诊断X射线剂量检测仪的研制*

王 伟 张 建* 宁 静

诊断X射线剂量检测仪的研制*

王 伟①张 建①*宁 静①

目的：研制一款用于测量诊断X射线装置辐射输出量、输出量率的剂量检测仪。方法：选用高灵敏PIN结半导体探测器，通过附加一定厚度铝片和喷涂金属粉末的塑料联合补偿材料，改善探测器在诊断X射线能量范围内的能量响应。基于数字单片机技术的设计，以高速C8051F310微控制器内核作为控制系统的前置放大电路及微功耗高速A/D转换电路，以RS232接口进行通讯，上位机软件基于Windows操作系统，使用VC++语言编写。结果：探测器的能量响应好于5%(70～150 kV)，测量精确度为±0.071%(SD)，稳定度为±0.18%(SD)。结论：该诊断X射线剂量仪体积小，全数字化，灵敏度高，测量范围宽，性能指标达到国家标准要求，可用于诊断X射线装置常规计量测量与质量保证。

诊断X射线；剂量仪；PIN硅光二极管；半导体探测器

[First-author’s address] Institute of Radiation Medicine Academy of Military Medical Sciences, Beijing 100850, China.

诊断X射线成像检查是医院用于临床诊断的常用手段。统计表明，我国公众接受人工电离辐射的最大来源是诊断X射线的照射，尤其是随着CT成像技术的迅猛发展，多层螺旋CT的广泛应用给临床带来更多诊断信息的同时，辐射剂量的准确性及辐射安全问题开始受到了人们的普遍关注。

依据国家标准GB/T 19629-2005/IEC 61674：1997“X射线诊断影像中使用的电离室和(或)半导体探测器剂量计”的要求[1]，本研究论证选用新型PIN硅光二极管作为辐射探测器，研制出一款适用于诊断X射线装置辐射特性的剂量检测仪，单独使用或与其他质量控制检测工具同时使用其开展医用诊断X射线装置计量测试与质量保证工作。

1 诊断X射线剂量仪测量原理

半导体探测器是于20世纪60年代以来迅速发展起来的新型射线探测器，其工作原理与普通气体电离室近似，当光子或带电粒子入射到探测器的灵敏区域时，通过与本征硅相互作用损失部分或全部能量，引起本征层内的价电子跃迁，在灵敏区域产生电子－空穴对，在内建电场的作用下自由电子和空穴分别向硅光电二极管的N极和P极漂移而形成信号电流，通过对信号电流的测量实现剂量的测量，因此而被称为“固体电离室”[2-3]。

1.1 PIN硅光电二极管

半导体探测器具有灵敏度高、体积小以及对不同类型的入射粒子均能保持良好的线性响应等优点，PIN半导体探测器以高纯硅为原材料制成的本征半导体，既具有较宽的耗尽层，同时又具有较大的电阻率，克服了暗电流过大的问题，同时可作为X射线剂量率测量的探测器，且无需像Ge(Li)探测器一样低温保存和使用。PIN型硅光电二极管是其中最常用的一种可直接用于X射线或γ射线探测的产品。

本研究研制的X射线计量检测系统选用芬兰地太公司硅光电二极管XRB100s-CB380，该探测器灵敏区域面积为1 cm2，厚度为380 μm，光谱响应范围为300～1100 nm，无偏压模式下暗电流约为10～20 pA，采用陶瓷封装形式并在表面覆盖一层阻光型的环氧树脂窗材料，以消除可见光的影响。

1.2 能量响应

通常使用的电离室探测器是由空气等效材料(或组织等效材料)制成，其能量响应基本与空气的能量响应相同[4]。而硅的原子序数(14)与空气的等效原子序数相差较大，因而其响应随能量的变化与空气的能响相差较大，特别是能量＜100 keV的能区，差别可达7～8倍之多。因此，如果不对半导体探测器进行能响补偿，在低能区测量的结果可能比电离室高出数倍[5]。通过Monte-Carlo计算，本系统通过附加一定厚度铝片和喷涂金属粉末的塑料形成联合补偿材料，改善了探测器能量响应，满足了测量诊断X射线能量响应要求[6]。

2 诊断X射线剂量仪系统结构

本系统由硬件设计和软件结构所组成，其测量系统结构框图如图1所示。

图1 测量系统结构框图

2.1 硬件设计

(1)放大电路设计。PIN硅光电二极管接受X射线照射，电流输出仅为nA量级。为保证测量精度，系统的电流分辨率至少需要达到0.1 nA，要精确测量如此小的电流必须使用电流放大方法，将电流信号转换为幅度较高的电压信号或频率信号进行测量。系统选用跨阻放大电路将输入电流转换为运放的输出电压，利用后接的A/D变换器测量电压信号，再计算出电流[7-8]。该电路的优点是实时性好，适用于测量快速变化的大电流信号且电路简单，但对噪声干扰非常敏感。本系统选用TI公司的TLC4501，其输入偏置电流为1 pA；自动校准的输入失调电压＜40 μV；输入失调电压漂移＜1 μV/℃；开环增益＞120 dB，共模抑制比为100 dB。为适应实际测量中对不同量程的要求，系统选用美信公司MAX4614 4路CMOS模拟开关控制放大电路的放大倍数。模拟开关要求导通电阻小，关断时漏电流小，导通电阻在整个信号范围内变化小。探测器在X光照射下产生反向电流Is，该电流流过R2和R1后在输出端形成正输出电压。小信号时模拟开关IC5A不导通，输出电压为Uo=Is(R1＋R2)；大信号时模拟开关导通，输出电压为Uo=Is(R1＋Ron)，其中Ron是模拟开关的导通电阻(近似为零)(如图2所示)。

图2 跨阻放大电路示意图

按图中所选电阻值，两档量程是2.5 μA和250 μA，相差100倍，小信号档可以检测到nA级电流信号，可以满足诊断X射线机的测量要求。放大电路如图3所示。

图3 放大电路图

(2)模拟数字转换电路。本系统选用美国Burr-Brown公司生产的ADS8320串行16位微功耗高速A/D转换器。非常适合于便携式电池供电系统的使用，其主要特性为：①采样频率最高可达100 kHz；②积分非线性误差＜(±0.018%)SFR；③零位偏差＜2 mV，漂移＜3 μV/℃；④增益误差＜0.05%；⑤噪声＜20 μV(rms)；⑥参考电压范围0.5～5 V；⑦电源电压2.7～5.25 V。采用串行输出的AD转换电路可以减少单片机的I/O线，降低印制板的布线难度，降低干扰，增强系统的可靠性(如图4所示)。

图4 模拟数字转换电路

A/D转换过程：①ADS8320与微处理器采用同步3线串行接口进行通信，当CS/SHDN端从高电平变为低电平(下降沿)时，芯片的整个转换和数据传输过程被初始化，DCLOCK端的最初4.5～5个时钟脉冲用于对输入模拟信号的采样，此时DOUT端处于高阻态；②在随后的DCLOCK下降沿，DOUT端将输出一个可持续1个脉冲周期的低电平信号，以作为将要输出A/D转换结果的标志；③紧接着在16个DCLOCK的控制下，从最高位到最低位依次由DOUT输出16位转换结果。

(3)单片机控制系统。单片机电路是整个系统的核心，其主要功能是根据计算机的指令选择放大器的增益，设置采样频率和时间，启动A/D转换，存储测量数据，通过串口RS-232输出数据到上位机[9]。本系统选用SILICON LABORATORIES公司的C8051F310高速单片机，其主要特性为：①高速8051微控制器内核，速度可达25 MIPS(时钟频率为25 MHz时)；②1280字节内部数据RAM；③16 KB程序FLASH存储器；④29个端口I/O，所有口线均耐5 V电压；⑤硬件增强型UART和SPI串口；⑥4个通用16位计数器和(或)定时器；⑦供电电压为2.7～3.6 V；⑧典型工作电流为5 mA；⑨典型停机电流为0.1μA；⑩工业级工作温度范围-40～85 ℃。单片机控制系统电路如图5所示。

图5 单片机控制系统电路图

图5 显示，单片机控制系统电路中P1.4～P1.7用于控制模拟开关选择信号放大器的增益；P2.4～P2.7接受A/D转换的采样数据；P2.2用于4个AD芯片的转换片选和转换启动信号；P2.3为4个AD芯片提供时钟信号；SPI接口用于与存储器的接口，使用的管脚包括P0.6提供时钟信号；P0.7提供MISO信号；P1.0提供MOSI信号；P1.1作为存储芯片的片选信号；P0.4和P0.5为发送或接收串行信号。

(4)其他部分硬件设计。系统选用Ramtron公司SPI接口的铁电存储器FM25L256作为数据存储。其主要特性：①32(K)×8位非易失存储器，数据保存时间可达10年；②无限次读写、无延时的写入操作；③低功耗，2.7～3.6 V供电，1 μA的待机电流。电源部分由AS1117-3.3和AS1117-5产生3.3 V和5 V两种电压，分别供给控制系统和A/D转换以及放大电路工作。

2.2 软件结构

本系统软件分为下位机(数据采集系统)和上位机(PC应用程序)两部分，下位机软件主要完成剂量探测器输出信号的在线测量及简单处理，通过R232串行接口将数据传给上位机作进一步的分析处理[10]。下位机系统软件控制各硬件模块的工作，完成探测器信号的采集和上传，如图6所示。

上位机软件基于Windows操作系统，使用VC++语言编写，其软件主要用于设置采集参数、控制主机工作状态、数据读取及处理、实时显示以及相应的数据存储操作。微控制器通过RS232串行接口上传探测器数据，系统使用VC的Winsock接口函数实现数据的读取；数据的实时显示通过MFC的文档－视窗类接口实现。

图6 下位机主程序流程图

3 诊断X射线剂量仪主要技术特性

3.1 能量响应特性

在诊断水平参考束辐射场中的不同辐射线质条件下[11-12]，剂量仪读数与标准剂量仪读数的测量结果见表1。

表1 半导体剂量探测器能量响应

RQR3条件下响应偏高，考虑到剂量仪使用的范围多在70 kV以上，其余能量段的能量响应好于5%，达到IEC 61267标准和国家标准[1，12](如图7所示)。

表2 剂量仪测量的精密度和稳定性

表3 剂量仪方向响应特性

图7 附加过滤补偿后探测器能量响应曲线

4 结语

3.2 剂量率线性通过改变X射线机管电流以及曝光时间两种方式获得不同剂量率。在0.0786～140 mGy/s测量范围内，仪器的线性相关系数r2分别是0.999987和0.999992，半导体剂量仪的线性性能良好。

3.3 重复性在RQR5和RQR9能量规范条件下，设定曝光条件为20 mAs，重复测量10次，测量值标准差分别为0.00049和0.000831，重复性分别为0.0395%和0.0398%。

3.4 精密度与稳定性采取测量位置不变、相同曝光条件下在不同时间点进行重复测量，计算剂量仪测量的精密度和稳定性。整机连续运行状态7 h，每1 h测量读数一次，以考察整机长时间工作的稳定性，整机测量的精密度为±0.071%，稳定性为±0.18%，其测量结果见表2。

3.5 方向响应剂量仪方向响应特性是在FDD=100 cm，RQR5(70 kV，HVL=2.5 mmAl)规范条件下完成[13]。辐射入射角正面入射方向为0o，侧面入射方向为90o，背面入射方向为180o，在相同条件下测量不同角度的读数与0o测量值归一，其结果见表3。表3显示，探测器存在着较大的方向依赖特性。然而，在实际测量中探测器会固定在较好的射线入射几何条件下，因而该参数不是此种剂量仪的重要指标。

基于新型PIN硅光二极管半导体作为探测器，结合微处理机技术，本研究设计研发的诊断X射线剂量仪具有体积小、灵敏度高、测量响应时间快、测量范围宽及漏电流小等优点，且不需气压和温度修正高压及偏压。经过初步测试，使用简便，性能指标达到国家标准要求。该剂量仪的研制将推动诊断X射线装置性能检测水平的提高，促进诊断X射线影像质量保证的全面实施。

[1]国家质量监督检验检疫总局.GB/T19629-2005医用电气设备X射线诊断影像中使用的电离室和(或)半导体探测器剂量计[S].国家标准化管理委员会，2005-06-09.

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Research on development of diagnostic X-ray dosimeter

/WANG Wei, ZHANG Jian, NINGJing// China Medical Equipment,2014,11(8):25-28.

Objective: A diagnostic X-ray dosimeter for measuring radiation Dose and dose rate was designed and developed. Methods: The detector is made of PIN semiconductor of Si diode as a receiver to radiation signal. To meet the requirements of energy response, the detector is compensated by aluminum sheet and plastic with metal powder. Designed the preamplifier circuit and high rate A/D circuit with the core of controller system is C8051F310 MCU. The VC++ software is taken as the development platform based on windows system, communication by RS232 interface. Results: The energy response of detector from(70～150 kV) is less than 5%. The device can provide a good precision ±0.071%(SD) and stability ±0.18%(SD). Conclusion: The semiconductor dosimeter of diagnosis X-ray has small size, fast real-time response, good energy response, wide measuring range and so on. The performance of device meet the standard of national. The dosimeter can be used to metrology test and quality control (QC) for general Diagnostic X-ray Device.

Diagnostic X-ray; Dosimeter; PIN Silicon photodiode; Semiconductor detector

1672-8270(2014)08-0025-04

R144.1

A

10.3969/J.ISSN.1672-8270.2014.08.008

2014-05-08

军事医学计量科研专项课题(2011-JL2-056)“CT计量测量方法研究与测量标准建立”

①军事医学科学院放射与辐射医学研究所 北京 100850

*通讯作者：13910770016@yeah.net

王伟，男，(1977- )，硕士研究生。军事医学科学院放射与辐射医学研究所，研究方向：诊断影像质量控制与辐射防护研究。