乳腺X射线基准装置半值层的测量

郭思明， 刘 莹,2， 吴金杰(.中国计量科学研究院， 北京 00029； 2.南华大学， 湖南 衡阳 4200)

1 引 言

乳腺钼靶X射线摄影检查具有较高的软组织密度及空间分辨率，是目前乳腺癌诊断最有效、最准确的手段[1]。同时，乳腺诊断X光机的质量控制问题逐渐引起重视，所以，建立乳腺钼靶X射线摄影检查系统检定的国家基准势在必行。自2005年起，世界各国计量组织先后建立了乳腺X射线基准。2005年，国际计量局(BIPM)开始乳腺X射线空气比释动能的绝对测量研究，2009年建立基准，并开展国际比对。美国国家标准技术研究院(NIST)、德国物理技术研究院(PTB)、日本计量院(NIMJ)等分别与BIPM进行了乳腺X射线基准的国际比对[2,3]。我国的乳腺X射线基准的建设由中国计量科学研究院(NIM)主导完成。本文对乳腺X射线基准的辐射源和使用的圆柱形自由空气电离室进行了介绍，使用基准自由空气电离室测量了建立的4个规范辐射质的半值层和同质系数，并将测量结果与BIPM进行了对比。

2 乳腺X射线基准

乳腺X射线基准的辐射装置用X光机作为辐射源，产生X射线通过光阑进行限束，在参考平面获得满足空气比释动能量值复现和传递的均匀野，参考IEC61267推荐的辐射质规范[4]，使用合适的过滤器对辐射质进行调整建立标准辐射场。

乳腺X射线基准示意图见图1，主要包括：X射线光机、光管调节系统、快门、光阑、过滤器、校准平台、控制器、激光定位、电离室等。

图1 乳腺X射线基准示意图

2.1 钼靶X射线光机

乳腺X射线基准装置使用的辐射源是钼靶X射线光机，主要由光管和高压发生器组成，管电压和管电流调节精度分别为0.1 kV和0.1 mA。附加过滤为31.06 μm、纯度优于99.99%的钼片。支撑平台采用光学平台，抗振性能优良，持久不易变形，平台表面有标准孔距M6螺纹阵列，易于功能的扩展。限束光阑采用钨合金材料(W 97%，Ni-Fe 7%)，光阑孔直径为8 mm；快门采用铅作为屏蔽材料，快门闭合后，辐射束穿透率小于0.01%。光机参数见表1。

表1 钼靶X射线光机物理参数

2.2 圆柱形自由空气电离室

根据空气比释动能定义，X射线在质量为dm的空气中释放出来的全部次级电子的初始动能总和dEtr除以dm，即为空气比释动能。因此，空气比释动能是由在待测点产生的全部次级电子的动能定义的。根据X射线与空气相互作用机制，通过光电效应与康普顿散射光子能量转化为次级电子的动能。而次级电子使空气电离，利用电离室收集电离电荷，可以得到空气比释动能。严格地说，需要充分利用每一个次级电子的整个射程，测量电离所得的所有带电粒子。钼靶X射线所产生的次级电子在空气中的射程可以有几厘米。假设空气有效体积周围是受到同样照射的足够的空气，在测量过程中有效体积就能得到严格补偿。参照BIPM和NIST自由空气电离室参考数据[5,6]设计的圆柱形自由空气电离室见图2。

图2 圆柱形自由空气电离室原理图

根据国际上钼靶X射线空气比释动能基准的研究状况和测量不确定度水平，NIM国家基准电离室设计参数如下：

(1)光阑孔、高压极中心轴与射束轴同轴性：优于0.1 mm；

(2)收集区移动的定位精度和重复性：优于0.01 mm；

(3)采用活塞对称运动形式，以保证收集区中心不变，收集区移动时两端面的平行性、与高压极中心轴的垂直性：优于0.01 mm；

(4)光阑定义面与高压极中心轴的垂直性：优于0.01 mm；

(5)收集极中心轴与高压极中心轴距离25 mm；

(6)收集区中心到光阑后沿距离尽量小；

(7)屏蔽箱体整体高低俯仰可调节，调节范围：±10 mm；

(8)高压极内径和收集极外径尺寸误差：优于0.01 mm。

电离室屏蔽箱体前壁使用两层屏蔽材料：内层为3 mm的硬铝，外层是10 mm的不锈钢，中心开孔直径36 mm；外侧为3 mm硬铝和3 mm不锈钢屏蔽体。后壁同样使用了3 mm硬铝和3 mm不锈钢，中心开孔直径20 mm。

3 半值层测量

3.1 半值层和同质系数

X射线辐射质主要由X射线管的电压和总过滤决定，也与球管阳极靶角有一定关系。总过滤包括固有过滤和附加过滤。固有过滤包括X射线管壁、冷却油、X射线管的窗等。为调整X射线辐射质而附加的不同材料过滤片称为附加过滤。选定的一些辐射质条件称为规范辐射质。附加过滤不同程度的吸收X射线钼靶部分，使能谱变窄，输出量降低。根据X射线通过物质的衰减规律，对于单能X射线，衰减规律满足：

I=I0e-μx

(1)

式中：I为X射线经过衰减片后测得的电离电流值；I0为无衰减片时测得的电离电流；μ为衰减系数；x为衰减片厚度。

辐射质是指射线能量，表征射线贯穿物体的能力。早期X射线光管的管电压被认为是表征X射线辐射束质的参数，在一定程度上反映了X射线的质，但是不同类型的光机即使管电压相同，其发射的X射线也是不一样的，所以以此描述X射线辐射质并不准确。现在通常用半值层来表征X射线辐射质。半值层(HVL)是使X射线束在某一点的空气比释动能率(或照射量率)减少一半时所需要过滤片的厚度，此厚度称为第一半值层(HVL1st)，第二半值层(HVL2nd)是指空气比释动能率(或照射量率)减少到初始值1/4时所需过滤片的厚度与第一半值层厚度的差。并称[HVL1st/ HVL2nd]为同质系数。

d1/4=HVL1st+HVL2nd

(2)

式中：h为同质系数；d1/4为空气比释动能率减小到初始值的1/4时所需过滤片的厚度。

3.2 半值层的实验测定

钼靶X射线参考辐射质的建立参照IEC61267推荐的规范参考辐射质：25，28，30，35 kV。X射线源焦斑到参考平面距离60 cm，在参考平面处的辐射均匀场直径为7 cm； 空气温度、气压和相对湿度修正到参考条件分别为:T=293.15 K，p=101.325 kPa和φ= 50%。采用纯度好于99.9%的铝片作为衰减片，将衰减片支架固定于距X射线管焦斑30 cm处，将电离室几何中心放置在离X射线焦斑60 cm处，实验装置见图1。

根据文献[7，8]中的半值层测量方法，使用基准电离室测量电离电流，拟合出衰减曲线，得到第一和第二半值层。图3为乳腺X射线基准装置4个辐射质的衰减曲线。

图3 乳腺X射线基准装置4个辐射质的衰减曲线

根据乳腺X射线基准装置各辐射质半值层测量数据，按X射线衰减规律拟合得出各规范半值层，同时得出各规范的第二半值层、同质系数及有效能量。其中有效能量的定义为：具有一定能量范围的X射线的有效能量是具有相同HVL单能X射线的能量。由式(1)可知质量衰减系数为[9]：

(3)

式中:ρ为衰减片密度。

参考NIST公布的Al的质量衰减系数与能量的关系，将参考数据值进行多项式拟合插值，得到对应的关系曲线，见图4。根据实验测得的半值层结果可计算出质量衰减系数，进而得到各辐射质的有效能量，见表2。

表2 乳腺X射线基准半值层测量结果

图4 质量衰减系数与能量的关系曲线

乳腺X射线基准所建立的4个辐射质Al半值层的厚度与BIPM基准对比见表3。由表3可知，相对偏差在1%左右，可以认为乳腺X射线国家基准的辐射质与BIPM同质。

表3 NIM与BIPM乳腺X射线基准半值层结果

4 结 论

本文介绍了中国计量科学研究院建立的乳腺钼靶X射线国家基准装置。基准主要由钼靶X射线光机和圆柱形自由空气电离室构成。采用曲线拟合法测量了基准4个规范辐射质的半值层和同质系数，并确定了各辐射质的有效能量。半值层测量结果与BIPM偏差约1%，本研究工作为国际比对提供了参考。

[参考文献]

[1] 王希龙, 邱文秀, 贾中明,等. 乳腺癌的诊断现状及最新进展[J]. 中国综合临床, 2012, 28(8): 787-788.

[2] Kessler C, Burns D T, O′Brien C M. Key comparison BIPM.RI(I)-K7 of the air-kerma standards of the NIST, USA and the BIPM in mammography X-rays[J].Metrologia, 2011, 48: 06014.

[3] Kessler C, Burns D T, Tanaka T,etal. Key comparison BIPM.RI(I)-K7 of the air-kerma standards of the NMIJ, Japan and the BIPM in mammography X-rays[J].Metrologia, 2010, 47: 06024.

[4] IEC 61267.Medical diagnostic X-ray equipment. Radiation conditions for use in the determination of characteristics[S]. 2005.

[5] Wyckoff H O, Attix F. Design of Free Air Ionization Chambers[M]. Washington D. C.: Government Printing Office, 1957.

[6] Burns D T, Büermann L. Free-air ionization chambers[J].Metrologia, 2009, 46: S9-S23.

[7] ISO 4037-1. X and Gamma Reference Radiation for Calibrating Dose Meters and Dose Rate Meters and for Determining Their Response as a Function of Photon Energy-Part 1: Radiation Characteristics and Production Methods[S]. 1996.

[8] 国家质量技术监督局. GB/T 12162.1—2000 用于校准剂量仪和剂量率仪及确定其能量响应的X和γ参考辐射(第1部分):辐射特性及产生方法[S]. 2000.

[9] Wyckoff H O, Allisy A, Fränz H,etal. Radiation Quantities and Units: ICRU Report 33 [R]. Maryland:International Commission on Radiation Units & Measurements, 1980.