王 偉 張 建* 寧 靜

診斷X射線劑量檢測儀的研制*

王 偉①張 建①*寧 靜①

目的：研制一款用于測量診斷X射線裝置輻射輸出量、輸出量率的劑量檢測儀。方法：選用高靈敏PIN結(jié)半導(dǎo)體探測器，通過附加一定厚度鋁片和噴涂金屬粉末的塑料聯(lián)合補(bǔ)償材料，改善探測器在診斷X射線能量范圍內(nèi)的能量響應(yīng)?；跀?shù)字單片機(jī)技術(shù)的設(shè)計(jì)，以高速C8051F310微控制器內(nèi)核作為控制系統(tǒng)的前置放大電路及微功耗高速A/D轉(zhuǎn)換電路，以RS232接口進(jìn)行通訊，上位機(jī)軟件基于Windows操作系統(tǒng)，使用VC++語言編寫。結(jié)果：探測器的能量響應(yīng)好于5%(70～150 kV)，測量精確度為±0.071%(SD)，穩(wěn)定度為±0.18%(SD)。結(jié)論：該診斷X射線劑量儀體積小，全數(shù)字化，靈敏度高，測量范圍寬，性能指標(biāo)達(dá)到國家標(biāo)準(zhǔn)要求，可用于診斷X射線裝置常規(guī)計(jì)量測量與質(zhì)量保證。

診斷X射線；劑量儀；PIN硅光二極管；半導(dǎo)體探測器

[First-author’s address] Institute of Radiation Medicine Academy of Military Medical Sciences, Beijing 100850, China.

診斷X射線成像檢查是醫(yī)院用于臨床診斷的常用手段。統(tǒng)計(jì)表明，我國公眾接受人工電離輻射的最大來源是診斷X射線的照射，尤其是隨著CT成像技術(shù)的迅猛發(fā)展，多層螺旋CT的廣泛應(yīng)用給臨床帶來更多診斷信息的同時(shí)，輻射劑量的準(zhǔn)確性及輻射安全問題開始受到了人們的普遍關(guān)注。

依據(jù)國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 19629-2005/IEC 61674：1997“X射線診斷影像中使用的電離室和(或)半導(dǎo)體探測器劑量計(jì)”的要求[1]，本研究論證選用新型PIN硅光二極管作為輻射探測器，研制出一款適用于診斷X射線裝置輻射特性的劑量檢測儀，單獨(dú)使用或與其他質(zhì)量控制檢測工具同時(shí)使用其開展醫(yī)用診斷X射線裝置計(jì)量測試與質(zhì)量保證工作。

1 診斷X射線劑量儀測量原理

半導(dǎo)體探測器是于20世紀(jì)60年代以來迅速發(fā)展起來的新型射線探測器，其工作原理與普通氣體電離室近似，當(dāng)光子或帶電粒子入射到探測器的靈敏區(qū)域時(shí)，通過與本征硅相互作用損失部分或全部能量，引起本征層內(nèi)的價(jià)電子躍遷，在靈敏區(qū)域產(chǎn)生電子－空穴對，在內(nèi)建電場的作用下自由電子和空穴分別向硅光電二極管的N極和P極漂移而形成信號(hào)電流，通過對信號(hào)電流的測量實(shí)現(xiàn)劑量的測量，因此而被稱為“固體電離室”[2-3]。

1.1 PIN硅光電二極管

半導(dǎo)體探測器具有靈敏度高、體積小以及對不同類型的入射粒子均能保持良好的線性響應(yīng)等優(yōu)點(diǎn)，PIN半導(dǎo)體探測器以高純硅為原材料制成的本征半導(dǎo)體，既具有較寬的耗盡層，同時(shí)又具有較大的電阻率，克服了暗電流過大的問題，同時(shí)可作為X射線劑量率測量的探測器，且無需像Ge(Li)探測器一樣低溫保存和使用。PIN型硅光電二極管是其中最常用的一種可直接用于X射線或γ射線探測的產(chǎn)品。

本研究研制的X射線計(jì)量檢測系統(tǒng)選用芬蘭地太公司硅光電二極管XRB100s-CB380，該探測器靈敏區(qū)域面積為1 cm2，厚度為380 μm，光譜響應(yīng)范圍為300～1100 nm，無偏壓模式下暗電流約為10～20 pA，采用陶瓷封裝形式并在表面覆蓋一層阻光型的環(huán)氧樹脂窗材料，以消除可見光的影響。

1.2 能量響應(yīng)

通常使用的電離室探測器是由空氣等效材料(或組織等效材料)制成，其能量響應(yīng)基本與空氣的能量響應(yīng)相同[4]。而硅的原子序數(shù)(14)與空氣的等效原子序數(shù)相差較大，因而其響應(yīng)隨能量的變化與空氣的能響相差較大，特別是能量＜100 keV的能區(qū)，差別可達(dá)7～8倍之多。因此，如果不對半導(dǎo)體探測器進(jìn)行能響補(bǔ)償，在低能區(qū)測量的結(jié)果可能比電離室高出數(shù)倍[5]。通過Monte-Carlo計(jì)算，本系統(tǒng)通過附加一定厚度鋁片和噴涂金屬粉末的塑料形成聯(lián)合補(bǔ)償材料，改善了探測器能量響應(yīng)，滿足了測量診斷X射線能量響應(yīng)要求[6]。

2 診斷X射線劑量儀系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

本系統(tǒng)由硬件設(shè)計(jì)和軟件結(jié)構(gòu)所組成，其測量系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

圖1 測量系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

2.1 硬件設(shè)計(jì)

(1)放大電路設(shè)計(jì)。PIN硅光電二極管接受X射線照射，電流輸出僅為nA量級(jí)。為保證測量精度，系統(tǒng)的電流分辨率至少需要達(dá)到0.1 nA，要精確測量如此小的電流必須使用電流放大方法，將電流信號(hào)轉(zhuǎn)換為幅度較高的電壓信號(hào)或頻率信號(hào)進(jìn)行測量。系統(tǒng)選用跨阻放大電路將輸入電流轉(zhuǎn)換為運(yùn)放的輸出電壓，利用后接的A/D變換器測量電壓信號(hào)，再計(jì)算出電流[7-8]。該電路的優(yōu)點(diǎn)是實(shí)時(shí)性好，適用于測量快速變化的大電流信號(hào)且電路簡單，但對噪聲干擾非常敏感。本系統(tǒng)選用TI公司的TLC4501，其輸入偏置電流為1 pA；自動(dòng)校準(zhǔn)的輸入失調(diào)電壓＜40 μV；輸入失調(diào)電壓漂移＜1 μV/℃；開環(huán)增益＞120 dB，共模抑制比為100 dB。為適應(yīng)實(shí)際測量中對不同量程的要求，系統(tǒng)選用美信公司MAX4614 4路CMOS模擬開關(guān)控制放大電路的放大倍數(shù)。模擬開關(guān)要求導(dǎo)通電阻小，關(guān)斷時(shí)漏電流小，導(dǎo)通電阻在整個(gè)信號(hào)范圍內(nèi)變化小。探測器在X光照射下產(chǎn)生反向電流Is，該電流流過R2和R1后在輸出端形成正輸出電壓。小信號(hào)時(shí)模擬開關(guān)IC5A不導(dǎo)通，輸出電壓為Uo=Is(R1＋R2)；大信號(hào)時(shí)模擬開關(guān)導(dǎo)通，輸出電壓為Uo=Is(R1＋Ron)，其中Ron是模擬開關(guān)的導(dǎo)通電阻(近似為零)(如圖2所示)。

圖2 跨阻放大電路示意圖

按圖中所選電阻值，兩檔量程是2.5 μA和250 μA，相差100倍，小信號(hào)檔可以檢測到nA級(jí)電流信號(hào)，可以滿足診斷X射線機(jī)的測量要求。放大電路如圖3所示。

圖3 放大電路圖

(2)模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換電路。本系統(tǒng)選用美國Burr-Brown公司生產(chǎn)的ADS8320串行16位微功耗高速A/D轉(zhuǎn)換器。非常適合于便攜式電池供電系統(tǒng)的使用，其主要特性為：①采樣頻率最高可達(dá)100 kHz；②積分非線性誤差＜(±0.018%)SFR；③零位偏差＜2 mV，漂移＜3 μV/℃；④增益誤差＜0.05%；⑤噪聲＜20 μV(rms)；⑥參考電壓范圍0.5～5 V；⑦電源電壓2.7～5.25 V。采用串行輸出的AD轉(zhuǎn)換電路可以減少單片機(jī)的I/O線，降低印制板的布線難度，降低干擾，增強(qiáng)系統(tǒng)的可靠性(如圖4所示)。

圖4 模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換電路

A/D轉(zhuǎn)換過程：①ADS8320與微處理器采用同步3線串行接口進(jìn)行通信，當(dāng)CS/SHDN端從高電平變?yōu)榈碗娖?下降沿)時(shí)，芯片的整個(gè)轉(zhuǎn)換和數(shù)據(jù)傳輸過程被初始化，DCLOCK端的最初4.5～5個(gè)時(shí)鐘脈沖用于對輸入模擬信號(hào)的采樣，此時(shí)DOUT端處于高阻態(tài)；②在隨后的DCLOCK下降沿，DOUT端將輸出一個(gè)可持續(xù)1個(gè)脈沖周期的低電平信號(hào)，以作為將要輸出A/D轉(zhuǎn)換結(jié)果的標(biāo)志；③緊接著在16個(gè)DCLOCK的控制下，從最高位到最低位依次由DOUT輸出16位轉(zhuǎn)換結(jié)果。

(3)單片機(jī)控制系統(tǒng)。單片機(jī)電路是整個(gè)系統(tǒng)的核心，其主要功能是根據(jù)計(jì)算機(jī)的指令選擇放大器的增益，設(shè)置采樣頻率和時(shí)間，啟動(dòng)A/D轉(zhuǎn)換，存儲(chǔ)測量數(shù)據(jù)，通過串口RS-232輸出數(shù)據(jù)到上位機(jī)[9]。本系統(tǒng)選用SILICON LABORATORIES公司的C8051F310高速單片機(jī)，其主要特性為：①高速8051微控制器內(nèi)核，速度可達(dá)25 MIPS(時(shí)鐘頻率為25 MHz時(shí))；②1280字節(jié)內(nèi)部數(shù)據(jù)RAM；③16 KB程序FLASH存儲(chǔ)器；④29個(gè)端口I/O，所有口線均耐5 V電壓；⑤硬件增強(qiáng)型UART和SPI串口；⑥4個(gè)通用16位計(jì)數(shù)器和(或)定時(shí)器；⑦供電電壓為2.7～3.6 V；⑧典型工作電流為5 mA；⑨典型停機(jī)電流為0.1μA；⑩工業(yè)級(jí)工作溫度范圍-40～85 ℃。單片機(jī)控制系統(tǒng)電路如圖5所示。

圖5 單片機(jī)控制系統(tǒng)電路圖

圖5 顯示，單片機(jī)控制系統(tǒng)電路中P1.4～P1.7用于控制模擬開關(guān)選擇信號(hào)放大器的增益；P2.4～P2.7接受A/D轉(zhuǎn)換的采樣數(shù)據(jù)；P2.2用于4個(gè)AD芯片的轉(zhuǎn)換片選和轉(zhuǎn)換啟動(dòng)信號(hào)；P2.3為4個(gè)AD芯片提供時(shí)鐘信號(hào)；SPI接口用于與存儲(chǔ)器的接口，使用的管腳包括P0.6提供時(shí)鐘信號(hào)；P0.7提供MISO信號(hào)；P1.0提供MOSI信號(hào)；P1.1作為存儲(chǔ)芯片的片選信號(hào)；P0.4和P0.5為發(fā)送或接收串行信號(hào)。

(4)其他部分硬件設(shè)計(jì)。系統(tǒng)選用Ramtron公司SPI接口的鐵電存儲(chǔ)器FM25L256作為數(shù)據(jù)存儲(chǔ)。其主要特性：①32(K)×8位非易失存儲(chǔ)器，數(shù)據(jù)保存時(shí)間可達(dá)10年；②無限次讀寫、無延時(shí)的寫入操作；③低功耗，2.7～3.6 V供電，1 μA的待機(jī)電流。電源部分由AS1117-3.3和AS1117-5產(chǎn)生3.3 V和5 V兩種電壓，分別供給控制系統(tǒng)和A/D轉(zhuǎn)換以及放大電路工作。

2.2 軟件結(jié)構(gòu)

本系統(tǒng)軟件分為下位機(jī)(數(shù)據(jù)采集系統(tǒng))和上位機(jī)(PC應(yīng)用程序)兩部分，下位機(jī)軟件主要完成劑量探測器輸出信號(hào)的在線測量及簡單處理，通過R232串行接口將數(shù)據(jù)傳給上位機(jī)作進(jìn)一步的分析處理[10]。下位機(jī)系統(tǒng)軟件控制各硬件模塊的工作，完成探測器信號(hào)的采集和上傳，如圖6所示。

上位機(jī)軟件基于Windows操作系統(tǒng)，使用VC++語言編寫，其軟件主要用于設(shè)置采集參數(shù)、控制主機(jī)工作狀態(tài)、數(shù)據(jù)讀取及處理、實(shí)時(shí)顯示以及相應(yīng)的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)操作。微控制器通過RS232串行接口上傳探測器數(shù)據(jù)，系統(tǒng)使用VC的Winsock接口函數(shù)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的讀??；數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)顯示通過MFC的文檔－視窗類接口實(shí)現(xiàn)。

圖6 下位機(jī)主程序流程圖

3 診斷X射線劑量儀主要技術(shù)特性

3.1 能量響應(yīng)特性

在診斷水平參考束輻射場中的不同輻射線質(zhì)條件下[11-12]，劑量儀讀數(shù)與標(biāo)準(zhǔn)劑量儀讀數(shù)的測量結(jié)果見表1。

表1 半導(dǎo)體劑量探測器能量響應(yīng)

RQR3條件下響應(yīng)偏高，考慮到劑量儀使用的范圍多在70 kV以上，其余能量段的能量響應(yīng)好于5%，達(dá)到IEC 61267標(biāo)準(zhǔn)和國家標(biāo)準(zhǔn)[1，12](如圖7所示)。

表2 劑量儀測量的精密度和穩(wěn)定性

表3 劑量儀方向響應(yīng)特性

圖7 附加過濾補(bǔ)償后探測器能量響應(yīng)曲線

4 結(jié)語

3.2 劑量率線性通過改變X射線機(jī)管電流以及曝光時(shí)間兩種方式獲得不同劑量率。在0.0786～140 mGy/s測量范圍內(nèi)，儀器的線性相關(guān)系數(shù)r2分別是0.999987和0.999992，半導(dǎo)體劑量儀的線性性能良好。

3.3 重復(fù)性在RQR5和RQR9能量規(guī)范條件下，設(shè)定曝光條件為20 mAs，重復(fù)測量10次，測量值標(biāo)準(zhǔn)差分別為0.00049和0.000831，重復(fù)性分別為0.0395%和0.0398%。

3.4 精密度與穩(wěn)定性采取測量位置不變、相同曝光條件下在不同時(shí)間點(diǎn)進(jìn)行重復(fù)測量，計(jì)算劑量儀測量的精密度和穩(wěn)定性。整機(jī)連續(xù)運(yùn)行狀態(tài)7 h，每1 h測量讀數(shù)一次，以考察整機(jī)長時(shí)間工作的穩(wěn)定性，整機(jī)測量的精密度為±0.071%，穩(wěn)定性為±0.18%，其測量結(jié)果見表2。

3.5 方向響應(yīng)劑量儀方向響應(yīng)特性是在FDD=100 cm，RQR5(70 kV，HVL=2.5 mmAl)規(guī)范條件下完成[13]。輻射入射角正面入射方向?yàn)?o，側(cè)面入射方向?yàn)?0o，背面入射方向?yàn)?80o，在相同條件下測量不同角度的讀數(shù)與0o測量值歸一，其結(jié)果見表3。表3顯示，探測器存在著較大的方向依賴特性。然而，在實(shí)際測量中探測器會(huì)固定在較好的射線入射幾何條件下，因而該參數(shù)不是此種劑量儀的重要指標(biāo)。

基于新型PIN硅光二極管半導(dǎo)體作為探測器，結(jié)合微處理機(jī)技術(shù)，本研究設(shè)計(jì)研發(fā)的診斷X射線劑量儀具有體積小、靈敏度高、測量響應(yīng)時(shí)間快、測量范圍寬及漏電流小等優(yōu)點(diǎn)，且不需氣壓和溫度修正高壓及偏壓。經(jīng)過初步測試，使用簡便，性能指標(biāo)達(dá)到國家標(biāo)準(zhǔn)要求。該劑量儀的研制將推動(dòng)診斷X射線裝置性能檢測水平的提高，促進(jìn)診斷X射線影像質(zhì)量保證的全面實(shí)施。

[1]國家質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)檢疫總局.GB/T19629-2005醫(yī)用電氣設(shè)備X射線診斷影像中使用的電離室和(或)半導(dǎo)體探測器劑量計(jì)[S].國家標(biāo)準(zhǔn)化管理委員會(huì)，2005-06-09.

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Research on development of diagnostic X-ray dosimeter

/WANG Wei, ZHANG Jian, NINGJing// China Medical Equipment,2014,11(8):25-28.

Objective: A diagnostic X-ray dosimeter for measuring radiation Dose and dose rate was designed and developed. Methods: The detector is made of PIN semiconductor of Si diode as a receiver to radiation signal. To meet the requirements of energy response, the detector is compensated by aluminum sheet and plastic with metal powder. Designed the preamplifier circuit and high rate A/D circuit with the core of controller system is C8051F310 MCU. The VC++ software is taken as the development platform based on windows system, communication by RS232 interface. Results: The energy response of detector from(70～150 kV) is less than 5%. The device can provide a good precision ±0.071%(SD) and stability ±0.18%(SD). Conclusion: The semiconductor dosimeter of diagnosis X-ray has small size, fast real-time response, good energy response, wide measuring range and so on. The performance of device meet the standard of national. The dosimeter can be used to metrology test and quality control (QC) for general Diagnostic X-ray Device.

Diagnostic X-ray; Dosimeter; PIN Silicon photodiode; Semiconductor detector

1672-8270(2014)08-0025-04

R144.1

A

10.3969/J.ISSN.1672-8270.2014.08.008

2014-05-08

軍事醫(yī)學(xué)計(jì)量科研專項(xiàng)課題(2011-JL2-056)“CT計(jì)量測量方法研究與測量標(biāo)準(zhǔn)建立”

①軍事醫(yī)學(xué)科學(xué)院放射與輻射醫(yī)學(xué)研究所 北京 100850

*通訊作者：13910770016@yeah.net

王偉，男，(1977- )，碩士研究生。軍事醫(yī)學(xué)科學(xué)院放射與輻射醫(yī)學(xué)研究所，研究方向：診斷影像質(zhì)量控制與輻射防護(hù)研究。