診斷X射線曝光時間非介入式測量研究

楊建　李鵬

摘要：曝光時間是診斷X射線的重要參數之一，根據半導體探測器體積小、靈敏度高及響應快等特點，研制一種用于非介入式測量曝光時間等參數的測量儀，建立診斷x射線曝光時間測量模型，并給出曝光時間非介入式測量的電路構成和軟件流程。實驗表明：研制的診斷x射線多參數測量儀適用于曝光時間的非介入式測量和校準。

關鍵詞：診斷x射線；曝光時間；非介入；半導體探測器

文獻標志碼：A 文章編號：1674-5124（2015）01-0021-03

0引言

曝光時間，也稱照射時間，指按規定方法測出的x射線機的照射持續時間，通常是輻射劑量率超過某一規定水平的時間。曝光時間是X射線機的基本參數之一。曝光時間的準確度，不只關系到攝影效果的好壞與x射線管的使用壽命，還關系到診斷病人的輻射安全問題，大毫安、短時間攝影時更是如此。不同類別的X射線機，其曝光控制系統的結構差異極大，無論是新裝X射線機，還是經過維修的x射線機，都應根據其類別和性能，對曝光時間進行必要的檢測和調整。常用的介入測量方法有電子秒表計法、毫安秒表法等，將限時器接點串入測量回路，即可直接或間接讀出曝光時間；但是，將測量儀表接入被測量x射線機的介入式操作系統比較復雜。當今是數字化的時代，X射線機行業發展的趨勢是控制數字化以及圖像數字化，這將推動X射線機進入一個無膠片時代。面對X射線機快速發展的機型，介入式測量方法無法快捷準確地測量其曝光時間。相對介入式測量法、非介入式測量法則是通過對X射線機發射的X射線輻射進行分析，從而得出測量結果的一種方法，其優點無需接入被測X射線機，也不受X射線機類型的限制，測量方便快捷，結果準確可靠。

1X射線機曝光劑量率波形分析

在醫療器械的發展歷程中，醫用診斷x射線機可以視為一個發展階段的里程碑，特別是數字化醫用診斷X射線機的誕生，更為探索人體奧秘做出巨大貢獻。醫用診斷X射線機按照高壓波形可以分成工頻光機和高頻光機兩大類，而高頻射線機輸出的射線質量穩定，紋波系數低，得到的圖像穩定，散射線很少，是現代醫用診斷X射線機的首選。

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

2曝光時間的非介入測量原理

曝光時間的非介入測量原理如圖2所示，當x射線機開始曝光，高壓加載至x射線管，x射線管產生一定強度的x射線，x射線照射到x射線探測器上，探測器將射線信號轉化為電流信號，前置放大器將電流信號轉化為電壓信號分別送至模數轉換和閾值判斷電路，數據處理電路對模數轉換和閾值判斷電路的輸出信號進行處理，計算出診斷x射線的曝光時間。

廣泛應用于輻射測量的探測器一般有氣體電離探測器、閃爍探測器及半導體探測器3大類。其中，半導體探測器由于具有較快的探測響應、較高的靈敏度、不受磁場的影響、不需要高壓偏置以及較小的體積等優點，可以選擇將半導體探測器直接和電流靈敏前置放大器配合，應用于x射線非介入測量。半導體探測器在x射線輻射下所產生的電流約為10^-9～10^-6A，但是這樣微弱的電流信號很難采用電流放大器，通常需要把電流信號轉變成電壓信號，這樣就容易實現電流信號的動態檢測或微弱信號的放大。電流信號轉變成電壓信號主要有跨阻法和電容積分法兩種方法。x射線曝光時間一般為10ms～10s，測量的實時性要求比較高；所以，前置放大器采用跨阻法，將探測器輸出的電流信號轉換為代表著x射線劑量率的電壓信號，并將其輸出至閾值判斷和模數轉換電路。閾值判斷電路用于判斷x射線強度是否達到開始測量的閾值，如果超過閾值，輸出射線開始信號至數據處理電路。模數轉換電路用于將x射線強度的模擬信號轉換為數字信號并提供給數據處理電路進行數據分析。數據處理電路通過閾值判斷和模數轉換電離輸出信號進行測量流程的控制，最終將測量結果輸出。

3曝光時間的非介入測量流程

如圖3所示，當曝光開始時，x射線管輸出x射線；當劑量率大于開始閾值時，閾值電路將信號輸出給數據處理電路，開始計時；數據處理電路對輸出的劑量率信號進行循環模數轉換，并判斷峰值及射線停止時間；當劑量率的采樣值低于峰值的75%，即認為x射線機停止了曝光，停止計時，進行數據處理，輸出曝光時間。

4實際應用

診斷x射線曝光時間非介入測量方法成功應用于研制的診斷x射線多參數測量儀中。診斷x射線多參數測量儀采用多通道半導體探測器，一次曝光，多個通道輻射信號數據采集，通過建立的數學計算模型即可計算出曝光時間、管電壓、劑量、劑量率及半值層等多個參數。通過與x射線曝光時間標準裝置比對，實測值與標準數據吻合，符合曝光時間校準規范JJF 1423——2013《醫用診斷x射線非介入曝光時間表校準規范》的要求。

x射線曝光時間標準裝置由高壓分壓器及時間間隔測量系統構成，時間間隔測量系統由高速數字數據采集單元和時間分析軟件構成，采樣率>1 MHz，時間間隔測量范圍為1ms～10s，時間間隔測量最大誤差<±0.05ms。首先，高壓分壓器串聯在高壓分壓器和x射線管之間，將高壓分壓器輸出電壓信號接至時間間隔測量系統，一次曝光結束，從時間間隔測量系統觀測到曝光過程中的電壓波形，并可以讀出標準曝光時間。被測儀器放置于x射線輻射場中，探測器的有效截面應置于主射線束中，與射線束垂直，開機預熱10min，選用常用的管電壓及電流，測試4個以上設定曝光時間，每個設定曝光時間測量3次。比對數據結果如表1所示。

通過與曝光時間標準裝置的比對數據分析，可以得出該儀器的曝光時間最大誤差為0.307ms，最大相對誤差為0.6%。

5結束語

曝光時間測量是診斷x射線檢測的重要參數之一。在分析x射線機輸出劑量率波形的基礎上，本文采用非介入式測量方式研制了診斷x射線多參量測量儀。該曝光時間非介入式測量方法具有測量便捷，結果準確、可靠等優點，可以在一般的診斷x射線機檢測中替代介入式曝光時間測量。