CN104199081B - 一种用于测量诊断x射线机质量的剂量仪及其测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种X射线剂量仪，具体涉及一种用于测量诊断X射线机质量的剂量仪及其测量方法，所述测量仪包括半导体探测器阵列（1）、前置电流放大器（2）、通道切换模块（3）、可调增益放大器（4）、模数转换器（5）、测量触发电路（6）、单片机控制器（7）、电源电路（8）和蓝牙无线传输模块（9）。本发明将众多参数测量功能集成一起，可以测量诊断X射线的管电压、曝光时间、剂量、剂量率及半值层；仅需一次曝光，同时获得诊断X射线的多个参数测量结果；采用大功率蓝牙无线传输技术，通过笔记本对传输的测量数据进行处理，远距离遥控实时测量，避免遭受不必要的辐照剂量，测量过程方便快捷。

Description

一种用于测量诊断X射线机质量的剂量仪及其测量方法

技术领域

本发明涉及一种X射线剂量仪，具体涉及一种用于测量诊断X射线机质量的剂量仪及其测量方法。

背景技术

诊断X射线为一种波长很短的电磁辐射波，具有很高的穿透本领，能透过许多对可见光不透明的物质。X射线的穿透力与物质密度有关，利用差别吸收这种性质可以把密度不同的物质区分开来，因而广泛应用于医疗诊断。诊断X射线一般由X射线管产生，管电压范围在20kV至150kV之间，本专利中多参数测量包括了管电压、曝光时间、剂量、剂量率及半值层的测量。

随着放射诊断技术的不断发展，X射线诊断已成为现代医学检查中一种不可缺少的检查手段。但由于设备或操作技术等原因，诊断中往往出现图像质量差、职业人员和受检者受照剂量大的情况。为了取得最佳质量的X射线诊断图像，并使职业人员和受检者受照剂量为最低，首要措施就是开展诊断X射线设备产生的射线实施质量参数的检测，以保证其安全有效使用。诊断X射线多参量测量的关键原理在于X光机管电压及曝光剂量的非介入式测量。管电压测量一般基于双滤片法，即通过一组附有不同厚度滤片的射线探测器测量衰减后的射线强度，经过滤片的衰减，射线变硬，两个通道射线强度测量比值与管电压成一定的函数关系，从而推算出管电压，并根据曝光时间及管电压完成剂量、剂量率及半值层的计算。

诊断X射线多参数测量关键技术在于管电压及剂量的测量。管电压测量有介入式和非介入式测量方法，介入式测量法采用分压器将X线机高压变压器产生的高压进行分压，变成低压信号，通过电缆线供给指示仪表，在仪表上进行数字显示所要测量的管电压。由于分压器输入阻抗高，启动时间短．在X线管侧或高压发生器侧对X线管电压测量准确，它能在瞬时摄影状态下曝光进行测量，也能在透视状态下进行测量。但是采用分压法需要对X射线机进行连接，而且分压器比较笨重，不利于现场检测测量。非介入式测量主要有能谱法和双滤片法，能谱法采用能谱仪测得射线的最大能量峰来确定管电压的大小，能谱法测量管电压比较精确，但是电路和算法比较复杂，需要对测量数据进行各种谱处理功能，如自动找峰、定峰位、求峰面积、计算峰的半高宽、能量刻度以及对复杂谱线的解谱等。双滤片发，即一对同样的探测器检测X射线透过一组不同厚度的滤片，在固定的过滤条件、曝光条件下，管电压与两探测器信号之比有固定的函数关系。

剂量测量一般都是应用电离室探测器，电离室具有结构简单、易于制造、能量响应好等特点。但电离室室壁比较薄，易碎，测量过程中需要高压偏置，并且电离室的输出电流信号比较微弱，需要专门的微电流放大电路进行放大处理。

目前国内的产品及研究基本上是诊断X射线某一单独或几个参数的测量，没有包含管电压、曝光时间、剂量、剂量率及半值层的一整套参数的测量。

在现有技术只能测量诊断X射线某一单独或几个参数，在测量诊断X射线的多个参数需要曝光多次，测量程序复杂，涉及测量设备多，测量时间长，不利于现场快速检测，而且采用有线数据传输或主机显示，存在测量不便，无法及时获得测量结果。

发明内容

在国家重大科学仪器设备开发专项“新型电离辐射检测仪器和关键部件开发及应用（项目编号：2013YQ090811）”资金资助下，提供一种用于测量诊断X射线机质量的剂量仪及其测量方法，解决现有技术对诊断X射线质量的测量方式无法同时测量多个参数，导致测量程序复杂，耗时长，测量设备过多的问题。

为解决上述的技术问题，本发明采用以下技术方案：

一种用于测量诊断X射线机质量的剂量仪，包括半导体探测器阵列、前置电流放大器、通道切换模块、可调增益放大器、模数转换器、测量触发电路、单片机控制器、电源电路和蓝牙无线传输模块，其中

所述半导体探测器阵列用于探测诊断X射线强度，半导体探测器阵列上有八个通道，每一通道具有不同厚度的过滤片，半导体探测器阵列将经过一定厚度的过滤片的射线强度转换成微弱的电流信号；

所述前置电流放大器用于对微弱的电流信号进行放大，将所述半导体探测器阵列输出的经过不同厚度过滤片后具有不同射线强度的信号转变成电压信号，所述前置电流放大器输出具有八个通道的信号；

采用所述通道切换模块将八个通道中适合量程的有用的通道的信号切换至所述可调增益放大器；

所述单片机控制器用于量程的设置、获取模数转换的数字信号、判断测量的起止及与外部设备的数据交换，即单片机控制器根据通道切换模块输出的信号大小，控制可调增益放大器对输入信号进行放大处理；

所述模数转换器将放大后的射线强度电压模拟信号转变成数字信号，提供给单片机控制器处理；

所述测量触发电路用于经过可调增益放大器放大处理后的输出信号，当输出信号超过预设的测量阈值，则测量触发电路认为有X射线曝光，输出测量起始信号给单片机控制器，当输出信号低于测量阈值，则输出测量停止信号至单片机控制器；

电源电路连接电源提供给前述各模块电路所需的直流电压；

蓝牙无线传输模块用于单片机控制器与计算机之间进行数据交换。

更进一步的技术方案是，所述蓝牙无线传输模块通过和USB蓝牙无线适配器和笔记本电脑进行蓝牙配对，实现测量控制数据的交换。

更进一步的技术方案是，所述半导体探测器阵列由射线衰减准直器、过滤片和半导体探测器组成，所述半导体探测器有八个，均是由经过避光处理后的Si-PIN二极管制成并封装在射线衰减准直器内，所述过滤片是由八个厚度不同的铜片或铝片组成，分别设置在八个半导体探测器上。

更进一步的技术方案是，所述半导体探测器是型号为NTD34S的诊断X射线探测器，分为四组，分别测量22kV-30kV、30kV-39kV、50kV-90kV及90-150kV的管电压。

更进一步的技术方案是，所述前置电流放大器为低偏置电流及低失调电压的精密JFET输入低噪声放大器AD8626。

更进一步的技术方案是，所述模数转换器是由电压/频率转换器AD7741结合STM32单片机计数器构成。

更进一步的技术方案是，所述单片机控制器为STM32F103微控制器。

更进一步的技术方案是，所述蓝牙无线传输模块为Class 1的远程蓝牙模块BT1800。

一种测量诊断X射线机质量的方法，包括以下步骤：

步骤一，将剂量仪放置在诊断X射线机的诊断床上，调整诊断X射线机为垂直投射状态，将光野覆盖半导体探测器阵列，半导体探测器阵列的中心与光野的中心一致；调整诊断X射线机机头或剂量仪的位置，使球管中心与剂量仪之间的距离在40-60cm；根据测量诊断X射线机的管电压范围及拍片或透视模式，单片机控制器设置通道切换器，选取合适的半导体探测器通道，并设置可调增益放大器的放大倍数；

步骤二，诊断X射线机曝光后，半导体探测器阵列将经过不同厚度的过滤片后射线的强度转变成微弱的电流信号，电流的大小为nA级别；

步骤三，微弱的电流信号经过前置电流放大器，转换成电压信号，半导体探测器输出的电流大小在nA级别，经过前置电流放大器将电流转电压并放大，使输出的电压信号在mV级别；

步骤四，通道切换在八个通道中选取其中合适的两个通道信号输送至可调增益放大器进行电压信号放大；选取了放大后的幅度较小的一道信号送至测量触发电路，设置测量触发阈值中的射线起始阈值和射线停止阈值，当射线信号大于预设射线起始阈值时，测量触发电路输出曝光开始信号至单片机控制器，单片机控制器开始计时，并启动模数转换器，模数转换器将两个通道的电压信号转换成频率信号送至单片机控制器的计数器输入端口，单片机控制器对频率信号进行脉冲计数，当诊断X射线机曝光结束，放大后的信号小于射线停止阈值，测量触发电路输出曝光停止信号至单片机控制器，单片机控制器停止计时，并停止两个通道的脉冲计数，单片机控制器通过脉冲总计数及测量时间，计算出两个通道的累计电压及测量时间内的平均电压，通过蓝牙无线传输模块将两个通道的测量数据传输至计算机终端；

步骤五，计算机终端通过USB蓝牙无线适配器与剂量仪主机进行通讯，接受射线测量过程中传输来的两个通道测量数据，确定诊断X射线的管电压、剂量、剂量率、曝光时间及半值层。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：将众多参数测量功能集成一起，可以测量诊断X射线的管电压、曝光时间、剂量、剂量率及半值层；仅需一次曝光，同时获得诊断X射线的多个参数测量结果；采用大功率蓝牙无线传输技术，通过笔记本对传输的测量数据进行处理，远距离遥控实时测量，避免遭受不必要的辐照剂量，测量过程方便快捷。

附图说明

图1为本发明一种用于测量诊断X射线机质量的剂量仪一个实施例的连接示意图。

图2为本发明一种用于测量诊断X射线机质量的剂量仪另一个实施例中半导体探测器阵列的结构示意图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

图1示出了本发明一种用于测量诊断X射线机质量的剂量仪的一个实施例：一种用于测量诊断X射线机质量的剂量仪，由其特征在于：包括半导体探测器阵列1、前置电流放大器2、通道切换模块3、可调增益放大器4、模数转换器5、测量触发电路6、单片机控制器7、电源电路8和蓝牙无线传输模块9，其中

所述半导体探测器阵列1用于探测诊断X射线强度，半导体探测器阵列1上有八个通道，每一通道具有不同厚度的过滤片，半导体探测器阵列1将经过一定厚度的过滤片的射线强度转换成微弱的电流信号；

所述前置电流放大器2用于对微弱的电流信号进行放大，将所述半导体探测器阵列1输出的经过不同厚度过滤片后具有不同射线强度的信号转变成电压信号，所述前置电流放大器2输出具有八个通道的信号；

采用所述通道切换模块3将八个通道中适合量程的有用的通道的信号切换至所述可调增益放大器4，适合量程的有用的通道只有两个；

所述单片机控制器7用于量程的设置、获取模数转换的数字信号、判断测量的起止及与外部设备的数据交换，即单片机控制器7根据通道切换模块3输出的信号大小，控制可调增益放大器4对输入信号进行放大处理；

所述模数转换器5将放大后的射线强度电压模拟信号转变成数字信号，提供给单片机控制器7处理；

所述测量触发电路6用于经过可调增益放大器4放大处理后的输出信号，当输出信号超过预设的测量阈值，则测量触发电路6认为有X射线曝光，输出测量起始信号给单片机控制器7，当输出信号低于测量阈值，则输出测量停止信号至单片机控制器7；

电源电路8连接电源提供给前述各模块电路所需的直流电压；

蓝牙无线传输模块9用于单片机控制器7与计算机之间进行数据交换。

根据本发明一种用于测量诊断X射线机质量的剂量仪的一个优选实施例，所述蓝牙无线传输模块9通过和USB蓝牙无线适配器10和笔记本电脑11进行蓝牙配对，实现测量控制数据的交换。

根据权利要求1所述的一种用于测量诊断X射线机质量的剂量仪，所述半导体探测器阵列1由射线衰减准直器1-1、过滤片1-2和半导体探测器1-3组成，所述半导体探测器1-3有八个，均是由经过避光处理后的Si-PIN二极管制成并封装在射线衰减准直器1-1内，所述过滤片1-2是由八个厚度不同的铜片或铝片组成，分别设置在八个半导体探测器1-3上。

根据权利要求1所述的一种用于测量诊断X射线机质量的剂量仪的另一个优选实施例，所述半导体探测器1-3是型号为NTD34S的诊断X射线探测器，分为四组，分别测量22kV-30kV、30kV-39kV、50kV-90kV及90-150kV的管电压。

根据权利要求1所述的一种用于测量诊断X射线机质量的剂量仪的另一个优选实施例，所述前置电流放大器2为低偏置电流及低失调电压的精密JFET输入低噪声放大器AD8626，有效地减小了漏电流和噪声对测量的影响。

根据权利要求1所述的一种用于测量诊断X射线机质量的剂量仪的另一个优选实施例，所述模数转换器5是由电压/频率转换器AD7741结合STM32单片机计数器构成，其电路简单，转换精度高，抗干扰能力强，并且电压信号转换成的频率信号是累计的，方便后续电路的数据处理。

根据权利要求1所述的一种用于测量诊断X射线机质量的剂量仪的另一个优选实施例，所述单片机控制器7为STM32F103微控制器，STM32F103微控制器集成了丰富的外设资源，多达8个定时器/计数器，搭配电压/频率转换器AD7741构成了一个转换精度高、抗干扰好、结构简单及性能可靠的累计积分型模数转换器，十分适用于多通道数据测量的应用。

根据权利要求1所述的一种用于测量诊断X射线机质量的剂量仪的另一个优选实施例，所述蓝牙无线传输模块9为Class 1的远程蓝牙模块BT1800可以是深圳蓝色飞舞科技公司开发的，具有高收发灵敏度、低功耗及尺寸小等特点。在空旷和无遮挡的对等条件下传输距离可达1800米。有效地解决了剂量仪主机与笔记本电脑之间的无线数据交换问题。

一种测量诊断X射线机质量的方法，包括以下步骤：

步骤一，将剂量仪放置在诊断X射线机的诊断床上，调整诊断X射线机为垂直投射状态，将光野覆盖半导体探测器阵列1，半导体探测器阵列1的中心与光野的中心一致；调整诊断X射线机机头或剂量仪的位置，使球管中心与剂量仪之间的距离在40-60（优选50）cm；根据测量诊断X射线机的管电压范围及拍片或透视模式，单片机控制器7设置通道切换器5，选取合适的半导体探测器通道，并设置可调增益放大器4的放大倍数；

步骤二，诊断X射线机曝光后，半导体探测器阵列1将经过不同厚度的过滤片后射线的强度转变成微弱的电流信号，电流的大小为nA级别；

步骤三，微弱的电流信号经过前置电流放大器2，转换成电压信号，半导体探测器输出的电流大小在nA级别，前置电流放大器2选用了ADI公司的AD8626，AD8626是一款精密JFET输入低噪声放大器，在25℃下偏置电流在不大于1pA，失调电压小于0.5mV，适用于光电二极管电流放大应用，经过前置电流放大器将电流转电压并放大，使输出的电压信号在mV级别；

步骤四，前置电流放大器2输出的电压信号一共有八个通道，步骤一中已经按管电压范围及拍片或透视模式设置了通道切换器和可调增益放大器放大倍数，通道切换在8通道中选取其中合适的两通道信号输送至可调增益放大器进行电压信号放大；选取了放大后的幅度较小的一道信号送至测量触发电路6，设置测量触发阈值中的射线起始阈值和射线停止阈值（优选射线起始阈值为20mV，射线停止阈值为15mV）；当射线信号大于预设射线起始阈值时，测量触发电路6输出曝光开始信号至单片机控制器7，单片机控制器7开始计时，并启动模数转换器5，模数转换器5可以采用AD7741，AD7741是一种电荷平衡式同步型低功耗电压/频率转换器，输入信号范围0 ~+2.5V，最大积分非线性误差在输出频率1.35MHz时为0.012%，模数转换器5将两个通道的电压信号转换成频率信号送至单片机控制器7的计数器输入端口，单片机控制器7对频率信号进行脉冲计数，当诊断X射线机曝光结束，放大后的信号小于射线停止阈值，测量触发电路6输出曝光停止信号至单片机控制器7，单片机控制器7停止计时，并停止两个通道的脉冲计数，单片机控制器7通过脉冲总计数及测量时间，计算出两个通道的累计电压及测量时间内的平均电压，通过蓝牙无线传输模9块将两个通道的测量数据传输至计算机终端；

步骤五，计算机终端通过USB蓝牙无线适配器与剂量仪主机进行通讯，接受射线测量过程中传输来的两个通道测量数据，确定诊断X射线的管电压、剂量、剂量率、曝光时间及半值层。

本发明采用了半导体探测器阵列，采集不同厚度过滤片下的射线强度，实现了多通道数据的同时测量；模数转换采用了电压/频率转换与微控制器计数相结合的技术，具有电路简单，转换精度高，抗干扰能力强，累计计数，方便后续电路的数据处理；采用了蓝牙功率等级1的无线蓝牙模块，有效地解决了一般蓝牙通讯距离短的缺点，减少了检测人员的受照射线剂量；测量数据的处理采用计算机平台，具有通用性强，处理速度快，方便程序算法的更新等特点；只需一次曝光，诊断X射线多参数测量仪实现了管电压、曝光时间、剂量、剂量率及半值层的同时测量。

尽管这里参照本发明的多个解释性实施例对本发明进行了描述，但是，应该理解，本领域技术人员可以设计出很多其他的修改和实施方式，这些修改和实施方式将落在本申请公开的原则范围和精神之内。更具体地说，在本申请公开、附图和权利要求的范围内，可以对主题组合布局的组成部件和/或布局进行多种变型和改进。除了对组成部件和/或布局进行的变形和改进外，对于本领域技术人员来说，其他的用途也将是明显的。

Claims (9)

1.一种用于测量诊断X射线机质量的剂量仪，其特征在于：包括半导体探测器阵列（1）、前置电流放大器（2）、通道切换模块（3）、可调增益放大器（4）、模数转换器（5）、测量触发电路（6）、单片机控制器（7）、电源电路（8）和蓝牙无线传输模块（9），其中

所述半导体探测器阵列（1）用于探测诊断X射线强度，半导体探测器阵列（1）上有八个通道，每一通道具有不同厚度的过滤片，半导体探测器阵列（1）将经过一定厚度的过滤片的射线强度转换成微弱的电流信号；

所述前置电流放大器（2）用于对微弱的电流信号进行放大，将所述半导体探测器阵列（1）输出的经过不同厚度过滤片后具有不同射线强度的信号转变成电压信号，所述前置电流放大器（2）输出具有八个通道的信号；

采用所述通道切换模块（3）将八个通道中适合量程的有用的通道的信号切换至所述可调增益放大器（4）；

所述单片机控制器（7）用于量程的设置、获取模数转换的数字信号、判断测量的起止及与外部设备的数据交换，即单片机控制器（7）根据通道切换模块（3）输出的信号大小，控制可调增益放大器（4）对输入信号进行放大处理；

所述模数转换器（5）将放大后的射线强度电压模拟信号转变成数字信号，提供给单片机控制器（7）处理；

所述测量触发电路（6）用于经过可调增益放大器（4）放大处理后的输出信号，当输出信号超过预设的测量阈值，则测量触发电路（6）认为有X射线曝光，输出测量起始信号给单片机控制器（7），当输出信号低于测量阈值，则输出测量停止信号至单片机控制器（7）；

电源电路（8）连接电源提供给前述各模块电路所需的直流电压；

蓝牙无线传输模块（9）用于单片机控制器（7）与计算机之间进行数据交换。

2.根据权利要求1所述的一种用于测量诊断X射线机质量的剂量仪，其特征在于：所述蓝牙无线传输模块（9）通过和USB蓝牙无线适配器（10）和笔记本电脑（11）进行蓝牙配对，实现测量控制数据的交换。

3.根据权利要求1所述的一种用于测量诊断X射线机质量的剂量仪，其特征在于：所述半导体探测器阵列（1）由射线衰减准直器（1-1）、过滤片（1-2）和半导体探测器（1-3）组成，所述半导体探测器（1-3）有八个，均是由经过避光处理后的Si-PIN二极管制成并封装在射线衰减准直器（1-1）内，所述过滤片（1-2）是由八个厚度不同的铜片或铝片组成，分别设置在八个半导体探测器（1-3）上。

4.根据权利要求3所述的一种用于测量诊断X射线机质量的剂量仪，其特征在于：所述半导体探测器（1-3）是型号为NTD34S的诊断X射线探测器，分为四组，分别测量22kV-30kV、30kV-39kV、50kV-90kV及90-150kV的管电压。

5.根据权利要求1所述的一种用于测量诊断X射线机质量的剂量仪，其特征在于：所述前置电流放大器（2）为低偏置电流及低失调电压的精密JFET输入低噪声放大器AD8626。

6.根据权利要求1所述的一种用于测量诊断X射线机质量的剂量仪，其特征在于：所述模数转换器（5）是由电压/频率转换器AD7741结合STM32单片机计数器构成。

7.根据权利要求1所述的一种用于测量诊断X射线机质量的剂量仪，其特征在于：所述单片机控制器（7）为STM32F103微控制器。

8.根据权利要求1所述的一种用于测量诊断X射线机质量的剂量仪，其特征在于：所述蓝牙无线传输模块（9）为Class 1的远程蓝牙模块BT1800。

9.一种测量诊断X射线机质量的方法，其特征在于：包括以下步骤：

步骤一，将剂量仪放置在诊断X射线机的诊断床上，调整诊断X射线机为垂直投射状态，将光野覆盖半导体探测器阵列（1），半导体探测器阵列（1）的中心与光野的中心一致；调整诊断X射线机机头或剂量仪的位置，使球管中心与剂量仪之间的距离在40-60cm；根据测量诊断X射线机的管电压范围及拍片或透视模式，单片机控制器（7）设置通道切换器（5），选取合适的半导体探测器通道，并设置可调增益放大器（4）的放大倍数；

步骤二，诊断X射线机曝光后，半导体探测器阵列（1）将经过不同厚度的过滤片后射线的强度转变成微弱的电流信号，电流的大小为nA级别；

步骤三，微弱的电流信号经过前置电流放大器（2），转换成电压信号，半导体探测器输出的电流大小在nA级别，经过前置电流放大器将电流转电压并放大，使输出的电压信号在mV级别；

步骤四，通道切换在八个通道中选取其中合适的两个通道信号输送至可调增益放大器进行电压信号放大；选取了放大后的幅度较小的一道信号送至测量触发电路（6），设置测量触发阈值中的射线起始阈值和射线停止阈值，当射线信号大于预设射线起始阈值时，测量触发电路（6）输出曝光开始信号至单片机控制器（7），单片机控制器（7）开始计时，并启动模数转换器（5），模数转换器（5）将两个通道的电压信号转换成频率信号送至单片机控制器（7）的计数器输入端口，单片机控制器（7）对频率信号进行脉冲计数，当诊断X射线机曝光结束，放大后的信号小于射线停止阈值，测量触发电路（6）输出曝光停止信号至单片机控制器（7），单片机控制器（7）停止计时，并停止两个通道的脉冲计数，单片机控制器（7）通过脉冲总计数及测量时间，计算出两个通道的累计电压及测量时间内的平均电压，通过蓝牙无线传输模块（9）将两个通道的测量数据传输至计算机终端；

步骤五，计算机终端通过USB蓝牙无线适配器与剂量仪主机进行通讯，接受射线测量过程中传输来的两个通道测量数据，确定诊断X射线的管电压、剂量、剂量率、曝光时间及半值层。