醫用診斷X光機關鍵物理量的非介入式測量技術研究

符興孔

(海南醫學院第二附屬醫院，海南 海口 570311)

1895年末，德國物理學家倫琴(W.C.Roentgen)在工作時發現了X射線，并在其他試驗中發現該射線能夠穿過大多數物質，在照射固體物質時形成的陰影可投射在膠片上。他還發現，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。1896年初，X射線被應用于骨折的治療，此后X射線技術被廣泛應用于醫學等多個領域，對醫學的發展起到極大的推動作用。隨著醫療衛生事業的發展和診斷技術的進步，越來越多的患者需要接受醫療照射，但X射線劑量的大小又關乎到醫護人員及病人的安全，因此對醫用X光機進行嚴格的質量控制十分必要。

20世紀末，世界衛生組織針對放射診斷設備的質量作出了說明，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光機質量保證中重要的參數[1]，必須在確保各參數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的速度[2]，kVp越高，電子對靶區或陽極的影響越大，滲透率也越大，故kVp直接控制著X射線的質量。管電流作為另一項重要參數，它控制從陰極流向陽極的電子數量的多少，即控制球管產生X射線的數量(個數)[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直接影響著圖像成像質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]。傳統的介入式測量方法是分壓器法，通過串聯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，不宜在常規質量控制中應用。

隨著傳感器和數字測量技術的提高，非介入測量已成為主要的測量手段，其優點是能夠實現快速測量，并且方便、安全，結果準確。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，m為衰減物質的質量，E為X射線能量；d為物質厚度。

研究發現，X射線的輻射能量與電壓存在一定的函數關系，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)

聯立式(2)、(3)，可以求出物質衰減系數：

(4)

由函數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，且衰減物質為均質材料時，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轉換器、單片機系統、計算機等構成[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生X射線的電子器件[11]。撞擊產生的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射線經過厚度不同的濾片衰減后，照射到二極管上產生電流信號，經過A/D轉換和計算機處理后得到管電壓。

1.4 試驗結果分析

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。在給定參數固定的情況下，X光機的電壓輸出值應該穩定，偏差小于2%，偏差系數=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，符合規范標準的要求。

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，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生的電子數量，進而控制陽極產生的X射線數量。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，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射線強度轉換為電流信號，電流信號經放大后轉換為數字信號，由單片機進行相關運算。

2.2 試驗結果分析

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，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(模數轉換器)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據進行計算分析，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過I-U轉換，然后由信號采集電路對數據進行收集并發送至PC(personal computer)進行處理。為了更好地對管電流測試系統進行刻度與測試，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光機管電流測量結果的最大誤差為2.43%，符合管電流測量標準的要求。

4 結束語

醫用X光機發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，結果顯示均能達到X光機的質量控制標準。經過初步試驗驗證，采用非介入式測量方式測量X光機關鍵物理量符合醫用診斷X射線計量學儀器行業標準。