銅和銅-鋁復(fù)合濾過(guò)板對(duì)數(shù)字X線攝影透射線率影響的模體實(shí)驗(yàn)

應(yīng)急總醫(yī)院 影像科，北京 100028

引言

醫(yī)療照射是公眾受到的最大的人工電離輻射來(lái)源[1]。2016年我國(guó)X射線診斷頻度調(diào)查結(jié)果顯示，常規(guī)X射線檢查在全部放射診療中占比為52.4%[2]。盡管常規(guī)X線攝影所致的公眾集體劑量不及CT[3]，但由于檢查人次相對(duì)多，因此輻射實(shí)踐“最優(yōu)化”對(duì)降低公眾受輻射劑量仍有意義。目前數(shù)字化X線設(shè)備（Digital Radiography，DR）已經(jīng)逐漸普及，所用影像探測(cè)器具有量子檢查率高的特點(diǎn)，正確設(shè)置管電壓、管電流-時(shí)間乘積、源-像距、照射野、以及附加濾過(guò)等曝光參數(shù)，可以在確保影像質(zhì)量前提下降低患者受輻射劑量[4]。其中，附加濾過(guò)板可以濾除原發(fā)X線束中的低能射線，減小患者體表入射劑量，但對(duì)穿過(guò)患者受檢部位到達(dá)影像探測(cè)器的透射線量影響有限。亦即附加濾過(guò)板可以提高X線質(zhì)，增加X(jué)線透射線率。以往認(rèn)為，常規(guī)X線攝影中使用的附加濾過(guò)材料有銅和鋁，由于銅產(chǎn)生約8 keV的二次射線有可能增加患者皮膚劑量，因此銅不能單獨(dú)作為濾過(guò)材料使用。但是，增大源-像距之后，能量為8 keV的二次射線能否因空氣濾過(guò)效應(yīng)衰減而無(wú)法到達(dá)患者皮膚表面有待驗(yàn)證。有關(guān)附加濾過(guò)材料與厚度對(duì)影像質(zhì)量和輻射劑量影響的研究已有報(bào)道[5-8]，也有作者對(duì)不同厚度銅濾過(guò)對(duì)影像質(zhì)量和輻射劑量的影響進(jìn)行了研究[9]，但均未對(duì)銅和銅-鋁復(fù)合濾過(guò)板對(duì)X線透射線率的影響進(jìn)行比較。一定條件下，銅是否可以單獨(dú)作為附加濾過(guò)材料使用有待驗(yàn)證。本實(shí)驗(yàn)通過(guò)比較兩種源-像距條件下銅和銅-鋁復(fù)合濾過(guò)板的X線透射線率，為合理選用附加濾過(guò)板提供依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 實(shí)驗(yàn)設(shè)備

GE公司Definium6000數(shù)字化X線攝影機(jī)，曝光參數(shù)：管電壓70～130 kV、間隔10 kV，管電流200 mA，自動(dòng)曝光控制（Automatic Exposure Control，AEC）模式、密度補(bǔ)償為0，源-像距為150 cm和180 cm。所用X線設(shè)備可選擇的附加濾過(guò)分別為0.1、0.2、0.3 mm Cu，為了模擬銅-鋁復(fù)合濾過(guò)，在X線遮線器窗口貼放稍大于光野面積的1.5 mm厚度鋁板，以此得到三組附加濾過(guò)，即0.1 mm Cu和0.1 mm Cu +1.5 mm Al、0.2 mm Cu和0.2 mm Cu+1.5 mm Al、0.3 mm Cu和0.3 mm Cu +1.5 mm Al。被照體為聚乙烯材料模體，30 cm×30 cm、厚度為18 cm。德國(guó)PTW-FREIBURG公司11001型輻射劑量檢測(cè)儀。

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

將聚乙烯模體貼靠于DR立位攝影架臺(tái)面，模體中心與探測(cè)器臺(tái)面中心重合，X線中心對(duì)準(zhǔn)探測(cè)器臺(tái)面中點(diǎn)，X線遮線器光野四周超出模體邊緣2 cm。將輻射劑量檢測(cè)儀探測(cè)室置于模體X線球管側(cè)表面正中放置，曝光后讀取輻射劑量檢測(cè)儀顯示值，記錄為模體表面入射劑量。模體配置和曝光條件不變，將輻射劑量檢測(cè)儀探測(cè)室移至模體與攝影架臺(tái)面之間的正中位置，曝光后讀取輻射劑量檢測(cè)儀顯示值，記錄為模體透射劑量。每次測(cè)量前長(zhǎng)按輻射劑量檢測(cè)儀的RESET鍵使讀數(shù)歸零，兩次測(cè)量間隔時(shí)間不小于2 min。透射劑量率定義為模體透射劑量與入射劑量之比的百分比，用公式(1)計(jì)算。

1.3 統(tǒng)計(jì)學(xué)分析

使用SPSS 17.0軟件包，對(duì)相同曝光條件、相同厚度銅和銅-鋁復(fù)合濾過(guò)板的模體表面入射劑量、透射劑量以及透射劑量率進(jìn)行比較。定量資料根據(jù)其分布特征用中位數(shù)描述，兩個(gè)相關(guān)樣本組間比較采用Wilcoxon秩和檢驗(yàn)。對(duì)透射劑量比較，以管電壓為分組變量，采用多個(gè)獨(dú)立樣本非參數(shù)Kruskal-Wallis檢驗(yàn)。P＜0.05為差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。

2 結(jié)果

70～130 kV、AEC模式、附加濾過(guò)分別為0.1 mm Cu與0.1 mm Cu+1.5 mm Al、0.2 mm Cu 與 0.2 mm Cu+1.5 mm Al、0.3 mm Cu與0.3 mm Cu+1.5 mm Al，源-像距為150 cm時(shí)，模體表面入射劑量（mGy）中位數(shù)分別為0.99和0.90、0.81和0.76、0.73和0.69，相同管電壓時(shí)的透射線量基本相同，透射線率（%）中位數(shù)分別為7.34和7.87、8.60和9.07、9.64和10.13（表1～3）；源-像距為180 cm時(shí)，模體表面入射劑量（mGy）中位數(shù)分別為0.90和0.82、0.73和0.69、0.65和0.62，相同管電壓時(shí)的透射線量也基本相同，透射線率（%）中位數(shù)分別為7.33和7.97、8.66和9.26、9.84和10.27 （表4～6）。即在銅濾過(guò)厚度相同時(shí)，銅-鋁復(fù)合濾過(guò)板的模體表面入射劑量比單獨(dú)使用銅濾過(guò)時(shí)小，而透射線率比單獨(dú)使用銅濾過(guò)時(shí)大，且差別均有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義（P＜0.05）。并且，隨著銅濾過(guò)厚度增加或源-像距增大，模體表面入射劑量變小，透射線率增大。以管電壓為分組變量，不同厚度銅濾過(guò)與銅-鋁復(fù)合濾過(guò)的透射劑量差別沒(méi)有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義（P＞0.05）。但隨著銅濾過(guò)厚度增加或管電壓增大，透射劑量變小。

3 討論

3.1 附加濾過(guò)板在輻射防護(hù)中的作用

X線的產(chǎn)生是高速電子與靶物質(zhì)相互作用的結(jié)果，從原理可知，X線束中包括連續(xù)X線和特征X線，其中連續(xù)X線光子能量大小覆蓋了攝影管電壓峰值以下范圍。當(dāng)使用這種連續(xù)能譜的X線照射被照體時(shí)，由于低能光子與被照體組織發(fā)生光電效應(yīng)幾率高，因而穿過(guò)被照體的透射線少，到達(dá)影像接收器轉(zhuǎn)換為影像信息的光子少。換言之，常規(guī)X線攝影時(shí)低能X線光子對(duì)X線影像形成的作用有限，但卻會(huì)增加患者體表入射劑量。為了減少到達(dá)被照體表面的低能量X線，可以在X線球管和被照體之間放入一定材料、厚度的金屬板，即附加濾過(guò)板，把對(duì)成像沒(méi)有幫助的低能射線濾過(guò)掉，使X線透射率增加。而X線透射率增加，意味著被檢部位組織結(jié)構(gòu)因光電效應(yīng)而吸收的X線光子少，亦即能量轉(zhuǎn)移小，輻射損傷風(fēng)險(xiǎn)降低。

表1 源-像距150 cm時(shí)，18 cm厚聚乙烯模體表面入射劑量（mGy）

表2 源-像距150 cm時(shí)，不同管電壓條件下18 cm厚聚乙烯模體透射劑量（mGy）

表3 源-像距150 cm時(shí)，18 cm厚聚乙烯模體透射劑量率（%）

表4 源-像距180 cm時(shí)，18 cm厚聚乙烯模體表面入射劑量（mGy）

表5 源-像距180 cm時(shí)，不同管電壓條件下18 cm厚聚乙烯模體透射劑量（mGy）

表6 源-像距180 cm時(shí)，18 cm厚聚乙烯模體透射劑量率（%）

在使用較高管電壓攝影時(shí)，為了增加對(duì)X線束中低能成分的濾過(guò)效果，可以采用銅濾過(guò)板，但因?yàn)殂~產(chǎn)生約8 keV的二次射線有可能增加患者皮膚劑量，因而通常銅不宜單獨(dú)作為濾過(guò)板使用。以往是使用銅-鋁復(fù)合濾過(guò)板，銅面朝向X線球管側(cè)，鋁面朝向受檢者，鋁層把二次低能射線吸收掉，而鋁層本身特征輻射僅為1.5 keV，空氣濾過(guò)可以將其全部吸收而無(wú)法到達(dá)被照部位體表。但是，目前某些品牌DR設(shè)備的附加濾過(guò)僅使用銅濾過(guò)，其設(shè)計(jì)是否妥當(dāng)尚需實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。

3.2 附加濾過(guò)板對(duì)X線透射率的影響

相對(duì)于工頻X線機(jī)，目前普遍采用的高頻逆變式高壓發(fā)生器的X線設(shè)備，高壓發(fā)生器輸出波形近似于恒定直流，脈動(dòng)率低，X線束中接近管電壓峰值的高能量光子數(shù)量占比多，低能量光子少。此外，由于X線設(shè)備高壓發(fā)生器功率增大，四肢關(guān)節(jié)部位以外攝影時(shí)所使用的源-像距多為150 cm或更遠(yuǎn)。在空氣濾過(guò)距離增加的前提下，附加濾過(guò)的使用方法是否可以改變有待探討。從本實(shí)驗(yàn)結(jié)果看，銅濾過(guò)厚度相同時(shí)，銅-鋁復(fù)合濾過(guò)板的模體表面入射劑量比單獨(dú)使用銅濾過(guò)時(shí)小，且差別均有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義（P＜0.05）。其原因，一是銅產(chǎn)生的低能量二次射線能夠被置于X線遮線器窗口的鋁板部分吸收，其次，鋁濾過(guò)本身對(duì)原發(fā)X線也有吸收、衰減作用。并且，隨著銅濾過(guò)厚度增加，模體表面入射劑量變的更加小，說(shuō)明銅和銅-鋁復(fù)合濾過(guò)對(duì)低能X線均有吸收、衰減作用，并且濾過(guò)材料越厚，效果越明顯。從源-像距看，當(dāng)濾過(guò)材料和厚度相同時(shí)，180 cm比150 cm時(shí)的模體表面入射劑量小，也是與空氣濾過(guò)效應(yīng)對(duì)低能X線的吸收有關(guān)。但是，以管電壓為分組變量，即管電壓相同時(shí)，不同厚度銅濾過(guò)與銅-鋁復(fù)合濾過(guò)的透射劑量差別沒(méi)有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義（P＞0.05），此與AEC曝光模式是對(duì)透射X線進(jìn)行積分，當(dāng)透射X線量達(dá)到某一設(shè)定閾值時(shí)截止曝光有關(guān)。以往研究發(fā)現(xiàn)，相同管電壓條件下kV與kV-mA兩種固定模式的AEC技術(shù)可以得到一致的圖像質(zhì)量，大于80 kV時(shí)通過(guò)圖像處理，不同攝影條件之間的影像質(zhì)量差異沒(méi)有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義（P＞0.05）[10-11]。本實(shí)驗(yàn)是基于相同kV條件下使用AEC曝光模式所得到的影像質(zhì)量相同，在此前提下對(duì)銅和銅-鋁復(fù)合濾過(guò)板的X線透射線率進(jìn)行比較。但AEC對(duì)X線的探測(cè)存在管電壓特性，因此即便密度補(bǔ)償均設(shè)置為零，不同管電壓時(shí)的透射線量并不相同，管電壓越高，透射線量越低。管電壓和銅濾過(guò)厚度相同時(shí)，銅-鋁復(fù)合濾過(guò)板的模體表面入射劑量比單獨(dú)使用銅濾過(guò)時(shí)小，而透射線量相同，其結(jié)果使得透射線率增大，患者因X線照射而吸收的輻射能量減少。

3.3 合理選擇附加濾過(guò)板的意義

從本實(shí)驗(yàn)結(jié)果還可以看出，附加濾過(guò)不僅對(duì)低能X線光子有濾過(guò)作用，對(duì)高能X線光子也有濾過(guò)作用，只不過(guò)光電吸收幾率相對(duì)要小。因此使用附加濾過(guò)板，應(yīng)適當(dāng)增加管電流-時(shí)間乘積，以對(duì)曝光量進(jìn)行補(bǔ)償，并且附加濾過(guò)板越厚，所需曝光量補(bǔ)償越多，X線管負(fù)荷越大[12]。如果X線設(shè)備功率不夠，勢(shì)必需要增加曝光時(shí)間來(lái)維持一定的管電流-時(shí)間乘積，由此可能會(huì)加大移動(dòng)模糊。因此，X線攝影曝光參數(shù)設(shè)置中，合理選擇附加濾過(guò)與選擇適當(dāng)?shù)墓茈妷?、管電?時(shí)間乘積、源-像距等同樣重要。常規(guī)X線攝影理論認(rèn)為，在采用較高千伏（80～100 kV）特別是高千伏（100～150 kV）攝影時(shí)應(yīng)使用銅濾過(guò)板增加對(duì)X線束中低能成分的吸收效果[13]。數(shù)字X線攝影有曝光寬容度大的特點(diǎn)，但曝光參數(shù)、包括X線設(shè)備附屬器件的選配，依然是影響影像質(zhì)量和輻射劑量的主要因素[14-17]。從輻射防護(hù)角度靠考慮，X線攝影時(shí)使用高管電壓、厚附加濾過(guò)有益于減少受檢者表面劑量[18]。適當(dāng)增加附加濾過(guò)板厚度和利用高原子序數(shù)的濾過(guò)能降低輻射劑量[19]，AEC不變時(shí)，隨著附加濾過(guò)增加，受檢者皮膚入射劑量降低，圖像質(zhì)量提高，有效劑量變化不明顯[20]。本實(shí)驗(yàn)結(jié)論與前人研究一致，不同之處是從入射劑量和透射線量率兩方面評(píng)價(jià)患者所受輻射風(fēng)險(xiǎn)。

綜上，在X線設(shè)備功率允許前提下，使用相對(duì)厚的附加濾過(guò)可以增加X(jué)線透射線率，有益于減少患者所受輻射劑量，并且銅-鋁復(fù)合濾過(guò)板的X線透射線率比單獨(dú)使用銅濾過(guò)時(shí)相對(duì)大，更有益于輻射防護(hù)。本研究不足之處是，沒(méi)有對(duì)不同管電壓條件下的影像質(zhì)量進(jìn)行比較，也沒(méi)有用直接證據(jù)表明銅產(chǎn)生的約8 keV二次射線是否因150 cm以上的源-像距而被空氣吸收或衰減，銅是否適用于單獨(dú)作為濾過(guò)材料使用仍需進(jìn)一步實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。