[转帖]乳腺X射线摄影系统讲座

图1 图2 图3 图4 表1

J. Anthony Seibert博士，美国加州大学放射医学系。顾健 教授编译顾健先生，北京中医医院核医学科主治医师。

关键词: 乳腺X射线摄影　线性衰减系数　辐射剂量

一 乳腺X射线摄影的发展

　　乳腺X射线摄影(Mammography)是指生成乳腺X射线影像的乳腺X射线片(Mammogram)的一个过程。
　　乳腺X射线摄影是一项非常技术性的工作，这是由于需要采用低辐射剂量的X射线产生高对比度、高空间分辨率的乳腺影像，以确保患者根据乳腺筛查计划安全地进行早期乳腺癌检测。最重要的是要优化乳腺X射线摄影设备及注重技术操作的质量。
　　本讲座将以物理学的观点阐述乳腺X射线摄影的一些技术方面的问题，包括乳腺X射线影像系统，X射线谱的考虑，乳腺挤压，X射线散射的控制，自动曝光控制，屏—片探测器和胶片的处理，影像质量方面的问题(对比度、清晰度、影像噪声)，屏—片乳腺X射线摄影的辐射剂量问题。
　　过去的30年里在X射线的发生、接收及胶片处理方面的持续改进，以及最近出现的数字乳腺X射线摄影探测器，都使乳腺X射线摄影的质量有了显著的提高，同时患者接受的辐射剂量明显减少。这些进步都是通过仔细地分析摄影过程的物理学，并对各个环节加以改进而取得的。总的来说，数字乳腺X射线摄影和影像的后处理技术使发现早期乳腺癌的灵敏度有了很大的提高。目前存在的最大的单一限制因素是结构噪声，即乳腺正常的组织对病变组织的遮盖或重叠使病变组织漏诊。数字层析 X 射线照相组合和乳腺专用CT这些新技术通过减少和消除这些结构噪声可能对早期检测乳腺癌有帮助。另外计算机辅助诊断(Computer Aided Diagnosis，CAD)技术也已经成为放射医师的得力助手。
　　乳腺X射线摄影的关键要求是能够分辨出乳腺癌和正常组织的微小X射线衰减差异以及检测出伴随肿瘤组织的微小钙化。为了达到上述要求，为乳腺X射线摄影所设计的专用设备在采用尽可能低的辐射剂量基础上，不仅要获得高质量的影像，而且要具备高灵敏性和特异性。由图1可见，这需要采用低能量的X射线来区分正常乳腺腺体和乳腺癌。
　　图1的左侧分别是脂肪、乳腺、浸润性乳腺癌的线性衰减系数(Linear Attenuation Coefficient，单位为cm^-1)与能量的关系。结果提供了乳腺癌与正常乳腺的对比(假设无散射退化)，说明需要采用低能的、单能X射线来获得合适的对比度，23~17 keV能量范围可获得4 %~9 %对比度。
　　为了高分辨率地发现乳腺的微钙化，要求X射线管焦点很小(0.3 mm和0.1 mm，后者用于放大)，同时要求X射线探测器也具有很高的空间分辨率。
　　X射线管的负荷、曝光时间和辐射剂量都要调得尽可能低，量子噪声和杂散辐射都要尽量减少。
　　紧密乳腺组织中的结构重叠很容易挡住肿瘤组织，或使正常组织产生酷似肿瘤的出现。虽然乳腺挤压可以使乳腺大部分区域扩展以减少重叠，但组织重叠仍是乳腺X射线摄影的一大限制因素。

二 专用乳腺X射线摄影系统

　　近30年来的乳腺X射线摄影方面的技术更新与改进已经使影像质量得到惊人的提高，同时患者所接受的辐射剂量明显减少。
　　图2反映大约在十年时间内 (1985~1995年)所获得的在乳腺筛查中影像质量和定位技术的改进。
　　如图3所示，专用乳腺X射线摄影系统由下列部件组成：X射线管、管窗、可附加的过滤器、挤压板、布凯(Bucky)活动滤线栅、屏—片暗盒、自动曝光控制(Automatic Exposure Control，AEC)系统中曝光表的探测器。
　　同样具有重要作用的是用来在被曝光胶片上生成具有光学密度模式的化学洗片处理设备以及阅片器。
　　X射线管及X射线探测器被安置在一个机动平衡的支架上，以便根据病人的位置旋转和调整高度以完成透视或乳腺X射线摄影的过程。为了放大研究，一个1.5~1.8放大倍数的托盘附件可供选择，为乳腺定位提供支持，并用于同时自动选择较小的焦点。脚踏开关可用来操控挤压板的挤压和释放过程。

三 乳腺X射线摄影的辐射剂量

　　影响乳腺X射线摄影辐射剂量的因素包括：(1)乳腺组织的结构和厚度；(2)X射线管靶、过滤器和kVp的设置；(3)放大的倍数；(4)滤线栅的效率；(5)增感屏的量子效率；(6)磷光体的转换效率；(7)胶片的速度和灵敏度；(8)胶片处理的时间、温度和活性；(9)所选择的光学密度水平。
　　对于一个厚4.5 cm乳腺的屏—片乳腺X射线摄影，乳腺平均剂量必须小于3 mGy。这对于经过校正的正常运行的机器是很容易达到的。较高的乳腺辐射剂量往往是由于放射医师希望更高的光学密度的结果，所以应该采用较明亮的乳腺摄影阅片器。
　　尽管胶片制造商推荐采用较高的kVp和采用较新的屏—片探测器，但人们常常按普通常识采用最低的kVp，而采用较低的kVp往往是导致较高辐射剂量的最重要因素。
　　对于高对比度的胶片，较高的kVp可以增加射线在乳腺中的传输，因而降低mAs和总的乳腺剂量而不会造成放射影像对比度的损失。
　　为调整目的而进行的乳腺X射线摄影辐射剂量的测量用鉴定体模来进行，体模成分包括丙烯酸和少量石蜡和内部填充物，等效于50%的腺体+50%的脂肪组织。对体模的入射辐射剂量的测量是由放置在体模和胸壁间的经校正的辐射剂量仪或电离室所测定的。
　　入射皮肤剂量(X_ese)由标准接收协议确定。此外，在体模测量中所采用的kVp的半值层HVL(以mm Al为单位 )的测量应使挤压板在位时进行。
　　平均乳腺剂量D_g由剂量转换因子D_gn计算，D_gn由X射线管所用靶和过滤器、kVp和用于50 %腺体+50 %脂肪乳腺组织HVL参数按计算机产生的转化因子表决定，如下式：
　　D_g=D_gn×X_ese
　　这个计算剂量结果用于在各个系统间、不同医院进行比较，并用于美国乳腺X射线摄影质量标准规程(Mammo -graphy Quality Standards Act Regulations，MQSA)的审查，但是不能用于对特定乳腺表达剂量。在临床实践中，计算每次对乳腺的曝光剂量时，乳腺的挤压厚度、组织成分、kVp和相应的HVL是必须考虑的因素。
　　图4是对于一个常规的钼靶加上0.03 mm过滤器，对于对100 %脂肪、50 %腺体+50 %脂肪、100 %腺体，平均乳腺剂量与组织厚度的关系，组织厚度在2~8 cm之间 。
　　kVp按表1设置，曝光时间在0.5~ 2.5 s 范围内，本底光学密度维持在1.8 范围。
　　8 cm厚度、50 %腺体+50 %脂肪的平均乳腺剂量(5.2 mGy，32 kVp ) 是2 cm厚度、50 %腺体(+50 %脂肪的平均乳腺剂量 (0.65 mGy，24 kVp ) 的8倍。
　　表1 是由计算机模拟计算及临床测量所确定的推荐 kVp 值与乳腺成分及厚度的关系。结果适用于钼靶，厚0.03 mm 过滤器，曝光时间 0.5~2.0 s。

四 小结

　　乳腺X射线摄影物理学的基本理解对判断影像的质量，对建立合适的测试技术，对设定适当的系统功能，对尽快的解决操作中所遇到的困难等方面都具有关键性作用。
　　乳腺X射线摄影技术的目标就是用尽可能低的辐射剂量获取最多的影像信息。
　　影响影像质量以及影响乳腺在屏—片乳腺X射线摄影中所接受的剂量的因素是很多的。
　　要在综合考虑众多因素后采取一个优化这些因素的方案，这些因素包括X射线谱的质量、用挤压和滤线栅对散射的控制、屏－片接收器的特性、胶片处理、显示和阅片条件、辐射剂量。在仔细分析和考虑这些物理原则后，就可以在一个合理的低剂量基础上，获得高质量的乳腺X射线影像。
　　然而，试图采用最低辐射剂量摄影并不是全部目的，因为采用太低剂量获得的影像会增加降低乳腺X射线摄影对乳腺癌探测和定性能力的危险。

 

来源：《世界医疗器械》

 

乳腺X射线摄影系统讲座(二)　第二讲　X射线发生器与X射线管
J. Anthony Seibert
博士，美国加州大学放射医学系教授。顾健 编译顾健先生，北京中医医院核医学科主治医师。

关键词：X射线发生器  X射线管

一  X射线发生器与X射线管的性能

1. 管电压与管电流

　　现代乳腺X射线摄影系统一般都采用高频X射线发生器，它能够提供“闭环”控制的X射线管电压和管电流调节，从而可以精确地控制kVp、mA、曝光时间，具有较好的重复性，对X射线管内的空间电荷效应和灯丝老化能有效补偿。
　　大多数乳腺X射线摄影系统X射线管的管电压设置在22~39 kVp范围，调节精度为1 kVp，管电流(mA)受限制于焦点的大小，一般小焦点(0.3 mm)设置为100 mA，微焦点(0.1 mm)设置为25 mA。
　　为了减少影像的几何模糊，做接触检查时要采用小焦点(标称值0.3 mm)，做放大检查时要采用微焦点(标称值0.1 mm)。
　　对于0.3 mm小焦点，阳极热负荷上限为100 mA，0.1 mm微焦点为25 mA。在放大检查时，由于采用的管电流较低，会导致曝光时间相当长，致使病人移动，影像质量下降，并可能导致增感屏—胶片探测器对光密度响应的“倒易律失效”(Reciprocity Law Failure)。

2. 靶与过滤器

　　钼(Mo)是最多被用来作为阳极的，输出的标识X射线能量为17.5~19.6 keV，在乳腺X射线摄影最佳能量范围内，在此能量范围内可以用较低的辐射剂量产生较好对比度的影像。
　　铑(Rh)作为另一种合适的阳极，可以产生稍高能量的标识X射线，标识X射线能量为20.2~22.7 keV，常被用来对较厚或较密的乳腺摄影。铑靶不用钼过滤器，但管电流及阳极热容量均低20 %。
　　钨(W)虽然有较好的耐热性和更好的X射线转换效率，但是不能产生适合于增感屏—胶片探测器的标识X射线。钨靶用钼铑过滤器(典型厚度0.05 mm)，用以消除L系X射线污染。钨靶管电流及阳极、管套热容量可增加20 %。随着数字探测器和影像的后处理技术的发展，钨阳极将会在乳腺X射线摄影系统中使用得更普遍。

3. 阳极角与倾斜角

　　源像距(Source Image Distance，SID)在60~65 cm范围时，小焦点需要一个近22?的“有效”阳极角θeff，才足够覆盖24 cm×30 cm的探测器面积，有效阳极角θeff为15?时，可以覆盖8 cm×24 cm探测器面积。
　　有效阳极角θeff是X射线管阳极角qanode和X射线管的倾斜角θtilt的总和。
　　θeff=θanode+θtilt
　　大多数乳腺X射线摄影X射线管选择θanode=14?~16?，需要θtilt在8?左右。不过有一家X射线管制造商产品0.3 mm焦点的θanode为0?，0.1 mm焦点的θanode为-9?，需要θtilt约为24?左右。
　　表1是一个典型的乳腺X射线摄影系统X射线管的性能参数表。

4. 焦点的实际长度与有效长度

　　X射线管阴极总是设置在胸壁一侧，阳极朝向射野的前方(胸壁)，使得由于“阳极足根效应”(Heel Effect)即因阳极自过滤引起的X射线强度减弱的部分投射到乳腺的较薄部分。
　　焦点的实际长度是灯丝长度在阳极上的投影长度。
　　焦点的实际面积是由实际长度与聚焦极宽度相乘所决定的矩形面积。
　　焦点的有效面积是焦点的实际面积投射在中心轴线上的投射面积。
　　焦点的实际面积比焦点的有效面积要大。
　　由于三角学关系，这一面积由于阳极角的因素在长轴方向被透视缩小法则所缩小(线性聚焦原理)，公式为：
　　有效长度＝实际长度×sinθeff。
　　由于有效阳极角随平行于阴极—阳极轴线的射野方向改变，焦点的长度也随阴极阳极轴线方向变化。焦点大小一般定位于参考轴上，参考轴由射野的二等分决定，如果阳极的有效角是22?，参考轴就是11?。
　　焦点长度和宽度用裂隙照相机根据美国电气制造商协会(National Electrical Manufacturers Association， NEMA)标准测量。除非需要有定量测量实际焦点面积的需要，一般用一个条形测量工具进行，将可变范围为5~ 20 lp/mm铅或金箔衰减片放置在一厚度为4.2 mm的塑料衰减器上，通过可分辨条数来定性确定系统的有效空间分辨率。
　　平行于阴极轴—阳极轴方向的分辨率需要达到11 lp/mm；垂直于阴极轴—阳极轴方向的分辨率需要达到13 lp/mm。

5. 管窗

　　乳腺X射线摄影用的X射线管有一个0.8~1.0 mm厚度的铍窗。
　　铍(Be)的低原子序数(Z=4)允许低能X射线(低于5 keV)通过，确保辐射的全部能量的X射线能通过，从而获得高的X射线输出量。
　　然而低能X射线(低于15 keV)造成主要的乳腺吸收剂量，大部分被乳腺吸收，对影像的生成没有什么用处，高能X射线(高于23 keV)则会减少影像的对比度。
　　K边衰减过滤器可以使低于K边能量的X射线易于通过，因为X射线光子没有足够的能量作用于K层电子，而这些X射线光子对于乳腺X射线摄影是最佳的能量范围(图1)。
　　通常采用的过滤材料及厚度是Mo (0.03 mm)，Rh(0.025 mm)。

二  X射线谱的考虑

1. 影响X射线谱的因素

　　乳腺X射线摄影的影像质量及剂量效率很大程度上取决于X射线的谱。影响X射线谱的因素有：阳极的材料、采用的管电压、X射线衰减过滤器。
　　最适合乳腺X射线摄影的X射线谱是各种因素折中的结果，需要全面考虑到以下的一些因素：影像对比度(在低能量X射线基础上取得最好的影像对比度)、辐射剂量(在较高的kVp基础上减少到最低辐射剂量)、影像统计噪声(在较高的曝光中减少到最小)、X射线管的负荷与最大曝光时间的折中。
　　对于乳腺X射线摄影系统增感屏—胶片摄影，需对X射线谱进行优化选择。
　　乳腺的厚度是优化选择X射线能量的一个很大影响因素。比如在乳腺(50 %腺体+50 %脂肪)的一个200 μm的微小钙化，对应于4、6、8 cm厚度乳腺最佳的单能X射线能量分别是18、21和23 keV。临床上可选的靶是Mo(钼)，Rh(铑)，W(钨)。
　　Mo是最常用的靶，标识X射线的能量在17.5~19.6 keV。能量26 kVp用一个0.03 mm厚的钼过滤器只使低于K边X射线通过，可产生一个狭窄谱(图2a)。
　　用一个铑(Rh)靶配合一个0.025 mm厚的铑过滤器能量30 kVp可产生一个能量稍微高的(20~23 keV)标识X射线(图2b)。
　　许多乳腺X射线摄影系统用钼阳极X射线管同时配备有可选的钼或铑过滤器。
　　钼靶配合铑过滤器可传输能谱在20~23 keV的标识X射线。
　　钨靶不能产生有用的标识X射线，但能产生能谱在8~10 keV的L标识X射线(图3a)，被0.05 mm厚度的铑过滤器衰减后的谱(图3b)。
　　由图可见，欲消除L标识X射线至少需0.05 mm Rh过滤器。

2. 半值层

　　半值层(Half Value Layer，HVL)是指用来使X射线强度减少50 %的高纯铝层的厚度。
　　图4中HVL最小值以 mm Al单位表达，其数值为kVp值除以100。例如，对于25 kVp的X射线，其HVL厚度不应小于0.25 mm Al。
　　根据于不同的管电压、阳极靶材料和X射线过滤材料，乳腺X射线摄影设定不同的最小和最大HVL值。评估不同kVp和靶—过滤器组合的HVL值在临床中常用来帮助计算剂量转换因子以估测平均乳腺剂量。

3. 临床技术

　　临床上实际技术操作要考虑曝光时间和辐射剂量参数以及被挤压的乳腺厚度以及乳腺不同的组成成分多种因素，下面的推荐一些对影像采集有帮助的经验：
　　(1)对于乳腺脂肪区域的胶片光学密度应该在1.5~2.0 O.D.，纤维腺体组织的光学密度至少为1 O.D.。
　　(2)对于小于5 cm的被挤压乳腺厚度，用钼靶+钼过滤器；对于5~7 cm乳腺厚度，用钼靶+铑过滤器或铑靶+铑过滤器；对于大于7 cm乳腺厚度，用钼靶+铑过滤器，铑靶+铑过滤器，钨靶+铑过滤器。
　　(3)kVp的选择应该根据乳腺厚度和乳腺组织成分，以在最低的kVp下，曝光时间在0.2~2.5 s的基础上，取得最好的影像对比度为宜。低的kVp(18~25 kVp)应用于薄的、脂肪为主的乳腺，较高的kVp(28~35 kVp)应用于厚的、致密的乳腺。

（全文完）

来源：《世界医疗器械》