原創：小艾工程師

X射線柵控技術已經存在40年以上，這項技術最早在80年代的CT上已經開始應用。當時由于掃描架轉速很慢，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，如果采用連續射線，這樣的輻射劑量是不可接受的，于是工程師發明了x射線柵控技術（類似于半導體MOS管的柵極控制），采用柵控脈沖射線進行曝光和圖像采集。

柵控的目的就是要產生脈沖射線。為了獲得更好的圖像質量，當前普通放射使用的所有x射線影像設備，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間，提高曝光時刻劑量率，能夠有效提高圖像的信噪比。

產生脈沖射線主要有兩種方案，一種是靠脈沖高壓，另一種是持續高壓加柵壓控制通斷。

脈沖高壓實現方式比較簡單，目前被廣泛應用。其基本原理是用 逆變開關技術來控制高壓的產生和停止。逆變啟動，變壓器次級產生交流高壓經（倍壓）整流濾波后產生需要的高壓。曝光時間結束逆變開關關斷，不再產生變壓器次級高壓。脈沖高壓存在的主要問題是，脈沖高壓存在對終端濾波電容充電時段和高壓停止時濾波電容放電時段，這兩個過程中會產生大量的軟輻射。

柵控方式是采用帶柵極的x射線球管，陰極和陽極之間預先加載所需要的穩定的高壓，由于柵壓的控制，燈絲陰極電子不能溢出到達陽極因而不會產生x射線。需要曝光時，柵壓打開，陰極電子開始高速轟擊陽極靶盤產生x射線，柵壓關斷電子流即刻關斷。所以曝光完全由柵壓控制，速度極快而且高壓穩定。現有柵控技術采用分離式方案，即高壓發生器+高壓柵控電源，高壓發生器產生需要的高壓通過高壓電纜送至高壓柵控電源，高壓柵控電源產生可控的柵壓一起經（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境，所以需要一個很大的油箱，里面充滿變壓器油進行絕緣。柵壓的信號控制通常采用多個高壓脈沖變壓器，所以結構龐大。雖然柵壓技術實現復雜，成本很高，但帶來的輻射降低，特別是軟輻射降低非常明顯，所以GPS和日本島津在高端DSA設備上一直在使用該技術，國產DSA也開始采用。

幾年前某GPS廠商在發布柵控x射線影像新產品時宣稱，經FDA確認，柵控射線比脈沖高壓射線降低輻射68%以上。

北京艾立科技歷時七年，研發出擁有國家發明專利的嵌入式柵控組合機頭技術。嵌入式柵控組合機頭采用微型柵壓控制模塊直接集成在高壓發生器內，方便產生和控制柵壓，體積小，而且成本極大降低，適合于所有脈沖x射線影像設備，可以方便實現從當前脈沖高壓射線技術到柵控射線技術的產品升級。

降低輻射68%是GPS廠家某單一柵控產品的宣傳，事實上脈沖高壓升降沿產生的軟輻射的量也是比較容易從原理上量化和類比用來作為參考的。

簡單計算：組合機頭要獲得平直高壓需要有濾波電容，某進口品牌2kw移動C濾波電容600pf，以所需高壓100kv計算，濾波電容充電量：

Q = 600pf * 100kv = 0.06mC = 0.06mAs

放電過程即下降沿就是將0.06mAs的電荷基本釋放完成。

充電即上升沿需要的時間除了跟濾波電容的大小有關，還跟發生器的功率、逆變頻率、高壓倍壓級數等有關，常用小功率發生器的上升沿時間基本在2-5ms左右。以通常10mA、上升沿2ms計算，上升沿產生的mAs約為：

 10mA * 2ms = 0.02mAs

也就是說一個脈沖高壓產生的邊沿軟輻射對應0.06mAs + 0.02mAs = 0.08mAs。在實際放射應用中，動態圖像常為30fps，所以每秒產生的邊沿軟輻射為：

30 * 0.08= 2.4mAs

常規體檢時一個胸片正位約為100kv/3-4mAs，也就是說常規組合機頭2秒的動態影像產生的脈沖高壓邊沿軟輻射mAs就相當于一張胸片的mAs。

對于普通高壓發生器，高壓需要通過高壓電纜連接至球管，通常高壓電纜的參數約150p/m, 如果以10米高壓電纜計，電容為1500p。30fps每秒產生的下降沿軟輻射為：

30 * 1500pf  *  100kv = 4.5mAs

也就是說普通高壓發生器1秒的動態影像產生的脈沖高壓僅下降沿軟輻射mAs就相當于一張胸片的mAs。

一個手術的輻射過程短則數十秒，長則數十分鐘，其不必要的輻射劑量是相當可觀的。而且軟輻射更容易被人體吸收，對人體傷害更大。

在現實應用中病人實際受到的輻射量與射線發生裝置的總濾過、射線源與人體之間的距離、輻照面積都有很大關系，以上內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進行討論。另外在上升沿和下降沿的輻射過程中高壓的值是持續變化的，mA一定的情況下高壓降低時的輻射劑量率會變低，但人體對軟射線的吸收率會增加。

以下是脈沖高壓射線劑量測量波形：

 以下是柵控脈沖射線劑量測量波形：

波形中，紅色為IBA MagicMax劑量儀測量得到的KV波形，綠色為劑量率波形。容易發現，脈沖高壓的劑量率波形中，初始階段存在劑量率的上升過程，其對應KV的上升過程。由于劑量儀的響應速度的原因，上升過程的大部分初始階段KV值無法測量獲得。其KV的下降過程對應劑量率的下降過程，當KV下降到一定幅值時，KV值也無法測出。

柵控高壓的劑量率波形中，起始段和結束段是瞬間完成的，因為高壓保持不變，僅僅是電子束的導通和關斷，所以徹底消除了上升沿和下降沿，同時由于高壓是預先加載的，在整個曝光過程中持續穩定存在，避免了脈沖高壓存在的頻繁啟動，PID高壓頻繁劇烈調整，所以高壓更穩定，波動更小，射線質量更好。由于沒有了上升沿和下降沿的時間延遲，柵控射線的頻率可以做到很高，在實驗室射線的脈沖頻率已經可以做到1kHz以上。

3D影像在臨床上的應用越來越多，柵控技術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重建過程中產生偽影（如金屬偽影）的根本原因。

雙能技術是進一步減小重建偽影的重要手段，柵控技術可以方便地實現更高頻率的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可以應用于組合機頭、普通脈沖射線發生器，可以用于開發下一代移動C、CBCT、DRF、動態DR、DSA等，更多產品信息 www.snaileducation.com。

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