X 射線機(jī)不同濾過(guò)材料吸收劑量率與管電壓的關(guān)系

王 韶，付宏斌，劉 揚(yáng)，張海英，單新員，劉純巖

（1. 吉林大學(xué)公共衛(wèi)生學(xué)院放射醫(yī)學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心，長(zhǎng)春 130000；2. 吉林大學(xué)公共衛(wèi)生學(xué)院放射衛(wèi)生教研室，長(zhǎng)春 130000；3. 吉林大學(xué)第二醫(yī)院放射線科，長(zhǎng)春 130000）

X 射線機(jī)是利用X 射線發(fā)生器產(chǎn)生的X 射線穿過(guò)物體以后，有部分X 射線的能量被物體所吸收（稱(chēng)為吸收劑量），少部分X 射線的能量在物體表面發(fā)生散射[1-2]，剩余的X 射線能量穿過(guò)物體（稱(chēng)為透射劑量），透射劑量與管電壓存在一定的依存關(guān)系[3-4]，我們把單位時(shí)間的吸收劑量、透射劑量分別稱(chēng)為吸收劑量率和透射劑量率。

一般用加速電子的管電壓kV 來(lái)間接表征X 射線的能量。透射劑量率與管電壓的關(guān)系非常重要[4]，透射劑量率能夠反映出被穿過(guò)物體的密度和厚度等相關(guān)信息，這是X 射線機(jī)用于醫(yī)學(xué)影像診斷最基本的原理[5-6]。研究透射劑量率與管電壓之間的關(guān)系[5]，為合理使用X 射線相關(guān)參數(shù)[7]，進(jìn)而為利用X 射線研究物質(zhì)結(jié)構(gòu)奠定堅(jiān)實(shí)的理論基礎(chǔ)。

測(cè)量X 射線管電壓和劑量率的方法一般有兩大類(lèi)：一類(lèi)是介入式測(cè)量法，另一類(lèi)就是非介入式測(cè)量法[8]（本實(shí)驗(yàn)應(yīng)用此法）。通過(guò)測(cè)定管電壓使得工作人員能夠很方便地調(diào)整X 射線診斷機(jī)的管電壓，合理選擇X 射線機(jī)的附加濾過(guò)[9-10]，提高X 射線機(jī)的線質(zhì)[11-12]，以適應(yīng)X 射線研究物質(zhì)結(jié)構(gòu)應(yīng)用的要求，提高了X射線診斷機(jī)的應(yīng)用效果和使用壽命[13-14]，在X 射線診斷機(jī)質(zhì)量檢測(cè)領(lǐng)域有著十分廣闊的應(yīng)用前景。本實(shí)驗(yàn)對(duì)不同濾過(guò)材料吸收劑量率與管電壓進(jìn)行測(cè)量分析，為本X 射線機(jī)的教學(xué)及科研應(yīng)用提供詳實(shí)的技術(shù)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 主要器材與儀器

見(jiàn)表1。

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

1.2.1 檢測(cè)管電壓測(cè)量值與設(shè)定值之間的偏離 1）按照廠家規(guī)定的程序開(kāi)啟深部X 光機(jī)；2）將一塊有機(jī)玻璃板放置于平床上，并將RaySafe X1 型X 射線質(zhì)量檢測(cè)儀探頭放在有機(jī)玻璃板上置于照射野正下方；3）曝光條件設(shè)置為焦點(diǎn)——探測(cè)器距離（source to image receptor distance，SID）為100 cm，球管總濾過(guò)為2.0 mmAl，管電流設(shè)置為3.0 mA，散射條件為平床加有機(jī)板，曝光時(shí)間為5 s，管電壓設(shè)定為60 ～ 130 kV，每5 kV 為一個(gè)間隔；4）每種管電壓均曝光3 次，記錄每次管電壓測(cè)量值，取平均值；5）將管電壓測(cè)量值與設(shè)定值繪制成曲線，觀察兩者間是否存在偏離；6）更換不同的濾過(guò)材料，如：0 mmAl、0.25 mmCu、0.5 mmCu 等重復(fù)上述2）、3）、4）、5）步驟。

1.2.2 測(cè)量并分析劑量率與管電壓之間關(guān)系 1）將一塊有機(jī)玻璃板放置于平床上，并將RaySafe X1 型X 射線質(zhì)量檢測(cè)儀探頭放在有機(jī)玻璃板上置于照射野正下方，進(jìn)行曝光；2）曝光條件設(shè)置為SID 為100 cm，球管總濾過(guò)為2.0 mmAl，管電流設(shè)置為3.0 mA，散射條件為平床加有機(jī)板，曝光時(shí)間為5 s，管電壓設(shè)定為60 ～ 130 kV，每5 kV 為一個(gè)間隔；3）每種管電壓均曝光3 次，記錄每次劑量率測(cè)量值，取平均值；4）將管電壓與劑量率值錄入Excel 表格繪制散點(diǎn)圖，研究?jī)烧咧g關(guān)系；5）更換不同濾過(guò)材料，如：0 mmAl、0.25 mmCu、0.5 mmCu 等重復(fù)上述1）～4）步驟。

1.3 統(tǒng)計(jì)學(xué)方法

應(yīng)用Excel 軟件對(duì)本次研究所得數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)學(xué)處理，繪制散點(diǎn)圖擬合趨勢(shì)線研究參數(shù)之間的關(guān)系。

2 結(jié)果

2.1 不同濾過(guò)材料在不同管電壓設(shè)定下透射劑量率均值

為提高實(shí)驗(yàn)結(jié)果準(zhǔn)確性并更好的研究劑量率與管電壓之間關(guān)系，在保證其它條件不變的情況下更換了不同的濾過(guò)材料來(lái)檢測(cè)劑量率。以下為濾過(guò)材料為0 mmAl、2.0 mmAl、0.25 mmCu、0.5 mmCu、1.0 mmCu、1.25 mmCu、1.5 mmCu 時(shí)改變管電壓大小，所測(cè)得的透射劑量率。見(jiàn)表2。

表2 不同濾過(guò)材料在不同管電壓設(shè)定下透射劑量率均值 μGy·s-1

2.2 使用不同濾過(guò)材料時(shí)劑量率與kV 關(guān)系

使用不同厚度Cu 片、Al 片時(shí)劑量率與kV 線性回歸方程斜率見(jiàn)表3、表4。由圖1 可知透射劑量率隨管電壓增大而增大，亦即管電壓越高，X 射線的透射率越高，結(jié)果與理論分析高度吻合。

表3 使用不同厚度Cu 片時(shí)劑量率與kV 線性回歸方程斜率

表4 使用不同厚度Al 片時(shí)劑量率與kV 線性回歸方程斜率

圖1 使用不同濾過(guò)材料時(shí)劑量率與kV 關(guān)系

2.3 使用不同濾過(guò)材料時(shí)劑量率與kV 線性擬合關(guān)系

為了更好地研究不同濾過(guò)材料對(duì)劑量率與kV 關(guān)系的影響，可添加趨勢(shì)線，以線性關(guān)系擬合后觀察其變化趨勢(shì)。見(jiàn)圖2。

圖2 使用不同濾過(guò)材料時(shí)劑量率與kV 線性擬合關(guān)系

2.4 劑量率與kV 線性關(guān)系斜率受濾過(guò)材料Cu 和Al 的影響

由圖3 可知濾過(guò)材料厚度越大，透射劑量率受管電壓kV 影響越小，主要是因?yàn)樯⑸渌鶐?lái)的影響越小。

圖3 劑量率與kV 線性關(guān)系斜率受濾過(guò)材料Cu 和Al 的影響

3 討論

本實(shí)驗(yàn)所用新裝X 射線機(jī)按照《醫(yī)用常規(guī)X 射線診斷設(shè)備質(zhì)量控制檢測(cè)規(guī)范》（WS76-2017）對(duì)各參數(shù)的要求進(jìn)行檢測(cè)，參數(shù)均符合該標(biāo)準(zhǔn)的要求，因此該設(shè)備是一臺(tái)符合國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)要求的X 射線裝置。實(shí)驗(yàn)中使用最為廣泛的設(shè)備是Raysafe X1 型X 射線質(zhì)量檢測(cè)儀，該設(shè)備出廠附帶了《校準(zhǔn)證書(shū)》，檢測(cè)數(shù)據(jù)均經(jīng)過(guò)校準(zhǔn)因子的修正，據(jù)調(diào)查該設(shè)備質(zhì)量穩(wěn)定可靠，所檢測(cè)的數(shù)據(jù)具備一定程度的可靠性。實(shí)驗(yàn)過(guò)程中盡可能采取了一系列措施以降低散射對(duì)測(cè)量結(jié)果的影響。

本實(shí)驗(yàn)研究了濾過(guò)材料對(duì)透射劑量率與管電壓關(guān)系的影響，等效濾過(guò)越大，所濾除的低能X 射線越多，X 射線的能譜“越窄”，高能X 射線的吸收比率越小，以及等效管電壓越接近于設(shè)定值，因此濾過(guò)材料厚度越大，劑量率受管電壓kV 的影響越小。本實(shí)驗(yàn)的結(jié)果印證了該理論的正確性。

不同濾過(guò)材料對(duì)X 射線管電壓的影響不同，主要是由于不同材料的吸收材料因其不同的原子密度和原子序數(shù)不同，與X 射線發(fā)生相互作用的概率不同，所吸收X 射線能量的頻譜也不同，因此對(duì)改善X 射線的管電壓的線質(zhì)也不同，還需進(jìn)一步深入研究和驗(yàn)證。但也應(yīng)該認(rèn)識(shí)到，濾過(guò)材料厚度越大，有用X 射線的劑量率越低，盡管X 射線的線質(zhì)會(huì)越好，但X 射線的劑量利用率會(huì)下降，因此合理適度地選擇濾過(guò)材料是X 射線應(yīng)用中亦需仔細(xì)考慮的因素。