原創：小(xiǎo)艾工(gōng)程師
X射線(xiàn)栅控技(jì )術已經存在40年以上，這項技(jì )術最早在80年代的CT上已經開始應用(yòng)。當時由于掃描架轉速很(hěn)慢，圖像的采集速度也很(hěn)慢，完成一層圖像的采集需要10秒(miǎo)以上，如果采用(yòng)連續射線(xiàn)，這樣的輻射劑量是不可(kě)接受的，于是工(gōng)程師發明了x射線(xiàn)栅控技(jì )術（類似于半導體(tǐ)MOS管的栅極控制），采用(yòng)栅控脈沖射線(xiàn)進行曝光和圖像采集。
栅控的目的就是要産(chǎn)生脈沖射線(xiàn)。為(wèi)了獲得更好的圖像質(zhì)量，當前普通放射使用(yòng)的所有(yǒu)x射線(xiàn)影像設備，包括mobile C、CBCT、DR、DRF、DSA，都在采用(yòng)脈沖射線(xiàn)，脈沖射線(xiàn)可(kě)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(néng)夠有(yǒu)效提高圖像的信噪比。
産(chǎn)生脈沖射線(xiàn)主要有(yǒu)兩種方案，一種是靠脈沖高壓，另一種是持續高壓加栅壓控制通斷。
脈沖高壓實現方式比較簡單，目前被廣泛應用(yòng)。其基本原理(lǐ)是用(yòng) 逆變開關技(jì )術來控制高壓的産(chǎn)生和停止。逆變啓動，變壓器次級産(chǎn)生交流高壓經（倍壓）整流濾波後産(chǎn)生需要的高壓。曝光時間結束逆變開關關斷，不再産(chǎn)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(diàn)容充電(diàn)時段和高壓停止時濾波電(diàn)容放電(diàn)時段，這兩個過程中(zhōng)會産(chǎn)生大量的軟輻射。
栅控方式是采用(yòng)帶栅極的x射線(xiàn)球管，陰極和陽極之間預先加載所需要的穩定的高壓，由于栅壓的控制，燈絲陰極電(diàn)子不能(néng)溢出到達陽極因而不會産(chǎn)生x射線(xiàn)。需要曝光時，栅壓打開，陰極電(diàn)子開始高速轟擊陽極靶盤産(chǎn)生x射線(xiàn)，栅壓關斷電(diàn)子流即刻關斷。所以曝光完全由栅壓控制，速度極快而且高壓穩定。現有(yǒu)栅控技(jì )術采用(yòng)分(fēn)離式方案，即高壓發生器+高壓栅控電(diàn)源，高壓發生器産(chǎn)生需要的高壓通過高壓電(diàn)纜送至高壓栅控電(diàn)源，高壓栅控電(diàn)源産(chǎn)生可(kě)控的栅壓一起經（四芯）高壓電(diàn)纜送至x射線(xiàn)球管。由于栅控電(diàn)源需要工(gōng)作(zuò)在高壓環境，所以需要一個很(hěn)大的油箱，裏面充滿變壓器油進行絕緣。栅壓的信号控制通常采用(yòng)多(duō)個高壓脈沖變壓器，所以結構龐大。雖然栅壓技(jì )術實現複雜，成本很(hěn)高，但帶來的輻射降低，特别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(yòng)該技(jì )術，國(guó)産(chǎn)DSA也開始采用(yòng)。
幾年前某GPS廠商(shāng)在發布栅控x射線(xiàn)影像新(xīn)産(chǎn)品時宣稱，經FDA确認，栅控射線(xiàn)比脈沖高壓射線(xiàn)降低輻射68%以上。
北京艾立科(kē)技(jì )曆時七年，研發出擁有(yǒu)國(guó)家發明專利的嵌入式栅控組合機頭技(jì )術。嵌入式栅控組合機頭采用(yòng)微型栅壓控制模塊直接集成在高壓發生器内，方便産(chǎn)生和控制栅壓，體(tǐ)積小(xiǎo)，而且成本極大降低，适合于所有(yǒu)脈沖x射線(xiàn)影像設備，可(kě)以方便實現從當前脈沖高壓射線(xiàn)技(jì )術到栅控射線(xiàn)技(jì )術的産(chǎn)品升級。
降低輻射68%是GPS廠家某單一栅控産(chǎn)品的宣傳，事實上脈沖高壓升降沿産(chǎn)生的軟輻射的量也是比較容易從原理(lǐ)上量化和類比用(yòng)來作(zuò)為(wèi)參考的。
簡單計算：組合機頭要獲得平直高壓需要有(yǒu)濾波電(diàn)容，某進口品牌2kw移動C濾波電(diàn)容600pf，以所需高壓100kv計算，濾波電(diàn)容充電(diàn)量：
Q = 600pf * 100kv = 0.06mC = 0.06mAs
放電(diàn)過程即下降沿就是将0.06mAs的電(diàn)荷基本釋放完成。
充電(diàn)即上升沿需要的時間除了跟濾波電(diàn)容的大小(xiǎo)有(yǒu)關，還跟發生器的功率、逆變頻率、高壓倍壓級數等有(yǒu)關，常用(yòng)小(xiǎo)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，上升沿産(chǎn)生的mAs約為(wèi)：
10mA * 2ms = 0.02mAs
也就是說一個脈沖高壓産(chǎn)生的邊沿軟輻射對應0.06mAs + 0.02mAs = 0.08mAs。在實際放射應用(yòng)中(zhōng)，動态圖像常為(wèi)30fps，所以每秒(miǎo)産(chǎn)生的邊沿軟輻射為(wèi)：
30 * 0.08= 2.4mAs
常規體(tǐ)檢時一個胸片正位約為(wèi)100kv/3-4mAs，也就是說常規組合機頭2秒(miǎo)的動态影像産(chǎn)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(diàn)纜連接至球管，通常高壓電(diàn)纜的參數約150p/m, 如果以10米高壓電(diàn)纜計，電(diàn)容為(wèi)1500p。30fps每秒(miǎo)産(chǎn)生的下降沿軟輻射為(wèi)：
30 * 1500pf * 100kv = 4.5mAs
也就是說普通高壓發生器1秒(miǎo)的動态影像産(chǎn)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(miǎo)，長(cháng)則數十分(fēn)鍾，其不必要的輻射劑量是相當可(kě)觀的。而且軟輻射更容易被人體(tǐ)吸收，對人體(tǐ)傷害更大。
在現實應用(yòng)中(zhōng)病人實際受到的輻射量與射線(xiàn)發生裝(zhuāng)置的總濾過、射線(xiàn)源與人體(tǐ)之間的距離、輻照面積都有(yǒu)很(hěn)大關系，以上内容假定在其它條件一緻的情況下僅就與輻射劑量成正比的加載因素mAs進行讨論。另外在上升沿和下降沿的輻射過程中(zhōng)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(tǐ)對軟射線(xiàn)的吸收率會增加。
以下是脈沖高壓射線(xiàn)劑量測量波形：
以下是栅控脈沖射線(xiàn)劑量測量波形：
波形中(zhōng)，紅色為(wèi)IBA MagicMax劑量儀測量得到的KV波形，綠色為(wèi)劑量率波形。容易發現，脈沖高壓的劑量率波形中(zhōng)，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(fēn)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。
栅控高壓的劑量率波形中(zhōng)，起始段和結束段是瞬間完成的，因為(wèi)高壓保持不變，僅僅是電(diàn)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(zhōng)持續穩定存在，避免了脈沖高壓存在的頻繁啓動，PID高壓頻繁劇烈調整，所以高壓更穩定，波動更小(xiǎo)，射線(xiàn)質(zhì)量更好。由于沒有(yǒu)了上升沿和下降沿的時間延遲，栅控射線(xiàn)的頻率可(kě)以做到很(hěn)高，在實驗室射線(xiàn)的脈沖頻率已經可(kě)以做到1kHz以上。
3D影像在臨床上的應用(yòng)越來越多(duō)，栅控技(jì )術完全消除了脈沖射線(xiàn)的邊沿軟輻射，因而可(kě)以獲得更好的圖像重建效果，衆所周知軟射線(xiàn)的存在是CT重建過程中(zhōng)産(chǎn)生僞影（如金屬僞影）的根本原因。
雙能(néng)技(jì )術是進一步減小(xiǎo)重建僞影的重要手段，栅控技(jì )術可(kě)以方便地實現更高頻率的interlace雙能(néng)，以下是120/80kv 5ms脈寬的雙能(néng)劑量波形。
嵌入式栅控脈沖技(jì )術可(kě)以應用(yòng)于組合機頭、普通脈沖射線(xiàn)發生器，可(kě)以用(yòng)于開發下一代移動C、CBCT、DRF、動态DR、DSA等，更多(duō)産(chǎn)品信息 www.ailigrid.com。
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