狹縫法測(cè)量診斷X光機(jī)焦點(diǎn)研究

李明豫， 田 璐，范 杰，林 滔， 譚克剛

（1.遵義市產(chǎn)品質(zhì)量檢驗(yàn)檢測(cè)院，貴州 遵義563000；2.四川省人民醫(yī)院，四川 成都 610072；3.中國(guó)測(cè)試技術(shù)研究院，四川 成都 610021）

0 引 言

焦點(diǎn)是影響X射線球管圖像質(zhì)量的重要參數(shù)，因此對(duì)于醫(yī)用診斷X光機(jī)的檢測(cè)，幾乎都涵蓋這項(xiàng)參數(shù)，如最初版本的JJG 744——2004《醫(yī)用診斷X射線輻射源》[1]，以及新發(fā)布實(shí)施的JJG 1067——2011《醫(yī)用診斷數(shù)字減影血管造影（DSA）系統(tǒng)X射線輻射源》[2]和JJG 1078——2012《醫(yī)用數(shù)字?jǐn)z影（CR、DR）系統(tǒng)X射線輻射源》[3]都在檢定項(xiàng)目中對(duì)有效焦點(diǎn)尺寸提出了計(jì)量性能要求。實(shí)際焦點(diǎn)是電子在高壓的作用下，在陽(yáng)極靶面形成的打靶區(qū)域，這個(gè)量在不破壞裝置的情況下是很難測(cè)到的，所以一般對(duì)于焦點(diǎn)的測(cè)量都采用測(cè)量其有效焦點(diǎn)尺寸的方法，即實(shí)際焦點(diǎn)在基準(zhǔn)平面上的垂直投影，這個(gè)值分為寬度和長(zhǎng)度，也就是檢測(cè)中常提到的焦點(diǎn)尺寸。

1 有效焦點(diǎn)尺寸測(cè)量方法

有效焦點(diǎn)的測(cè)量方法IEC 60336——2005Medical electrical equipment-X-ray tube assemblies for medical diagnosis-Characteristics of focal spots[4]中例舉了3種方法：針孔法、星卡法和狹縫法。IEC 60336——2005推薦使用狹縫法進(jìn)行醫(yī)用診斷X光機(jī)焦點(diǎn)的測(cè)量，JJG 744——2004推薦了星卡法和狹縫法測(cè)量焦點(diǎn)，而JJG 1067——2011和JJG 1078——2012都推薦狹縫法。

狹縫法，就是利用狹縫光闌成像的方法，把所需測(cè)量的焦點(diǎn)通過狹縫工具上一定規(guī)格的縫隙投影到相應(yīng)的平面上，然后采用特殊的方法取得投影信號(hào)信息而反推出焦點(diǎn)大小。通過狹縫法測(cè)量焦點(diǎn)的工具一般有狹縫相機(jī)法、實(shí)時(shí)焦點(diǎn)儀和焦點(diǎn)軟件分析法3種。這3種方法的基本原理一樣，只不過成像部分采用的探測(cè)技術(shù)或者處理技術(shù)不一樣。狹縫相機(jī)法是借助狹縫工具成像在膠片或者診斷光機(jī)探測(cè)器上，然后測(cè)量成像長(zhǎng)度[5-6]；實(shí)時(shí)焦點(diǎn)儀是借助狹縫工具成像在焦點(diǎn)儀上的CCD探測(cè)器上自動(dòng)實(shí)時(shí)得出數(shù)據(jù)；焦點(diǎn)軟件分析法是借助狹縫工具成像在膠片上，然后用高精度醫(yī)用掃描儀掃描到電腦（如果醫(yī)用診斷X光機(jī)得到的圖像文件分辨率高也可以直接采用），通過軟件分析。

2 實(shí)時(shí)焦點(diǎn)測(cè)量?jī)x（狹縫焦點(diǎn)儀）

實(shí)驗(yàn)采用的實(shí)時(shí)焦點(diǎn)測(cè)量?jī)x是中國(guó)測(cè)試技術(shù)研究輻射研究所針對(duì)醫(yī)用診斷X光機(jī)有效焦點(diǎn)尺寸測(cè)量而開發(fā)的一種焦點(diǎn)測(cè)量?jī)x器，采用狹縫成像的原理，通過計(jì)算機(jī)處理獲得的一維劑量分布，不需要繁瑣的膠片處理程序，從而得到等效焦點(diǎn)尺寸的測(cè)量工具。

該儀器有2個(gè)特點(diǎn)：1）成像工具直接采用狹縫相機(jī)，狹縫相機(jī)可以單獨(dú)使用，其指標(biāo)滿足IEC60336——2005要求；2）CCD探測(cè)面較同類產(chǎn)品寬，擺位位置有點(diǎn)差異亦能測(cè)量出有效焦點(diǎn)尺寸。

3 實(shí)時(shí)焦點(diǎn)測(cè)量?jī)x測(cè)量醫(yī)用診斷X光機(jī)焦點(diǎn)

醫(yī)用數(shù)字?jǐn)z影（CR、DR）系統(tǒng)，尤其是DR系統(tǒng)相對(duì)于傳統(tǒng)的醫(yī)用診斷X射線機(jī)具有無可比擬的優(yōu)勢(shì)，成為影像科室的必然發(fā)展趨勢(shì)，在醫(yī)院中得到廣泛的推廣和應(yīng)用，因此本文以TFM600實(shí)時(shí)焦點(diǎn)測(cè)量?jī)x測(cè)量DR光機(jī)的焦點(diǎn)（射線發(fā)生器為加拿大CPI，CMP200；球管為西門子SV150/22/54-S）為例詳細(xì)描述進(jìn)行有效焦點(diǎn)尺寸測(cè)量的方法和可能遇到的問題。

3.1 測(cè)量條件的選擇

JJG 1078——2012中有效焦點(diǎn)尺寸的測(cè)量條件只是給出了定性的描述性語言“選適當(dāng)放大倍數(shù)（E=n/m）、照射野、管電壓和mAs進(jìn)行曝光”，但是并沒有敘述什么情況是適當(dāng)?shù)臈l件。

1）IEC 60336——2005中對(duì)放大倍數(shù)的選擇描述如表1所示。實(shí)驗(yàn)中選擇焦點(diǎn)尺寸為0.6，則E取2.1。

2）由于焦點(diǎn)的增漲現(xiàn)象，管電流和管電壓對(duì)有效焦點(diǎn)尺寸有一定影響，在一定范圍內(nèi)，隨著管電流的增加，有效焦點(diǎn)尺寸會(huì)增加，隨著管電壓的增加，其值又會(huì)減小，因此一個(gè)合適的管電壓和管電流很重要。IEC 60336——2005中對(duì)用狹縫射線成像時(shí)X射線管的焦點(diǎn)條件描述如表2所示。

表1 放大倍數(shù)的選擇

表2 狹縫射線成像時(shí)X射線管的焦點(diǎn)條件

3）根據(jù)表2的要求和使用DR機(jī)的總體參數(shù)（電壓范圍50～150 kV，小焦點(diǎn)時(shí)候最大電流為450 mA左右），在測(cè)量中采用的75 kV，200 mA這個(gè)最接近要求的條件進(jìn)行曝光。

4）IEC 60336——2005中還對(duì)曝光時(shí)間（針對(duì)膠片）做了要求：膠片上最黑的區(qū)域擴(kuò)散密度應(yīng)該在1.0～1.4之間，模糊和本底區(qū)域不超過0.25。由于測(cè)量中不是使用的膠片，無法得出擴(kuò)散密度，可以按照最黑區(qū)域擴(kuò)散密度值與本底區(qū)域擴(kuò)散密度值比值，取最大信號(hào)/本底為4（≥4也行）。圖1為焦點(diǎn)儀測(cè)量到的焦點(diǎn)寬度隨著曝光時(shí)間的增大而發(fā)生的變化，基本上100ms以后趨于穩(wěn)定。發(fā)現(xiàn)得到的波形最高峰計(jì)數(shù)和本底計(jì)數(shù)之比，在200ms的時(shí)候是＞4的，滿足上述要求，故實(shí)驗(yàn)選擇曝光時(shí)間為200ms。

3.2 測(cè)量方法

圖1 測(cè)量結(jié)果隨著時(shí)間變化

1）把安裝好的TFM600實(shí)時(shí)焦點(diǎn)測(cè)量?jī)x放置于DR床上（平常檢測(cè)，一定要在做焦點(diǎn)儀測(cè)量之前先對(duì)DR機(jī)做射野與光野一致性檢測(cè),以確定射野與光野的符合程度,避免偏差過大造成測(cè)量誤差,甚至是測(cè)量困難），調(diào)節(jié)好放大倍率E=n/m=2.1（n為焦點(diǎn)儀放置狹縫相機(jī)位置到焦點(diǎn)儀CCD探測(cè)器平面距離，m為焦點(diǎn)到焦點(diǎn)儀放置狹縫相機(jī)位置距離，如圖2所示），連接好電腦與電源線。

圖2 比例和位置關(guān)系圖示

2）打開軟件，幾何條件設(shè)置跟實(shí)際條件一樣，曝光時(shí)間設(shè)置與實(shí)際曝光時(shí)間一致。

3）把DR機(jī)光野開至能覆蓋焦點(diǎn)儀整個(gè)圓形探測(cè)平面，調(diào)整焦點(diǎn)儀底座3個(gè)水平調(diào)節(jié)旋鈕，使得光野十字中心與焦點(diǎn)儀探測(cè)平面上面十字線對(duì)準(zhǔn)。

4）把狹縫相機(jī)置于焦點(diǎn)儀相應(yīng)位置，并保證狹縫相機(jī)的縫隙與焦點(diǎn)儀探測(cè)平面CCD垂直（CCD方向?yàn)辄S色區(qū)域長(zhǎng)方向，如圖3所示）；縮小光野，使之略大于狹縫相機(jī)孔，并保證光野十字中心與狹縫相機(jī)中心對(duì)齊。

5）觀察狹縫相機(jī)縫隙與DR球管長(zhǎng)軸關(guān)系（垂直或者平行，垂直的時(shí)候測(cè)量的是長(zhǎng)，平行的時(shí)候測(cè)量的是寬），得到可靠的數(shù)據(jù)以后旋轉(zhuǎn)90°后在相同條件下測(cè)量一次。

3.3 操作中注意事項(xiàng)和結(jié)果的判斷

1）床保持水平，否則旋轉(zhuǎn)90°后必須按照“3.2測(cè)量方法”1）～3）步驟重新擺位并測(cè)量。因?yàn)榇膊凰叫D(zhuǎn)90°后導(dǎo)致另外一個(gè)方向射野中心與圓形探測(cè)平面中心不能對(duì)齊，從而使得這個(gè)方向測(cè)量結(jié)果偏大甚至是無法測(cè)得數(shù)據(jù)。

2）如果射野與光野不一致，盡量估計(jì)射野中心位置，并使射野中心保持其與整個(gè)圓形探測(cè)平面中心對(duì)齊，否則測(cè)量結(jié)果偏大或無法測(cè)的數(shù)據(jù)。如圖3比例關(guān)系可以看出射野與光野不一致容易使得測(cè)量結(jié)果偏大甚至是無法測(cè)得數(shù)據(jù)。

圖3 對(duì)齊方式圖示

3）焦點(diǎn)儀測(cè)量結(jié)果有數(shù)字結(jié)果和曲線顯示，根據(jù)測(cè)量曲線形狀、測(cè)量焦點(diǎn)的大小和長(zhǎng)或?qū)挘c圖4或圖5中LSF曲線圖（LSF是指線擴(kuò)展函數(shù)）進(jìn)行比較。可以看出＜0.3mm的焦點(diǎn)其長(zhǎng)度和寬度幾乎完全重合，≥0.3 mm的焦點(diǎn)長(zhǎng)和寬差異較大。可大致判斷測(cè)量條件的優(yōu)劣和結(jié)果的可靠性，換句話說曲線形狀應(yīng)該大致與圖4或圖5中得到的相似，如圖6所示。

圖4 典型球管小焦點(diǎn)（＜0.3mm）線擴(kuò)展函數(shù)

圖5 典型球管大焦點(diǎn)（≥0.3mm）線擴(kuò)展函數(shù)

圖6 測(cè)量得到的曲線形狀（寬和長(zhǎng)）

4）對(duì)于球管焦點(diǎn)位置不容易判定的光機(jī)，采用焦點(diǎn)儀軟件上“焦點(diǎn)在焦平面上實(shí)際大小計(jì)算”功能將兩次測(cè)量結(jié)果進(jìn)行計(jì)算，可得實(shí)際焦點(diǎn)在焦平面上的大小，減少焦點(diǎn)標(biāo)志誤差的影響。

5）根據(jù)表3進(jìn)行結(jié)果判斷，如果焦點(diǎn)長(zhǎng)和寬都滿足條件則焦點(diǎn)滿足要求。

4 與其他方法的比較

1）實(shí)時(shí)焦點(diǎn)測(cè)量?jī)x測(cè)量焦點(diǎn)更高效。在整個(gè)焦點(diǎn)測(cè)量過程中，從機(jī)器對(duì)位到得到焦點(diǎn)長(zhǎng)和寬，總共耗時(shí)6min左右；而用狹縫相機(jī)法進(jìn)行測(cè)量，涉及到膠片的處理等過程，耗時(shí)20min左右，如果采用焦點(diǎn)軟件分析法，則還需要膠片掃描和軟件處理過程，耗時(shí)更長(zhǎng)。

表3 標(biāo)稱焦點(diǎn)值：焦點(diǎn)尺寸最大允許值

2）實(shí)時(shí)焦點(diǎn)測(cè)量?jī)x測(cè)量焦點(diǎn)更便捷、準(zhǔn)確。測(cè)量中能夠直接得到形成焦點(diǎn)的曲線形狀，并通過電腦軟件直接判斷曲線最大值15%之間的區(qū)域（IEC 60336——2005中定義最大值15%之間的區(qū)域?yàn)榻裹c(diǎn)測(cè)量有效寬度），得到焦點(diǎn)尺寸，本次測(cè)量過程中進(jìn)行了10次測(cè)量，平均值0.792mm（寬）和1.182mm（長(zhǎng)），重復(fù)性1.073%和1.535%；而采用狹縫相機(jī)法則需要對(duì)洗出的膠片進(jìn)行人工測(cè)量（用黑白密度計(jì)確定測(cè)量區(qū)域，用尺子進(jìn)行測(cè)量），一是耗時(shí)耗力，二是對(duì)于膠片上最大信號(hào)值15%之間的區(qū)域判斷存在極大的誤差，遠(yuǎn)大于實(shí)時(shí)焦點(diǎn)測(cè)量?jī)x測(cè)量誤差（這些值還受不同檢測(cè)人員判斷的影響而有所不同）；焦點(diǎn)軟件分析法由于耗時(shí)長(zhǎng)和操作過程繁瑣，雖然比實(shí)時(shí)焦點(diǎn)測(cè)量?jī)x測(cè)量更精確 （如果是DR機(jī)，則還跟DR機(jī)本身圖像分辨率有關(guān)系，直接影響其測(cè)量）一般在日常檢測(cè)焦點(diǎn)過程中不會(huì)采用，而僅用于對(duì)實(shí)時(shí)焦點(diǎn)測(cè)量?jī)x的校準(zhǔn)。

綜上所述實(shí)時(shí)焦點(diǎn)測(cè)量?jī)x是一種精確、高效、便捷的醫(yī)用診斷X光機(jī)焦點(diǎn)測(cè)量工具。

5 結(jié)束語

焦點(diǎn)大小對(duì)于醫(yī)用診斷X光機(jī)具有重要的意義，它是影響成像性能的重要因素之一。焦點(diǎn)大小的準(zhǔn)確測(cè)量有利于對(duì)光機(jī)性能，比如分辨率等做出一個(gè)定性的分析，而實(shí)時(shí)焦點(diǎn)測(cè)量?jī)x采用國(guó)際上推薦的成像原理，能夠較為精準(zhǔn)的測(cè)量到醫(yī)用診斷X光機(jī)的焦點(diǎn)尺寸，不失為一種方便、快捷的測(cè)量手段。

[1] JJG 744—2004醫(yī)用診斷X射線輻射源[S].北京：中國(guó)計(jì)量出版社，2004.

[2] JJG 1067—2011醫(yī)用診斷數(shù)字減影血管造影（DSA）系統(tǒng)X射線輻射源[S].北京：中國(guó)質(zhì)檢出版社，2011.

[3] JJG 1078—2012醫(yī)用數(shù)字?jǐn)z影（CR、DR）系統(tǒng) X射線輻射源[S].北京：中國(guó)質(zhì)檢出版社，2012.

[4] IEC 60336—2005 Medical electrical equipment-X-ray tube assemblies for medical diagnosis-Characteristics of focal spots[S].2005.

[5] 王俊濤，鄭世才，鮑凱，等.X射線機(jī)焦點(diǎn)尺寸測(cè)量方法的標(biāo)準(zhǔn)分析[J].無損檢測(cè)，2010（10）：801-806.

[6] 韓放達(dá)，肖永順，常銘，等.X射線焦點(diǎn)尺寸測(cè)量方法和標(biāo)準(zhǔn)綜述 [C]∥2014年全國(guó)射線數(shù)字成像與CT新技術(shù)研討會(huì)論文集.北京：清華大學(xué)出版社，2014.