管电压(kV)和曝光时间(t)是诊断X射线质量控制的重要参数。各种X射线诊断检查应在最佳峰值管电压(kVp)和时间设置条件下进行。kVp设置不当或不准确, X射线影像可失去重要的信息(细节), 并将导致患者受照射剂量的增加。如乳腺摄影, 管电压变化1kVp, 输出量可变化14 %。实施诊断X射线机的管电压(kV)和曝光时间(t)等重要参数的检测, 使设备处于最佳运行状态, 对保证诊断影像质量和减少患者受照射剂量有着重要意义。本文首先介绍几种常用的诊断X射线机kVp测量方法, 然后结合研制和使用过程的经验, 对目前普遍采用的非介入式数字kV计的原理、设计及应用作详细介绍。

1 诊断X射线设备kVp常用测量方法 1.1 利用已知元素的K吸收特征能量峰校准X射线高压发生器^[1]

实验设备主要由X射线管, 产生特征辐射的箔材料, 辐射探测器(锗)和单/多道分析器等组成。测量时将产生某种特征辐射的箔材料靶置于X射线束下照射, 当管电压调到某一值时, 辐射探测器(锗)和单/多道分析器组成的谱仪可测得最大能量峰, 此时的管电压值即等于靶材料K吸收特征峰所对应的能量。箔材料靶依校准点kVp来选择。银(0.075 mm), 镉(0.125 mm), 锡(0.100 mm)的K吸收峰能量分别为25.5, 26.7和29.2 keV, 钽、金和铅等材料用于比较高的kVp校准。这是一种绝对测量方法, 能作为初极标准, 但实验装置较复杂、费用高, 适用于生产厂家或计量部门, 不适宜作为常规质量控制。

1.2 高阻表/分压器

用于X射线机产品和测量仪表的标准。测量管电压时, 要由专业技术人员将连接X射线管和高压发生器的电缆拆开, 接入分压器(或高阻表), 通过示波器观察高压波形及其高度, 以此确定kVp值。测量准确度和精密度可达1 %和0.5 kV。缺点是这是一种介入操作方法, 若操作不当, 可能引起错误的测量结果, 甚至设备的损坏, 故不宜于在常规质量控制中应用。

1.3 Wiscosin kV检测盒^[2]

这是较早采用的一种非介入测量方法。检测盒由铜板过滤器, 铜梯, 铅网, 增感屏, 光吸收体和X射线胶片依次组成。当X射线照射检测盒时, 增感屏的光辐射直接照射到铜梯正下方X射线胶片和通过光吸收体照射到X射线胶片上。对应于某一个kVp值, 将有某一个厚度铜梯下的胶片密度与光吸收体下胶片密度相等。利用密度———kVp校准曲线即可确定该kVp。此种方法的分辨率, 目测约为±4 kVp, 用光密度计可达±2 kVp。Wiscosin kV检测盒的优点是设备成本低, 准确度较高, 缺点是由于检测盒要使用胶片, 需冲洗和测量光密度, 不仅操作复杂, 每一环节都可能产生小的误差, 而且一次曝光只能测量一个kVp值, 效率较低。

1.4 非介入式数字kVp计

这是目前最流行的非介入测量方法。由于采用了二极管探头和数字电路, 可实时测量, 一次曝光不仅可得到各种kVp值, 还可打印出kV波形和辐射波形, 给出波纹系数等多种数据, 进行统计分析。数字kVp计是一种理想的X射线诊断设备质量控制工具, 还可用作设备生产, 查找故障和维修的检测工具。

2 非介入式数字kVp计的工作原理

kVp计由辐射探测器, 电子线路, 计算和显示单元组成^[3], 如图 1所示。探测器通常由一对固体二极管(例如, CsI/光电二极管)配以不同厚度的过滤器(如铜)组成。当X射线照射探测器时, 射线束经过过滤器达到二极管并产生光电流。这两路光电信号比(B/A)与X射线管电压(kVp)有如下函数关系^[4]:

ln kVp=a+br其中, r=B/A, a和b为常数。

电子学部分将电流信号放大, 产生电压信号, 再经过放大, 积分; 经过A/D变换, 微处理器控制取样, 计算, 存储和校准; 校准结果送入显示单元和打印机, 可显示测量的kVp值和打印kVp值以及波形。

将存储的kV波形与时钟振荡器比较可得到曝光时间。对于单相机, 照射时间是曝光过程中的辐射脉冲个数乘以脉冲时间; 三相机的照射时间从kV上升到kVp_Avg的75 %开始计算, 到照射结束时kV再回落到kVp_Avg的75 %时结束。

基于上述原理的kVp计不仅能由积分电流信号比计算得出与Wiscosin kV检测盒同样的kVp_Eff(有效值), 还可由瞬时电流信号比给出kVp_Avg (平均值), kVp_Max(最大值), 部分波形的kVp值, 以及由瞬时电流信号比计算kV波形和由薄的过滤片电流信号绘出辐射波形, 并具有统计分析功能。

3 数字kVp计研制中应注意的几个问题 3.1 探测器

探测器灵敏度直接关系到对电子线路的要求, 一个高灵敏度的探测器总是有利的。固体探测器的辐射灵敏度与受照射体积成正比, 窗式光电二极管的光电信号与受照射面积成正比, 附加与光电二极管波长响应相匹配的荧光闪烁体, 可成倍增加辐射灵敏度。CsI(10 mm×10 mm)二极管用作该kVp计探测器。探测器通常由一对或数对CsI二级管组成, 后者信号更强且方向性好。一对二极管组成的探测器测量时, 管子应对称于X射线管轴线放置。

过滤器的材料和厚度及其比例依测量管电压范围而定。kVp比较低时, 可用高纯度的铝材料, 管电压比较高时, 用高纯铜材料。材料厚度过厚, 将降低低kVp灵敏度, 量程范围变小; 材料过薄, 易受X射线管的总过滤厚度的影响, 高kVp测量误差增大。过滤器厚度比例要适当, 比例大, 则r亦大, 这对低kVp测量有利, 而高kVp测量误差增大; 反之, 比例小, 低kVp测量误差增大, 高kVp测量误差减小。用一组滤片测量宽量程kVp, 厚度及其比例的选择, 要兼顾低和高kVp两端。过滤器厚度为1 mm和2 mm, 或0.75 mm和1.50 mm, kVp计量程可为50~150 kVp。采用几组滤片, 充分利用kVp~r曲线“线性”部分, 分段测量kVp, 可提高测量准确度。

散射线和本底电流对kVp测量的影响应予以重视, 特别对低kVp的测量, 散射线贡献比较大。对探测器辐射和可见光屏蔽, 可有效地减少这一影响。图 2是一实验结果。图 2中, 上边曲线屏蔽不完善, 下边为屏蔽改进后的曲线。

3.2 电子线路

A、B两路信号经前置放大器放大后, 需要送入可调终端放大单元再放大。有两种方案可选, 一是将两路信号分别送入两个可调终端放大单元, 或是经过一个周期工作的电子开关送入一个可调终端放大单元放大。后者可减少电子元件和简化线路, 但要防止开关的电磁干扰。

终端放大单元是通过电阻来调节放大倍数的, 这由自动量程转换实现。由于信号强度的动态范围很大, 还需要一个高低灵敏度转换开关。电子转换开关要求漏电要小, 如果采用手动开关需要电磁屏蔽措施, 以防止电磁干扰。

小型和带影像增强器的X射线诊断设备管电流比较小, 产生的X射线经过过滤器到达光电二极管产生很弱的电流信号, 极易受外界电磁场的干扰, 因此, 从探测器到放大单元采取良好的电磁屏蔽和接地措施尤为重要。

3.3 校准

在研制或生产阶段, 数字kVp计应用电压分压器来校准, 两者应同时测量, 并应用示波器监视kV波形。分压器应经过国家计量标准校准。探测器和显示单元必须同时校准应用。校准时可采用单相、三相、中频或恒压X射线设备。

kV计响应与X射线机的电压波形, 频率, 阳极角度, 总过滤厚度, 曝光时间, 射野大小, 探测器与焦点距离和剂量率等参数有关, 校准参考条件可参考IEC有关标准进行。例如, 总过滤厚度应为2.5 mmAl。总过滤增加, 测量误差随着所用kVp增加而增加, 例如当总过滤由3 mmAl变为4 mmAl, 在50 kVp和100 kVp时, 分别增加0.1 kVp和0.8 kVp。

校准时, kVp_Avg与kV波形无关, 校准曲线不受机型影响。kVp_Eff与kV波形有关, 即在相同kV下, 不同机型的r不同, 故应在不同机型下分别进行校准, 或用某一种机型的校准曲线, 经过修正后用于其他机型。有两种修正方案可供参考, 一种是先修正r, 然后查校准曲线, 另一种是先用r直接查校准曲线, 而后修正kVp_Eff。对于前一种方法, 若采用单相机的kVp_Eff~r校准曲线, 则所测量得的r乘以小于1的系数, 例如0.95, 可获得三相机的测量结果。所乘系数通常按恒压、中频和三相机依次增大, 并随着量程稍有变化, 应仔细修正, 以获得高的准确度。采用第二种修正kVp_Eff方法, 应从校准曲线得到的kVp_Eff减去一修正数, 其大小按恒压、中频和三相机依次减小。例如, 利用恒压机的r查三相机kVp_Eff~r校准曲线得出80 kVp_Eff, 减去80×2 %kVp_Eff, 即恒压机的管电压为78.4kVp_Eff。透视(机)操作时, 由于电缆的分布电容影响, 即使是单相机也按三相机考虑。

3.4 测量误差

测量误差由kV计本身和测量条件等因素所决定。就其本身而言, r测量的准确性(即A、B两路信号的比值)是关键。图 3是实验得到的不同kVp下, r变化1 %对kVp测量结果的影响。可见对应于不同kVp测量, 影响是不一样的。

3.5 灵敏度的一致性

光电二极管, CsI闪烁体, 过滤器和前置放大器安装的一致性, 在某种程度来说, 决定仪表批量生产灵敏度的一致性。例如, 对28个已封装的CsI光电二极管测试结果, 其分散性为5 %, 其中偏差最大的为12 %和-9.5 %。由于过滤器对X射线的指数衰减作用, 厚度及其比例变化对灵敏度的一致性影响比较大。对于厚度为0.75 mm和1.50 mmCu过滤片组, 和0.73 mm和1.50 mmCu组相比, 80 kVp时前者r比后者高7 %。

4 数字kVp计功能与性能

由于本研制的数字kVp计采用单片机技术, 其功能与性能比Wiscosin kV检测盒有增加和提高。

4.1 功能

适用于单相机, 三相机和中频机的摄影和透视条件下kVp及曝光时间测量。可自动确定发生器的类型并减小测量误差, 液晶显示, 可进行单次或连续测量, 并可打印输出结果。量程:管电压50~150kVp; 曝光时间1~5 s。图 4是一次照射测量的打印输出结果。

4.2 主要技术指标 4.2.1 kV测量

(1) 准确度: 3 %(钨靶X射线管), 其中各种相关因素如电压波形, 阳极角度, 滤片, 剂量率, 曝光时间, 射野, 探测器与焦点等引入的误差＜2 %; (2)分辨力: 0.1 kV; (3)重复性:好于99.5 %; (4)长期稳定性: 2 %。

4.2.2 Time测量

(1) 不确定度: 2 %; (2)分辨力:1 ms。

kV计外形尺寸7.5 cm×17.5 cm×24 cm, 重约1.25kg, 携带方便。利用触摸键操作选择和设置测量参数及显示结果。液晶显示除了显示测量结果外, 还可显示测量状态、电池状况等信息。电源采用4节5号电池。

现kVp计在增加硅二极管和改善其能量响应后, 还可测量输出量和半值层, 将成为一种多功能放射诊断设备质量保证仪器。