x射線能量分布及表達(dá)方式的研究

倫琴發(fā)現(xiàn)x射線后，x射線在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。特別是醫(yī)學(xué)診斷領(lǐng)域發(fā)展的更為迅猛。診斷X射線不僅應(yīng)用于透視和拍片,還應(yīng)用于X線計(jì)算機(jī)斷層成像(X-raytomographycomputed,CT)、數(shù)字減影血管造影(digitalsubtractionangiography,DSA)以及介入放射學(xué)影像等領(lǐng)域。雖然X射線的廣泛應(yīng)用給人類帶來了極大的益處,但與此同時(shí),在醫(yī)療診斷過程中一旦對X射線控制不當(dāng)或失調(diào),將會(huì)給人帶來一定的輻射危害。就人工電離輻射對人類的照射而言,醫(yī)用診斷X射線無疑是最大貢獻(xiàn)者。因而,近年來國際輻射防護(hù)組織對在保證提供足夠準(zhǔn)確X射線診斷影像信息基礎(chǔ)上盡可能降低受檢者或患者接受輻射劑量的課題非常重視。國際放射防護(hù)委員會(huì)(ICRP)制定了X射線診斷醫(yī)療照射的劑量指導(dǎo)水平(又稱診斷參考水平),我國將在近期根據(jù)開展的診斷X射線輻射水平調(diào)查的基礎(chǔ)上,制定X射線診斷照射劑量水平的指導(dǎo),以確保受檢者或患者接受X射線檢查時(shí)盡可能降低其照射劑量。本文在分析了診斷X射線產(chǎn)生、組分以及質(zhì)與量的基礎(chǔ)上,突出強(qiáng)調(diào)了診斷X射線能量分布的連續(xù)性和復(fù)雜性。同時(shí),以照射熱釋光劑量計(jì)(thermoluminescentdosemeter,TLD)標(biāo)準(zhǔn)曲線用80kV、100kV和120kV3種輻射線束為例,介紹常用診斷X射線的能量分布形態(tài)和能量表達(dá)方式。1x線的生成和組成1.1x射線的基本條件X射線和γ射線一樣都屬于短波長電磁波。具有波動(dòng)的粒子性(具有一定能量的光子)和粒子的波動(dòng)性的波、粒二象屬性。然而,X射線和γ射線從產(chǎn)生的機(jī)制劃分卻截然不同。γ射線的產(chǎn)生是伴隨核躍遷發(fā)出的,而X射線是伴隨電子躍遷和高速電子轟擊靶物質(zhì)原子后,由于高速電子速度突然受阻,其動(dòng)能部分轉(zhuǎn)變成軔致輻射而產(chǎn)生的。X射線的產(chǎn)生應(yīng)具備3個(gè)基本條件:(1)要有提供電子的電子源,即X射線管的燈絲,當(dāng)燈絲通電后即成為電子源,X射線管的燈絲電流(管電流)愈大,X射線輸出量愈高,X射線輸出量與管電流成正比線性關(guān)系;(2)強(qiáng)電場即管電壓,在強(qiáng)電場作用下使得從燈絲發(fā)出電子獲得足夠高的能量而變成高速、定向運(yùn)動(dòng)的電子流。X射線輸出量與管電壓n次方成正比;(3)要有可以接受高速定向電子流的靶物質(zhì)。該靶物質(zhì)使得高速電子的動(dòng)能部分轉(zhuǎn)變?yōu)閄射線。X射線是一束波長短,穿透能力強(qiáng)的光子束。1.2標(biāo)識輻射的能量從X射線產(chǎn)生的機(jī)制劃分,X射線由兩部分組成:(1)由高速定向運(yùn)動(dòng)的電子突然遭受靶物質(zhì)阻止后產(chǎn)生的軔致輻射,這部分的光子能量是連續(xù)的;(2)為標(biāo)識輻射,也稱為特征輻射。它是加在連續(xù)射線譜上的數(shù)個(gè)向上突出的尖峰,即具有一定波長的X射線,如圖1所示。X射線中的軔致輻射具有光子能量連續(xù)分布的原因相當(dāng)繁雜,可分為下述原因:(1)加在X線管兩端的電壓通常是脈動(dòng)的直流電壓,使得轟擊靶的高速電子的動(dòng)能不相同;(2)高速電子在核電場作用之前,通過電離、激發(fā)所損失的動(dòng)能各不相等;(3)各高速電子在核電場中受阻止的情況不同。離核越近受核電場作用越強(qiáng),由動(dòng)能轉(zhuǎn)換光能份額越多,輻射出的X射線的波長越短,其能量越高;反之,波長越長,其能量越低。而X射線中的標(biāo)識輻射具有一定能量的原因是與其產(chǎn)生的機(jī)制相關(guān)。標(biāo)識X射線輻射的產(chǎn)生是由于高速電子以極大的動(dòng)能撞擊靶表面材料時(shí),靶原子的內(nèi)層軌道電子被轟擊出來,這一空位又被外層電子躍遷而充填,充填的電子從原軌道到充填軌道之間的能量差以X射線形式釋放出來?？梢?標(biāo)識輻射的能量主要取決于靶表面材料原子殼層電子能級。在診斷X射線領(lǐng)域,靶材料絕大多數(shù)采用鎢制成,鎢K層電子的結(jié)合能69.5keV,當(dāng)這一空位有L層電子填充,首先要克服L層10.2keV的結(jié)合能,因此其能級差為59.3keV,即標(biāo)識輻射的能量。理論計(jì)算表明,對鎢靶X射線管來說,管電壓在69.5kV以下時(shí)不會(huì)產(chǎn)生K系列標(biāo)識輻射;在80~150kV范圍內(nèi)K系輻射占整個(gè)輻射量的10%~28%;在管電壓為150kV以上時(shí)標(biāo)識輻射呈相對減少趨勢。鉬靶材料的乳腺X射線機(jī)的Kα和Kβ標(biāo)識輻射能量分別為17.4keV和19.6keV。圖1顯示,鎢靶材料發(fā)出的X射線主要是軔致輻射,鉬靶材料發(fā)出的X射線主要是標(biāo)識輻射。2x輻射質(zhì)量和體積2.1x-ct-ls-ms分析X射線質(zhì)是指它穿透物質(zhì)的本領(lǐng)(俗稱硬度)。在醫(yī)學(xué)診斷X射線中,通常以X射線峰值電壓表示X射線的質(zhì),其原因是峰值管電壓決定高速電子轟擊靶面的最大動(dòng)能。然而,只用峰值管電壓表示輻射質(zhì)并不確切,因?yàn)榉逯惦妷褐粵Q定于軔致輻射中最大能量的光子,即最短X射線波長。如峰值管電壓為90kVp時(shí),按Duane-Hunt公式計(jì)算其最短波長,λmin,為(公式1):式中:12.42為常數(shù)(à);V:峰值管電壓(kVp)。按計(jì)算它的最大光子能量Emax為90keV。式中h、v和c分別為普朗克常數(shù)、光子的頻率和速度。X射線能量分布的低能起點(diǎn)與X射線管的固有過濾(管窗口材料、厚度、絕緣油等)以及附加過濾相關(guān)。過濾材料越厚,軔致輻射連續(xù)譜中低能段被吸收越多,能量分布的起點(diǎn)向能譜中能量較高的右方移動(dòng),導(dǎo)致X射線的能譜形態(tài)越窄,射線的較高能成分相對值變的越高,射線的穿透能量力越強(qiáng)。診斷X射線常用的頻率范圍λ為1.0~0.1à,能量范圍為12.4~124keV。2.2管電壓ppvX射線量是以單位時(shí)間內(nèi)通過射線方向單位面積的光子注量或能量注量來表示。X射線的量通常以管電流與照射時(shí)間的乘積即毫安秒表示。從物理學(xué)角度分析,X射線量與靶面物質(zhì)原子序數(shù)(Z)成正比,與管電壓(V)n次方成正比,與管電流(I)和曝光時(shí)間(t)的乘積成正比,與測量點(diǎn)到管焦點(diǎn)距離(R)平方成反比。X射線量D由以下經(jīng)驗(yàn)公式2估算:通常在診斷X射線范圍n的取值約為1.5~2。實(shí)際工作中kV值是依據(jù)被照射物體對X射線的衰減程度而選定的。當(dāng)kV不適當(dāng)選定的過高或過低都得不到好的診斷圖像?？紤]到管電壓的波紋(Ripple)效應(yīng),近年來采用了實(shí)用管電壓(practicalpeakvoltage,PPV)概念,PPV概念是對具有波紋管電壓進(jìn)行加權(quán)平均。PPV的詳細(xì)算式和引用的常數(shù)見參考文獻(xiàn)。對工頻、中頻X射線機(jī)測量或計(jì)算PPV是有用的。高頻X射線機(jī)或恒壓X射線機(jī),在數(shù)值上X射線機(jī)的峰值管電壓與PPV相等。在相同線束輸出量情況下,毫安與時(shí)間的乘積是一定的,可根據(jù)X射線機(jī)的性能和具體情況進(jìn)行多種毫安與時(shí)間擋的搭配組合。3x-ct能量表達(dá)由于X射線的成分較為復(fù)雜,既包括能量連續(xù)軔致輻射,又包括能量單一的Kα和Kβ標(biāo)識輻射,因此對X射線能量的表達(dá)有3種常用方式,即半值層、等效能量和平均能量。3.1x-cts-ms/hvl3-meq-lHVL是表征射線穿透能力的一個(gè)很有用的參數(shù)。HVL的定義為使輻射束的空氣比釋動(dòng)能減少到其初始值得一半的指定材料的厚度。該物質(zhì)的物理厚度以mm或cm表示。實(shí)際工作中常用質(zhì)量厚度代替物理厚度,g/cm2。質(zhì)量厚度=厚度(cm)×密度(g/cm3)。在HVL測量中,用一組不同厚度的純鋁(Al,純度為99.95%以上)或純銅(Cu)作為過濾片族。在測量中應(yīng)按照ICRU等權(quán)威機(jī)構(gòu)推薦的一種標(biāo)準(zhǔn)程序進(jìn)行,即用能量響應(yīng)好、體積比較小的空氣電離室,在設(shè)置好的幾何條件下分別測量不同厚度過濾片的射線穿透率。然后,通過內(nèi)插輻射穿透率衰減一半時(shí)所對應(yīng)的過濾片厚度。衛(wèi)生部所屬的二級標(biāo)準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)室(SSDL)實(shí)測HVL與德國技術(shù)物理研究院(PTB)和用德國iba公司生產(chǎn)的MagicMAX多功能X射線檢測儀在SSDL測量的HVL比較(見表1)。值得注意的是被測量射線束一定要符合窄束條件。除此以外,在表征診斷X射線線質(zhì)時(shí),不僅要測量第一半值層(HVL1)還要測量第二半值層(HVL2)以及計(jì)算同質(zhì)系數(shù)(h),即。第二半值是指初始輻射穿透率衰減到1/4時(shí)所對應(yīng)的過濾片厚度。只有在HVL和h都相同時(shí),才可以認(rèn)為X射線質(zhì)基本相同。例如,在同一臺X射線機(jī)測量HVL時(shí),當(dāng)施加的管電壓分別為80kV和90kV,而附加過濾片分別為2.60mmAl和2.50mmAl時(shí),所獲得的HVL皆為3.00mmAl。由此可見,如果只看半值層區(qū)分X射線的輻射線質(zhì)是不確切的,因?yàn)樗鼈兊哪茏V分布是不同的。3.2光催化氧化法計(jì)算系統(tǒng)中能量等效能量(有效能量)是指一束具有能譜的X射線與一束單能光子射線有相同衰減率的能量。等效能量是通過測得的HVL和射線在物質(zhì)中衰減規(guī)律獲得的(公式3):公式3表示光子輻射在物質(zhì)中是按指數(shù)衰減數(shù)學(xué)表達(dá),式中μ/ρ和△t分別為質(zhì)量衰減系數(shù)和濾片的質(zhì)量厚度。當(dāng)射線衰減一半時(shí),即這時(shí)衰減公式可變換為(公式4):由于HVL是測量獲得的,因此可以通過上式計(jì)算獲得過濾片的質(zhì)量衰減系數(shù)。而后,再將計(jì)算的衰減系數(shù)通過內(nèi)插物質(zhì)的衰減系數(shù)與光子能量關(guān)系表格,就可得到所對應(yīng)的單能光子能量。這一能量即為該X射線束的等效能量。以管電壓100kV,過濾片為2.50mmAl時(shí)測得的半值層為例,其計(jì)算結(jié)果(公式5):式中:2.70為Al密度,g/cm3;0.329:cm為單位HVL厚度。將計(jì)算得到的μ/ρ=0.780內(nèi)插到NIST發(fā)表的Al的質(zhì)量衰減系數(shù)與光子能量關(guān)系曲線,獲得其等效能量為34.5keV。同樣,計(jì)算80kV、120kV的等效能量分別為31.7、37.5keV。比較上述3個(gè)點(diǎn)等效能量的結(jié)果發(fā)現(xiàn),與日本加藤秀起·林計(jì)算結(jié)果誤差<1%。3.3測量或計(jì)算獲得診斷X射線能量是連續(xù)的,因此X射線能譜可以通過測量或計(jì)算獲得。它的平均能量也可以是不同加權(quán)方式給出的數(shù)學(xué)期望。本文給出3種加權(quán)平均的數(shù)學(xué)表達(dá)式(如圖2所示)。3.3.1平均光刻注量方程式(公式6)是以傳統(tǒng)的光子注量加權(quán)的。3.3.2平均光刻注量注釋方程式(公式7)是按微劑量學(xué)計(jì)算平均線能量方式衍生、以光子能量注量加權(quán)的。3.3.3能量吸收系數(shù)的計(jì)算方程式(公式8)是以吸收劑量加權(quán)的。方程式(6)、(7)和(8)中:對能量E的微商,即以此類推。和分別為光子能量E到E+dE能量間隔內(nèi)的粒子注量、能量注量、受照射物質(zhì)的吸收劑量;為質(zhì)量能量吸收系數(shù);積分限從0到Emax。比較3個(gè)方程計(jì)算出平均能量不難發(fā)現(xiàn),如果以方程(6)為準(zhǔn),用方程(7)獲得的平均能量比方程(6)略高,而用方程(8)獲得的平均能量會(huì)略低。盡管方程式(6)是大多數(shù)學(xué)者采用蒙特卡羅計(jì)算時(shí)常有的基礎(chǔ)方程,但方程(8)是多數(shù)劑量學(xué)者更關(guān)心的。因此,在今后人體吸收劑量轉(zhuǎn)換系數(shù)的計(jì)算中應(yīng)以方程(8)為基礎(chǔ)更為適宜。4x射線的測量綜上所述,可給出以下6個(gè)方面的內(nèi)容提供討論。(1)在對診斷X射線能量表達(dá)時(shí),只用第一半值層(HVL1)是不確切的。如上所述,在某些情況下,不同管電壓下用不同的過濾片,所獲得的半值層有時(shí)卻相同,但能譜卻相差很大。因此,國際上表達(dá)X射線輻射線質(zhì)時(shí)不僅用第一半值層,還用第二半值層和同質(zhì)系數(shù)以及峰值管電壓、過濾片材料、厚度等共同表述X射線質(zhì)。HVL1和HVL2可以理解為對該X射線譜的粗略表達(dá)。(2)用等效能量和用單一HVL一樣,做為一個(gè)值表征一束診斷X射線的線質(zhì)是不適宜的。因?yàn)檫@樣以來會(huì)忽略了診斷X射線具有譜的特征。它與計(jì)算出的平均能量有較大的偏差。因此,國際上目前很少用等效能量表征X射線的線質(zhì)。(3)用譜的形式給出診斷X射線質(zhì)無疑是最適宜的,但測量時(shí)需要用專門的設(shè)備、儀器以及解譜程序。在用蒙特卡羅計(jì)算譜時(shí)需要X射線管靶材料、靶的陽極角,發(fā)射角、焦點(diǎn)尺寸以及固有過濾和附加過濾等數(shù)據(jù)。因此,用平均能量表達(dá)X射線質(zhì)有一定難度。(4)X射線與γ射線都是由一定能量的光子組成,具有波、粒二象屬性。它們之間的區(qū)別不在于光子能量的高低,而在于產(chǎn)生的機(jī)制不同。雖然診斷X射線屬低、中能量范疇(12~120keV),但γ射線同樣有低能的,例如241Am的γ射線只有59.9keV,X射線同樣有用于放射治療的高能光子,如可達(dá)兆電子伏量級。X射線的光子能量是連續(xù)的,在物質(zhì)中衰減更為復(fù)雜。γ射線的能量是單能的或多個(gè)單能疊加在一起的光子能量。例如,137Cs只發(fā)射662keV的γ射線,60Co發(fā)射1173.3keV和1332.5keV2種γ射線。γ射線的能量是離散的,這和連續(xù)能量分布的X射線有著截然不同的概念。(5)為了方便對診斷X射線的劑量估算,目前國際上很多廠家生產(chǎn)的診斷X射線的劑量儀多數(shù)可以通過X射線機(jī)一次曝光獲得劑量、HVL、PPV以及曝光時(shí)間等數(shù)據(jù)。因此對PPV的值不必通過管電壓的紋波波形測量和計(jì)算獲得,而是通過直接測量給出。