醫(yī)用診斷X光機關鍵物理量的非介入式測量技術(shù)研究

符興孔

(海南醫(yī)學院第二附屬醫(yī)院，海南 ?？?570311)

1895年末，德國物理學家倫琴(W.C.Roentgen)在工作時發(fā)現(xiàn)了X射線，并在其他試驗中發(fā)現(xiàn)該射線能夠穿過大多數(shù)物質(zhì)，在照射固體物質(zhì)時形成的陰影可投射在膠片上。他還發(fā)現(xiàn)，用X射線對人體骨骼、金屬等進行照射時均可在膠片上呈現(xiàn)。1896年初，X射線被應用于骨折的治療，此后X射線技術(shù)被廣泛應用于醫(yī)學等多個領域，對醫(yī)學的發(fā)展起到極大的推動作用。隨著醫(yī)療衛(wèi)生事業(yè)的發(fā)展和診斷技術(shù)的進步，越來越多的患者需要接受醫(yī)療照射，但X射線劑量的大小又關乎到醫(yī)護人員及病人的安全，因此對醫(yī)用X光機進行嚴格的質(zhì)量控制十分必要。

20世紀末，世界衛(wèi)生組織針對放射診斷設備的質(zhì)量作出了說明，要求X射線診斷設備必須具備控制診斷圖像質(zhì)量的措施。峰值管電壓kVp(kVp表示千伏電壓峰值，p表示峰值)、管電流(單位mA)及曝光時間(單位s)是X光機質(zhì)量保證中重要的參數(shù)[1]，必須在確保各參數(shù)設置為最佳的情況下開展各種照射檢查。

X光機的峰值管電壓控制著電子撞向靶區(qū)的速度[2]，kVp越高，電子對靶區(qū)或陽極的影響越大，滲透率也越大，故kVp直接控制著X射線的質(zhì)量。管電流作為另一項重要參數(shù)，它控制從陰極流向陽極的電子數(shù)量的多少，即控制球管產(chǎn)生X射線的數(shù)量(個數(shù))[3]。曝光時間是X光機的另一個重要指標，在其他條件不變的情況下，改變曝光時間會增加或減少X射線量，如果不能精確控制它，將會造成醫(yī)護人員及病人接受到不必要的過量X射線，損害其身體健康。

峰值管電壓、管電流和曝光時間這幾項關鍵參數(shù)直接影響著圖像成像質(zhì)量和輻射劑量的大小[4]，為了進一步保證X光機診斷設備達到質(zhì)量控制要求，簡化檢定過程，本文采用非介入式方法測量X光機的關鍵物理量。

1 X光機管電壓的測量

1.1 測量方法

測量電壓有多種方法，最常用的是介入式法和非介入式法[5]。傳統(tǒng)的介入式測量方法是分壓器法，通過串聯(lián)電阻分壓的方式在電路中接入一個電壓表，通過變壓器的匝數(shù)比測量管電壓值，但此方法受操作不便以及電器安全等因素影響，不宜在常規(guī)質(zhì)量控制中應用。

隨著傳感器和數(shù)字測量技術(shù)的提高，非介入測量已成為主要的測量手段，其優(yōu)點是能夠?qū)崿F(xiàn)快速測量，并且方便、安全，結(jié)果準確。該方法主要有膠片法、管電壓測試儀和能譜法[6-7]，其中管電壓測試儀是目前最流行、最常用的方法，在本文中也采用此法進行測量。

1.2 測量原理

相同的X射線在穿過不同的衰減器后X射線的剩余強度不同，而管電壓與X射線的剩余強度比相關，故可以根據(jù)X射線的剩余強度得到管電壓值[8-9]。

X射線以標準方式產(chǎn)生：通過高壓加速電子并使其與金屬靶碰撞。X射線在傳輸過程中遵循以下衰減規(guī)律[5-7]：

I=I0e-μ(E,m)d

(1)

式中：I0為X射線初始強度；I為X射線衰減后的強度；μ(E，m)為衰減系數(shù)，m為衰減物質(zhì)的質(zhì)量，E為X射線能量；d為物質(zhì)厚度。

研究發(fā)現(xiàn)，X射線的輻射能量與電壓存在一定的函數(shù)關系，故可用電壓V來表示X射線的能量E，則μ(E，m)可以改為μ(V，m)。當X射線穿過厚度分別為d1,d2的同一種材料時，X射線衰減后的強度分別為I1,I2，則：

I1=I0e-μ(V,m)d1

(2)

I2=I0e-μ(V,m)d2

(3)

聯(lián)立式(2)、(3)，可以求出物質(zhì)衰減系數(shù)：

(4)

由函數(shù)求逆運算可得到電壓：

(5)

由式(5)可以看出，當材料厚度d1,d2恒定不變，且衰減物質(zhì)為均質(zhì)材料時，管電壓就和I1/I2的值相關。因此，通過測量、校準射線強度I1/I2的值就可得到對應的管電壓值。

1.3 測量裝置

圖1所示為非介入式X光機管電壓測量裝置原理圖，裝置由X射線管、信號處理電路、A/D轉(zhuǎn)換器、單片機系統(tǒng)、計算機等構(gòu)成[10]。

圖1 非介入式X光機管電壓測量裝置原理圖

X射線管是利用高速電子撞擊金屬靶表面產(chǎn)生X射線的電子器件[11]。撞擊產(chǎn)生的X射線波長越短，則表明X射線的能量越大，其穿透力也越強。X射線經(jīng)過厚度不同的濾片衰減后，照射到二極管上產(chǎn)生電流信號，經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)換和計算機處理后得到管電壓。

1.4 試驗結(jié)果分析

1)管電壓測試重復性試驗。

X光機的管電流和曝光時間分別設置為100 mA和100 ms，電壓設置為80 kV，通過管電壓測試儀記下測量的電壓讀數(shù)。在給定參數(shù)固定的情況下，X光機的電壓輸出值應該穩(wěn)定，偏差小于2%，偏差系數(shù)=標準偏差/平均值×100%。具體測試值見表1。

表1 管電壓重復性測試數(shù)值

由表1可知，在管電流為100 mA和曝光時間為100 ms時，測得的管電壓與設定值相差1.1%，在2%的范圍內(nèi)，符合規(guī)范標準的要求。

2)管電壓的非介入測量試驗。

X光機的管電流設置為80 mA ，曝光時間為100 ms，設置11檔(每增10 kV為一檔)X光機管電壓進行測量，從50 kV到150 kV，每增10 kV進行一次測量，每檔曝光3次，分別記錄軟件分壓實測值、非介入實測值和電壓差等指標。具體見表2。

如果管電壓誤差百分比介于-5%～5%，則X光機電壓值符合檢定標準。

kVp誤差=(V0-Vs)/Vs×100%

(6)

式中：V0為測量值；Vs為設定值。

表2 管電壓標準值與非介入式測量值

由表2可知，在管電流為80 mA和曝光時間為100 ms時，管電壓的最大相對誤差為3.13%，在5%的范圍內(nèi)，符合管電壓測量標準的要求。

3)不同時間電流積管電壓測量試驗。

時間電流積是曝光時間與管電流的乘積，單位為毫安秒(mAs)。時間電流積控制陰極產(chǎn)生的電子數(shù)量，進而控制陽極產(chǎn)生的X射線數(shù)量。將電壓設為80 kV，管電流為100 mA，測量并記錄不同時間電流積時的電壓讀數(shù)，具體見表3。

表3 不同時間電流積時的電壓測量值

由表3可知，在電壓為80 kV和管電流為100 mA時，測得的管電壓與設定值相差0.6%，符合管電壓測量標準的要求。

2 X光機曝光時間測量

2.1 曝光時間測量原理

曝光時間通常分為空載曝光時間和負載曝光時間，本文測試的為負載曝光時間，是指高壓電路中X射線管電壓上升至其峰值的65%～85%及由峰值下降至上述范圍的時間[12]。當X光機進行曝光時，X射線探測器將穿過不同厚度濾片的X射線強度轉(zhuǎn)換為電流信號，電流信號經(jīng)放大后轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，由單片機進行相關運算。

2.2 試驗結(jié)果分析

X光機管電壓和管電流分別設置為80 kV和200 mA，首先將曝光時間設置為10 ms，記下實測的曝光時間；然后分別設置曝光時間為20 ms、40 ms、80 ms、100 ms、160 ms和200 ms，并分別記錄其實測時間；最后求得曝光時間精度。具體見表4。

表4 曝光時間設定值與非介入式測量值

由表4可知，在電壓為80 kV和管電流為200 mA、X光機設定的曝光時間為10～80 ms時，實測的曝光時間與設定的曝光時間的誤差為10%左右；X光機設定的曝光時間大于80 ms后，實測的曝光時間與設定的曝光時間的誤差在3%以內(nèi)，符合曝光時間測量標準的要求。

3 X光機管電流的測量

X光機管電流的測量方法也分介入式測量與非介入式測量兩種。本文選用非介入式管電流測量方法，其原理為通過高速ADC(模數(shù)轉(zhuǎn)換器)裝置對電流互感應信號進行采樣操作，然后對得到的波形數(shù)據(jù)進行計算分析，其裝置原理圖如圖2所示。

圖2 X射線非介入式管電流測量裝置原理圖

電流互感應信號首先經(jīng)過I-U轉(zhuǎn)換，然后由信號采集電路對數(shù)據(jù)進行收集并發(fā)送至PC(personal computer)進行處理。為了更好地對管電流測試系統(tǒng)進行刻度與測試，本文設計了一套電流源測試裝置，如圖3所示。

圖3 電流源測試裝置示意圖

將X光機的管電壓和曝光時間分別設置為80 kV和100 ms，測量X光機管電流，結(jié)果見表5。

表5 標準電流設定值與非介入式測量值

由表5可知，電壓為80 kV和曝光時間為100 ms時，X光機管電流測量結(jié)果的最大誤差為2.43%，符合管電流測量標準的要求。

4 結(jié)束語

醫(yī)用X光機發(fā)出的射線是公眾受到電離輻射最大的人為輻射源，對X光機進行質(zhì)量控制是確保臨床診斷效果并減少X射線劑量的關鍵因素。本文運用非介入式測量方式對X光機中的關鍵物理量管電壓、管電流、曝光時間進行測量研究，結(jié)果顯示均能達到X光機的質(zhì)量控制標準。經(jīng)過初步試驗驗證，采用非介入式測量方式測量X光機關鍵物理量符合醫(yī)用診斷X射線計量學儀器行業(yè)標準。