原創(chuàng)：小艾工程師
X射線柵控技術(shù)已經(jīng)存在40年以上，這項(xiàng)技術(shù)最早在80年代的CT上已經(jīng)開始應(yīng)用。當(dāng)時(shí)由于掃描架轉(zhuǎn)速很慢，圖像的采集速度也很慢，完成一層圖像的采集需要10秒以上，如果采用連續(xù)射線，這樣的輻射劑量是不可接受的，于是工程師發(fā)明了x射線柵控技術(shù)（類似于半導(dǎo)體MOS管的柵極控制），采用柵控脈沖射線進(jìn)行曝光和圖像采集。
柵控的目的就是要產(chǎn)生脈沖射線。為了獲得更好的圖像質(zhì)量，當(dāng)前普通放射使用的所有x射線影像設(shè)備，包括mobile C、CBCT、DR、DRF、DSA，都在采用脈沖射線，脈沖射線可以在不增加總輻射的條件下縮短曝光時(shí)間，提高曝光時(shí)刻劑量率，能夠有效提高圖像的信噪比。
產(chǎn)生脈沖射線主要有兩種方案，一種是靠脈沖高壓，另一種是持續(xù)高壓加?xùn)艍嚎刂仆〝唷?/span>
脈沖高壓實(shí)現(xiàn)方式比較簡(jiǎn)單，目前被廣泛應(yīng)用。其基本原理是用 逆變開關(guān)技術(shù)來(lái)控制高壓的產(chǎn)生和停止。逆變啟動(dòng)，變壓器次級(jí)產(chǎn)生交流高壓經(jīng)（倍壓）整流濾波后產(chǎn)生需要的高壓。曝光時(shí)間結(jié)束逆變開關(guān)關(guān)斷，不再產(chǎn)生變壓器次級(jí)高壓。脈沖高壓存在的主要問(wèn)題是，脈沖高壓存在對(duì)終端濾波電容充電時(shí)段和高壓停止時(shí)濾波電容放電時(shí)段，這兩個(gè)過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生大量的軟輻射。
柵控方式是采用帶柵極的x射線球管，陰極和陽(yáng)極之間預(yù)先加載所需要的穩(wěn)定的高壓，由于柵壓的控制，燈絲陰極電子不能溢出到達(dá)陽(yáng)極因而不會(huì)產(chǎn)生x射線。需要曝光時(shí)，柵壓打開，陰極電子開始高速轟擊陽(yáng)極靶盤產(chǎn)生x射線，柵壓關(guān)斷電子流即刻關(guān)斷。所以曝光完全由柵壓控制，速度極快而且高壓穩(wěn)定。現(xiàn)有柵控技術(shù)采用分離式方案，即高壓發(fā)生器+高壓柵控電源，高壓發(fā)生器產(chǎn)生需要的高壓通過(guò)高壓電纜送至高壓柵控電源，高壓柵控電源產(chǎn)生可控的柵壓一起經(jīng)（四芯）高壓電纜送至x射線球管。由于柵控電源需要工作在高壓環(huán)境，所以需要一個(gè)很大的油箱，里面充滿變壓器油進(jìn)行絕緣。柵壓的信號(hào)控制通常采用多個(gè)高壓脈沖變壓器，所以結(jié)構(gòu)龐大。雖然柵壓技術(shù)實(shí)現(xiàn)復(fù)雜，成本很高，但帶來(lái)的輻射降低，特別是軟輻射降低非常明顯，所以GPS和日本島津在高端DSA設(shè)備上一直在使用該技術(shù)，國(guó)產(chǎn)DSA也開始采用。
幾年前某GPS廠商在發(fā)布柵控x射線影像新產(chǎn)品時(shí)宣稱，經(jīng)FDA確認(rèn)，柵控射線比脈沖高壓射線降低輻射68%以上。
北京艾立科技?xì)v時(shí)七年，研發(fā)出擁有國(guó)家發(fā)明專利的嵌入式柵控組合機(jī)頭技術(shù)。嵌入式柵控組合機(jī)頭采用微型柵壓控制模塊直接集成在高壓發(fā)生器內(nèi)，方便產(chǎn)生和控制柵壓，體積小，而且成本極大降低，適合于所有脈沖x射線影像設(shè)備，可以方便實(shí)現(xiàn)從當(dāng)前脈沖高壓射線技術(shù)到柵控射線技術(shù)的產(chǎn)品升級(jí)。
降低輻射68%是GPS廠家某單一柵控產(chǎn)品的宣傳，事實(shí)上脈沖高壓升降沿產(chǎn)生的軟輻射的量也是比較容易從原理上量化和類比用來(lái)作為參考的。
簡(jiǎn)單計(jì)算：組合機(jī)頭要獲得平直高壓需要有濾波電容，某進(jìn)口品牌2kw移動(dòng)C濾波電容600pf，以所需高壓100kv計(jì)算，濾波電容充電量：
Q = 600pf * 100kv = 0.06mC = 0.06mAs
放電過(guò)程即下降沿就是將0.06mAs的電荷基本釋放完成。
充電即上升沿需要的時(shí)間除了跟濾波電容的大小有關(guān)，還跟發(fā)生器的功率、逆變頻率、高壓倍壓級(jí)數(shù)等有關(guān)，常用小功率發(fā)生器的上升沿時(shí)間基本在2-5ms左右。以通常10mA、上升沿2ms計(jì)算，上升沿產(chǎn)生的mAs約為：
10mA * 2ms = 0.02mAs
也就是說(shuō)一個(gè)脈沖高壓產(chǎn)生的邊沿軟輻射對(duì)應(yīng)0.06mAs + 0.02mAs = 0.08mAs。在實(shí)際放射應(yīng)用中，動(dòng)態(tài)圖像常為30fps，所以每秒產(chǎn)生的邊沿軟輻射為：
30 * 0.08= 2.4mAs
常規(guī)體檢時(shí)一個(gè)胸片正位約為100kv/3-4mAs，也就是說(shuō)常規(guī)組合機(jī)頭2秒的動(dòng)態(tài)影像產(chǎn)生的脈沖高壓邊沿軟輻射mAs就相當(dāng)于一張胸片的mAs。
對(duì)于普通高壓發(fā)生器，高壓需要通過(guò)高壓電纜連接至球管，通常高壓電纜的參數(shù)約150p/m, 如果以10米高壓電纜計(jì)，電容為1500p。30fps每秒產(chǎn)生的下降沿軟輻射為：
30 * 1500pf * 100kv = 4.5mAs
也就是說(shuō)普通高壓發(fā)生器1秒的動(dòng)態(tài)影像產(chǎn)生的脈沖高壓僅下降沿軟輻射mAs就相當(dāng)于一張胸片的mAs。
一個(gè)手術(shù)的輻射過(guò)程短則數(shù)十秒，長(zhǎng)則數(shù)十分鐘，其不必要的輻射劑量是相當(dāng)可觀的。而且軟輻射更容易被人體吸收，對(duì)人體傷害更大。
在現(xiàn)實(shí)應(yīng)用中病人實(shí)際受到的輻射量與射線發(fā)生裝置的總濾過(guò)、射線源與人體之間的距離、輻照面積都有很大關(guān)系，以上內(nèi)容假定在其它條件一致的情況下僅就與輻射劑量成正比的加載因素mAs進(jìn)行討論。另外在上升沿和下降沿的輻射過(guò)程中高壓的值是持續(xù)變化的，mA一定的情況下高壓降低時(shí)的輻射劑量率會(huì)變低，但人體對(duì)軟射線的吸收率會(huì)增加。
以下是脈沖高壓射線劑量測(cè)量波形：
以下是柵控脈沖射線劑量測(cè)量波形：
波形中，紅色為IBA MagicMax劑量?jī)x測(cè)量得到的KV波形，綠色為劑量率波形。容易發(fā)現(xiàn)，脈沖高壓的劑量率波形中，初始階段存在劑量率的上升過(guò)程，其對(duì)應(yīng)KV的上升過(guò)程。由于劑量?jī)x的響應(yīng)速度的原因，上升過(guò)程的大部分初始階段KV值無(wú)法測(cè)量獲得。其KV的下降過(guò)程對(duì)應(yīng)劑量率的下降過(guò)程，當(dāng)KV下降到一定幅值時(shí)，KV值也無(wú)法測(cè)出。
柵控高壓的劑量率波形中，起始段和結(jié)束段是瞬間完成的，因?yàn)楦邏罕３植蛔儯瑑H僅是電子束的導(dǎo)通和關(guān)斷，所以徹底消除了上升沿和下降沿，同時(shí)由于高壓是預(yù)先加載的，在整個(gè)曝光過(guò)程中持續(xù)穩(wěn)定存在，避免了脈沖高壓存在的頻繁啟動(dòng)，PID高壓頻繁劇烈調(diào)整，所以高壓更穩(wěn)定，波動(dòng)更小，射線質(zhì)量更好。由于沒(méi)有了上升沿和下降沿的時(shí)間延遲，柵控射線的頻率可以做到很高，在實(shí)驗(yàn)室射線的脈沖頻率已經(jīng)可以做到1kHz以上。
3D影像在臨床上的應(yīng)用越來(lái)越多，柵控技術(shù)完全消除了脈沖射線的邊沿軟輻射，因而可以獲得更好的圖像重建效果，眾所周知軟射線的存在是CT重建過(guò)程中產(chǎn)生偽影（如金屬偽影）的根本原因。
雙能技術(shù)是進(jìn)一步減小重建偽影的重要手段，柵控技術(shù)可以方便地實(shí)現(xiàn)更高頻率的interlace雙能，以下是120/80kv 5ms脈寬的雙能劑量波形。
嵌入式柵控脈沖技術(shù)可以應(yīng)用于組合機(jī)頭、普通脈沖射線發(fā)生器，可以用于開發(fā)下一代移動(dòng)C、CBCT、DRF、動(dòng)態(tài)DR、DSA等，更多產(chǎn)品信息 www.www.snaileducation.com。
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