诊断X射线能谱影响因素的模拟与分析

吕雅竹， 郭 彬， 李德红， 沙比哈·吐尔逊， 张 璇

(1. 中国计量科学研究院，北京100029; 2.新疆维吾尔自治区计量测试研究院，新疆 乌鲁木齐830011)

1 引 言

X光机产生X射线的过程实际上是阴极灯丝发射的电子束被高压电场加速后到达阳极靶的过程中由于靶原子核周围的电场的巨大减速而发出的轫致辐射。表征X射线辐射质最为直接的方法是能谱，而X射线能谱受X射线光机的管电压、靶材料、过滤等因素的影响，因此不同的X射线光机产生的能谱并不完全一样[1～5]。尤其是对于医用诊断X射线，为了保证诊断结果准确、诊断过程合理，有必要对X射线能谱的影响因素进行系统分析[6～9]。

2 材料和方法

2.1 模拟软件

使用加拿大国家研究院(National Research Council of Canada, NRC)开发的EGSnrc模拟软件[10]，该蒙特卡洛模拟软件可以模拟能量范围在1 keV～10 GeV的电子和光子在物质中的输运情况，尤其适用于低能电子和光子输运模拟。其子程序BEAMnrc可用于建立X射线光管模型模拟粒子输运过程，模拟得到的相空间数据文件(phase-space data file)包含有粒子能量、注量、角分布等信息[11]；BEAMDP子程序用于对相空间数据文件进行分析，可得到粒子能注量分布、能谱和平均能量(每道的计数乘以道数的数据之和，再除以总道数得到)等参数[12]。

不同纹波条件下的能谱是根据IPEM 78号报告得到[13]，该报告由北爱尔兰医学物理和工程研究所发布，给出了不同条件下常用诊断X射线光机的能谱分布。

2.2 建立模型

在建立计算模型的过程中，需要构建X光管模型，根据计算模块的要求设置几何参数(geometric parameters)和主要输入参数 (main input parameters)。最终，可得到包含有粒子能量、注量、角分布等信息的相空间数据文件，使用子程序BEAMDP对相空间数据文件进行分析处理即可得辐射质能谱参数。

3 结果与分析

3.1 不同管电压条件下的能谱

射线管阴极和阳极之间施加的管电位差的峰值决定了所发出的X射线能量的最大值。 X射线管输出剂量可以通过能谱曲线的面积积分计算得到。以钨靶为例，在15°倾角和2 mm Al过滤条件下，管电压分别为40 kV，60 kV，80 kV和100 kV时，通过模拟计算得到的能谱以及平均等效能量如图1所示。

图1 不同管电压条件下的能谱Fig.1 Spectrums with difference tube voltage

靶材、倾角和过滤条件均相同时，从图1可以看出，辐射场中X射线平均能量随着管电压的增加而增大；另外，在管电压值大于靶材特征X射线能量值的情况下，还会有基于靶材的特征X射线出现。

3.2 不同发射角下的能谱

X射线管的靶角是指电子束与靶表面法线之间的夹角，一般小于23°。通常所谓的“小焦点”由较小的靶角产生，而“宽焦点”由较大的靶角产生。X射线发射角是靶面和出射X射线束之间的角度，可以发现发射角较小的X射线通过较大厚度的阳极靶材料过滤，会影响出射X射线的能谱形状。

以同样的钨靶，100 kV管电压、2 mmAl过滤条件为例，分别在6°、12°和21°发射角条件下，模拟计算得到的能谱以及平均等效能量如图2所示。

图2 不同发射角条件下的能谱Fig.2 Spectrums with difference emission angle

从图2可以看出，在靶材、管电压、过滤等参数相同的条件下，随着发射角的增加，X射线的平均能量呈减小趋势，即低能部分的份额增加。而且，在管电压数值大于靶材特征X射线能量值的条件下，尽管发射角差异较大，但参考辐射场中仍然存在特征X射线。

3.3 不同过滤条件下的能谱

X射线束从靶出发需要穿过多种材料之后才能到达被检人员体表，这些材料主要包括：靶、绝缘油、出射窗上面附加薄层靶金属(靶金属蒸汽凝结导致)、出射窗、过滤片、透射电离室，此外还有路径上所穿过的空气；这些材料对X射线都造成衰减，从而改变射线的能谱分布。本文计算了100 kV条件下，相同过滤材料但不同厚度条件下的能谱分布如图3所示。

图3 同一过滤材料不同厚度条件下的X射线能谱Fig.3 Photon spectra with the different thickness filter

从图3可以看出在管电压、靶材和倾角等参数相同条件下，随着过滤片厚度的增大射线平均能量会有所增加。

此外，还模拟计算了使用厚度相同但材料不同的过滤片，几种诊断光机所产生的X射线能谱分布如图4所示。

图4 同一厚度不同过滤材料的X射线能谱Fig.4 Photon spectra with the filter with different material

从图4可以看出其它条件相同的条件下，过滤片的等效原子序数越高，X射线能谱平均能量越大。

3.4 不同纹波条件下的能谱比较

由于外界原因，实际曝光过程中所施加的管电压可能发生变化，包括交流电源的类型，整流类型和管电流所引起的阳极电压的变化，这种变化称为“纹波”，定义为：

式中：Vmax和Vmin分别是X射线管电位的最大值和最小值。在曝光期间，具有纹波波形的管电压在大多数时间内低于峰值电压。使用SRS 78软件得到了不同纹波条件下的X射线能谱分布，如图5所示。

图5 不同纹波条件下的能谱Fig.5 Photon spectra with difference ripple

从图5可以看出在靶材、管电压、过滤、倾角等参数相同的条件下，随着纹波数值的增加，X射线的平均能量呈减小趋势，即低能部分的份额增加。而且，在管电压数值大于靶材特征X射线能量值的条件下，参考辐射场中仍然存在特征X射线。

4 结 语

通过上述模拟可以看出，诊断X射线辐射场的能谱分布受到包括管电压、过滤、发射角和纹波等诸多因素的影响。光管长期使用之后，由于局部温度升高导致靶熔化蒸发，使得靶表面变得粗糙，相当于靶入射角度增大，导致X射线经过靶材料的路径长度相应增加；另外，由于钨蒸汽凝结(靶材料蒸发后部分沉积)在出射窗上面，相当于附加了一层钨过滤，最终使得出射的X射线硬化。对于其它用途的X射线辐射场，其射线能谱分布也受到管电压、附加过滤、射线管发射角等直接影响。