铝梯在诊断X射线设备中的检测研究

2013-11-19刘文徐涛唐辉张少青

中国医疗设备 2013年7期

刘文，徐涛，唐辉，张少青

北京军区总医院医学工程科，北京 100700

0 前言

目前，国际通用kV（X射线管电压）检测设备中有相当部分设备是采用铝梯楔配级原理设计的。本研究目的是在试验中找出可以用于开发kV检测设备的数据和方法。随着进一步对铝梯楔的使用与开发，用铝梯楔与传感器配合可开发出更多的现代化X射线检测设备[1-2]。

1 铝梯楔分类与应用

1.1 铝梯楔的分类

常用的铝梯楔是用高纯度铝制成的，分为11阶和21阶两种。11阶铝梯楔每阶3 mm高度递进，总高33 mm，最小分辨率10%（图1）。21阶铝梯楔每阶2.1mm高度递进，总高44.1 mm，最小分辨率5%（图2）。

图1 11阶铝梯楔

图2 21阶铝梯楔

1.2 铝梯应用

用于X射线机确定mAs线性、vs.kVp对比度。在胶片测试中用于暗室灰度测试、胶片和显示屏的对比、绘制技术图表等。在正常情况下铝梯楔要配合黑度计进行使用，在没有黑度计的情况下只能用肉眼对铝梯楔的X射线照片以灰度显示进行判别。由于X射线透视造影影响因素较多，用铝梯检测是非常传统的检测方法，被认为是检测的理论基础。

2 试验设备与试验条件及试验目的

2.1 试验设备

试验选用了日本岛津X射线机型（UD150L-30D）50 kW常规X射线机，检测前根据国家标准GB/T11755.1-1989[3]、GB GB/T11755.2-1989[4]、GB/T11757-1989[5]对 X射线机进行检测。

医用诊断X射线机传感器检测范围包括剂量、能量、时间检测等。通常情况下，管电压25～200 kV 、曝光时间5～6000 ms、管电流0.5～1250 mA。

2.2 试验条件

试验中曝光条件：焦点到成像点距离（SID）100 cm、管电压50～140 kV、灯丝电流200 mA、曝光时间10 ms、照射野10 cm×10 cm。将铝梯放置照射野中心进行曝光，上述条件仅改变管电压的值，依次设置为50、60、70、80、90、100、110、120、130、140 kV。管电压是医用诊断X射线机的一项非常重要的参数，它的微小变化都将影响诊断质量。

2.3 试验目的

本试验目的是绘出管电压（kV）在不同厚度滤过质下的曝光曲线。

均匀滤过质的选择：对于同样厚度的不同滤过质（均匀），在焦点到电离室距离一定的情况下，用不同管电压进行曝光，由于不同滤过质对X射线穿透力不一样，它们的穿透率是有差别的。为了检测X射线的穿透能力，通常采用不同厚度的相同物质。由于水比重为1（纯水），接近人体比重比，而且易获得，所以常规情况下使用的标准物质是水。但它不能长期保存又携带不方便，且不能直接用于测量不同层面。为方便用于不同厚度层面的测量，从比重、加工、造价、便携角度考虑，本试验选择铝（比重2.25～2.75）材料。

3 检测试验原理与数据处理

3.1 康普顿效应检测数据分析

为了保障数据的准确性，试验使用上述2.2条件对每个能量点进行3次曝光，将试验数据用公式(1)进行算术平均处理，得到康普顿效应检测数据（表1）。

将表1检测数据分为两组：50～110 kV为一组；120～140 kV为另一组。两组检测数据拟合曲线，见图3。

图3 两组检测数据拟合曲线

康普顿效应是指在某种射线穿透物体时，入射光子作用于原子外层轨道时与入射角方向形成φ射出，称为康普顿反冲电子，而射入光子损失部分能量后与φ角形成反方向θ角散射，称为散射光子。也就是说在胶片上看到的上部3条曲线，除了光电效应外还有散射效应存在，在图3中可以看到120～140 kV的数据向上台高。检测数据说明用铝梯的检测方法基本符合医用诊断X射线能量相互作用原理。

3.2 能量分组与测量

不同管电压的连续X射线谱，可认为是不同频率单能X射线的混合，通过表1我们可以看到在其他条件不变的情况下，不同的能量（kV）穿透力是不同的，60 kV的穿透能力在2 (6 mm)、70 kV在4 (12 mm)、80 kV在6 (18 mm)、90 kV在7 (21 mm)等等。本试验在以上条件下将11阶铝梯全部穿透的是110 kV的能量，说明试验选择的条件可作为110 kV能量检测标准。实际这种方法就是沿用了高压铝梯配级或铜梯配级测量原理。用曝光后所选择的特定层作为参考数据，可作为今后（kV）能量校准参考。

4 自动曝光检测

用铝梯楔的方法评估X射线发生装置自动曝光控制系统的功能，以确保当被照物体厚度变化时，能保持稳定一致的影像密度。

表1 康普顿效应检测数据表

4.1 能量计算公式

在屏/胶系统X射线摄影中，增感率、胶片感度、原子序数、摄影距离（焦片距）、被检物体厚度等因素固定，X射线通过铝梯楔到达胶片的能量为：E=KVnO=KVnmAs

式中：K为常数，V代表管电压 ( kV)，Q代表管电流量，n为kV指数[6]，E为曝光量。

对于相同的部位须相等的曝光量，相同的曝光量可有不同的 kV值与 mAs组合。不同组合间的 kV或 mAs的换算涉及到kV指数 n值， n值随 kV变化。

n值的计算(2)：

对于同一被照体，要达到预定的曝光量（D）所用电

压为 V1、管电流量（mAs）为Q1，则曝光量E1= K××Q1；若管电压为 V2，为保证E1=E2必须改变管电流量为

对E1=E2，即两边取对数得：n×lgV2+lgQ2=n× lgV1+lgQ1，整理得：

4.2 检测方法

用铝梯楔方法对自动曝光控制（AEC）精度检测能够简化原有方法，提高检测效率和检测精度，特别适用于高精DR成像系统的检测。检测方法基本同临床照相，使用铝板（200 mm×200 mm×20 mm）2块，或丙烯树脂板模体（200 mm×200 mm×10 mm）25块[7]。检测步骤如下：① 照相条件设为自动；② 调整摄影距离SSD为100 cm、调整X射线照射野在模体平面上略小于模体面积（200 mm×200 mm）；③ 将X射线管头中心垂直于模体、铝梯、DR探测板中心，并在一条轴线上；④ 分别进行2次曝光，第一次将铝板2cm（200 mm×200 mm×20 mm）放置X射线野内，并将铝梯楔放置铝板中心之上，对铝梯楔中心点做好标记，进行曝光。在第一次基础上增加2cm铝板或丙烯树脂板模体15 cm（200 mm×200 mm×10 mm）进行第二次曝光；⑤ 冲洗照片后用黑度计对2张片子进行多点密度测量，取平均值[8]。

按公式(3)计算AEC精度。