用于DSA介入診療的輻射精細測量設備研制

熊文俊,薄宇旗,劉紅凱,黃金峰,華成彬

(廣州蘭泰勝科技有限公司,廣州 510000)

數字減影血管造影技術(digital subtraction angiography, DSA)是在X射線透視成像輔助下進行診療手術,原理是在患者注入造影劑前拍攝X射線圖像,注入造影劑后通過減影、增強、重建等方法獲得清晰的血管影像。具有分辨率高、用時短、藥量小、輻射劑量低等優點,主要用于血管疾病的檢查,或者介入放射學中的各種介入性手術操作。介入性手術操作比如血管導絲推進,或者血管栓塞局部注入藥物等操作,都需要醫生在X射線持續照射條件下進行手術。與傳統的放射診療場景下醫生的遠距離操控相比,DSA需要醫生在X射線持續照射條件下進行操作,可能在局部產生過量照射。當前的輻射防護手段如防護眼鏡、防護手套、防護服等對于操作人員的穿戴負擔過大,均無法達到理想的防護效果[1-6]。已有研究調查介入放射人員的染色體畸變率、微核異常率、白細胞及中性粒細胞異常率等表征輻射損傷的指標均明顯高于非介入放射人員[7]。2012年新修訂的《輻射防護儀器 β,X和γ輻射周圍和/或定向劑量當量(率)儀和/或監測儀》(GB—T 4835.1)中,對低能伽馬射線做了劑量測量要求[8]。較2008年舊版國標增加了30～250 keV能量測量范圍。而該能段包含了目前介入治療X射線100 keV左右的能量范圍,在實際測量中也存在許多困難[6-7]。

目前常用的傳統輻射監測技術如熱釋光劑量計可佩帶在關注的身體部位,實現劑量測量,但無法實現在線實時測量[5-6]。而在線測量設備由于體積重量大,給醫生造成較大的佩戴負擔,不利于監測工作的開展,通常選擇佩戴在胸口的個人劑量計,也有佩戴在腕部的X/γ劑量計[5-7]。

本研究擬研制一款可方便佩戴、實時測量的輻射探測設備,一是可在輻射劑量率超閾值時進行報警,二是在術后對歷史數據回溯,發現輻射屏蔽弱項進行優化。本研究使用硅探測器和專用信號處理芯片研制探測器,實現探測器的小型化、低功耗、和實時測量。通過蒙特卡羅模擬程序計算補償片的最優化厚度,對探測器的各主要性能指標參數進行了測量驗證,以滿足職業照射人員外照射測量器具的要求。

1 工作原理

1.1 硅探測器測量原理

硅基探測器及相關半導體探測器都是以PN結為靈敏區域,根據結構形式的不同,可分為“P+-N-N+”、“P+-P-N+”、“N+-N-P+”、“N+-P-P+”等4種形式。常見的為“P+-N-N+”結構,由高摻雜的P+層和N+層以及N型本征區(Ⅰ區)組成,所以稱為PIN探測器。摻雜區中間的高阻N型硅基就是探測器的靈敏區,當帶電粒子穿過硅探測器靈敏區時損失能量,產生“電子-空穴”對。在電場作用下,電子向N+面漂移,空穴向P+面漂移,可以在探測器的P+面收集到電荷信號。該信號經過脈沖成形信號處理,仍保留了沉積能量信息,通過分析脈沖信號,可以得到入射粒子信息[9-10]。

1.2 能量補償

用電子學測量電離輻射電信號,通過統計計數率和“計數率-劑量率”轉換的方式測量劑量率是輻射劑量水平測量的常規方法。由于不同能量的電離輻射射線在探測器中的響應不同,硅探測器對低能X射線的探測效率較高,因此會有過響應,而對高能射線響應較弱。因此實際測量時對探測器進行能量補償,使用補償片抑制低能部分的響應,使得不同能量射線在探測器的響應趨于相近[9]。

在介入治療中,為減少醫患人員所受的劑量,所用的X射線能量一般小于100 keV[1,3,6-7]。保守考慮,本研究中擬對200 keV以內的X射線進行能量補償,以保證測量的適應性和準確性。采用銅片對過響應部分進行修正,銅片的結構厚度通過蒙卡計算,使關注能量范圍內的探測器能量響應滿足測量誤差要求[9-11]。

2 設計方案

2.1 探測器設計

探測器主要包括測量模塊和主機兩部分(圖1)。測量模塊用于射線信號測量,并進行放大成形提高信噪比,體積小、重量輕,可方便的佩戴在手部;主機部分主要用于處理測量模塊的輸出信號、數據管理和人機交互,可佩戴在手臂或安裝在手術臺固定位置。

圖1 探測器外觀圖Fig.1 Appearance of the detector

2.2 測量模塊

測量模塊主要包括硅探測器、專用集成電路(application specific integrated circuit, ASIC)和能量補償盒,并設計了專用結構實現防水防塵。其中硅探測器的靈敏區面積為5 mm×5 mm,厚度為300 μm的方形硅探測器。

《職業性外照射個人監測規范》(GBZ128—2019)中規定個人監測的劑量計使用的能量測量上限為10 MeV。由于硅探測器的靈敏層厚度較薄,對中高能區的γ射線響應不佳,對1 MeV以上的γ射線響應較差,通常用于中低能量的伽馬射線測量。但對于介入治療中,輻射源項只有X光機,且射線能量較低,通常能量上限小于100 keV。考慮能量范圍的裕度,200 keV的能量上限已足夠覆蓋介入治療中的射線測量需求。

配合硅探測器的信號處理需要具備信號處理、濾波放大、探測器高壓、脈沖閾值比較等功能,考慮到小型化的需求,選用廣州蘭泰勝科技公司生產的專用ASIC芯片DAB210系列。該芯片集成了前放、濾波、高壓、閾值比較等功能模塊,可與硅探測器組成極小型測量模塊。其參數指標列于表1。

表1 DAB210參數指標Table 1 Parameters of DAB210

2.3 主機

主機處理測量模塊輸出信號、數據管理、和人機交互。主機內置控制板,采用2.5英寸液晶屏顯示人機交互界面,通過按鈕實現探測器的設置輸入、分析結果展示、系統狀態等功能。內置可充電鋰電池保證設備滿電狀態下續航72 h。內置的報警燈和蜂鳴器可實現超閾值聲光報警功能。

2.4 能量補償設計

擬選用銅進行能量補償,根據探測器的幾何特征選用兩塊平板形的銅片覆蓋在硅探測器的前后兩端,銅片上打孔以實現能量補償。采用MCNP程序對探測器及補償片進行建模:(1) 粒子源為垂直入射探測器的平行γ射線,在20～208 keV之間選取不同能量進行仿真;(2) 探測器為300 μm厚度的硅;(3) 探測器兩邊分別放置兩塊銅片作為補償片;(4) 補償片打孔孔徑約為φ0.8 mm,通孔覆蓋面積比例約87%,選擇不同厚度的銅片(0～2 mm)分別計算探測器對不同單能X射線的響應;(5) 統計探測器內的γ射線沉積能量大于14 keV的粒子總計數。

通過選取不同的補償片厚度,計算在不同能量X射線照射下的探測器計數率,探測器的能量響應示于圖2,根據仿真結果選取最優的能量補償方案[11-12]。

圖2 不同厚度銅片補償后的探測器能量響應[11]Fig.2 Energy response compensated by different thickness copper sheets[11]

根據圖2仿真結果,對于0～2 mm的補償片,厚度越大,在20～208 keV能量范圍內的能量響應越好。擬選擇2 mm的銅片進行補償。超過2 mm的補償片,一是降低了對X射線的響應,二是增加測量模塊的厚度影響佩戴舒適性。

3 結果與討論

3.1 能量范圍

在國防科技工業電離輻射一級計量站使用X 射線空氣比釋動能標準裝置,采用窄譜系列參考輻射對本設備進行測試,得到本設備在20～208 keV 范圍內的能量響應列于表2。

表2 X光機測量值與標準值比對Table 2 The measured dose rate of X ray compared with the standard value

由表2可以看出,在208 keV能量范圍內,經能量補償后相對誤差最大出現在能量100 keV左右,約為23.46%,小于±30%的國標要求[8]。

3.2 劑量率范圍

137Cs標準輻射場中對設備進行校準,得到結果示于圖3。對探測器在0.53 μSv/h～1.25 mSv/h標準場下對應的計數率進行統計,其中劑量率0.53 μSv/h時探測器的計數率約為0.04 s-1,1.25 mSv/h時的計數率約為34.89 s-1。可見探測器在0.6 μSv/h ～1.8 mSv/h范圍內測量的劑量率線性較好。為拓展量程需求,通常可以增加一個小的硅探測器,將劑量上限拓展到約1.8 Sv/h,滿足《職業性外照射個人監測規范》(GBZ128—2019)規定的1 Sv/h劑量率上限測量需求。

圖3 計數率隨劑量率變化曲線Fig.3 The relationship of count rates and dose rate

拓展量程后探測器計數率隨劑量率變化曲線示于圖4,在0.53 μSv/h～1.8 Sv/h劑量率范圍內探測器保持了較好的測量線性。

圖4 拓展量程后計數率隨劑量率變化曲線Fig.4 The relationship of count rates and dose rate after extended

3.3 耐輻照特性

在鈷源輻照場下對探測器的耐輻照性能進行測量,約100 Gy/h劑量率條件下探測器連續工作。將探測模塊和經過刻度校準的電離室探測器綁定,同時放入輻射場中開機測量。由電離室探測器測量該區域的累積劑量,并觀察硅探測器的工作狀態。現場測量情況示于圖5。

圖5 耐輻照性能測試Fig.5 Radiation resistant test

電離室測量的累積照射劑量達到110 Gy后,探測器仍可正常工作,說明探測器的耐輻照性能好于累積劑量100 Gy。再進行照射后,由于通訊模塊受照損壞,無法獲得測量數據。

3.4 總體性能

通過對設備的劑量率范圍、能量范圍、耐輻照特性等各項指標進行測試,得到設備的主要性能指標列于表3。

表3 設備主要參數Table 3 Main parameters of the device

4 結論

針對介入治療工作場所中的低能X射線輻照場景,研制了一套基于硅探測器的輻射劑量精細測量設備,該設備包括測量模塊、主機和內置軟件。該設備能量范圍在20～200 keV,單探測器劑量率測量上限為1 mSv/h,采用雙探測器測量上限可擴展至1 Sv/h。探測器重約15 g。

由于體積小、重量輕、易于集成,該設備可制成指環佩戴到手部測量手部皮膚劑量,或集成在防護眼鏡上測量眼部劑量,適用于介入治療中醫生的手部劑量或眼部劑量的實時在線監測。也可在可能超限值照射的部位佩戴,以監測局部的受照實時劑量率。本研究利用無線數據傳輸實現了各模塊監測數據的實時讀取,在上位機上可實時顯示各監測部位的受照劑量數據。輻射防護工作人員可根據該數據進行人員輻射屏蔽,進一步保護介入治療工作人員的輻射安全。

本研究使職業人員的全身精細輻射劑量測量成為可能。對介入醫護人員而言,一是能在輻射劑量超標時及時報警,二是在手術后可以進行數據回溯,分析輻射屏蔽弱項,進行精準輻射防護。