.52 kV。W/Rh情況下，附加0.04 mm厚度Al片Fluke X2測量結果增加值最大為0.5 kV，RTI piranha 657增加值最大為0.27 kV。

2.5 陽極角變化的影響

測量結果列于表7。以陽極角10°情況下管電壓測量結果為基值，以標稱管電壓為自變量，以陽極角16°情況下的測量結果與基值的差作因變量，繪圖，結果如圖15、圖16所示。

表7 陽極角變化測量影響Tab.7 Effect of anode angle on measurement

從圖15、圖16 可以看出在標稱值20～35 kV 范圍內，隨著管電壓增加，兩類儀器測量結果隨著標稱管電壓的增大，整體趨勢相反，管電壓為20 kV 時候X2測量值不變，而657 則增大0.11 kV。在陽極角相差6°的情況下，兩種儀器測量結果最大變化依然在0.5 kV 以內（含0.5 kV）。

圖15 W/Rh輻射場下Fluke X2管電壓測量Fig.15 Tube voltage measurement of Fluke X2 in W/R

圖16 W/Rh輻射場下RTI piranha 657管電壓測量Fig.16 Tube voltage measurement of RTI piranha 657 in W/Rh

3 討論

從根本上講，距離、陽極角和過濾改變，其實就是輻射場達到測量儀器各探測器能譜或者總計數的改變，只不過能譜或者總計數改變的方式不一樣。在距離實驗中距離的改變會造成空氣路徑改變。由于乳腺輻射源的管電壓較低受到空氣減弱影響相比于普通診斷X光機大，并且能譜中低能部分受到影響較高能部分大，同時測量儀器探測器前的過濾厚度不一樣（比如1 mm Al 和2 mm Al），因此達到相應探測器的射線強度的比值（R值）就會發生相應變化以至于測量結果出現變化；同理，球管的陽極角不一樣，其能譜和平均能量存在差異，造成測量數據R值的改變，從而影響測量結果；兩類儀器測量結果變化趨勢相反跟其修正參數、儀器里面探測器自身前端過濾材料（得到來自能譜平滑前端不同區域的測量數據）、材料厚度和刻度數據的精度有關；從R值與管電壓的函數關系可知［12］，隨著管電壓增加，R值變化率增大，測量到的管電壓也會增大，這種情況同樣適用于乳腺管電壓；兩類測量儀器測量結果變化趨勢一致。但是同樣條件下X2 比657 變化更為明顯，超出了IEC61676 的要求，除了跟測量儀器采用的探測器前過濾材料及厚度比值、標準數據的精度有關外，有一個比較重要的因素在于兩類儀器采用不同的測量模型，X2 由于測量的是kVp，受到采樣閾值設置的影響，只選取了部分波形數據計算，導致其并不能很好地反應實際管電壓值［13］，而657 測量的是PPV，對整個管電壓波形數據進行計算，能較好地反映實際管電壓值；當然兩類儀器測量結果的顯示分辨率也是一個不可忽視的因素。

同時我們應該看出兩種輻射場在同一種條件變化中，對同一類儀器的測量結果影響也是不一樣的，Mo/Mo輻射場影響大于W/Rh輻射場，這跟兩種輻射場產生的能譜特性相關，Mo/Mo 輻射場能譜主要貢獻來源于Mo 的吸收峰，而W/Rh 輻射場則是以軔致輻射貢獻為主［14］，從蒙特卡羅仿真得到的能譜圖也可以明顯觀察到這一點。Mo/Mo 輻射場中R值變化率比W/Rh中大，因此在Mo/Mo中測量到的結果肯定也會比W/Rh中變化的更大。

此外我們應當注意的是測量儀器自身參與測量管電壓的各個探測器之間屏蔽材料實際的屏蔽效果。在20 kV 時候，在兩種輻射場中兩類儀器測量結果幾乎都不會隨著距離、陽極角和過濾條件改變而發生變化，說明條件改變并未使得輻射場對測量儀器產生變化的響應，另外20 kV 的射線能量特別低，其照射到測量儀器時產生的散射線能夠很好地被測量儀器中探測器間的屏蔽材料所屏蔽，但是隨著管電壓增加，射線輻射質變硬，屏蔽材料屏蔽效果變差，造成幾個探測器之間計數的溢出，因而也會影響計算結果，這個需要更進一步的論證。

4 總結

作為對20～150 kV 能量段X 射線診斷儀器管電壓溯源體系的補充，建立實驗室傳遞輻射場對乳腺非介入管電壓測量儀器進行管電壓校準時，應該考慮確立統一的校準距離（比如按照IEC 61676 確定為40 cm）、球管陽極角（比如選擇同一廠家同一型號的球管），這樣有利于降低對非介入測量儀器結果的影響；過濾材料和過濾厚度難以精準測量，可以通過總過濾條件和半值層，甚至第二半值層和同質系數來加以限制，也能降低其對非介入測量儀器結果的影響，這一點在Mo/Mo情況下，被校準儀器采用kVp表達結果的時候應特別值得注意；建議進行乳腺非介入管電壓測量的時候盡量不使用kVp 來反應測量結果，而應使用PPV；當然此次研究并沒有涉及非介入管電壓測量設備探測器探測效率、一致性和探測器之間散射等自身影響因素進行展開，尚需生產廠家提供具體參數；此外輻射場只考慮了市場上乳腺機中臨床應用最為常見的靶材和過濾組合。