数字式诊断X射线机的高压测试仪

0　引言

医用诊断X射线机管电压的准确性直接影响影像质量和诊断结果,以及患者受照剂量的大小。它是医用诊断X射线质量控制中的一个重要参数。根据《X射线诊断设备影像质量控制检测规范》[1]规定,X射线机必须每年进行一次状态检测,其中管电压指示与实际值的偏离不得超过±10%。本文介绍一种采用半导体传感器和单片机技术研制的用于测量诊断X射线机管电压的非介入式数字高压测试仪。

1　数字高压测试仪的测量原理

非介入测量法是指不介入X射线机高压电路,而通过测量X射线的性质来确定管电压。当X射线穿过不同厚度的金属滤片时,其强度之比r与X射线机的管电压满足一定函数关系,采用实验方法确定这种函数关系后,即可通过测量r值反求出管电压值[2～4]。

2　数字高压测试仪的结构

图1是高压测试仪的结构示意图,它主要由传感器、放大器、模数转换器、微处理器、存储器以及外围设备组成,各部分结构和功能介绍如下。

2.1　传感器

传感器由厚度不同的两个铜片与两只封装有CsI晶体的硅光电二极管构成。CsI晶体将透过不同厚度铜片的X射线转换为光信号,再由硅光电二极管转换成电信号。这种探测器体积小、灵敏度高、响应速度快,受温度、气压等环境因素影响小。为避免杂散辐射对传感器的影响,传感器四周和底部采用了铅屏蔽。另外光电二极管还加了可见光屏蔽层,以避免可见光产生噪声电流。

2.2　电子学部分

电子学部分包括放大电路、数据采集系统和单片机测控系统。X射线经传感器产生的电信号可低至1nA,因此本系统选择了具有低失调电压、低偏置电流、低温度漂移、高开环增益、高共模抑制比的高性能仪表放大器。这种放大器还采用了超低漂移设计,利用片内的数模信号处理单元实现自动校正,即在上电前300ms内将失调电压转换成数字信号并存储,在测量过程中自动减掉失调,从而有效地减小了放大器的零点漂移对仪器准确度的影响。放大电路如图2所示。第一级放大器用作电流-电压转换,光电二极管的偏置由运算放大器的虚地维持在零电位,短路电流被转换成电压。由于X射线照射光电二极管产生的电流信号可低至1nA,这要求第一级放大器的反馈电阻必须很大,而放大器偏流很小。设计中采用了10MΩ反馈电阻,对应于1nA的输入,产生约1mV输出电压。再加大电阻,对电路的要求将更高,在工程上不易实现,为此采用了第二级放大电路,对电压信号进行放大。对于较强的X射线照射,切换成较小的反馈电阻即可。

数据采集系统的作用是把模拟量与数字处理和控制的逻辑量联系起来。A/D转换器是数据采集系统的核心组件。本系统采用8通道输入A/D(本系统使用两个通道),它利用逐次逼近式转换原理,转换结果采用串行方式通过一根I/O口线传输到单片机,这种方式大大节约了单片机的I/O口线。在本系统中两路信号各转换一次约需300μs,引入约0.6%的采样误差。