診斷X射線曝光時(shí)間非介入式測(cè)量研究

楊建　李鵬

摘要：曝光時(shí)間是診斷X射線的重要參數(shù)之一，根據(jù)半導(dǎo)體探測(cè)器體積小、靈敏度高及響應(yīng)快等特點(diǎn)，研制一種用于非介入式測(cè)量曝光時(shí)間等參數(shù)的測(cè)量?jī)x，建立診斷x射線曝光時(shí)間測(cè)量模型，并給出曝光時(shí)間非介入式測(cè)量的電路構(gòu)成和軟件流程。實(shí)驗(yàn)表明：研制的診斷x射線多參數(shù)測(cè)量?jī)x適用于曝光時(shí)間的非介入式測(cè)量和校準(zhǔn)。

關(guān)鍵詞：診斷x射線；曝光時(shí)間；非介入；半導(dǎo)體探測(cè)器

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：1674-5124（2015）01-0021-03

0引言

曝光時(shí)間，也稱照射時(shí)間，指按規(guī)定方法測(cè)出的x射線機(jī)的照射持續(xù)時(shí)間，通常是輻射劑量率超過(guò)某一規(guī)定水平的時(shí)間。曝光時(shí)間是X射線機(jī)的基本參數(shù)之一。曝光時(shí)間的準(zhǔn)確度，不只關(guān)系到攝影效果的好壞與x射線管的使用壽命，還關(guān)系到診斷病人的輻射安全問(wèn)題，大毫安、短時(shí)間攝影時(shí)更是如此。不同類別的X射線機(jī)，其曝光控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)差異極大，無(wú)論是新裝X射線機(jī)，還是經(jīng)過(guò)維修的x射線機(jī)，都應(yīng)根據(jù)其類別和性能，對(duì)曝光時(shí)間進(jìn)行必要的檢測(cè)和調(diào)整。常用的介入測(cè)量方法有電子秒表計(jì)法、毫安秒表法等，將限時(shí)器接點(diǎn)串入測(cè)量回路，即可直接或間接讀出曝光時(shí)間；但是，將測(cè)量?jī)x表接入被測(cè)量x射線機(jī)的介入式操作系統(tǒng)比較復(fù)雜。當(dāng)今是數(shù)字化的時(shí)代，X射線機(jī)行業(yè)發(fā)展的趨勢(shì)是控制數(shù)字化以及圖像數(shù)字化，這將推動(dòng)X射線機(jī)進(jìn)入一個(gè)無(wú)膠片時(shí)代。面對(duì)X射線機(jī)快速發(fā)展的機(jī)型，介入式測(cè)量方法無(wú)法快捷準(zhǔn)確地測(cè)量其曝光時(shí)間。相對(duì)介入式測(cè)量法、非介入式測(cè)量法則是通過(guò)對(duì)X射線機(jī)發(fā)射的X射線輻射進(jìn)行分析，從而得出測(cè)量結(jié)果的一種方法，其優(yōu)點(diǎn)無(wú)需接入被測(cè)X射線機(jī)，也不受X射線機(jī)類型的限制，測(cè)量方便快捷，結(jié)果準(zhǔn)確可靠。

1X射線機(jī)曝光劑量率波形分析

在醫(yī)療器械的發(fā)展歷程中，醫(yī)用診斷x射線機(jī)可以視為一個(gè)發(fā)展階段的里程碑，特別是數(shù)字化醫(yī)用診斷X射線機(jī)的誕生，更為探索人體奧秘做出巨大貢獻(xiàn)。醫(yī)用診斷X射線機(jī)按照高壓波形可以分成工頻光機(jī)和高頻光機(jī)兩大類，而高頻射線機(jī)輸出的射線質(zhì)量穩(wěn)定，紋波系數(shù)低，得到的圖像穩(wěn)定，散射線很少，是現(xiàn)代醫(yī)用診斷X射線機(jī)的首選。

圖1為一般高頻光機(jī)的輸出劑量率波形圖。可以看出，當(dāng)高壓加載到X射線管上時(shí)，由于X射線管存在寄生電容和串聯(lián)電阻，以及高壓電路有一定的上升時(shí)間，X射線管輸出的X射線有一陡峭的坡度，并形成了特定的過(guò)沖，從開(kāi)始閾值至峰值的時(shí)間并不是固定不變的，它隨著光機(jī)的性能、管電壓、管電流的不同而變化的，在過(guò)沖區(qū)后X射線管輸出穩(wěn)定的X射線，直至停止X射線機(jī)的曝光，劑量率開(kāi)始下降。從劑量率超過(guò)開(kāi)始閾值時(shí)計(jì)時(shí)，直至劑量率降至峰值的75%停止計(jì)時(shí)，這段時(shí)間即高頻X射線機(jī)的曝光時(shí)間。

2曝光時(shí)間的非介入測(cè)量原理

曝光時(shí)間的非介入測(cè)量原理如圖2所示，當(dāng)x射線機(jī)開(kāi)始曝光，高壓加載至x射線管，x射線管產(chǎn)生一定強(qiáng)度的x射線，x射線照射到x射線探測(cè)器上，探測(cè)器將射線信號(hào)轉(zhuǎn)化為電流信號(hào)，前置放大器將電流信號(hào)轉(zhuǎn)化為電壓信號(hào)分別送至模數(shù)轉(zhuǎn)換和閾值判斷電路，數(shù)據(jù)處理電路對(duì)模數(shù)轉(zhuǎn)換和閾值判斷電路的輸出信號(hào)進(jìn)行處理，計(jì)算出診斷x射線的曝光時(shí)間。

廣泛應(yīng)用于輻射測(cè)量的探測(cè)器一般有氣體電離探測(cè)器、閃爍探測(cè)器及半導(dǎo)體探測(cè)器3大類。其中，半導(dǎo)體探測(cè)器由于具有較快的探測(cè)響應(yīng)、較高的靈敏度、不受磁場(chǎng)的影響、不需要高壓偏置以及較小的體積等優(yōu)點(diǎn)，可以選擇將半導(dǎo)體探測(cè)器直接和電流靈敏前置放大器配合，應(yīng)用于x射線非介入測(cè)量。半導(dǎo)體探測(cè)器在x射線輻射下所產(chǎn)生的電流約為10^-9～10^-6A，但是這樣微弱的電流信號(hào)很難采用電流放大器，通常需要把電流信號(hào)轉(zhuǎn)變成電壓信號(hào)，這樣就容易實(shí)現(xiàn)電流信號(hào)的動(dòng)態(tài)檢測(cè)或微弱信號(hào)的放大。電流信號(hào)轉(zhuǎn)變成電壓信號(hào)主要有跨阻法和電容積分法兩種方法。x射線曝光時(shí)間一般為10ms～10s，測(cè)量的實(shí)時(shí)性要求比較高；所以，前置放大器采用跨阻法，將探測(cè)器輸出的電流信號(hào)轉(zhuǎn)換為代表著x射線劑量率的電壓信號(hào)，并將其輸出至閾值判斷和模數(shù)轉(zhuǎn)換電路。閾值判斷電路用于判斷x射線強(qiáng)度是否達(dá)到開(kāi)始測(cè)量的閾值，如果超過(guò)閾值，輸出射線開(kāi)始信號(hào)至數(shù)據(jù)處理電路。模數(shù)轉(zhuǎn)換電路用于將x射線強(qiáng)度的模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)并提供給數(shù)據(jù)處理電路進(jìn)行數(shù)據(jù)分析。數(shù)據(jù)處理電路通過(guò)閾值判斷和模數(shù)轉(zhuǎn)換電離輸出信號(hào)進(jìn)行測(cè)量流程的控制，最終將測(cè)量結(jié)果輸出。

3曝光時(shí)間的非介入測(cè)量流程

如圖3所示，當(dāng)曝光開(kāi)始時(shí)，x射線管輸出x射線；當(dāng)劑量率大于開(kāi)始閾值時(shí)，閾值電路將信號(hào)輸出給數(shù)據(jù)處理電路，開(kāi)始計(jì)時(shí)；數(shù)據(jù)處理電路對(duì)輸出的劑量率信號(hào)進(jìn)行循環(huán)模數(shù)轉(zhuǎn)換，并判斷峰值及射線停止時(shí)間；當(dāng)劑量率的采樣值低于峰值的75%，即認(rèn)為x射線機(jī)停止了曝光，停止計(jì)時(shí)，進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，輸出曝光時(shí)間。

4實(shí)際應(yīng)用

診斷x射線曝光時(shí)間非介入測(cè)量方法成功應(yīng)用于研制的診斷x射線多參數(shù)測(cè)量?jī)x中。診斷x射線多參數(shù)測(cè)量?jī)x采用多通道半導(dǎo)體探測(cè)器，一次曝光，多個(gè)通道輻射信號(hào)數(shù)據(jù)采集，通過(guò)建立的數(shù)學(xué)計(jì)算模型即可計(jì)算出曝光時(shí)間、管電壓、劑量、劑量率及半值層等多個(gè)參數(shù)。通過(guò)與x射線曝光時(shí)間標(biāo)準(zhǔn)裝置比對(duì)，實(shí)測(cè)值與標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)吻合，符合曝光時(shí)間校準(zhǔn)規(guī)范JJF 1423——2013《醫(yī)用診斷x射線非介入曝光時(shí)間表校準(zhǔn)規(guī)范》的要求。

x射線曝光時(shí)間標(biāo)準(zhǔn)裝置由高壓分壓器及時(shí)間間隔測(cè)量系統(tǒng)構(gòu)成，時(shí)間間隔測(cè)量系統(tǒng)由高速數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)采集單元和時(shí)間分析軟件構(gòu)成，采樣率>1 MHz，時(shí)間間隔測(cè)量范圍為1ms～10s，時(shí)間間隔測(cè)量最大誤差<±0.05ms。首先，高壓分壓器串聯(lián)在高壓分壓器和x射線管之間，將高壓分壓器輸出電壓信號(hào)接至?xí)r間間隔測(cè)量系統(tǒng)，一次曝光結(jié)束，從時(shí)間間隔測(cè)量系統(tǒng)觀測(cè)到曝光過(guò)程中的電壓波形，并可以讀出標(biāo)準(zhǔn)曝光時(shí)間。被測(cè)儀器放置于x射線輻射場(chǎng)中，探測(cè)器的有效截面應(yīng)置于主射線束中，與射線束垂直，開(kāi)機(jī)預(yù)熱10min，選用常用的管電壓及電流，測(cè)試4個(gè)以上設(shè)定曝光時(shí)間，每個(gè)設(shè)定曝光時(shí)間測(cè)量3次。比對(duì)數(shù)據(jù)結(jié)果如表1所示。

通過(guò)與曝光時(shí)間標(biāo)準(zhǔn)裝置的比對(duì)數(shù)據(jù)分析，可以得出該儀器的曝光時(shí)間最大誤差為0.307ms，最大相對(duì)誤差為0.6%。

5結(jié)束語(yǔ)

曝光時(shí)間測(cè)量是診斷x射線檢測(cè)的重要參數(shù)之一。在分析x射線機(jī)輸出劑量率波形的基礎(chǔ)上，本文采用非介入式測(cè)量方式研制了診斷x射線多參量測(cè)量?jī)x。該曝光時(shí)間非介入式測(cè)量方法具有測(cè)量便捷，結(jié)果準(zhǔn)確、可靠等優(yōu)點(diǎn)，可以在一般的診斷x射線機(jī)檢測(cè)中替代介入式曝光時(shí)間測(cè)量。