基于IEC 61331標(biāo)準(zhǔn)的X射線防護(hù)服屏蔽性能測量研究

關(guān)鍵詞：X 射線防護(hù)服;窄射線束條件;鉛當(dāng)量

在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域，X 射線防護(hù)服能有效保護(hù)患者和醫(yī)護(hù)人員身體或重要器官的安全，避免不必要的輻射照射。鉛當(dāng)量大小作為衡量X 射線防護(hù)服屏蔽性能最重要的指標(biāo)之一，在防護(hù)服出廠前和使用中均需要進(jìn)行檢測。當(dāng)X 射線防護(hù)服出現(xiàn)損傷或裂縫等情況時(shí)，其防護(hù)能力會(huì)降低，此時(shí)的實(shí)際鉛當(dāng)量低于標(biāo)稱鉛當(dāng)量，若不加以評測，很難保證人員的有效防護(hù)。X 射線防護(hù)服廣義上分為分體套裙、防護(hù)圍裙和頸套等。早期針對X 射線防護(hù)服的屏蔽性能研究均是基于國際電工委員會(huì)（IEC） 61331-1：1997[1] 以及GBZ/ T 147—2002[2]等標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范，其X 射線參考輻射質(zhì)都是采用銅材料作為附加過濾。2018 年，Gabriel Bartal 等人[3]提出防護(hù)圍裙的標(biāo)簽和測試監(jiān)管非常寬松，并對X 射線防護(hù)服的衰減、測定方法和設(shè)計(jì)進(jìn)行研究，幫助人們了解X 射線防護(hù)服的區(qū)別以及如何選擇X 射線防護(hù)服。然而，X 射線防護(hù)服長期使用后易出現(xiàn)裂縫和撕裂，目前對X 射線防護(hù)服完整性的研究相對缺乏[4] 。2018—2021 年期間，Kellens等人[4] 對一家大型綜合醫(yī)院的1 011 件個(gè)人防護(hù)設(shè)備進(jìn)行了逐年評估，得出個(gè)人防護(hù)設(shè)備容易出現(xiàn)裂縫，其中高達(dá)50%的個(gè)人防護(hù)設(shè)備出現(xiàn)撕裂和裂縫，導(dǎo)致31%的產(chǎn)品不合格，新購買的個(gè)人防護(hù)設(shè)備也不能保證在使用的第一年不出現(xiàn)裂縫和撕裂的情況。2014 年，王昕等人[5] 對防護(hù)圍裙、防護(hù)手套以及鉛玻璃板等防護(hù)材料和個(gè)人防護(hù)產(chǎn)品進(jìn)行檢測分析，得到檢測樣品的屏蔽性能大部分達(dá)到或超過相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的要求。2020 年，歐向明等人[6] 研究了含鉛和無鉛兩種防護(hù)服的衰減性能和防護(hù)效果，得到同等標(biāo)稱鉛當(dāng)量情況下，無鉛防護(hù)服的防護(hù)效果更好。2021 年，張璇等人[7] 對X 射線防護(hù)服的檢測方法現(xiàn)狀進(jìn)行了研究，其中國內(nèi)外檢測與評價(jià)方法主要有屏蔽透射系數(shù)、缺陷檢測和均勻性檢測，且國內(nèi)對于防護(hù)服在使用中的檢測尚未形成統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)。

基于以上分析，根據(jù)IEC 61331-1 標(biāo)準(zhǔn)，選取不同醫(yī)院的大衣、分體套裙、防護(hù)圍裙和頸套等X射線防護(hù)服進(jìn)行鉛當(dāng)量測量，探究實(shí)際鉛當(dāng)量與標(biāo)稱鉛當(dāng)量的差異，同時(shí)基于數(shù)字X 射線攝影技術(shù)（DR）和鉛當(dāng)量測量方法，研究X 射線防護(hù)服缺陷處鉛當(dāng)量與無缺陷處鉛當(dāng)量的差異。

1 鉛當(dāng)量測量原理

X 射線防護(hù)服的防護(hù)性能通常用鉛當(dāng)量來表示，鉛當(dāng)量是指當(dāng)某一厚度的屏蔽材料達(dá)到與一定厚度鉛的屏蔽效果相同時(shí)，這時(shí)鉛的厚度就是這種材料在自身厚度下的鉛當(dāng)量[8] ，通常用mmPb表示。針對X 射線防護(hù)服的鉛當(dāng)量測量，首先選取純度為99. 99%的標(biāo)準(zhǔn)鉛片，測量不同能量下的射線衰減率，得到不同厚度的標(biāo)準(zhǔn)鉛片與衰減率的擬合曲線。然后測量X 射線防護(hù)服的衰減率，根據(jù)衰減率的大小插值到擬合曲線相應(yīng)位置，得到對應(yīng)的鉛當(dāng)量。

根據(jù)國際電工委員會(huì)的標(biāo)準(zhǔn)IEC 61331-1：2014[9] 和醫(yī)藥行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)YY/ T 0292. 1—2020[10] 推薦的窄射線束條件對X 射線防護(hù)服的鉛當(dāng)量進(jìn)行測量，窄射線束條件如圖1 所示。

窄射線束條件要求從測試對象到光束軸上的輻射探測器中心的距離a 應(yīng)不小于探測器的直徑d 或測試對象的遠(yuǎn)端表面的輻射線束直徑t 的10倍，其中d 和t 取二者最大值。在窄射線束條件下，電離室處于均勻輻射野中心，被X 射線全部覆蓋，均勻照射。

窄射線束條件是被用來測量不考慮散射的輻射和熒光情況下的衰減特性，可用衰減率來表示[8] ，在窄射線束條件下測得的衰減率為FN，計(jì)算公式如下：

式中，K·0 表示在輻射線束中沒有試驗(yàn)對象的空氣比釋動(dòng)能率，Gy/ h;K·B 表示在輻射線束中用一片形狀相同且衰減率大于105 的材料代替實(shí)驗(yàn)對象的空氣比釋動(dòng)能率，Gy/ h;K·1 表示在輻射線束中有實(shí)驗(yàn)對象的空氣比釋動(dòng)能率，Gy/ h。

2 實(shí)驗(yàn)裝置

2. 1 X 射線光機(jī)和探測器

本文采用的X 射線光機(jī)型號為COMET MXR-320/26，靶材為鎢靶，靶角為20°， 固有過濾為3 mmBe。采用2 個(gè)160 kV、45 kHz 高頻發(fā)生器提供高壓，型號為Gulmay GX160，管電壓調(diào)節(jié)范圍為10～ 320 kV。探測器采用IEC 推薦的TW 34069（德國PTW 公司）標(biāo)準(zhǔn)電離室及其劑量儀（型號為PTW UNIDOS），電離室靈敏體積為6 cm3，直徑為30. 4 mm，該電離室在測量前經(jīng)過校準(zhǔn)溯源[11] ，在120 kV 條件下校準(zhǔn)因子為2. 468×106 Gy/ C，擴(kuò)展不確定度為2. 0%（k =2）。

X 射線輻射質(zhì)由總過濾決定，總過濾包括固有過濾和附加過濾。固有過濾主要是為了讓光管形成真空條件，同時(shí)吸收X 射線束通過X 射線管時(shí)的低能量部分，這種吸收發(fā)生在X 射線管的油、玻璃、窗等部分，是由光機(jī)自身的特性所決定的。附加過濾的作用是調(diào)整過濾X 射線能譜分布，得到需要的輻射質(zhì)。2014 年以前，IEC 規(guī)定Cu 作為測量防護(hù)材料的附加過濾。2014 年，IEC 更新了標(biāo)準(zhǔn)“Protective devices against diagnostic medicalX-radiation”（IEC 61331-1：2014）[9] ，其中附加過濾材料Cu 被Al 代替。本次實(shí)驗(yàn)是在中國計(jì)量科學(xué)研究院建立的X 射線鉛當(dāng)量參考輻射質(zhì)下進(jìn)行[12] ，實(shí)驗(yàn)測量管電壓為120 kV。

由于X 射線防護(hù)服隨著使用年限的增長和保管不當(dāng)?shù)仍颍赡軙?huì)造成X 射線防護(hù)服出現(xiàn)破損。而這些破損發(fā)生在防護(hù)服的鉛層內(nèi)，無法直接目視觀測。針對X 射線防護(hù)服的缺陷檢測，采用DR 掃描，實(shí)驗(yàn)中DR 掃描的管電壓140 kV，管電流36 μA。

2. 2 X 射線防護(hù)服

本次實(shí)驗(yàn)測量來自不同醫(yī)院的46 件X 射線防護(hù)服，有大衣、分體套裙、防護(hù)圍裙和頸套等種類，其中分體套裙由上衣和圍裙構(gòu)成。根據(jù)GBZ/T 147—2002[2] 中規(guī)定，出廠的X 射線防護(hù)材料應(yīng)標(biāo)明其標(biāo)稱鉛當(dāng)量和非均勻性，并用X 射線管電壓和總過濾表示線質(zhì)。同時(shí)GBZ 130—2020[13] 中規(guī)定防護(hù)服標(biāo)簽上應(yīng)清晰而永久性的標(biāo)記鉛當(dāng)量和管電壓。因此，可以通過標(biāo)簽獲取X 射線防護(hù)服的標(biāo)稱管電壓和鉛當(dāng)量信息，統(tǒng)計(jì)發(fā)現(xiàn)絕大多數(shù)的防護(hù)服的標(biāo)稱管電壓為120 kV。同時(shí)發(fā)現(xiàn)一些防護(hù)服未標(biāo)明標(biāo)稱管電壓，以及防護(hù)服的標(biāo)簽?zāi)：裏o法讀取相關(guān)信息，通過詢問提供防護(hù)服的單位來獲知標(biāo)稱鉛當(dāng)量和管電壓，最終測試的管電壓為120 kV。試驗(yàn)測量的防護(hù)服使用年限及標(biāo)簽情況列于表1。

3 結(jié)果與討論

3. 1 鉛當(dāng)量測量結(jié)果

實(shí)驗(yàn)對46 件X 射線防護(hù)服進(jìn)行全面的DR 掃描，掃描過程中發(fā)現(xiàn)缺陷，則標(biāo)記出缺陷位置與類型。X 射線防護(hù)服的無缺陷處使用窄射線束條件進(jìn)行鉛當(dāng)量測量，將測得的鉛當(dāng)量與X 射線防護(hù)服標(biāo)稱鉛當(dāng)量進(jìn)行對比分析。由于含鉛X 射線防護(hù)服普遍較大且較重，為了更好地固定和支撐，設(shè)計(jì)加工了一個(gè)測量支架，如圖2 所示，支架底部采用了滑輪設(shè)計(jì)，可以實(shí)現(xiàn)不同位置的移動(dòng)，同時(shí)最上方安裝了一個(gè)可上下調(diào)節(jié)的衣架，用于懸掛防護(hù)服，還可通過滑輪B 進(jìn)行左右移動(dòng)，另考慮到測量過程中防護(hù)服出現(xiàn)褶皺以及針對防護(hù)服前后測量需求，在四周還額外增加了4 個(gè)夾具，用于輔助防護(hù)服展平和定位。

X 射線防護(hù)服懸掛于測量支架上，移動(dòng)支架以及調(diào)節(jié)防護(hù)服的位置使測量點(diǎn)與光闌中心保持在同一條直線上。不同種類的X 射線防護(hù)服的鉛當(dāng)量測量結(jié)果列于表2～表4。由表2 可知，大衣4 的測量鉛當(dāng)量與標(biāo)稱鉛當(dāng)量相對偏差最大為-14. 3%。從表1 可知，大衣4 的標(biāo)簽?zāi)：磺澹治稣J(rèn)為大衣4 的標(biāo)稱鉛當(dāng)量可能存在錯(cuò)誤，從而導(dǎo)致相對偏差較大。另外由于該防護(hù)服是連體服飾，無法平鋪展開，所以不能進(jìn)行DR 掃描，因此無法確定防護(hù)服測量位置是否存在缺陷，若存在缺陷，則可能使測量的鉛當(dāng)量偏低。

從表3 中可以看出，上衣2、上衣3、圍裙1 和圍裙2 的標(biāo)稱鉛當(dāng)量與測量鉛當(dāng)量相對偏差較大，其中上衣3 最大，為-40. 0%。4 件X 射線防護(hù)服屬于同一單位的兩套分體套裙，且標(biāo)簽?zāi)：磺?，詢問得知的?biāo)稱鉛當(dāng)量不一定準(zhǔn)確，因此可能是標(biāo)稱鉛當(dāng)量錯(cuò)誤導(dǎo)致偏差較大。同時(shí)，4 件防護(hù)服通過DR 掃描發(fā)現(xiàn)鉛層出現(xiàn)大面積損傷，鉛當(dāng)量測量位置的鉛層不能保證完全無損傷，若存在損傷，則可能導(dǎo)致測量的鉛當(dāng)量偏低。

從表4 中可以看出，頸套2 和頸套3 的標(biāo)稱鉛當(dāng)量與測量鉛當(dāng)量相對偏差較大。這兩件頸套與表3 中的上衣2、上衣3、圍裙1 和圍裙2 同屬于兩套分體套裙，因此鉛當(dāng)量相對偏差偏大與上述原因相同。

測量X 射線防護(hù)服的鉛當(dāng)量過程中，需要考慮測量結(jié)果的不確定度，經(jīng)過評定，當(dāng)測量值比標(biāo)稱值低5. 4%以上時(shí)，認(rèn)為該防護(hù)服的實(shí)際鉛當(dāng)量值達(dá)不到標(biāo)稱鉛當(dāng)量。經(jīng)過計(jì)算，不同類型防護(hù)服的總數(shù)和實(shí)際鉛當(dāng)量達(dá)到標(biāo)稱鉛當(dāng)量的樣品數(shù)如圖3 所示。

從圖3 中可以看到，大部分的X 射線防護(hù)服測量鉛當(dāng)量能夠達(dá)到標(biāo)稱鉛當(dāng)量，其達(dá)標(biāo)率為67%。樣品中有7 件防護(hù)服標(biāo)簽?zāi)：?，鉛當(dāng)量測量值與標(biāo)稱值相對偏差較大，因其標(biāo)稱鉛當(dāng)量可能錯(cuò)誤，排除這部分防護(hù)服后，達(dá)標(biāo)率為72%。

3. 2 缺陷處鉛當(dāng)量測量結(jié)果

X 射線防護(hù)服缺陷處的鉛當(dāng)量測量，首先需要確定缺陷位置，通過DR 掃描X 射線防護(hù)服來確定缺陷類型和位置，掃描到的防護(hù)服鉛層裂縫、不均勻和針孔等缺陷情況如圖4 所示。

掃描到防護(hù)服的缺陷后，將其進(jìn)行標(biāo)記。在測量防護(hù)服缺陷處鉛當(dāng)量時(shí)，將X 射線防護(hù)服缺陷的位置對準(zhǔn)光闌，然后調(diào)節(jié)防護(hù)服支架使缺陷標(biāo)記點(diǎn)位于光闌中心， 保證缺陷位置能夠得到測量。

表5 列出了管電壓120 kV 時(shí)4 種X 射線防護(hù)服缺陷和無缺陷處的鉛當(dāng)量，可以看出缺陷處的防護(hù)服鉛當(dāng)量出現(xiàn)降低，相比無缺陷處鉛當(dāng)量降低了約10%～21%。其中鉛層不均勻和裂縫是較為常見的缺陷，因?yàn)閄 射線防護(hù)服隨著使用時(shí)間的增加和保管不當(dāng)?shù)仍颍珉S手折疊、隨意搭放等情況，導(dǎo)致防護(hù)服內(nèi)部的屏蔽材料發(fā)生較大程度的扭曲或折痕，造成防護(hù)服的鉛層損傷。而且X 射線防護(hù)服作為一種服飾，無法由一塊材料直接制成，這就會(huì)造成幾塊材料連接出現(xiàn)縫隙。其中頸套是保護(hù)甲狀腺器官的重要防護(hù)設(shè)備，一般由上下兩塊相同材料組合而成，連接處的縫隙可能會(huì)導(dǎo)致鉛當(dāng)量的降低。同時(shí)一些X 射線防護(hù)服胸包處的針孔穿透了鉛層，導(dǎo)致該處的鉛當(dāng)量降低。防護(hù)服在實(shí)際使用過程中，醫(yī)護(hù)人員一般長時(shí)間直立穿戴，而患者一般都是處于平躺狀態(tài)，本次實(shí)驗(yàn)在豎直情況下對防護(hù)服缺陷處鉛當(dāng)量進(jìn)行測量，實(shí)驗(yàn)中一些缺陷的測量可能會(huì)出現(xiàn)結(jié)果異常，如防護(hù)服的縫隙缺陷在水平情況下出現(xiàn)，在豎直情況下出現(xiàn)閉合，從而使測量鉛當(dāng)量結(jié)果與完好處相差不大，影響測量結(jié)果。

4 結(jié)論

本文根據(jù)IEC 61331-1：2014 標(biāo)準(zhǔn)，建立窄射線束X 射線鉛當(dāng)量測量條件，對X 射線防護(hù)服的鉛當(dāng)量進(jìn)行測量，將測量的鉛當(dāng)量與標(biāo)稱鉛當(dāng)量進(jìn)行對比分析，結(jié)果表明大多數(shù)的X 射線防護(hù)服實(shí)際鉛當(dāng)量能夠達(dá)到標(biāo)稱鉛當(dāng)量。同時(shí)對X 射線防護(hù)服缺陷處與無缺陷處的鉛當(dāng)量測量結(jié)果進(jìn)行比較，發(fā)現(xiàn)防護(hù)服各種缺陷處的鉛當(dāng)量都存在不同程度的降低。本文的測量結(jié)果在一定程度上反映了X 射線防護(hù)服定期進(jìn)行屏蔽性能檢測的重要性，但仍存在一定的不足，主要表現(xiàn)在：（1）選取的樣本數(shù)不夠，尤其是不同廠家、不同型號和不同類型的X 射線防護(hù)服的數(shù)量不夠，測量結(jié)果不能代表目前市場整體的實(shí)際狀況，僅是方法上的研究和驗(yàn)證。（2）關(guān)于防護(hù)服的參數(shù)獲取不夠準(zhǔn)確和全面，基本上都是通過銘牌標(biāo)簽以及使用單位提供的信息，在標(biāo)簽?zāi)：臈l件下就無法進(jìn)行準(zhǔn)確區(qū)分。（3）針對醫(yī)護(hù)人員和患者使用的防護(hù)服，無法很好的區(qū)分，這對于后期缺陷評價(jià)的來源有一定的困難。

針對本文的研究，未來可在以下方面進(jìn)一步完善和改進(jìn)：（1）繼續(xù)完善鉛當(dāng)量測量方法，對于不宜豎直放置測量的場景，需要改變測量方向，滿足水平測量的要求。（2）繼續(xù)跟蹤和調(diào)研更多的X 射線防護(hù)服，在條件允許的前提下從防護(hù)服的出廠一直到醫(yī)院使用，全流程跟蹤和定期測量，這樣可以得到更加全面的評價(jià)。（3）針對不同缺陷類型，繼續(xù)加強(qiáng)樣本的采集，建立缺陷數(shù)據(jù)庫，為X 射線防護(hù)服的使用單位提供更多完整的數(shù)據(jù)，使他們對X 射線防護(hù)服的使用有著合理的判斷。