乳腺X射線基準(zhǔn)裝置半值層的測(cè)量

郭思明， 劉 瑩,2， 吳金杰(.中國(guó)計(jì)量科學(xué)研究院， 北京 00029； 2.南華大學(xué)， 湖南 衡陽(yáng) 4200)

1 引 言

乳腺鉬靶X射線攝影檢查具有較高的軟組織密度及空間分辨率，是目前乳腺癌診斷最有效、最準(zhǔn)確的手段[1]。同時(shí)，乳腺診斷X光機(jī)的質(zhì)量控制問(wèn)題逐漸引起重視，所以，建立乳腺鉬靶X射線攝影檢查系統(tǒng)檢定的國(guó)家基準(zhǔn)勢(shì)在必行。自2005年起，世界各國(guó)計(jì)量組織先后建立了乳腺X射線基準(zhǔn)。2005年，國(guó)際計(jì)量局(BIPM)開(kāi)始乳腺X射線空氣比釋動(dòng)能的絕對(duì)測(cè)量研究，2009年建立基準(zhǔn)，并開(kāi)展國(guó)際比對(duì)。美國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)研究院(NIST)、德國(guó)物理技術(shù)研究院(PTB)、日本計(jì)量院(NIMJ)等分別與BIPM進(jìn)行了乳腺X射線基準(zhǔn)的國(guó)際比對(duì)[2,3]。我國(guó)的乳腺X射線基準(zhǔn)的建設(shè)由中國(guó)計(jì)量科學(xué)研究院(NIM)主導(dǎo)完成。本文對(duì)乳腺X射線基準(zhǔn)的輻射源和使用的圓柱形自由空氣電離室進(jìn)行了介紹，使用基準(zhǔn)自由空氣電離室測(cè)量了建立的4個(gè)規(guī)范輻射質(zhì)的半值層和同質(zhì)系數(shù)，并將測(cè)量結(jié)果與BIPM進(jìn)行了對(duì)比。

2 乳腺X射線基準(zhǔn)

乳腺X射線基準(zhǔn)的輻射裝置用X光機(jī)作為輻射源，產(chǎn)生X射線通過(guò)光闌進(jìn)行限束，在參考平面獲得滿足空氣比釋動(dòng)能量值復(fù)現(xiàn)和傳遞的均勻野，參考IEC61267推薦的輻射質(zhì)規(guī)范[4]，使用合適的過(guò)濾器對(duì)輻射質(zhì)進(jìn)行調(diào)整建立標(biāo)準(zhǔn)輻射場(chǎng)。

乳腺X射線基準(zhǔn)示意圖見(jiàn)圖1，主要包括：X射線光機(jī)、光管調(diào)節(jié)系統(tǒng)、快門(mén)、光闌、過(guò)濾器、校準(zhǔn)平臺(tái)、控制器、激光定位、電離室等。

圖1 乳腺X射線基準(zhǔn)示意圖

2.1 鉬靶X射線光機(jī)

乳腺X射線基準(zhǔn)裝置使用的輻射源是鉬靶X射線光機(jī)，主要由光管和高壓發(fā)生器組成，管電壓和管電流調(diào)節(jié)精度分別為0.1 kV和0.1 mA。附加過(guò)濾為31.06 μm、純度優(yōu)于99.99%的鉬片。支撐平臺(tái)采用光學(xué)平臺(tái)，抗振性能優(yōu)良，持久不易變形，平臺(tái)表面有標(biāo)準(zhǔn)孔距M6螺紋陣列，易于功能的擴(kuò)展。限束光闌采用鎢合金材料(W 97%，Ni-Fe 7%)，光闌孔直徑為8 mm；快門(mén)采用鉛作為屏蔽材料，快門(mén)閉合后，輻射束穿透率小于0.01%。光機(jī)參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 鉬靶X射線光機(jī)物理參數(shù)

2.2 圓柱形自由空氣電離室

根據(jù)空氣比釋動(dòng)能定義，X射線在質(zhì)量為dm的空氣中釋放出來(lái)的全部次級(jí)電子的初始動(dòng)能總和dEtr除以dm，即為空氣比釋動(dòng)能。因此，空氣比釋動(dòng)能是由在待測(cè)點(diǎn)產(chǎn)生的全部次級(jí)電子的動(dòng)能定義的。根據(jù)X射線與空氣相互作用機(jī)制，通過(guò)光電效應(yīng)與康普頓散射光子能量轉(zhuǎn)化為次級(jí)電子的動(dòng)能。而次級(jí)電子使空氣電離，利用電離室收集電離電荷，可以得到空氣比釋動(dòng)能。嚴(yán)格地說(shuō)，需要充分利用每一個(gè)次級(jí)電子的整個(gè)射程，測(cè)量電離所得的所有帶電粒子。鉬靶X射線所產(chǎn)生的次級(jí)電子在空氣中的射程可以有幾厘米。假設(shè)空氣有效體積周?chē)鞘艿酵瑯诱丈涞淖銐虻目諝猓跍y(cè)量過(guò)程中有效體積就能得到嚴(yán)格補(bǔ)償。參照BIPM和NIST自由空氣電離室參考數(shù)據(jù)[5,6]設(shè)計(jì)的圓柱形自由空氣電離室見(jiàn)圖2。

圖2 圓柱形自由空氣電離室原理圖

根據(jù)國(guó)際上鉬靶X射線空氣比釋動(dòng)能基準(zhǔn)的研究狀況和測(cè)量不確定度水平，NIM國(guó)家基準(zhǔn)電離室設(shè)計(jì)參數(shù)如下：

(1)光闌孔、高壓極中心軸與射束軸同軸性：優(yōu)于0.1 mm；

(2)收集區(qū)移動(dòng)的定位精度和重復(fù)性：優(yōu)于0.01 mm；

(3)采用活塞對(duì)稱(chēng)運(yùn)動(dòng)形式，以保證收集區(qū)中心不變，收集區(qū)移動(dòng)時(shí)兩端面的平行性、與高壓極中心軸的垂直性：優(yōu)于0.01 mm；

(4)光闌定義面與高壓極中心軸的垂直性：優(yōu)于0.01 mm；

(5)收集極中心軸與高壓極中心軸距離25 mm；

(6)收集區(qū)中心到光闌后沿距離盡量小；

(7)屏蔽箱體整體高低俯仰可調(diào)節(jié)，調(diào)節(jié)范圍：±10 mm；

(8)高壓極內(nèi)徑和收集極外徑尺寸誤差：優(yōu)于0.01 mm。

電離室屏蔽箱體前壁使用兩層屏蔽材料：內(nèi)層為3 mm的硬鋁，外層是10 mm的不銹鋼，中心開(kāi)孔直徑36 mm；外側(cè)為3 mm硬鋁和3 mm不銹鋼屏蔽體。后壁同樣使用了3 mm硬鋁和3 mm不銹鋼，中心開(kāi)孔直徑20 mm。

3 半值層測(cè)量

3.1 半值層和同質(zhì)系數(shù)

X射線輻射質(zhì)主要由X射線管的電壓和總過(guò)濾決定，也與球管陽(yáng)極靶角有一定關(guān)系?？傔^(guò)濾包括固有過(guò)濾和附加過(guò)濾。固有過(guò)濾包括X射線管壁、冷卻油、X射線管的窗等。為調(diào)整X射線輻射質(zhì)而附加的不同材料過(guò)濾片稱(chēng)為附加過(guò)濾。選定的一些輻射質(zhì)條件稱(chēng)為規(guī)范輻射質(zhì)。附加過(guò)濾不同程度的吸收X射線鉬靶部分，使能譜變窄，輸出量降低。根據(jù)X射線通過(guò)物質(zhì)的衰減規(guī)律，對(duì)于單能X射線，衰減規(guī)律滿足：

I=I0e-μx

(1)

式中：I為X射線經(jīng)過(guò)衰減片后測(cè)得的電離電流值；I0為無(wú)衰減片時(shí)測(cè)得的電離電流；μ為衰減系數(shù)；x為衰減片厚度。

輻射質(zhì)是指射線能量，表征射線貫穿物體的能力。早期X射線光管的管電壓被認(rèn)為是表征X射線輻射束質(zhì)的參數(shù)，在一定程度上反映了X射線的質(zhì)，但是不同類(lèi)型的光機(jī)即使管電壓相同，其發(fā)射的X射線也是不一樣的，所以以此描述X射線輻射質(zhì)并不準(zhǔn)確?，F(xiàn)在通常用半值層來(lái)表征X射線輻射質(zhì)。半值層(HVL)是使X射線束在某一點(diǎn)的空氣比釋動(dòng)能率(或照射量率)減少一半時(shí)所需要過(guò)濾片的厚度，此厚度稱(chēng)為第一半值層(HVL1st)，第二半值層(HVL2nd)是指空氣比釋動(dòng)能率(或照射量率)減少到初始值1/4時(shí)所需過(guò)濾片的厚度與第一半值層厚度的差。并稱(chēng)[HVL1st/ HVL2nd]為同質(zhì)系數(shù)。

d1/4=HVL1st+HVL2nd

(2)

式中：h為同質(zhì)系數(shù)；d1/4為空氣比釋動(dòng)能率減小到初始值的1/4時(shí)所需過(guò)濾片的厚度。

3.2 半值層的實(shí)驗(yàn)測(cè)定

鉬靶X射線參考輻射質(zhì)的建立參照IEC61267推薦的規(guī)范參考輻射質(zhì)：25，28，30，35 kV。X射線源焦斑到參考平面距離60 cm，在參考平面處的輻射均勻場(chǎng)直徑為7 cm； 空氣溫度、氣壓和相對(duì)濕度修正到參考條件分別為:T=293.15 K，p=101.325 kPa和φ= 50%。采用純度好于99.9%的鋁片作為衰減片，將衰減片支架固定于距X射線管焦斑30 cm處，將電離室?guī)缀沃行姆胖迷陔xX射線焦斑60 cm處，實(shí)驗(yàn)裝置見(jiàn)圖1。

根據(jù)文獻(xiàn)[7，8]中的半值層測(cè)量方法，使用基準(zhǔn)電離室測(cè)量電離電流，擬合出衰減曲線，得到第一和第二半值層。圖3為乳腺X射線基準(zhǔn)裝置4個(gè)輻射質(zhì)的衰減曲線。

圖3 乳腺X射線基準(zhǔn)裝置4個(gè)輻射質(zhì)的衰減曲線

根據(jù)乳腺X射線基準(zhǔn)裝置各輻射質(zhì)半值層測(cè)量數(shù)據(jù)，按X射線衰減規(guī)律擬合得出各規(guī)范半值層，同時(shí)得出各規(guī)范的第二半值層、同質(zhì)系數(shù)及有效能量。其中有效能量的定義為：具有一定能量范圍的X射線的有效能量是具有相同HVL單能X射線的能量。由式(1)可知質(zhì)量衰減系數(shù)為[9]：

(3)

式中:ρ為衰減片密度。

參考NIST公布的Al的質(zhì)量衰減系數(shù)與能量的關(guān)系，將參考數(shù)據(jù)值進(jìn)行多項(xiàng)式擬合插值，得到對(duì)應(yīng)的關(guān)系曲線，見(jiàn)圖4。根據(jù)實(shí)驗(yàn)測(cè)得的半值層結(jié)果可計(jì)算出質(zhì)量衰減系數(shù)，進(jìn)而得到各輻射質(zhì)的有效能量，見(jiàn)表2。

表2 乳腺X射線基準(zhǔn)半值層測(cè)量結(jié)果

圖4 質(zhì)量衰減系數(shù)與能量的關(guān)系曲線

乳腺X射線基準(zhǔn)所建立的4個(gè)輻射質(zhì)Al半值層的厚度與BIPM基準(zhǔn)對(duì)比見(jiàn)表3。由表3可知，相對(duì)偏差在1%左右，可以認(rèn)為乳腺X射線國(guó)家基準(zhǔn)的輻射質(zhì)與BIPM同質(zhì)。

表3 NIM與BIPM乳腺X射線基準(zhǔn)半值層結(jié)果

4 結(jié) 論

本文介紹了中國(guó)計(jì)量科學(xué)研究院建立的乳腺鉬靶X射線國(guó)家基準(zhǔn)裝置?；鶞?zhǔn)主要由鉬靶X射線光機(jī)和圓柱形自由空氣電離室構(gòu)成。采用曲線擬合法測(cè)量了基準(zhǔn)4個(gè)規(guī)范輻射質(zhì)的半值層和同質(zhì)系數(shù)，并確定了各輻射質(zhì)的有效能量。半值層測(cè)量結(jié)果與BIPM偏差約1%，本研究工作為國(guó)際比對(duì)提供了參考。

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