診斷X射線能譜影響因素的模擬與分析

呂雅竹， 郭 彬， 李德紅， 沙比哈·吐爾遜， 張 璇

(1. 中國計(jì)量科學(xué)研究院，北京100029; 2.新疆維吾爾自治區(qū)計(jì)量測(cè)試研究院，新疆 烏魯木齊830011)

1 引 言

X光機(jī)產(chǎn)生X射線的過程實(shí)際上是陰極燈絲發(fā)射的電子束被高壓電場(chǎng)加速后到達(dá)陽極靶的過程中由于靶原子核周圍的電場(chǎng)的巨大減速而發(fā)出的軔致輻射。表征X射線輻射質(zhì)最為直接的方法是能譜，而X射線能譜受X射線光機(jī)的管電壓、靶材料、過濾等因素的影響，因此不同的X射線光機(jī)產(chǎn)生的能譜并不完全一樣[1～5]。尤其是對(duì)于醫(yī)用診斷X射線，為了保證診斷結(jié)果準(zhǔn)確、診斷過程合理，有必要對(duì)X射線能譜的影響因素進(jìn)行系統(tǒng)分析[6～9]。

2 材料和方法

2.1 模擬軟件

使用加拿大國家研究院(National Research Council of Canada, NRC)開發(fā)的EGSnrc模擬軟件[10]，該蒙特卡洛模擬軟件可以模擬能量范圍在1 keV～10 GeV的電子和光子在物質(zhì)中的輸運(yùn)情況，尤其適用于低能電子和光子輸運(yùn)模擬。其子程序BEAMnrc可用于建立X射線光管模型模擬粒子輸運(yùn)過程，模擬得到的相空間數(shù)據(jù)文件(phase-space data file)包含有粒子能量、注量、角分布等信息[11]；BEAMDP子程序用于對(duì)相空間數(shù)據(jù)文件進(jìn)行分析，可得到粒子能注量分布、能譜和平均能量(每道的計(jì)數(shù)乘以道數(shù)的數(shù)據(jù)之和，再除以總道數(shù)得到)等參數(shù)[12]。

不同紋波條件下的能譜是根據(jù)IPEM 78號(hào)報(bào)告得到[13]，該報(bào)告由北愛爾蘭醫(yī)學(xué)物理和工程研究所發(fā)布，給出了不同條件下常用診斷X射線光機(jī)的能譜分布。

2.2 建立模型

在建立計(jì)算模型的過程中，需要構(gòu)建X光管模型，根據(jù)計(jì)算模塊的要求設(shè)置幾何參數(shù)(geometric parameters)和主要輸入?yún)?shù) (main input parameters)。最終，可得到包含有粒子能量、注量、角分布等信息的相空間數(shù)據(jù)文件，使用子程序BEAMDP對(duì)相空間數(shù)據(jù)文件進(jìn)行分析處理即可得輻射質(zhì)能譜參數(shù)。

3 結(jié)果與分析

3.1 不同管電壓條件下的能譜

射線管陰極和陽極之間施加的管電位差的峰值決定了所發(fā)出的X射線能量的最大值。 X射線管輸出劑量可以通過能譜曲線的面積積分計(jì)算得到。以鎢靶為例，在15°傾角和2 mm Al過濾條件下，管電壓分別為40 kV，60 kV，80 kV和100 kV時(shí)，通過模擬計(jì)算得到的能譜以及平均等效能量如圖1所示。

圖1 不同管電壓條件下的能譜Fig.1 Spectrums with difference tube voltage

靶材、傾角和過濾條件均相同時(shí)，從圖1可以看出，輻射場(chǎng)中X射線平均能量隨著管電壓的增加而增大；另外，在管電壓值大于靶材特征X射線能量值的情況下，還會(huì)有基于靶材的特征X射線出現(xiàn)。

3.2 不同發(fā)射角下的能譜

X射線管的靶角是指電子束與靶表面法線之間的夾角，一般小于23°。通常所謂的“小焦點(diǎn)”由較小的靶角產(chǎn)生，而“寬焦點(diǎn)”由較大的靶角產(chǎn)生。X射線發(fā)射角是靶面和出射X射線束之間的角度，可以發(fā)現(xiàn)發(fā)射角較小的X射線通過較大厚度的陽極靶材料過濾，會(huì)影響出射X射線的能譜形狀。

以同樣的鎢靶，100 kV管電壓、2 mmAl過濾條件為例，分別在6°、12°和21°發(fā)射角條件下，模擬計(jì)算得到的能譜以及平均等效能量如圖2所示。

圖2 不同發(fā)射角條件下的能譜Fig.2 Spectrums with difference emission angle

從圖2可以看出，在靶材、管電壓、過濾等參數(shù)相同的條件下，隨著發(fā)射角的增加，X射線的平均能量呈減小趨勢(shì)，即低能部分的份額增加。而且，在管電壓數(shù)值大于靶材特征X射線能量值的條件下，盡管發(fā)射角差異較大，但參考輻射場(chǎng)中仍然存在特征X射線。

3.3 不同過濾條件下的能譜

X射線束從靶出發(fā)需要穿過多種材料之后才能到達(dá)被檢人員體表，這些材料主要包括：靶、絕緣油、出射窗上面附加薄層靶金屬(靶金屬蒸汽凝結(jié)導(dǎo)致)、出射窗、過濾片、透射電離室，此外還有路徑上所穿過的空氣；這些材料對(duì)X射線都造成衰減，從而改變射線的能譜分布。本文計(jì)算了100 kV條件下，相同過濾材料但不同厚度條件下的能譜分布如圖3所示。

圖3 同一過濾材料不同厚度條件下的X射線能譜Fig.3 Photon spectra with the different thickness filter

從圖3可以看出在管電壓、靶材和傾角等參數(shù)相同條件下，隨著過濾片厚度的增大射線平均能量會(huì)有所增加。

此外，還模擬計(jì)算了使用厚度相同但材料不同的過濾片，幾種診斷光機(jī)所產(chǎn)生的X射線能譜分布如圖4所示。

圖4 同一厚度不同過濾材料的X射線能譜Fig.4 Photon spectra with the filter with different material

從圖4可以看出其它條件相同的條件下，過濾片的等效原子序數(shù)越高，X射線能譜平均能量越大。

3.4 不同紋波條件下的能譜比較

由于外界原因，實(shí)際曝光過程中所施加的管電壓可能發(fā)生變化，包括交流電源的類型，整流類型和管電流所引起的陽極電壓的變化，這種變化稱為“紋波”，定義為：

式中：Vmax和Vmin分別是X射線管電位的最大值和最小值。在曝光期間，具有紋波波形的管電壓在大多數(shù)時(shí)間內(nèi)低于峰值電壓。使用SRS 78軟件得到了不同紋波條件下的X射線能譜分布，如圖5所示。

圖5 不同紋波條件下的能譜Fig.5 Photon spectra with difference ripple

從圖5可以看出在靶材、管電壓、過濾、傾角等參數(shù)相同的條件下，隨著紋波數(shù)值的增加，X射線的平均能量呈減小趨勢(shì)，即低能部分的份額增加。而且，在管電壓數(shù)值大于靶材特征X射線能量值的條件下，參考輻射場(chǎng)中仍然存在特征X射線。

4 結(jié) 語

通過上述模擬可以看出，診斷X射線輻射場(chǎng)的能譜分布受到包括管電壓、過濾、發(fā)射角和紋波等諸多因素的影響。光管長期使用之后，由于局部溫度升高導(dǎo)致靶熔化蒸發(fā)，使得靶表面變得粗糙，相當(dāng)于靶入射角度增大，導(dǎo)致X射線經(jīng)過靶材料的路徑長度相應(yīng)增加；另外，由于鎢蒸汽凝結(jié)(靶材料蒸發(fā)后部分沉積)在出射窗上面，相當(dāng)于附加了一層鎢過濾，最終使得出射的X射線硬化。對(duì)于其它用途的X射線輻射場(chǎng)，其射線能譜分布也受到管電壓、附加過濾、射線管發(fā)射角等直接影響。