乳腺非介入管电压影响因素研究

董凤华，张晓栋，董文龙，杨建，范杰

中国测试技术研究院，四川成都 610021

前言

乳腺X射线的管电压性能非常重要，它既决定了射线的穿透能力，对辐射剂量影响较大，又对乳腺诊断品质有重要影响［1-4］。目前乳腺X 射线的管电压测试方法主要有两种［5-6］：一是介入式测试方法，使用高精度的分压箱和数字采集单元对X 射线的高压发生器直接进行电压采集，得到相当精确的电压结果；二是非介入式测试方法，主要由非介入管电压表或者多参数剂量仪（包含管电压测量功能），通过至少两个探测器阵列在乳腺X 射线辐射场内测量相应的数据计算能谱曲线从而得到较为精确的平均峰值电压（Kilovolt Peak，kVp）或实用峰值电压（PPV）；随着探测器技术及算法的改进，这种方式已经是现场测试最为主要的方法，其原理见图1。由于非介入式测试方法自身的测量特点，使其测量结果除了受到高压发生器影响外，还受到测量仪器标准数据精度、探测器响应能力、算法及辐射场等因素影响。基于上述研究背景，笔者认为有必要参照IEC61676 标准中的影响量，考虑实际使用中测量条件容易发生改变或出现差异的情况，研究在一定管电压范围内，Mo/Mo和W/Rh 两种辐射场（能谱差异）情况下，距离、过滤条件和阳极角变化（能谱的变化）对测量结果的影响，以及Fluke X2（以下简称X2）和RTI piranha 657（以下简称657）两类测量设备测量结果的差异。

图1 非介入管电压仪器测试原理Fig.1 Test principle of non-invasive tube voltage measuring instrument

1 材料和方法

1.1 材料

1.1.1 标准实用峰值电压测量系统由介入式高频高压分压器及高速数字采集器构成，经过计量校准，直流电压分压比10 000：1，直流电压分压比误差为±1%，可测频率范围为0～1 MHz，采样速率1 MHz/s。

1.1.2 乳腺辐射源乳腺辐射源由X 射线高压发生器和X 射线管组成。球管靶材有两种：Mo 和W；过滤材料：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。实验中只采用两种市场上应用最广泛的靶材与过滤材料组合产生的辐射场：Mo/0.032 mm Mo（以下简称Mo/Mo）和W/0.05 mm Rh（以下简称W/Rh），并用叠加高纯度（0.05～2.00 mm）铝片测定第一半值层［7-10］，测量示意图见图2。Mo/Mo符合IEC 61267要求，W/Rh测量结果见表1。

表1 W/Rh辐射质测量结果Tab.1 Measurements of radiation quality in W/Rh

图2 半值层和非介入管电压测量示意图Fig.2 Schematic diagram of half-value layer and non-invasive tube voltage measurement

1.1.3 乳腺非介入管电压测量仪器选用国内最为常见的两家公司的产品：福禄克公司的X2和RTI公司的657，其中X2测量结果为kVp，用高于峰值信号33%的所有样本平均值计算得到，显示分辨率为0.1 kV；657测量结果为PPV，按照IEC 61676中定义计算得到，显示分辨率为0.01 kV。两套仪器均经过计量校准。

1.1.4 蒙特卡罗软件使用蒙特卡罗软件模拟实际球管条件，并生成过滤条件变化情况下达到测量仪器的能谱，并计算达到不同探测器的总计数，方便定性分析实验结果。

1.2 方法

1.2.1 测试方法通过标准实用峰值电压测量系统介入光机初级电路直接得到管电压结果，确定光机稳定性符合传递辐射场的建立，其短期变化不影响结果［11］；分压器、高速数字采集器与光机初级电路采用特殊设计的专用接头按照图3进行连接。

图3 介入式测量连接示意图Fig.3 Connection diagram of intrusive measurement

将X2 或657 分别放置于乳腺辐射源产生的辐射场中测试平面的几何中心位置，如图2所示，分别在Mo/Mo 和W/Rh 情况下，选取恒定的电流时间积，在下列条件变化情况下进行曝光，每个电压点测量3次求平均值。

（1）距离变化：考虑到IEC 61676 中非介入管电压表的参考测量距离、厂家说明和乳腺剂量测量常规距离，笔者选取3 种焦室距（FDD），分别为40、50和60 cm，设置常用管电压为20～35 kV，分别记录两类仪器测量结果。

（2）过滤条件变化：由于过滤片的厚度受到加工及测量精度的影响，难以控制，笔者参考IEC 61267建立乳腺辐射场的半值层要求（±0.02 mm Al），在已有过滤情况下，附加一定厚度铝片，使得过滤条件发生微小变化（附加0.01～0.04 mm Al，能在20～39 kV的管电压范围内使半值层增加0.006～0.020 mm Al），FDD为50 cm，分别记录两类仪器测量结果。

（3）阳极角变化：由于阳极角属于球管的特性，无法进行现场改变，已经建立的辐射场中只有W 靶具有两个阳极角可供选择（10°和16°），因此本实验只能在W/Rh 中进行，设置管电压为20～35 kV，FDD 为50 cm，分别记录两类仪器测量结果。

1.2.2 统计学方法采用Excel 2010 进行数据处理与数据拟合作图。

2 结果

2.1 光机稳定性

通过标准实用峰值电压测量系统介入光机初级电路直接得到管电压的标准偏差都在0.19%以内（表2），说明光机稳定性符合传递辐射场的建立。

表2 介入式管电压测量结果Tab.2 Measurement results of tube voltage by intrusive method

2.2 蒙特卡罗仿真能谱曲线

达到探测器A 的总计数与达到探测器B 的总计数之比为R值，它的准确性是非介入测量管电压仪器测量管电压的关键［12］。假设图1中A 和B 两个探测器前端过滤分别为经典的1 mm Al 和2 mm Al，为了较直观地表现两种辐射场能谱的差异和条件改变后能谱的变化，本研究以过滤变化条件为例，用蒙特卡罗程序完成与实验条件相同的仿真：（1）管电压为25～35 kV 时W/Rh 和Mo/Mo 达到A 和B 两个探测器的能谱（计数），图4为管电压为35 kV 时的能谱图；（2）在（1）其他条件不变的情况下，在W/Rh 出束口附加不同厚度的Al 片，达到A 和B 两个探测器的能谱（计数），图5为管电压为35 kV时的能谱图；（3）在（1）其他条件不变的情况下，在Mo/Mo 出束口附加不同厚度的Al片，达到A 和B 两个探测器的能谱（计数），图6为管电压35 kV时的能谱图。

图4 W/Rh和Mo/Mo辐射场35 kV情况下达到两个探测器的能谱（计数）Fig.4 Energy spectrum(count)of two detectors in W/Rh and Mo/Mo at 35 kV

图5 W/Rh辐射场在出束口附加不同厚度的Al片，达到A和B探测器的能谱（计数）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

图6 Mo/Mo辐射场在出束口附加不同厚度的Al片，达到A和B探测器的能谱（计数）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

计算模拟得到的各个设定条件下达到探测器的能谱，以无附加过滤情况下的R值为参考，发现在低管电压的时候R值变化率非常小（比如20 kV），随着管电压增加，R值变化率随着附加过滤的增加而变大；在同一管电压条件下Mo/Mo 辐射场中R值变化率比W/Rh 大，能达到1%左右（比如35 kV）；同时能谱的变化主要源自于其中低能段。

2.3 距离变化的影响

不同FDD 下管电压测量结果见表3、表4。以FDD 为40 cm 时管电压的测量结果为基值，以FDD为自变量，以FDD 为40～60 cm 时管电压的测量结果与基值的差作因变量，绘图，结果见图7～10。

表3 Mo/Mo辐射场在不同FDD下的测量结果（kV）Tab.3 Measurement results in Mo/Mo under different FDD(kV)

表4 W/Rh辐射场在不同FDD下的测量结果（kV）Tab.4 Measurement results in W/Rh under different FDD(kV)

从图7～10可以看出在标称值20～35 kV范围内，随着管电压增加，两类仪器测量结果随着距离增加整体趋势是变大的，但是20 kV时候基本上不发生变化，FDD为40 与50 cm时测量结果变化很小（0.2 kV以内）；Mo/Mo在35 kV情况下X2测量结果增大了0.5 kV，变化最大，而同一情况下657测量结果只增大了0.2 kV，两类仪器测量结果最大变化在0.5 kV以内（含0.5 kV）。

图7 Mo/Mo辐射场下Fluke X2管电压测量Fig.7 Tube voltage measurement of Fluke X2 in Mo/Mo

图8 Mo/Mo辐射场下RTI piranha 657管电压测量Fig.8 Tube voltage measurement of RTI piranha 657 in Mo/Mo

图9 W/Rh辐射场下Fluke X2管电压测量Fig.9 Tube voltage measurement of Fluke X2 in W/Rh

图10 W/Rh辐射场下RTI piranha 657管电压测量Fig.10 Tube voltage measurement of RTI piranha 657 in W/Rh

2.4 过滤条件变化的影响

测量结果见表5、表6。FDD 为50 cm，以不附加Al 片情况下的测量结果为基值，以添加Al 片厚度为自变量，以添加不同厚度Al 片时的测量结果与基值的差为因变量，绘图，结果如图11～14所示。

表5 Mo/Mo辐射场下附加过滤测量影响（kV）Tab.5 Effects of additional filter on measurement in Mo/Mo(kV)

表6 W/Rh辐射场下附加过滤测量影响（kV）Tab.6 Effects of additional filter on measurement in W/Rh(kV)

图11 Mo/Mo辐射场下Fluke X2管电压测量Fig.11 Tube voltage measurement of Fluke X2 in Mo/Mo

图12 Mo/Mo辐射场下RTI piranha 657管电压测量Fig.12 Tube voltage measurement of RTI piranha 657 in Mo/Mo

图13 W/Rh辐射场下Fluke X2管电压测量Fig.13 Tube voltage measurement of Fluke X2 in W/Rh

图14 W/Rh辐射场下RTI piranha 657管电压测量Fig.14 Tube voltage measurement of RTI piranha 657 in W/Rh

从图11～14可以看出在标称值20～39 kV范围内，随着管电压增加，差值随着附加过滤增加整体趋势变大，管电压为20 kV时基本上不发生变化。Mo/Mo情况下，附加0.02和0.04 mm厚度Al片Fluke X2测量结果变化大于0.5 kV，最大增加值为1.6 kV；而同一情况下RTI piranha 657测量结果最大增加值为0.52 kV。W/Rh情况下，附加0.04 mm厚度Al片Fluke X2测量结果增加值最大为0.5 kV，RTI piranha 657增加值最大为0.27 kV。

2.5 阳极角变化的影响

测量结果列于表7。以阳极角10°情况下管电压测量结果为基值，以标称管电压为自变量，以阳极角16°情况下的测量结果与基值的差作因变量，绘图，结果如图15、图16所示。

表7 阳极角变化测量影响Tab.7 Effect of anode angle on measurement

从图15、图16 可以看出在标称值20～35 kV 范围内，随着管电压增加，两类仪器测量结果随着标称管电压的增大，整体趋势相反，管电压为20 kV 时候X2测量值不变，而657 则增大0.11 kV。在阳极角相差6°的情况下，两种仪器测量结果最大变化依然在0.5 kV 以内（含0.5 kV）。

图15 W/Rh辐射场下Fluke X2管电压测量Fig.15 Tube voltage measurement of Fluke X2 in W/R

图16 W/Rh辐射场下RTI piranha 657管电压测量Fig.16 Tube voltage measurement of RTI piranha 657 in W/Rh

3 讨论

从根本上讲，距离、阳极角和过滤改变，其实就是辐射场达到测量仪器各探测器能谱或者总计数的改变，只不过能谱或者总计数改变的方式不一样。在距离实验中距离的改变会造成空气路径改变。由于乳腺辐射源的管电压较低受到空气减弱影响相比于普通诊断X光机大，并且能谱中低能部分受到影响较高能部分大，同时测量仪器探测器前的过滤厚度不一样（比如1 mm Al 和2 mm Al），因此达到相应探测器的射线强度的比值（R值）就会发生相应变化以至于测量结果出现变化；同理，球管的阳极角不一样，其能谱和平均能量存在差异，造成测量数据R值的改变，从而影响测量结果；两类仪器测量结果变化趋势相反跟其修正参数、仪器里面探测器自身前端过滤材料（得到来自能谱平滑前端不同区域的测量数据）、材料厚度和刻度数据的精度有关；从R值与管电压的函数关系可知［12］，随着管电压增加，R值变化率增大，测量到的管电压也会增大，这种情况同样适用于乳腺管电压；两类测量仪器测量结果变化趋势一致。但是同样条件下X2 比657 变化更为明显，超出了IEC61676 的要求，除了跟测量仪器采用的探测器前过滤材料及厚度比值、标准数据的精度有关外，有一个比较重要的因素在于两类仪器采用不同的测量模型，X2 由于测量的是kVp，受到采样阈值设置的影响，只选取了部分波形数据计算，导致其并不能很好地反应实际管电压值［13］，而657 测量的是PPV，对整个管电压波形数据进行计算，能较好地反映实际管电压值；当然两类仪器测量结果的显示分辨率也是一个不可忽视的因素。

同时我们应该看出两种辐射场在同一种条件变化中，对同一类仪器的测量结果影响也是不一样的，Mo/Mo辐射场影响大于W/Rh辐射场，这跟两种辐射场产生的能谱特性相关，Mo/Mo 辐射场能谱主要贡献来源于Mo 的吸收峰，而W/Rh 辐射场则是以轫致辐射贡献为主［14］，从蒙特卡罗仿真得到的能谱图也可以明显观察到这一点。Mo/Mo 辐射场中R值变化率比W/Rh中大，因此在Mo/Mo中测量到的结果肯定也会比W/Rh中变化的更大。

此外我们应当注意的是测量仪器自身参与测量管电压的各个探测器之间屏蔽材料实际的屏蔽效果。在20 kV 时候，在两种辐射场中两类仪器测量结果几乎都不会随着距离、阳极角和过滤条件改变而发生变化，说明条件改变并未使得辐射场对测量仪器产生变化的响应，另外20 kV 的射线能量特别低，其照射到测量仪器时产生的散射线能够很好地被测量仪器中探测器间的屏蔽材料所屏蔽，但是随着管电压增加，射线辐射质变硬，屏蔽材料屏蔽效果变差，造成几个探测器之间计数的溢出，因而也会影响计算结果，这个需要更进一步的论证。

4 总结

作为对20～150 kV 能量段X 射线诊断仪器管电压溯源体系的补充，建立实验室传递辐射场对乳腺非介入管电压测量仪器进行管电压校准时，应该考虑确立统一的校准距离（比如按照IEC 61676 确定为40 cm）、球管阳极角（比如选择同一厂家同一型号的球管），这样有利于降低对非介入测量仪器结果的影响；过滤材料和过滤厚度难以精准测量，可以通过总过滤条件和半值层，甚至第二半值层和同质系数来加以限制，也能降低其对非介入测量仪器结果的影响，这一点在Mo/Mo情况下，被校准仪器采用kVp表达结果的时候应特别值得注意；建议进行乳腺非介入管电压测量的时候尽量不使用kVp 来反应测量结果，而应使用PPV；当然此次研究并没有涉及非介入管电压测量设备探测器探测效率、一致性和探测器之间散射等自身影响因素进行展开，尚需生产厂家提供具体参数；此外辐射场只考虑了市场上乳腺机中临床应用最为常见的靶材和过滤组合。