銅和銅-鋁復合濾過板對數字X線攝影透射線率影響的模體實驗

應急總醫院 影像科，北京 100028

引言

醫療照射是公眾受到的最大的人工電離輻射來源[1]。2016年我國X射線診斷頻度調查結果顯示，常規X射線檢查在全部放射診療中占比為52.4%[2]。盡管常規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多，因此輻射實踐“最優化”對降低公眾受輻射劑量仍有意義。目前數字化X線設備（Digital Radiography，DR）已經逐漸普及，所用影像探測器具有量子檢查率高的特點，正確設置管電壓、管電流-時間乘積、源-像距、照射野、以及附加濾過等曝光參數，可以在確保影像質量前提下降低患者受輻射劑量[4]。其中，附加濾過板可以濾除原發X線束中的低能射線，減小患者體表入射劑量，但對穿過患者受檢部位到達影像探測器的透射線量影響有限。亦即附加濾過板可以提高X線質，增加X線透射線率。以往認為，常規X線攝影中使用的附加濾過材料有銅和鋁，由于銅產生約8 keV的二次射線有可能增加患者皮膚劑量，因此銅不能單獨作為濾過材料使用。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效應衰減而無法到達患者皮膚表面有待驗證。有關附加濾過材料與厚度對影像質量和輻射劑量影響的研究已有報道[5-8]，也有作者對不同厚度銅濾過對影像質量和輻射劑量的影響進行了研究[9]，但均未對銅和銅-鋁復合濾過板對X線透射線率的影響進行比較。一定條件下，銅是否可以單獨作為附加濾過材料使用有待驗證。本實驗通過比較兩種源-像距條件下銅和銅-鋁復合濾過板的X線透射線率，為合理選用附加濾過板提供依據。

1 材料與方法

1.1 實驗設備

GE公司Definium6000數字化X線攝影機，曝光參數：管電壓70～130 kV、間隔10 kV，管電流200 mA，自動曝光控制（Automatic Exposure Control，AEC）模式、密度補償為0，源-像距為150 cm和180 cm。所用X線設備可選擇的附加濾過分別為0.1、0.2、0.3 mm Cu，為了模擬銅-鋁復合濾過，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，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PTW-FREIBURG公司11001型輻射劑量檢測儀。

1.2 實驗方法

將聚乙烯模體貼靠于DR立位攝影架臺面，模體中心與探測器臺面中心重合，X線中心對準探測器臺面中點，X線遮線器光野四周超出模體邊緣2 cm。將輻射劑量檢測儀探測室置于模體X線球管側表面正中放置，曝光后讀取輻射劑量檢測儀顯示值，記錄為模體表面入射劑量。模體配置和曝光條件不變，將輻射劑量檢測儀探測室移至模體與攝影架臺面之間的正中位置，曝光后讀取輻射劑量檢測儀顯示值，記錄為模體透射劑量。每次測量前長按輻射劑量檢測儀的RESET鍵使讀數歸零，兩次測量間隔時間不小于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)計算。

1.3 統計學分析

使用SPSS 17.0軟件包，對相同曝光條件、相同厚度銅和銅-鋁復合濾過板的模體表面入射劑量、透射劑量以及透射劑量率進行比較。定量資料根據其分布特征用中位數描述，兩個相關樣本組間比較采用Wilcoxon秩和檢驗。對透射劑量比較，以管電壓為分組變量，采用多個獨立樣本非參數Kruskal-Wallis檢驗。P＜0.05為差異有統計學意義。

2 結果

70～130 kV、AEC模式、附加濾過分別為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，模體表面入射劑量（mGy）中位數分別為0.99和0.90、0.81和0.76、0.73和0.69，相同管電壓時的透射線量基本相同，透射線率（%）中位數分別為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，模體表面入射劑量（mGy）中位數分別為0.90和0.82、0.73和0.69、0.65和0.62，相同管電壓時的透射線量也基本相同，透射線率（%）中位數分別為7.33和7.97、8.66和9.26、9.84和10.27 （表4～6）。即在銅濾過厚度相同時，銅-鋁復合濾過板的模體表面入射劑量比單獨使用銅濾過時小，而透射線率比單獨使用銅濾過時大，且差別均有統計學意義（P＜0.05）。并且，隨著銅濾過厚度增加或源-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，不同厚度銅濾過與銅-鋁復合濾過的透射劑量差別沒有統計學意義（P＞0.05）。但隨著銅濾過厚度增加或管電壓增大，透射劑量變小。

3 討論

3.1 附加濾過板在輻射防護中的作用

X線的產生是高速電子與靶物質相互作用的結果，從原理可知，X線束中包括連續X線和特征X線，其中連續X線光子能量大小覆蓋了攝影管電壓峰值以下范圍。當使用這種連續能譜的X線照射被照體時，由于低能光子與被照體組織發生光電效應幾率高，因而穿過被照體的透射線少，到達影像接收器轉換為影像信息的光子少。換言之，常規X線攝影時低能X線光子對X線影像形成的作用有限，但卻會增加患者體表入射劑量。為了減少到達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，即附加濾過板，把對成像沒有幫助的低能射線濾過掉，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構因光電效應而吸收的X線光子少，亦即能量轉移小，輻射損傷風險降低。

表1 源-像距150 cm時，18 cm厚聚乙烯模體表面入射劑量（mGy）

表2 源-像距150 cm時，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，18 cm厚聚乙烯模體透射劑量率（%）

表4 源-像距180 cm時，18 cm厚聚乙烯模體表面入射劑量（mGy）

表5 源-像距180 cm時，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，18 cm厚聚乙烯模體透射劑量率（%）

在使用較高管電壓攝影時，為了增加對X線束中低能成分的濾過效果，可以采用銅濾過板，但因為銅產生約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作為濾過板使用。以往是使用銅-鋁復合濾過板，銅面朝向X線球管側，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，空氣濾過可以將其全部吸收而無法到達被照部位體表。但是，目前某些品牌DR設備的附加濾過僅使用銅濾過，其設計是否妥當尚需實驗驗證。

3.2 附加濾過板對X線透射率的影響

相對于工頻X線機，目前普遍采用的高頻逆變式高壓發生器的X線設備，高壓發生器輸出波形近似于恒定直流，脈動率低，X線束中接近管電壓峰值的高能量光子數量占比多，低能量光子少。此外，由于X線設備高壓發生器功率增大，四肢關節部位以外攝影時所使用的源-像距多為150 cm或更遠。在空氣濾過距離增加的前提下，附加濾過的使用方法是否可以改變有待探討。從本實驗結果看，銅濾過厚度相同時，銅-鋁復合濾過板的模體表面入射劑量比單獨使用銅濾過時小，且差別均有統計學意義（P＜0.05）。其原因，一是銅產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，鋁濾過本身對原發X線也有吸收、衰減作用。并且，隨著銅濾過厚度增加，模體表面入射劑量變的更加小，說明銅和銅-鋁復合濾過對低能X線均有吸收、衰減作用，并且濾過材料越厚，效果越明顯。從源-像距看，當濾過材料和厚度相同時，180 cm比150 cm時的模體表面入射劑量小，也是與空氣濾過效應對低能X線的吸收有關。但是，以管電壓為分組變量，即管電壓相同時，不同厚度銅濾過與銅-鋁復合濾過的透射劑量差別沒有統計學意義（P＞0.05），此與AEC曝光模式是對透射X線進行積分，當透射X線量達到某一設定閾值時截止曝光有關。以往研究發現，相同管電壓條件下kV與kV-mA兩種固定模式的AEC技術可以得到一致的圖像質量，大于80 kV時通過圖像處理，不同攝影條件之間的影像質量差異沒有統計學意義（P＞0.05）[10-11]。本實驗是基于相同kV條件下使用AEC曝光模式所得到的影像質量相同，在此前提下對銅和銅-鋁復合濾過板的X線透射線率進行比較。但AEC對X線的探測存在管電壓特性，因此即便密度補償均設置為零，不同管電壓時的透射線量并不相同，管電壓越高，透射線量越低。管電壓和銅濾過厚度相同時，銅-鋁復合濾過板的模體表面入射劑量比單獨使用銅濾過時小，而透射線量相同，其結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 合理選擇附加濾過板的意義

從本實驗結果還可以看出，附加濾過不僅對低能X線光子有濾過作用，對高能X線光子也有濾過作用，只不過光電吸收幾率相對要小。因此使用附加濾過板，應適當增加管電流-時間乘積，以對曝光量進行補償，并且附加濾過板越厚，所需曝光量補償越多，X線管負荷越大[12]。如果X線設備功率不夠，勢必需要增加曝光時間來維持一定的管電流-時間乘積，由此可能會加大移動模糊。因此，X線攝影曝光參數設置中，合理選擇附加濾過與選擇適當的管電壓、管電流-時間乘積、源-像距等同樣重要。常規X線攝影理論認為，在采用較高千伏（80～100 kV）特別是高千伏（100～150 kV）攝影時應使用銅濾過板增加對X線束中低能成分的吸收效果[13]。數字X線攝影有曝光寬容度大的特點，但曝光參數、包括X線設備附屬器件的選配，依然是影響影像質量和輻射劑量的主要因素[14-17]。從輻射防護角度靠考慮，X線攝影時使用高管電壓、厚附加濾過有益于減少受檢者表面劑量[18]。適當增加附加濾過板厚度和利用高原子序數的濾過能降低輻射劑量[19]，AEC不變時，隨著附加濾過增加，受檢者皮膚入射劑量降低，圖像質量提高，有效劑量變化不明顯[20]。本實驗結論與前人研究一致，不同之處是從入射劑量和透射線量率兩方面評價患者所受輻射風險。

綜上，在X線設備功率允許前提下，使用相對厚的附加濾過可以增加X線透射線率，有益于減少患者所受輻射劑量，并且銅-鋁復合濾過板的X線透射線率比單獨使用銅濾過時相對大，更有益于輻射防護。本研究不足之處是，沒有對不同管電壓條件下的影像質量進行比較，也沒有用直接證據表明銅產生的約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，銅是否適用于單獨作為濾過材料使用仍需進一步實驗驗證。