医用诊断X光机关键物理量的非介入测试技术研究

发布时间：2018-11-12 19:32

【摘要】：随着现代放射医学影像技术的不断发展与应用,放射诊断检查人数在逐年增加。放射诊断设备利用X射线对疾病进行诊断为公众带来方便的同时,也对人体产生了额外的电离辐射,如何有效确保公众就医安全一直是计量部门、卫生部门、辐射防护等机构关心的问题。通过国家有关规程、标准的制定给出了严格的质量控制流程和相关检测参数的技术指标,为医院诊断设备的QA和QC体系建立奠定了基础,其中涉及医用诊断X光机质量控制的参数主要包括管电流(mA)、曝光时间(ms)、管电压(kV)、半值层(HVL)、空气比释动能(Air Kerma)等关键物理量。随着放射诊断技术的不断发展,检测方法已发生改变,原有标准、规程部分已失效,如GB 11755.2-89《医用诊断X射线机管电流测试方法》,迫使新的规范需尽快制定。基于以上原因,本文在国家科技支撑计划课题《医用X诊断设备计量标准及溯源体系研究》项目的支撑下,开展管电流、管电压等参数的溯源以及新的测试方法研究具有重要意义。本文采用电磁感应探测器结合高速数据采集系统,对不同光机类型的管电流信号进行非介入测试,运用小波等算法完成信号的特征分析,在国内首先开展管电流和曝光时间准确计算方法,其在标准电流源条件下测试其重复性优于0.5%,误差优于±1%,在实际X光机高压电缆上测试其误差小于±2%,并通过PTW剂量仪完成mA测量值与剂量的线性验证工作。管电压作为医用诊断X光机质量控制的主要参数,在ISO 16526-2011最新国际标准中推荐了三种方法,包括介入式电阻分压法、通道比值法以及能谱方法,其中后两种为非介入检测方法。介入电阻分压法可解决非介入管电压测量仪器的量值溯源问题,多用在国家计量部门的标准实验室,通道比值法在国外已有专利且较为成熟,其核心原理是管电压与不同厚度过滤材料的两通道探测器比值相关,可通过查表的方式完成管电压的测量。医用诊断X光机辐射场能谱测量主要涉及探测器技术、数字能谱测量技术以及解谱方法等关键技术,国内尚无在医用诊断X光机质量控制中采用能谱法完成相关物理量参数的快速求解,故开展此方法的非介入测试技术研究具有重要意义。基于计量检测机构使用检测仪器应具有通用性、简便性的考虑,能谱法还需考虑仪器大小、价格、操作简单等因素,本文选择有效探测面积为小于1mm2的Si-PIN探测器,结合自行研制的超低功耗、高信噪比电荷灵敏放大器,在241Am同位素条件下测试其能量分辨率为4%,在常温条件下即可完成X光机能谱数据的测量。本文对医用诊断X光机工作原理以及X射线产生的相关理论进行介绍,重点分析了各关键物理量与能注量之间的数学关系,并对mAs、kV、附件过滤、阳极靶角度以及管电压波动对谱分布的影响进行了比较研究。通过对医用诊断X光机原始光谱获取方法的概括,利用计算机开展半经验模型、经验数值模型和Geant4蒙卡仿真计算,半经验、经验模型主要涉及GP、BM、TBC等数学模型,在参照PTB、NIST和ISO 4037标准规定的辐射场条件下,对各模型的计算结果进行能量谱、第一半值层(HLV1/2)、第二半值层(HVL1/4)、同质系数、K线质、有效能量、衰减曲线等图形和参数的比较,验证医用诊断X光机相关参数计算方法的正确性,为后续医用诊断X光机关键参数快速求解奠定基础。为了便于对Si-PIN半导体探测器信号进行幅度分析,成功研制了一套数字能谱测量系统。根据电荷灵敏放大器输出信号特征,开展核信号的数字cusp成型技术、可变权重的convex和concave成型技术以及梯形成型技术研究,利用matlab的Simulink工具箱进行算法模型仿真,完成在Xilinx的FPGA平台上的相关移植工作。系统整体采用模块化设计,并对各数字成型方法的硬件资源占用量以及成型效果进行了测试,为后续医用诊断X光机能谱测量奠定基础。医用诊断X光机采用能谱方法完成关键物理量的非介入测量,涉及的关键技术之一是仪器谱解谱方法研究。通过Geant4蒙卡仿真软件构建Si-PIN探测器模型,在15-150keV范围内间隔1keV模拟形成能量响应矩阵,重点对SVD方法、Tikhonov方法、Gold方法及其相应改进方法、maximum likelihood(ML)方法、maximum a posteriori(MAP)等数值计算方法进行分析,其中MSNV和MAP方法在连续谱中的应用尚属首次,图形比较上述方法在100keV单能和150kV连续谱条件下的解谱效果差异,找出较适合用于连续谱解谱的方法。为了拓展医用诊断X光机解谱方法,在国内率先开展人工神经网络和遗传算法在诊断X光机连续谱解谱中的应用研究。通过对上述解谱方法的分析比对,考虑其解谱效果、解算时间以及计算机资源耗费等情况,将Gold改进方法、MSNV与MAP等方法成功应用于后续80kV、100kV和120kV解谱中,利用解谱数据完成医用诊断X光机管电压、半值层、同质系数、平均有效能量、空气比释动能等关键物理量的快速求解,与国外仪器unfors的测试结果进行比对,剂量率相差小于2%。
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【学位授予单位】：成都理工大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2013
【分类号】：TH774

【参考文献】