非接入式X射線機管電壓測量儀測試和調(diào)整方法的研究

陸建榮 李詠雪 徐 桓 毛 巖

非接入式X射線機管電壓測量儀測試和調(diào)整方法的研究

陸建榮①李詠雪①徐 桓①毛 巖①

目的：為保證管電壓測量數(shù)據(jù)的精度，研究探討管電壓測量儀的測試和調(diào)整方法，實現(xiàn)非接入式管電壓測量儀的測量精度。方法：利用X射線發(fā)生裝置、高壓分壓箱、A/D轉(zhuǎn)換盒和計算機組成測試裝置，采用直接比較的方法，通過測量和計算得到非接入式管電壓測量儀調(diào)整的比例因子，并采用計算機程序通過USB接口對管電壓測量儀進行調(diào)整。結(jié)果：通過比較調(diào)整前后的測量誤差，可以看出調(diào)整后的測量誤差明顯減小。結(jié)論：管電壓測量儀的測試和調(diào)整方法能夠滿足非接入式管電壓測量儀測試的需要。

非接入式；管電壓測量；精度；調(diào)整方法；X射線機

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.

國家計量檢定規(guī)程JJG 744-2004“醫(yī)用診斷X射線輻射源檢定規(guī)程”和WS 76-2011“醫(yī)用常規(guī)X射線診斷設(shè)備影像質(zhì)量控制檢測規(guī)范”中均要求X射線診斷設(shè)備在安裝完畢或大修后應(yīng)進行驗收檢測，在用設(shè)備應(yīng)每年進行狀態(tài)檢測，其中管電壓是檢測程序中的一項重要參數(shù)[1-2]。

非接入式管電壓測量儀操作簡單，攜帶方便，測量精度高，因此在檢測過程中通常使用其作為管電壓測量儀器[3]。然而，非接入式管電壓測量儀采用半導(dǎo)體傳感器，存在器件特性的衰減，使用一段時間后檢測精度難以保證，只有通過調(diào)整來提高檢測精度[4]。為此，本研究根據(jù)非接入式管電壓測量儀的原理，提出對測量儀的調(diào)整方法，并對調(diào)整前后的測量誤差進行比較。

1 非接入式管電壓測量原理

X射線管產(chǎn)生的X射線由兩種光譜組成：①呈連續(xù)能譜的韌致輻射；②具有特定能量的特征X射線，也稱為標(biāo)識輻射，即X射線機所產(chǎn)生的光子波長和能量分布是不均勻的，由單能的特征輻射峰疊加在連續(xù)的韌致輻射譜上[5]。韌致輻射所產(chǎn)生的光子在靶面、高壓絕緣油、X射線管玻璃壁、出射窗和附加鋁片等濾過的作用下致使能譜發(fā)生改變，但是對于確定的管電壓和確定的濾過材料，將有唯一的X射線譜形與之對應(yīng)。

非接入式管電壓測量儀正是利用X射線譜的特點而設(shè)計制造，當(dāng)X射線照射到檢測傳感器時，其封裝的熒光材料可以產(chǎn)生可見光，半導(dǎo)體探測器再將光信號轉(zhuǎn)化為電信號，其感光結(jié)果將以電流形式向外電路輸出，再通過采樣并進行計算處理[6]。X射線經(jīng)兩個厚度不同的濾片衰減后在探測器上產(chǎn)生強度不同的兩路電流，兩路電流的比值與X射線管電壓值之間能夠找到一個確定的函數(shù)關(guān)系，根據(jù)測得的電流比反推出X射線機管電壓值。

X射線在物質(zhì)中的傳輸遵循指數(shù)衰減規(guī)律[7]以公式1表示：

式中I0(E)為入射X射線束強度；I(E)為穿過衰減物質(zhì)后的出射X射線束強度；μ(E)為材料的衰減系數(shù)，ρ 為衰減物質(zhì)的密度，d為穿透物質(zhì)的厚度。

當(dāng)X射線穿過材料相同，厚度分別為d1，d2的衰減物質(zhì)后，其出射X射線束強度為I1(E)，I2(E)則為公式2和公式3：

將公式(2)和公式(3)進行變換可以求出物質(zhì)衰減系數(shù)，即為公式4：

如果衰減材料純度高且密度均勻，d1，d2恒定，則μ(E)只與經(jīng)過不同衰減的出射X射線束強度I1(E)，I2(E)的比值有關(guān)。因此，可以通過測量出射X射線束的強度I1(E)，I2(E)，利用公式(4)來計算衰減系數(shù)μ(E)。

圖1 X射線μ(E)與光子能量的關(guān)系曲線圖

對于單能X射線，如果用鋁作為衰減物質(zhì)，μ(E)和光子的能量關(guān)系如圖1所示[8]。

經(jīng)過測量和計算得到μ(E)后，根據(jù)圖1縱坐標(biāo)對應(yīng)曲線位置，就能找出對應(yīng)的光子能量，估算出X射線管電壓，再經(jīng)過實際測量與調(diào)整則可以得到一定精度的X射線管電壓測量值。

2 非接入式管電壓測量儀測試裝置的組成及調(diào)整方法

管電壓調(diào)整裝置由X射線控制器、高壓發(fā)生器、X射線管、高壓分壓箱、A/D轉(zhuǎn)換電路、計算機及軟件組成，各部件的連接關(guān)系如圖2所示。

圖2 測試裝置的組成及原理圖

X射線控制器和高頻高壓發(fā)生器的作用是產(chǎn)生40～150 kV的高壓[9]；X射線管用來發(fā)射X射線，X射線經(jīng)過厚度為d1，d2的鋁片衰減，照射到傳感器上產(chǎn)生電流信號，經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換為數(shù)據(jù)，輸出到X射線多參數(shù)測量儀，經(jīng)計算得到管電壓示值[10]；高壓分壓箱、A/D轉(zhuǎn)換電路、計算機及高壓測量軟件用來測量高壓的標(biāo)準(zhǔn)值[11]。

非接入式管電壓測量儀的測試采用直接比較法，測試時對同一高壓源進行測量得到標(biāo)準(zhǔn)值和示值，將標(biāo)準(zhǔn)值與示值相比即為調(diào)整比例因子[12]。圖2顯示，高壓發(fā)生器產(chǎn)生的高壓分為兩路：一路通過高壓電纜與X射線管連接產(chǎn)生X射線，用于非接入式管電壓測量儀測量管電壓，得到管電壓的示值；另一路接入高壓分壓箱輸入端，高壓分壓器內(nèi)部有分壓電路，分壓比為10000∶1，分壓后的輸出連接A/D轉(zhuǎn)換電路，得到的數(shù)據(jù)通過電腦采集，再由計算機軟件計算結(jié)果。這一路測量得倒的數(shù)據(jù)可以分環(huán)節(jié)控制其溯源性，并進行不確定度分析，確定其包含區(qū)間限及包含因子，因此將其作為標(biāo)準(zhǔn)值[13]；最后用測量示值和標(biāo)準(zhǔn)值計算被測設(shè)備的測量誤差或比例因子[14]。測量時選擇12檔X射線機設(shè)置管電壓，分別為：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，然后根據(jù)X射線機設(shè)置管電壓選擇非接入式管電壓測量儀的量程，選取曝光參數(shù)，實施曝光，記錄管電壓的標(biāo)準(zhǔn)值和非接入式管電壓測量儀的測量示值，計算出比例因子，再通過USB接口及相應(yīng)軟件，將各測量點的比例因子輸入到非接入式管電壓測量儀中，即完成了調(diào)整工作[15]。

3 非接入式管電壓測量儀測試裝置的調(diào)整過程

調(diào)整過程依據(jù)“非接入式管電壓測量儀測試裝置的組成及調(diào)整方法”的內(nèi)容實現(xiàn)，以常用型號Barracuda測量儀為例[16]。

3.1 調(diào)整準(zhǔn)備

(1)打開X射線機，打開非接入式管電壓測量儀，打開環(huán)境溫度、氣壓及濕度測量儀。

(2)將傳感器置于X射線的光野中心，且與球管的水平中軸線垂直，調(diào)整光野大小，使光野略大于傳感器的敏感區(qū)域。將傳感器與X射線焦點的距離設(shè)定為70 cm，總過濾調(diào)整為3 mmAl。

(3)在計算機桌面上，雙擊HV-Ref軟件圖標(biāo)，打開高壓測量程序。

(4)觀察實驗室環(huán)境參數(shù)，如果溫度、濕度達(dá)不到測量要求，開啟相應(yīng)設(shè)備改變環(huán)境條件，直到滿足測試要求。

(5)設(shè)備預(yù)熱30 min。

3.2 數(shù)據(jù)測量

(1)設(shè)定曝光條件，將X射線機的管電流設(shè)定為80 mA，曝光時間設(shè)定為100 ms，管電壓為40～140 kV，每增加10 kV為一個測量點，145 kV為最高電壓測量點。

(2)每點曝光3次，分別記錄高壓測量軟件測得的標(biāo)準(zhǔn)值和非接入式測量儀測得的示值，并求取平均值。

表1 測量儀在調(diào)整前及調(diào)整后的測量誤差

(3)計算比例因子，測量軟件測得的標(biāo)準(zhǔn)值與測量儀測得的示值之比即為比例因子。

3.3 比例因子的輸入

(1)用USB連接線將非接入式測量儀的主機與電腦相連，打開電源開關(guān)。

(2)啟動管電壓調(diào)整程序(MPD&Piranha Calibration)，進入程序后點擊Start鍵開始，然后點擊Find Device，尋找到連接好的Barracuda硬件設(shè)備。

(3)管電壓調(diào)整。點擊Calibration圖標(biāo)，屏幕上會顯示一組管電壓參數(shù)，點擊對應(yīng)參數(shù)框，程序會自動彈出Edit Values對話框，有4個空格分別對應(yīng)高壓分壓箱測得的管電壓標(biāo)準(zhǔn)值、測量儀測量的管電壓示值及比例因子，然后點擊Save，最后點擊Close，即完成比例因子的輸入和測量儀的調(diào)整。

4 非接入式管電壓測量儀測試裝置調(diào)整后誤差比較

測量儀在調(diào)整前和調(diào)整后用相同的測量條件進行測量并計算測量誤差，測量結(jié)果見表1。

表1數(shù)據(jù)顯示，調(diào)整前最大的測量誤差為5.19%，已超出YY/T 0722-2009標(biāo)準(zhǔn)“醫(yī)用電器設(shè)備在診斷放射學(xué)中用于X射線管電壓非接入式測量的計量學(xué)儀器”中要求＜2%的要求，而調(diào)整后最大的誤差為1.13%；最小誤差為0.00，其余各測試點的誤差均保持在0.2%左右，因此調(diào)整后的測量誤差能夠滿足測量誤差的要求。

5 結(jié)論

本研究根據(jù)非接入式管電壓測量的原理設(shè)計了管電壓測量儀的測試裝置，提出減少測量誤差的調(diào)整方法，并對一臺非接入式管電壓測量儀進行了調(diào)整，最后比較調(diào)整前后的測量誤差，比較結(jié)果顯示：此調(diào)整方法可以有效減小測量誤差，但本方法在實際使用過程中也存在局限性，各電壓檔的調(diào)整比例因子需要通過軟件輸入到管電壓測量儀中，需生產(chǎn)廠商提供相應(yīng)軟件。此外，在測試中采用的X射線源是按照IEC 61267-2005產(chǎn)生的標(biāo)準(zhǔn)輻射質(zhì)，而在實際測量時，醫(yī)院的X射線機所產(chǎn)生的X射線并不完全滿足標(biāo)準(zhǔn)輻射質(zhì)的要求[17-18]。因此，對X射線機的測量值和測試時對標(biāo)準(zhǔn)輻射源的測量值之間也存在一定的誤差，此誤差因設(shè)備不同而不同，并且難以消除，需在實際測量時加以考慮。

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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

陸建榮，男，(1964- )，博士，高級工程師?？偤笮l(wèi)生部藥品儀器檢驗所放射儀器檢測室，從事大型設(shè)備檢測、X射線多參數(shù)測量儀校準(zhǔn)等工作。

1672-8270(2015)11-0037-04

R812

A

2015-06-26

①總后衛(wèi)生部藥品儀器檢驗所放射儀器檢測室 北京 100071