診斷水平X參考輻射質(zhì)的建立

袁杰 白雪 孫訓(xùn) 王遙/上海市測(cè)量測(cè)試技術(shù)研究院

0 引言

診斷水平劑量計(jì)是醫(yī)用X射線診斷設(shè)備質(zhì)控所用的關(guān)鍵儀器，國家計(jì)量校準(zhǔn)規(guī)范JJF 1621-2017《診斷水平劑量計(jì)校準(zhǔn)規(guī)范》規(guī)定了診斷水平劑量計(jì)校準(zhǔn)因子、能量響應(yīng)、重復(fù)性和穩(wěn)定性的校準(zhǔn)方法[1]。X射線機(jī)產(chǎn)生X射線的過程是陰極燈絲發(fā)射電子束，在高壓電場(chǎng)的加速下向陽極高速運(yùn)動(dòng)，在到達(dá)陽極靶的過程中由于靶原子核周圍電場(chǎng)的巨大減速而產(chǎn)生軔致輻射。X射線能譜受到X射線機(jī)管電壓、靶材料、過濾等因素的影響，通常用輻射質(zhì)表征X射線的能譜[2-5]。對(duì)于校準(zhǔn)診斷水平劑量計(jì)所用的X參考輻射，按照J(rèn)JF 1621-2017對(duì)于測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)的要求，需要建立兩種系列輻射質(zhì)，分別為非減弱束質(zhì)（RQR）以及用于CT的輻射質(zhì)（RQT）。

1 輻射質(zhì)要求

IEC 61267-2005《醫(yī)用診斷X射線 測(cè)量特性使用的輻射條件》以及JJF 1621-2017中均規(guī)定了RQR以及RQT系列輻射質(zhì)的第一半值層以及同質(zhì)系數(shù)，見表1和表2。

表1 RQR系列輻射質(zhì)

表2 RQT系列輻射質(zhì)

為獲得該系列輻射質(zhì)，對(duì)于過濾片的厚度以及材質(zhì)均有相應(yīng)的要求，過濾片的材料應(yīng)為純度不低于99.9%的純鋁，其厚度偏差應(yīng)不超過±0.01 mm。

2 試驗(yàn)方法

為獲得符合表1和表2中要求的輻射條件，按照IEC 61267-2005規(guī)定的測(cè)量方法，在上海市計(jì)量測(cè)試技術(shù)研究院電離輻射室的1臺(tái)MGC41型X射線機(jī)上，用純度為99.9%的鋁片，每片間隔不超過0.5 mm，測(cè)量其對(duì)應(yīng)的劑量率，測(cè)量足夠多的點(diǎn)，最終擬合成曲線。在曲線中找出一個(gè)點(diǎn)，使其加上對(duì)應(yīng)的第一半值層厚度后，劑量率剛好為該點(diǎn)的一半，將該點(diǎn)的橫坐標(biāo)暫定為所需要的過濾片厚度。再以同樣的方法計(jì)算對(duì)應(yīng)的第二半值層厚度和同質(zhì)系數(shù)，當(dāng)同時(shí)滿足第一、第二半值層厚度以及同質(zhì)系數(shù)時(shí)，該厚度即為所需過濾片厚度。

為此，用純鋁制作了一系列過濾片，厚度從0.5 mm開始，每間隔0.5 mm制作一片，最厚的一片為15 mm（規(guī)范中要求鋁片厚度上限應(yīng)為25 mm，因此，超出15 mm的過濾片由兩片鋁片疊合而成），過濾片的厚度由上海市計(jì)量測(cè)試技術(shù)研究院的長度標(biāo)準(zhǔn)裝置準(zhǔn)確測(cè)定。

測(cè)量所使用的半值層測(cè)量裝置由PTW公司Unidoswebline主機(jī)以及TK-30電離室組成，該電離室通過中國計(jì)量科學(xué)研究院以及德國聯(lián)邦物理技術(shù)研究院（PTB）的校準(zhǔn)，具有良好的能量響應(yīng)特性[6，7]。在X射線機(jī)上選定不同的電壓，依次更換不同厚度的過濾片，記錄測(cè)得的劑量率。通過估算，當(dāng)?shù)玫降臏y(cè)量結(jié)果足以覆蓋第一半值層以及第二半值層厚度時(shí)，結(jié)束測(cè)量。再選定下一個(gè)電壓繼續(xù)進(jìn)行測(cè)量，最終得到全部輻射質(zhì)的測(cè)量結(jié)果，進(jìn)行計(jì)算。

3 結(jié)果計(jì)算與分析

按照上述方法得到的衰減率測(cè)量結(jié)果見圖1。

圖1 不同能量的輻射質(zhì)測(cè)量結(jié)果

IEC 61267-2005中列出了一種較為簡(jiǎn)單的計(jì)算所需過濾片厚度的方法，但此種方法較為粗略，其中X軸為線性坐標(biāo)，參數(shù)為鋁片厚度，Y軸為對(duì)數(shù)坐標(biāo)，參數(shù)為衰減系數(shù)，曲線擬合為手動(dòng)擬合，所需過濾片厚度需在坐標(biāo)軸上測(cè)量得到。現(xiàn)在隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，可以使用較為簡(jiǎn)便的方式得到更準(zhǔn)確的結(jié)果。本文采用Python軟件進(jìn)行編程，通過三次樣條插值函數(shù)對(duì)測(cè)得的數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合，通過以0.01 mm為最小分度進(jìn)行運(yùn)算，得出不同能量的X射線達(dá)到要求時(shí)的第一半值層厚度以及同質(zhì)系數(shù)。具體程序見圖2。

圖2 計(jì)算程序

最終得到結(jié)果見表3。

表3 各輻射質(zhì)對(duì)應(yīng)過濾片厚度

據(jù)此，用純度為99.9%的純鋁材料加工制造所需厚度的鋁片，厚度偏差在±0.01 mm之間。逐次將不同厚度的鋁片設(shè)置在X射線機(jī)準(zhǔn)直口前，用半值層測(cè)量裝置測(cè)量第一半值層以及第二半值層厚度，結(jié)果見表4。輻射質(zhì)均符合IEC 61267-2005對(duì)于半值層的要求，即附加第一半值層的過濾片后，衰減系數(shù)在0.485～0.515之間，測(cè)量結(jié)果符合要求。

表4 輻射質(zhì)衰減系數(shù)測(cè)量結(jié)果

4 結(jié)語

按照J(rèn)JF 1621-2017對(duì)RQR以及RQT系列輻射質(zhì)的要求，參照IEC 61267-2005中關(guān)于輻射質(zhì)測(cè)量與計(jì)算的方法，確定純鋁過濾片厚度、建立的X參考輻射質(zhì)，試驗(yàn)驗(yàn)證結(jié)果符合JJF 1621-2017和IEC 61267-2005規(guī)定的技術(shù)要求。