诊断X射线曝光时间非介入式测量研究

杨建　李鹏

摘要：曝光时间是诊断X射线的重要参数之一，根据半导体探测器体积小、灵敏度高及响应快等特点，研制一种用于非介入式测量曝光时间等参数的测量仪，建立诊断x射线曝光时间测量模型，并给出曝光时间非介入式测量的电路构成和软件流程。实验表明：研制的诊断x射线多参数测量仪适用于曝光时间的非介入式测量和校准。

关键词：诊断x射线；曝光时间；非介入；半导体探测器

文献标志码：A 文章编号：1674-5124（2015）01-0021-03

0引言

曝光时间，也称照射时间，指按规定方法测出的x射线机的照射持续时间，通常是辐射剂量率超过某一规定水平的时间。曝光时间是X射线机的基本参数之一。曝光时间的准确度，不只关系到摄影效果的好坏与x射线管的使用寿命，还关系到诊断病人的辐射安全问题，大毫安、短时间摄影时更是如此。不同类别的X射线机，其曝光控制系统的结构差异极大，无论是新装X射线机，还是经过维修的x射线机，都应根据其类别和性能，对曝光时间进行必要的检测和调整。常用的介入测量方法有电子秒表计法、毫安秒表法等，将限时器接点串入测量回路，即可直接或间接读出曝光时间；但是，将测量仪表接入被测量x射线机的介入式操作系统比较复杂。当今是数字化的时代，X射线机行业发展的趋势是控制数字化以及图像数字化，这将推动X射线机进入一个无胶片时代。面对X射线机快速发展的机型，介入式测量方法无法快捷准确地测量其曝光时间。相对介入式测量法、非介入式测量法则是通过对X射线机发射的X射线辐射进行分析，从而得出测量结果的一种方法，其优点无需接入被测X射线机，也不受X射线机类型的限制，测量方便快捷，结果准确可靠。

1X射线机曝光剂量率波形分析

在医疗器械的发展历程中，医用诊断x射线机可以视为一个发展阶段的里程碑，特别是数字化医用诊断X射线机的诞生，更为探索人体奥秘做出巨大贡献。医用诊断X射线机按照高压波形可以分成工频光机和高频光机两大类，而高频射线机输出的射线质量稳定，纹波系数低，得到的图像稳定，散射线很少，是现代医用诊断X射线机的首选。

图1为一般高频光机的输出剂量率波形图。可以看出，当高压加载到X射线管上时，由于X射线管存在寄生电容和串联电阻，以及高压电路有一定的上升时间，X射线管输出的X射线有一陡峭的坡度，并形成了特定的过冲，从开始阈值至峰值的时间并不是固定不变的，它随着光机的性能、管电压、管电流的不同而变化的，在过冲区后X射线管输出稳定的X射线，直至停止X射线机的曝光，剂量率开始下降。从剂量率超过开始阈值时计时，直至剂量率降至峰值的75%停止计时，这段时间即高频X射线机的曝光时间。

2曝光时间的非介入测量原理

曝光时间的非介入测量原理如图2所示，当x射线机开始曝光，高压加载至x射线管，x射线管产生一定强度的x射线，x射线照射到x射线探测器上，探测器将射线信号转化为电流信号，前置放大器将电流信号转化为电压信号分别送至模数转换和阈值判断电路，数据处理电路对模数转换和阈值判断电路的输出信号进行处理，计算出诊断x射线的曝光时间。

广泛应用于辐射测量的探测器一般有气体电离探测器、闪烁探测器及半导体探测器3大类。其中，半导体探测器由于具有较快的探测响应、较高的灵敏度、不受磁场的影响、不需要高压偏置以及较小的体积等优点，可以选择将半导体探测器直接和电流灵敏前置放大器配合，应用于x射线非介入测量。半导体探测器在x射线辐射下所产生的电流约为10^-9～10^-6A，但是这样微弱的电流信号很难采用电流放大器，通常需要把电流信号转变成电压信号，这样就容易实现电流信号的动态检测或微弱信号的放大。电流信号转变成电压信号主要有跨阻法和电容积分法两种方法。x射线曝光时间一般为10ms～10s，测量的实时性要求比较高；所以，前置放大器采用跨阻法，将探测器输出的电流信号转换为代表着x射线剂量率的电压信号，并将其输出至阈值判断和模数转换电路。阈值判断电路用于判断x射线强度是否达到开始测量的阈值，如果超过阈值，输出射线开始信号至数据处理电路。模数转换电路用于将x射线强度的模拟信号转换为数字信号并提供给数据处理电路进行数据分析。数据处理电路通过阈值判断和模数转换电离输出信号进行测量流程的控制，最终将测量结果输出。

3曝光时间的非介入测量流程

如图3所示，当曝光开始时，x射线管输出x射线；当剂量率大于开始阈值时，阈值电路将信号输出给数据处理电路，开始计时；数据处理电路对输出的剂量率信号进行循环模数转换，并判断峰值及射线停止时间；当剂量率的采样值低于峰值的75%，即认为x射线机停止了曝光，停止计时，进行数据处理，输出曝光时间。

4实际应用

诊断x射线曝光时间非介入测量方法成功应用于研制的诊断x射线多参数测量仪中。诊断x射线多参数测量仪采用多通道半导体探测器，一次曝光，多个通道辐射信号数据采集，通过建立的数学计算模型即可计算出曝光时间、管电压、剂量、剂量率及半值层等多个参数。通过与x射线曝光时间标准装置比对，实测值与标准数据吻合，符合曝光时间校准规范JJF 1423——2013《医用诊断x射线非介入曝光时间表校准规范》的要求。

x射线曝光时间标准装置由高压分压器及时间间隔测量系统构成，时间间隔测量系统由高速数字数据采集单元和时间分析软件构成，采样率>1 MHz，时间间隔测量范围为1ms～10s，时间间隔测量最大误差<±0.05ms。首先，高压分压器串联在高压分压器和x射线管之间，将高压分压器输出电压信号接至时间间隔测量系统，一次曝光结束，从时间间隔测量系统观测到曝光过程中的电压波形，并可以读出标准曝光时间。被测仪器放置于x射线辐射场中，探测器的有效截面应置于主射线束中，与射线束垂直，开机预热10min，选用常用的管电压及电流，测试4个以上设定曝光时间，每个设定曝光时间测量3次。比对数据结果如表1所示。

通过与曝光时间标准装置的比对数据分析，可以得出该仪器的曝光时间最大误差为0.307ms，最大相对误差为0.6%。

5结束语

曝光时间测量是诊断x射线检测的重要参数之一。在分析x射线机输出剂量率波形的基础上，本文采用非介入式测量方式研制了诊断x射线多参量测量仪。该曝光时间非介入式测量方法具有测量便捷，结果准确、可靠等优点，可以在一般的诊断x射线机检测中替代介入式曝光时间测量。