X射线机曝光时间非介入测量的装置及方法

摘要

本发明公开了一种X射线机曝光时间非介入测量的装置及方法，包括探测模块和处理模块，所述的探测模块包括闪烁体和光探测器，所述光探测器的探测端紧贴闪烁体，其输出通过一个带宽放大器连接到处理模块。本发明的有益效果是：克服介入测量方式可能出现的虚假“曝光时间”的瑕疵，通过短荧光衰减时间的闪烁体、光探测器、宽带放大器以及高速数据实时处理模块连续测量每个射线脉冲之间的时间间隔，达到测量核事件密度方法，减小因电子线路的响应时间对核事件密度变化的前沿和后沿的影响，从而减少对算出的曝光时间带来误差。

说明书

技术领域

本发明涉及到一种关于X射线机曝光时间的测量装置，以及X射线机曝光时间的测量方法，特别是涉及一种X射线机曝光时间非介入测量的装置及方法。

背景技术

对X射线机曝光时间的测量，常用于医院作影像质量控制、技术监督部门作运行的质量控制，对X射线机生产、安装调试、故障检查维修也具有一定的现实意义。

X射线机的曝光时间定义为：曝光时间(Irradiation Time)——按规定方法测出的X射线机的照射持续时间，通常是辐射量率超过某一规定水平的时间。

X射线机的加载时间定义为：加载时间(Loading Time)——规定方法测出的将阳极输入功率加于X射线管的时间。通常指X射线管电压初次上升至峰值的75%时起至最后下降到相同值时止的时间间隔。

对X射线机曝光时间分为介入测量方式（也叫非直接测量——测量X球管加载电压乘以转换系数得到曝光时间，即：X射线机曝光时间是依据测量加载时间而得到的。），和非介入测量（也叫直接测量——通过测量X射线的辐射量率变化计算出曝光时间）。

当使用介入测量方式时，存在一个明显的不足，即；给X球管加电压时，假设X射线机球管的灯丝已断，X球管加载电压仍然可以测到，因而介入测量方式仍然可以给出“曝光时间”，但事实上X球管在灯丝已断时不会有X射线输出，所以介入测量方式给出“曝光时间”作为标准值可能存在瑕疵。

当前对X射线机曝光时间非介入测量，一般采用闪烁体与半导体光电二极管的组合体作为射线探测器使用，光电二极管的结电容以及与之相连接的放大电路的间常数较大，无法对闪烁体产生的每个闪烁信号形成线性脉冲信号输出，即：对窄脉宽信号形成积分效应，闪烁体产生的多个闪烁信号被探测器和电子线路堆积（积分）形成输出电流（或电压），整个测量电路工作于输出电压正比于入射剂量率，通过测量输出电压的变化计算出曝光时间的，正是因为整个测量电路的响应时间较长，电压变化的前沿和后沿比入射的射线辐射量率变化慢，因而对算出的曝光时间带来一定的测量误差。

发明内容

本发明的目的在于克服介入测量方式可能出现的虚假“曝光时间”的瑕疵，同时克服目前非介入测量的不足，减小因电子线路的响应时间对前沿和后沿的影响，从而减少的曝光时间误差，为建立比工作级非介入式X射线机曝光时间测量仪更高精度的非介入式X射线机曝光时间测量仪奠定基础。

本发明的目的通过下述技术方案实现：X射线机曝光时间非介入测量装置，包括探测模块和处理模块，所述的探测模块包括闪烁体和光探测器，所述的闪烁体位于X射线机的射线辐射区，所述光探测器的探测端紧贴闪烁体，其输出通过一个带宽放大器连接到处理模块，探测模块中闪烁体将X射线机的射线转换成光信号，光探测器再将该光信号转换成电流信号，经带宽放大器转换成电压信号并放大，然后传送到处理模块中；处理模块主要是处理该电信号，连续测量出各脉冲之间的时间间隔，然后发送到上位机，上位机通过该时间间隔的倒数计算出射线密度，可计算出入射的射线强度的变化，从而即可计算出X射线机的曝光时间。所述的处理模块包括脉冲幅度鉴别单元和计时单元，所述的脉冲幅度鉴别单元的输入连接到带宽放大器的输出，其输出连接到计时单元。

进一步，上述的脉冲幅度鉴别单元包括两个比较器，即第一比较器和第二比较器，第一比较器和第二比较器的输入都连接探测模块的输出，其输入连接到探测模块的输出，其输出连接到计时单元。脉冲幅度鉴别单元从探测模块输出的电信号中选择出幅度符合要求的信号并整形成矩形脉冲，其中第一比较器摒弃脉冲幅度较低的脉冲（该脉冲主要由光探测器的热发射噪声产生）并将高于触发电位V_LT的信号输出整形为矩形脉冲LT，V_LT的值通过光探测器的功率得出；第二比较器将高于触发电位V_HT的信号输出整形为矩形脉冲HT，该幅度较高的脉冲信号主要由宇宙射线以及其他非测量对象产生的高能射线（如：环境本底射线），V_HT的值通过一个4137放射源测试得到。

进一步，上述计时单元包括序控制器、至少两个计数器、时基、RS触发器和锁存器，所述的时序控制器的输入连接到第一比较器的输出，时序控制器的输出连接到计数器控制端，计数器的时钟端口都连接到时基，使计数器对时基进行计数，其并行输出通过多路选择器连接到锁存器的低位端，多路选择器的控制端也连接到时序控制器，锁存器的高位端连接到RS触发器的Q输出端，RS触发器的S端连接到第二比较器的输出，RS触发器的R端连接到时序控制器。第一比较器输出的LT脉冲传输到计时单元中的时序控制器，用于控制数器交替对时基进行计数、产生计数器的清零/启/停信号以及多路选择器选择等信号；当时序控制器收到第一个LT矩形波的上升沿时，启动计数器1对时基进行计数；当时序控制器收到第二个LT矩形波的上升时，控制计数器1停止计数，并启动计数器2开始对时基进行计数，计数器1的结果为第一个脉冲和第二个脉冲之间的时间间隔，时序控制器这时还控制多路选择器连接到计数器1，在第二个LT矩形波的下降沿时将计数器1的结果锁存入锁存器的低位端；依此类推，即可连续测量出各脉冲之间的时间间隔。由于HT信号上升沿比LT信号上升沿迟且HT信号宽度比LT信号窄，利用RS触发器将HT信号展宽，RS触发器的R端和S端常态均为“0”，HT为“1”时使RS触发器的Q端输出“1”（否则Q端输出“0”），使得第二LT个矩形波的下降沿将计数器1的结果锁存入锁存器的低位端的同时将RS触发器的Q端输出（即：HT状态标志）同时锁存进锁存器的最高位MSB，时序控制器在锁存器中的数据输出的同时通过向RS触发器的S端输出正脉冲将RS触发器置零（即：Q端输出“0”），计时单元还包括一个FIFO存储器，FIFO存储器的输入连接到锁存器输出，FIFO存储器保证了各时间间隔的前后顺序；

处理模块将FIFO存储器中时间间隔数据发送到上位机中，由上位机进行计算处理，根据时间间隔数据中的最高位（MSB）是否为“1”，决定是否进行间间隔数据累加处理；当时间间隔数据中的最高位（MSB）为“0”时，表明无HT状态标志，即该脉冲不是环境本底射线而产生的；当时间间隔数据中的最高位（MSB）为“1”时，表明有HT状态标志，即该脉冲是环境本底射线而产生的而不是X射线曝光中产生的，所以这个脉冲应该去掉；例如：设M0，M1，M2时间间隔数据中仅M1的最高位（MSB)为“1”(即：脉冲M0和M2不是环境本底射线产生的，而脉冲M1是环境本底射线)，脉冲M1与其上一个脉冲M0之间的时间间隔T1，脉冲M1与其下一个脉冲M2之间的时间间隔T2，因为脉冲M1需要舍弃，则去掉环境本底射线产生的脉冲M1后的时间间隔（即脉冲M0和M2之间的时间间隔）为T1+T2，以此作作为计算射线密度的基础，这样计算完毕时间间隔后，通过时间间隔的倒数计算出射线密度变化，即可计算出X射线机的曝光时间。

进一步，上述的脉冲幅度鉴别单元包括FPGA，FPGA通过A/D转换器连接到带宽放大器的输出，A/D转换器将带宽放大器输出电压信号转换成数字信号形成连续的数据流后传送到FPGA，数据流中数据的大小代表信号的幅度，FPGA主要提供脉冲幅度鉴别功能，也使用两个比较器，即：将接收到的数据流中幅度低于V_LT以下的置为“0”（摒弃）脉冲并将数据流中幅度高于V_LT以上的置为“1”（即：整形成LT矩形脉冲）；将收到的数据流中幅度大于V_HT以上的脉冲置为“2”，（即：形成HT状态标志）。

所述的计时单元包括数字信号处理器，所述的数字信号处理器通过缓冲器连接到FPGA，存储器连接在数字信号处理器上，数字信号处理器计算出FPGA传送出的数据流中第一个“1”与下一个“1”之间数据的总个数（即：脉冲信号之间的时间间隔），根据数据流中第2段“1”序列中（即：第二个脉冲）是否包含“2”（即：HT状态标志），决定是否将时间间隔数据的最高位MSB置“1”，若数据流中第2段“1”序列中不包含“2”（即：第二个脉冲不是本底射线产生），那么时间间隔数据的最高位MSB置“0”，若数据流中第2段“1”序列中包含“2”（即：第二个脉冲是本底射线产生），那么时间间隔数据的最高位MSB置“1”。然后将包含HT状态标志的间间隔数据传送到上位机，后续的数据处理由上位机进行处理。

本发明的光探测器为光电倍增管。

采用上述测量装置测量X射线机曝光时间的方法，包括以下步骤：

（1）将测量装置的探测模块放置于X射线机的辐射区，探测模块中的闪烁体受到的射线激发时会发光，即产生光信号，光探测器将闪烁体的光信号转换成相应的电流信号，并且经带宽放大器转换成电压信号并放大后输送到处理模块；

（2）处理模块接收到电压信号后，先经脉冲幅度鉴别单元进行处理，分成两路输出到计时单元，第一比较器摒弃脉冲幅度低于触发电位V_LT的信号输出整形为矩形脉冲LT；第二比较器将脉冲幅度高于触发电位V_HT的信号输出整形为矩形脉冲HT；

（3）处理模块中的计时单元接收到步骤（2）中的脉冲信号，连续测量LT脉冲信号之间的时间间隔，然后在时间间隔数据中组合进HT脉冲的状态标志位发送到上位机中，由上位机进行计算处理。

上述方法中脉冲幅度低于触发电位V_LT的信号即为光探测器的热发射噪声产生。

上述方法中脉冲幅度高于触发电位V_HT的信号即为宇宙射线以及其他非测量对象产生的高能射线产生。

本发明的有益效果是：克服介入测量方式可能出现的虚假“曝光时间”的瑕疵，通过短荧光衰减时间的闪烁体、光探测器、宽带放大器以及高速数据实时处理模块连续测量每个射线脉冲之间的时间间隔，达到测量核事件密度方法，减小因电子线路的响应时间对核事件密度变化的前沿和后沿的影响，从而减少对算出的曝光时间带来误差。

附图说明

图1 为本发明的结构框图；

图2 为带宽放大器的结构示意图；

图3 为实施例1的脉冲幅度鉴别单元的结构示意图；

图4 为实施例1的计时单元的结构示意图；

图5 为脉冲幅度鉴别单元的输入信号与处理后的输出信号之间的关系图；

图6 为实施例1中上位机计算出的X射线密度示意图；

图7 为实施例2中计时单元的结构示意图；

图8 为实施例3中处理模块的结构示意图。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明作进一步的详细说明，但是本发明的结构不仅限于以下实施例：

【实施例1】

如图1，X射线机曝光时间非介入测量装置，包括探测模块和处理模块，所述的探测模块包括闪烁体和光探测器，所述的闪烁体位于X射线机的射线辐射区，所述光探测器的探测端紧贴闪烁体，其输出通过一个带宽放大器连接到处理模块，所述的处理模块包括脉冲幅度鉴别单元和计时单元，所述的脉冲幅度鉴别单元的输入连接到带宽放大器的输出，其输出连接到计时单元。

本实施例采用的闪烁体采用氯化铈掺杂的溴化镧晶体（LBC）闪烁体，溴化镧闪烁体将入射射线变为光信号，氯化铈掺杂的溴化镧晶体（LBC）的光输出为NaI：TI晶体的1.3~1.6倍，衰减时间为NaI：TI晶体的1/20~1/10，能量分辨率优于其它所有的闪烁晶体，作为新一代的核辐射探测材料，几乎可应用于各种辐射探测领域。氯化铈掺杂的溴化镧晶体（LBC）的主要物化性能及闪烁性能：密度=4.9~5.3 g/cm³，发射峰值=360~385nm，相对光输出 130%~170%(relative to NaI:TI crystal)，衰减常数=17~25 ns，能量分辨率= 2.7~3.5%(Cs-137)。光探测器采用光电倍增管，光电倍增管（PMT）具有高速的特点并且与LBC闪烁体光谱范围匹配。宽带放大器使用多级高速宽带放大器AD8099将探测器模块输出窄脉宽微弱电流信号变为电压信号并放大，所述的高速宽带放大器模块使用多级高速宽带放大器AD8099将探测器模块输出窄脉宽微弱电流信号变为电压信号并放大，AD8099增益为10 时，3dB带宽为550 MHz，转换速率为1350 V/s。高速宽带放大器模块中与光电倍增管（PMT）输出相连接的第一级放大器如图2所示。其中：R1为光电倍增管（PMT）输出负载电阻，该电阻将光电倍增管（PMT）输出的电流变换为电压；R_F为反馈电阻，R_F与R_G与共同决定第一级放大器的增益大约为10倍；C2、C3、C4和C5为第一级放大器供电电源的退耦电容；C_C为第一级放大器的补偿电容。后几级放大与此类似。

上述脉冲幅度鉴别单元的结构如图3所示，脉冲幅度鉴别单元包括两个比较器，即第一比较器（U202）和第二比较器（U201），都采用型号为AD8561的快速比较器，第一比较器（U202）和第二比较器（U201）的输入都连接到带宽放大器的输出，其输出连接到计时单元。AD8561的典型延迟时间大约为7 ns，第一比较器（U202）摒弃脉冲幅度较低的脉冲（该脉冲主要由光电倍增管的热发射噪声产生）并将高于触发电位V_LT的信号输出整形为矩形脉冲（LT）。第二比较器（U201）将高于触发电位V_HT的信号输出整形为矩形脉冲（HT），该幅度较高的脉冲信号主要由宇宙射线以及其他非测量对象产生的高能射线（如：环境本底射线），用一基准电压Vref经W201和W202分压后给分别给比较器U201、U202提供触发电位V_HT和V_LT。

如图4所示，所述的计时单元包括时序控制器、两个计数器、时基、RS触发器、锁存器和FIFO存储器，所述的时序控制器的输入连接到第一比较器（U202）的输出（LT），时序控制器的输出连接到计数器控制端，该（LT）信号用于控制计数器1、2交替工作等信号并产生计数器的清零/启/停信号，所述计数器为31bit，其时钟端口（CP）都连接到时基使计数器对时基进行计数，其并行输出通过一个31bit多路选择器连接到32bit锁存器的低位端D0~D30，多路选择器的控制端也连接到时序控制器，锁存器的最高位MSB端D31连接到RS触发器的Q输出端，RS触发器的S端连接到第二比较器（U201）的输出HT，RS触发器的R端连接到时序控制器，锁存器的输出端连接到FIFO存储器，FIFO中为各射线脉冲之间的时间间隔，FIFO将数据传输给上位机。

采用上述测量装置测量X射线机曝光时间的方法，包括以下步骤：

（1）将测量装置的探测模块放置于X射线机的辐射区，探测模块中的氯化铈掺杂的溴化镧晶体（LBC）受到的X射线激发时产生光信号，紧贴在氯化铈掺杂的溴化镧晶体（LBC）上的光电倍增管（PMT）将光信号转换成相应的电流信号，并且经带宽放大器转换成电压信号并放大后输送到处理模块；

（2）处理模块接收到电压信号后，先经脉冲幅度鉴别单元进行处理，分成两路输出到计时单元，第一比较器（U202）摒弃脉冲幅度较低的脉冲（该脉冲主要由光电倍增管的热发射噪声产生）并将高于触发电位V_LT的信号输出整形为矩形脉冲（LT）。第二比较器（U201）将高于触发电位V_HT的信号输出整形为矩形脉冲（HT），该幅度较高的脉冲信号主要环境本底射线。如图5所示，为输入电压信号（V_i）通过脉冲幅度鉴别单元后形成低幅度矩形脉冲（LT）和高幅度矩形脉冲（HT）之间的关系图；

（3）第一比较器输出的LT脉冲传输到计时单元中的时序控制器，用于控制数器交替对时基进行计数、产生计数器的清零/启/停信号以及多路选择器选择等信号；当时序控制器收到第一个LT矩形波的上升沿时，启动计数器1对时基进行计数；当时序控制器收到第二个LT矩形波的上升时，控制计数器1停止计数，并启动计数器2开始对时基进行计数，计数器1的结果为第一个脉冲和第二个脉冲之间的时间间隔，时序控制器这时还控制多路选择器连接到计数器1，在第二个LT矩形波的下降沿将计数器1的结果锁存入锁存器的低位端；依此类推，即可连续测量出各脉冲之间的时间间隔。由于HT信号上升沿比LT信号上升沿迟且HT信号宽度比LT信号窄，利用RS触发器将HT信号展宽，RS触发器的R端和S端常态均为“0”，HT为“1”时使RS触发器的Q端输出“1”（否则Q端输出“0”），使得第二个LT矩形波的下降沿将计数器1的结果锁存入锁存器的低位端的同时将RS触发器的Q端输出（即：第二比较器的HT状态标志）同时锁存进锁存器的最高位MSB，时序控制器在将锁存器中的数据转储到FIFO存储器（即：先入先出存储器）的同时通过向RS触发器的S端输出正脉冲将RS触发器置零（即：Q端输出“0”），FIFO存储器保证了各时间间隔的前后顺序；

（4）处理模块将FIFO存储器中时间间隔数据发送到上位机中，由上位机进行计算处理，根据时间间隔数据中的最高位（MSB）是否为“1”，决定是否进行间间隔数据累加处理；当时间间隔数据中的最高位（MSB）为“0”时，表明无HT信号，即该脉冲不是环境本底射线而产生的；当时间间隔数据中的最高位（MSB）为“1”时，表明有HT信号，即该脉冲是环境本底射线而产生的而不是X射线曝光中产生的，所以这个脉冲应该去掉；例如：设M0，M1，M2时间间隔数据中仅M1的最高位（MSB）为“1”，脉冲M1与其上一个脉冲M0之间的时间间隔T1，脉冲M1与其下一个脉冲M2之间的时间间隔T2，因为脉冲M1需要舍弃，并且脉冲M0和M2不是环境本底射线产生的（即：M0和M2的最高位（MSB)均为“0”），则去掉环境本底射线产生的脉冲M1后的时间间隔（即脉冲M0和M2之间的时间间隔）为T1+T2，以此作作为计算射线密度的基础，这样计算完毕时间间隔后，通过时间间隔的倒数计算出射线密度变化，如图6所示为X射线机的射线密度分布图，然后即可计算出X射线机的曝光时间。

【实施例2】

本实施例的结构与【实施例1】基本一致，不同之处在于计时单元中的计数器的数量为4个，计时单元的结构图如图7所示。

本实施例中计数器增加为4个后，提高了计时单元的连续脉冲率上限。

本实施例的测量过程与【实施例1】基本一致，在测量时间间隔时，采用4个计数器进行轮流测量，当某计数处于停止/读数/复零操作过程中无法进行计数时，出现的脉冲信号可由其他三个计数器顺序轮流承担计数功能，因而提高了计时单元的连续脉冲率上限。

【实施例3】

本实施例的结构与【实施例1】基本一致，不同之处在于本实施例中的处理模块的硬件不同，用数据流代表了模拟信号，如图8所示，脉冲幅度鉴别单元包括FPGA，FPGA通过A/D转换器连接到带宽放大器的输出，A/D转换器将带宽放大器输出电压信号转换成数字信号形成连续的数据流后传送到FPGA，数据流中数据的大小代表信号的幅度，FPGA采用Xilinx的型号为XC5VSX95T的芯片，该芯片能够提供各种数据的预处理功能，本实施例中XC5VSX95T主要提供脉冲幅度鉴别功能，也使用两个比较器，即：将接收到的数据流中幅度低于V_LT以下的置为“0”（摒弃），脉冲并将数据流中幅度高于V_LT以上的置为“1”（即：整形成LT矩形脉冲）；将收到的数据流中幅度大于V_HT以上的脉冲置为“2”，（即：形成HT状态标志）。

所述的数字信号处理器通过缓冲器连接到FPGA，存储器连接在数字信号处理器上，数字信号处理器计算出FPGA传送出的数据流中第一个“1”与下一个“1”之间数据的总个数（即：脉冲信号之间的时间间隔），数据流中“0”到“1”的变化即为上升沿，“1”到“0”的变化即为下降沿，根据数据流中第2段“1”序列中（即：第二个脉冲）是否包含“2”（即：HT标志），决定是否将时间间隔数据的最高位MSB置“1”，若数据流中第2段“1”序列中不包含“2”（即：第二个脉冲不是本底射线产生），那么时间间隔数据的最高位MSB置“0”，若数据流中第2段“1”序列中包含“2”（即：第二个脉冲是本底射线产生），那么时间间隔数据的最高位MSB置“1”。然后将包含HT状态标志的间间隔数据传送到上位机，后续的数据处理由上位机进行处理。数字信号处理器采用TI公司的C6455除了提供强大的数字信号处理功能外，还外挂256MB×2片的SDRAM用于大量数据存储，以及通过标准的CPCI总线与主机交互通讯与数据上传功能。

本实施例的测量过程与【实施例1】中类似，采用FPGA代替第一、第二比较器，采用数字信号处理器代替时序控制器、计数器、时基、锁存器。本实施例比起【实施例1】大大缩小了装置的体积。