非接入式X射线机管电压测量仪测试和调整方法的研究

陆建荣 李咏雪 徐 桓 毛 岩

非接入式X射线机管电压测量仪测试和调整方法的研究

陆建荣①李咏雪①徐 桓①毛 岩①

目的：为保证管电压测量数据的精度，研究探讨管电压测量仪的测试和调整方法，实现非接入式管电压测量仪的测量精度。方法：利用X射线发生装置、高压分压箱、A/D转换盒和计算机组成测试装置，采用直接比较的方法，通过测量和计算得到非接入式管电压测量仪调整的比例因子，并采用计算机程序通过USB接口对管电压测量仪进行调整。结果：通过比较调整前后的测量误差，可以看出调整后的测量误差明显减小。结论：管电压测量仪的测试和调整方法能够满足非接入式管电压测量仪测试的需要。

非接入式；管电压测量；精度；调整方法；X射线机

DOI∶ 10.3969/J.ISSN.1672-8270.2015.11.012

[First-author’s address] Institute for Drug and Instrument Control of Health Department of General Logistics Department, Beijing 100071, China.

国家计量检定规程JJG 744-2004“医用诊断X射线辐射源检定规程”和WS 76-2011“医用常规X射线诊断设备影像质量控制检测规范”中均要求X射线诊断设备在安装完毕或大修后应进行验收检测，在用设备应每年进行状态检测，其中管电压是检测程序中的一项重要参数[1-2]。

非接入式管电压测量仪操作简单，携带方便，测量精度高，因此在检测过程中通常使用其作为管电压测量仪器[3]。然而，非接入式管电压测量仪采用半导体传感器，存在器件特性的衰减，使用一段时间后检测精度难以保证，只有通过调整来提高检测精度[4]。为此，本研究根据非接入式管电压测量仪的原理，提出对测量仪的调整方法，并对调整前后的测量误差进行比较。

1 非接入式管电压测量原理

X射线管产生的X射线由两种光谱组成：①呈连续能谱的韧致辐射；②具有特定能量的特征X射线，也称为标识辐射，即X射线机所产生的光子波长和能量分布是不均匀的，由单能的特征辐射峰叠加在连续的韧致辐射谱上[5]。韧致辐射所产生的光子在靶面、高压绝缘油、X射线管玻璃壁、出射窗和附加铝片等滤过的作用下致使能谱发生改变，但是对于确定的管电压和确定的滤过材料，将有唯一的X射线谱形与之对应。

非接入式管电压测量仪正是利用X射线谱的特点而设计制造，当X射线照射到检测传感器时，其封装的荧光材料可以产生可见光，半导体探测器再将光信号转化为电信号，其感光结果将以电流形式向外电路输出，再通过采样并进行计算处理[6]。X射线经两个厚度不同的滤片衰减后在探测器上产生强度不同的两路电流，两路电流的比值与X射线管电压值之间能够找到一个确定的函数关系，根据测得的电流比反推出X射线机管电压值。

X射线在物质中的传输遵循指数衰减规律[7]以公式1表示：

式中I0(E)为入射X射线束强度；I(E)为穿过衰减物质后的出射X射线束强度；μ(E)为材料的衰减系数，ρ 为衰减物质的密度，d为穿透物质的厚度。

当X射线穿过材料相同，厚度分别为d1，d2的衰减物质后，其出射X射线束强度为I1(E)，I2(E)则为公式2和公式3：

将公式(2)和公式(3)进行变换可以求出物质衰减系数，即为公式4：

如果衰减材料纯度高且密度均匀，d1，d2恒定，则μ(E)只与经过不同衰减的出射X射线束强度I1(E)，I2(E)的比值有关。因此，可以通过测量出射X射线束的强度I1(E)，I2(E)，利用公式(4)来计算衰减系数μ(E)。

图1 X射线μ(E)与光子能量的关系曲线图

对于单能X射线，如果用铝作为衰减物质，μ(E)和光子的能量关系如图1所示[8]。

经过测量和计算得到μ(E)后，根据图1纵坐标对应曲线位置，就能找出对应的光子能量，估算出X射线管电压，再经过实际测量与调整则可以得到一定精度的X射线管电压测量值。

2 非接入式管电压测量仪测试装置的组成及调整方法

管电压调整装置由X射线控制器、高压发生器、X射线管、高压分压箱、A/D转换电路、计算机及软件组成，各部件的连接关系如图2所示。

图2 测试装置的组成及原理图

X射线控制器和高频高压发生器的作用是产生40～150 kV的高压[9]；X射线管用来发射X射线，X射线经过厚度为d1，d2的铝片衰减，照射到传感器上产生电流信号，经A/D转换为数据，输出到X射线多参数测量仪，经计算得到管电压示值[10]；高压分压箱、A/D转换电路、计算机及高压测量软件用来测量高压的标准值[11]。

非接入式管电压测量仪的测试采用直接比较法，测试时对同一高压源进行测量得到标准值和示值，将标准值与示值相比即为调整比例因子[12]。图2显示，高压发生器产生的高压分为两路：一路通过高压电缆与X射线管连接产生X射线，用于非接入式管电压测量仪测量管电压，得到管电压的示值；另一路接入高压分压箱输入端，高压分压器内部有分压电路，分压比为10000∶1，分压后的输出连接A/D转换电路，得到的数据通过电脑采集，再由计算机软件计算结果。这一路测量得倒的数据可以分环节控制其溯源性，并进行不确定度分析，确定其包含区间限及包含因子，因此将其作为标准值[13]；最后用测量示值和标准值计算被测设备的测量误差或比例因子[14]。测量时选择12档X射线机设置管电压，分别为：40 kV、50 kV、60 kV、70 kV、80 kV、90 kV、100 kV、110 kV、120 kV、130 kV、140 kV以及145 kV，然后根据X射线机设置管电压选择非接入式管电压测量仪的量程，选取曝光参数，实施曝光，记录管电压的标准值和非接入式管电压测量仪的测量示值，计算出比例因子，再通过USB接口及相应软件，将各测量点的比例因子输入到非接入式管电压测量仪中，即完成了调整工作[15]。

3 非接入式管电压测量仪测试装置的调整过程

调整过程依据“非接入式管电压测量仪测试装置的组成及调整方法”的内容实现，以常用型号Barracuda测量仪为例[16]。

3.1 调整准备

(1)打开X射线机，打开非接入式管电压测量仪，打开环境温度、气压及湿度测量仪。

(2)将传感器置于X射线的光野中心，且与球管的水平中轴线垂直，调整光野大小，使光野略大于传感器的敏感区域。将传感器与X射线焦点的距离设定为70 cm，总过滤调整为3 mmAl。

(3)在计算机桌面上，双击HV-Ref软件图标，打开高压测量程序。

(4)观察实验室环境参数，如果温度、湿度达不到测量要求，开启相应设备改变环境条件，直到满足测试要求。

(5)设备预热30 min。

3.2 数据测量

(1)设定曝光条件，将X射线机的管电流设定为80 mA，曝光时间设定为100 ms，管电压为40～140 kV，每增加10 kV为一个测量点，145 kV为最高电压测量点。

(2)每点曝光3次，分别记录高压测量软件测得的标准值和非接入式测量仪测得的示值，并求取平均值。

表1 测量仪在调整前及调整后的测量误差

(3)计算比例因子，测量软件测得的标准值与测量仪测得的示值之比即为比例因子。

3.3 比例因子的输入

(1)用USB连接线将非接入式测量仪的主机与电脑相连，打开电源开关。

(2)启动管电压调整程序(MPD&Piranha Calibration)，进入程序后点击Start键开始，然后点击Find Device，寻找到连接好的Barracuda硬件设备。

(3)管电压调整。点击Calibration图标，屏幕上会显示一组管电压参数，点击对应参数框，程序会自动弹出Edit Values对话框，有4个空格分别对应高压分压箱测得的管电压标准值、测量仪测量的管电压示值及比例因子，然后点击Save，最后点击Close，即完成比例因子的输入和测量仪的调整。

4 非接入式管电压测量仪测试装置调整后误差比较

测量仪在调整前和调整后用相同的测量条件进行测量并计算测量误差，测量结果见表1。

表1数据显示，调整前最大的测量误差为5.19%，已超出YY/T 0722-2009标准“医用电器设备在诊断放射学中用于X射线管电压非接入式测量的计量学仪器”中要求＜2%的要求，而调整后最大的误差为1.13%；最小误差为0.00，其余各测试点的误差均保持在0.2%左右，因此调整后的测量误差能够满足测量误差的要求。

5 结论

本研究根据非接入式管电压测量的原理设计了管电压测量仪的测试装置，提出减少测量误差的调整方法，并对一台非接入式管电压测量仪进行了调整，最后比较调整前后的测量误差，比较结果显示：此调整方法可以有效减小测量误差，但本方法在实际使用过程中也存在局限性，各电压档的调整比例因子需要通过软件输入到管电压测量仪中，需生产厂商提供相应软件。此外，在测试中采用的X射线源是按照IEC 61267-2005产生的标准辐射质，而在实际测量时，医院的X射线机所产生的X射线并不完全满足标准辐射质的要求[17-18]。因此，对X射线机的测量值和测试时对标准辐射源的测量值之间也存在一定的误差，此误差因设备不同而不同，并且难以消除，需在实际测量时加以考虑。

[1]刘建军，程金生，王艳，等.湖南省不同管电压胸部X射线摄影所致受检者入射体表剂量比较[J].中国医学装备，2008，5(2)：12-16.

[2]李贞，李全太，卢峰，等.2012年山东省64台医用诊断X射线机质量控制检测与评价[J].中国辐射卫生，2013，22(12)：712-715.

[3]薛永库，杨国山，周红梅，等.用非介入法检测诊断X射线机的管电压和曝光时间[J].中国辐射卫生，2001，10(12)：193-196.

[4]张玉明.Barracuda在医学诊断X线机质量检测中的应用[J].医疗卫生装备，2005，26(2)：61-62.

[5]郭彬，李兴东，樊成.有效峰值电压测量方法的介绍[J].计量技术，2009(增刊)：49-50.

[6]杨建，候新生，郑永明.基于非介入式X射线管电压测量的研究[J].中国测试技术，2008，34(5)：110-112.

[7]杨金文.X射线强度变化的测量实验[J].大学物理实验，2010，23(4)：6-9.

[8]吴世法.近代成像技术与图像处理[M].北京：国防出版社，1997：43.

[9]周凌宏，贺志强.便携式高频X射线机的研制[J].医疗卫生装备，2004，25(7)：16-19.

[10]张连强，陈基明，许耀良，等.X线机高压测量分析仪的研制[J].医疗卫生装备，2011，32(2)：4-6.

[11]陈基明，张连强，许耀良.X线机高压测量仪测量结果分析[J].医疗卫生装备，2011，26(9)：61-64.

[12]王英.耐电压仪输出高压的测量不确定度[J].计量技术，2002(7)：48-49.

[13]金珩，王红青，郑旭.特高压现场特殊试验电压测量系统比对及不确定度评定[J].华东电力，2014，42(12)：2814-2817.

[14]蒋伟，吴金杰，方方，等.一种便携式X光机的能谱及管电压测量研究[J].核电子学与探测技术，2013， 33(10)：1229-1233.

[15]IEC 61676：2002.YY/T 0722-2009医用电器设备在诊断放射学中用于X射线管电压非接入式测量的剂量学仪器[S].北京：中国标准出版社，2010.

[16]崔宝雷，郑宇，刘心源.使用Barracuda的几个技巧[J].医疗卫生装备，2005，26(12)：76.

[17]IEC 61267：2005-11.Medical diagnostic X-ray equipment-Radiation conditions for use in the determination of characteristics[S].IEC，2005.

[18]张连宇，梁子威，耿建华，等.管电压对PET/CT中CT剂量及图像质量影响的模体研究[J].中国医学装备，2015，12(4)：1-5.

Research on the testing and correcting method for non-invasive X-ray tube voltage measuring instrument

LU Jian-rong, LI Yong-xue, XU Huan, et al
China Medical Equipment,2015,12(11)∶37-40.

Objective∶ Non-invasive X-ray tube voltage measuring instrument is widely used in QC methods. It is necessary to study on the testing method and setting up a device to correct the instrument. Methods∶ A set of device composed of x-ray generator, high tension divider, A/ D converter and a computer is established. The direct comparison method is adopted. The scaling factor is calculated by measuring the indicating value and the standard value .The correction is performed through USB port by using software. Results∶ It comes true that the measurement errors are reduced after the non-invasive measurement is corrected in according with comparative analysis of the measurement outcome between before and after adjustment. Conclusion∶ This method can meet the need of non-invasive X-ray tube voltage measuring instrument.

Non-invasive measurement; X-ray tube voltage measurement; Accuracy; Correction method; X-ray machine

陆建荣，男，(1964- )，博士，高级工程师。总后卫生部药品仪器检验所放射仪器检测室，从事大型设备检测、X射线多参数测量仪校准等工作。

1672-8270(2015)11-0037-04

R812

A

2015-06-26

①总后卫生部药品仪器检验所放射仪器检测室 北京 100071