2024年4月10日发(作者：仝俨雅)

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第３２００８年９月　４　蔓｛朔　Ｃ

ＨＩＮＡ　ＭＥＡＳＵＲＥＭＥ

中国测试技术　

。Ｎ…Ｔ　ｓ。ＴＩＮＧ　ＴＥＣＨＮＯＬＯＧＹ　Ｖｏ１．３４　Ｎｏ．５　

Ｓｅｐｔ．２００８　

基于非介入式Ｘ射线管电压测量的研究　

杨　建　，侯新生　，郑永明２，黄　平　

（１．成都理工大学，四川成都６１００５９；２．中国测试技术研究院，四川成都６１００２１）　

摘要：为了实现ｘ射线诊断机的质量控制，根据辐射剂量测量的原理，设计了非介入式ｘ射线管电压测量系统。　

该测量系统以单片机控制系统为平台，智能判断ｘ射线诊断机的照射，通过不同传输路径的射线强度的对比，计　

算ｘ射线管电压，实现ｘ射线管电压波形的实时存储。实验数据表明，该方法简单有效，安全可靠，适用于Ｘ射线　

诊断机的质量控制，具有广阔的应用前景。　

关键词：ｘ射线诊断机；质量控制；ｘ射线管；非介入式；管电压　

中圈分类号：Ｒ８１４．２；ＴＰ２７７　文献标识码：Ａ　文章编号：１６７２－４９８４｛２００８ｌ０５—０１１０—０３　

Ｓｔｕｄｙ　ｏｎ　ｖｏｌｔａｇｅ　ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ　ｏｆ　Ｘ－ｒａｙ　ｔｕｂｅｓ　ｂａｓｅｄ　ｏｎ　ｎｏｎ－ｉｎｔｒｕｓｉｖｅ　

ＹＡＮＧ　Ｊｉａｎ　，ＨＯＵ　Ｘｉｎ－ｓｈｅｎｇ　，ＺＨＥＮＧ　Ｙｏｎｇ－ｍｉｎｇ＝，ＨＵＡＮＧ　Ｐｉｎｇ：　

（１．Ｃｈｅｎｇｄｕ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ　ｏｆ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｃｈｅｎｇｄｕ　６１００５９，Ｃｈｉｎａ；　

２．Ｎａｔｉｏｎａｌ　Ｉｎｓｉｔｔｕｔｅ　ｏｆ　Ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ　ａｎｄ　Ｔｅｓｔｉｎｇ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｃｈｅｎｇｄｕ　６１００２１，Ｃｈｉｎａ）　

Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｉｎ　ｏｒｄｅｒ　ｔｏ　ｃｏｎｔｒｏｌ　ｔｈｅ　ｑｕａｌｉｔｙ　ｏｆ　Ｘ—ｒａｙ　ｄｉａｇｎｏｓｔｉｃ　ｍａｃｈｉｎｅ，ｎｏｎ－ｉｎｔｒｕｓｉｖｅ　Ｘ—ｍｙ　ｔｕｂｅ　ｖｏｌｔａｇｅ　

ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ　ｓｙｓｔｅｍ　ｗａｓ　ｄｅｓｉｇｎｅｄ　ａｃｃｏｒｄｉｎｇ　ｔｏ　ｔｈｅ　ｔｈｅｏｒｙ　ｏｆ　ｒａｄｉａｔｉｏｎ　ｄｏｓａｇｅ　ｔｅｓｔｉｎｇ．Ｔｈｉｓ　ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ　ｓｙｓｔｅｍ　

ｔｏｏｋ　ｔｈｅ　ｓｉｎｇｌｅ　ｃｈｉｐ　ｃｏｎｔｒｏｌ　ｓｙｓｔｅｍ　ａｓ　ｔｈｅ　ｐｌａｆｔｏｒｍ，ｊｕｄｇｅｄ　ｔｈｅ　ｅｘｐｏｓｕｒｅ　ｏｆ　Ｘ－ｒａｙ　ｄｉａｇｎｏｓｔｉｃ　ｍａｃｈｉｎｅ　ｉｎｔｅｌｌｉｇｅｎｔｌｙ。　

ｃａｌｃｕｌａｔｅｄ　ｔｈｅ　Ｘ－ｒａｙ　ｔｕｂｅ　ｖｏｌｔａｇｅ　ｔｈｒｏｕｇｈ　ｔｈｅ　ｓｔｒｅｎｇｔｈ　ｃｏｎｔｒａｓｔ　ｏｆ　ｄｉｆｅｒｅｎｔ　ｒａｙｓ　ｆｒｏｍ　ｄｉｆｅｒｅｎｔ　ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ　ｐａｔｈ，　

ａｎｄ　ｓｔｏｒｅｄ　ｔｈｅ　ｒｅａｌ－ｔｉｍｅ　ｗａｖｅ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｔｕｂｅ　ｖｏｌｔａｇｅ　ｓｉｍｕｌｔａｎｅｏｕｓｌｙ．Ｔｈｅ　ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌ　ｄａｔａ　ｓｈｏｗｓ　ｔｈａｔ　ｔｈｉｓ　ｍｅｔｈｏｄ　ｉｓ　

ｓｉｍｐｌｅ　ａｎｄ　ｅｆｆｅｃｔｉｖｅ，ｓａｆｅ　ａｎｄ　ｒｅｌｉａｂｌｅ，ａｐｐｌｉｃａｂｌｅ　ｔｏ　ｔｈｅ　ｑｕａｌｉｔｙ　ｃｏｎｔｒｏｌ　ｏｆ　ｔｈｅ　Ｘ—ｒａｙ　ｄｉａｇｎｏｓｉｓ　ｍａｃｈｉｎｅ．Ｔｈｕｓ　

ｈｉｔｓ　ｍｅｔｈｏｄ　ｈａｓ　ｂｒｏａｄ　ａｐｐｈｃａｔｉｏｎ　ｐｒｏｓｐｅｃｔｓ．　

Ｋｅｙ　ｗｏｒｄｓ：Ｘ－ｒａｙ　ｄｉａｇｎｏｓｉｔｃ　ｍａｃｈｉｎｅ；Ｑｕａｌｉｔｙ　ｃｏｎｔｒｏｌ；Ｘ－ｒａｙ　ｔｕｂｅ；Ｎｏｎ－ｉｎｔｒｕｓｉｖｅ；Ｔｕｂｅ　ｖｏｌｔａｇｅ　

１　引　言　

为了确保ｘ射线诊断机的放射影像品质，减少　

被诊断者及工作人员的辐射吸收剂量，我们必须对　

Ｘ射线诊断机进行质量控制。ｘ射线诊断机质量控　

制主要有以下参数：管电压（ｋＶｐ）、管电流（ｍＡ）及　

曝光时间（Ｓ）。　

ｘ射线辐射强度与管电流成正比，与管电压的　

化更能引起辐射剂量的变化，因此管电压的准确度　

体探测器检测穿过不同厚度材料后的ｘ射线辐射　

量，通过吸收辐射量之比我们可以计算出管电压。　

这样方法简单易行，技术上更安全可靠。　

２非介入式Ｘ射线管电压测量的原理　

非介入式管电压（ｋＶｐ）测量是基于改变吸收材　

料的厚度，检测出不同的ｘ射线辐射量，通过不同　

的ｘ射线辐射量的比较，计算出管电压。下面具体　

ｘ射线管在高压下产生Ｘ射线，ｘ射线在物质　

平方也成正比。所以与管电流挛化相比，管电压变　

介绍测量的原理：

是至关重要的。不准确的管电压会影响放射影像的　

品质，不利于临床诊断。　

测量Ｘ射线管电压的方法一般有两大类：一类　

是介入式测量法，将管电压经过分压箱分压后，接入　

中的传输遵循以下衰减规律：　

Ｉ：Ｉ　一　Ｉ　Ｅ，ｍ）ｄ　

到示波器或监视器测量，从而得出管电压；另一类　

就是本文要介绍的非介入式测量法，利用多个半导　

收稿日期：２００８—０４—２２：收到修改稿日期：２００８－０７—０５　

其中，，０为初始强度；　

，为衰减后的强度；　

ｍ为物质材料；　

Ｅ为射线能量；　

ｄ为物质厚度；　

（　，ｍ）为衰减系数。　

作者简介：杨建（Ｉ９８２一），男，江苏南通市人，硕士研究生，　

专业方向为仪器与测控技术。　

因为ｘ射线的能量与高压存在一定的数学关　

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第３４卷第５期　杨建等：基于非介入式ｘ射线管电压测量的研究　

系，因而可以用电压　来表示ｘ射线的能量Ｅ，则　

（Ｅ，ｍ）可以改为　（　，ｍ）。当ｘ射线穿过材料厚度　

分别为ｄ　、　时，其射线强度为，】、，２。则有：　

，＝　（　ｔｍ）ｄｌ　，＝ｌｏｅ　（　・　）　

可以求出物质衰减系数：　

。

（　，ｍ）：　

ｄ２－ｄｌ　

度滤片　

由函数求逆运算可得到电压：　

Ｖ．Ｗｘ一　ｆ＼　　Ⅱ

２一Ⅱｌ　

，ｍ　１

／

在设计ｘ射线诊断机检测仪探头部分时，滤片　

图１　Ｘ射线束照射和探头示意图　

厚度ｄ。、ｄ２恒定，材料ｍ均匀，则管电压只与射线强　

度，ｌ、，２的比值有关。　

采用标准电压进行刻度的方法，我们列出电压　

与，　／，２的数值关系，把它作为以后测量的数据表，　

通过数据表可以计算出电压值。　

Ｖ０　

这种通过测量射线强度来计算管电压的方法，　

回避了直接测量高压，避免了高压作业的危险，实　

现了非介入测量。　

３　非介入式管电压测量的技术路线　

非介入式管电压测量系统主要包括了两个部　

分：ｘ射线探头和电路硬件部分。　

图２信号放大电路　

图１显示了射线探头结构，探头采用半导体探　

测器，两个探头分别探测穿过不同厚度过滤片的Ｘ　

满刻度频率为：　

’ｎ—ｄ　

射线强度。　

　．

（ｃｈ最小值为１　０００ｐＦ）　

乙ｈ　

电路硬件部分主要由探头信号放大、模数转　

本设计中满刻度输出频率为１　ＭＨｚ，输入电阻　

换、ＡＶＲ单片机和ＬＣＤ显示器等组成。　

尺　取１５．８Ｑ，定时电容ｃ瑾取５１　ｐＦ，积分电容　

信号放大电路采用德州仪器公司的ＴＬ０３１，　

取ｌ　０００ｐＦ，上拉电阻　２取５１０Ｑ。　

ＴＬ０３１为低功耗精密运算放大器，具有很高的转换　

单片机采用ＡＴＭＥＬ公司的ＡＶＲ单片机　

速率和带宽，它的输入级为ＪＦＥＴ，具有很高的输人　

ＡＴｍｅｇａ１６，ＡＴｍｅｇａｌ６是基于增强ＲＩＳＣ结构的低功　

阻抗，很低的失调电流，适合于ｘ射线探头低电流　

耗８位ＣＭＯＳ微控制器。由于其先进的指令集以及　

的放大，图２为信号放大电路。　

如图３所示，为了提高系统测量的　

精度，数模转换采用电压频率转换芯片　

ＡＤ６５０，配合单片机的１６位计数器，计　

时器组成１６位Ｖ／Ｆ型模数转换器。　

ＡＤ６５０具有很高的满刻度频率，很低　

的非线性度（在１０　ｋＨｚ满刻度时非线　

性度小于０．００２％，１００　ｋＨｚ满刻度时　，　

非线性度小于０．００５％，在１　ＭＨｚ满刻　

度时非线性度小于０．０７％）。电压转换　

的频率为：　

厶＝０・１５×　

图３模数转换电路　

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１１２　中国测试技术　２００８年９月　

单时钟周期指令执行时间，ＡＴｍｅｇａ１６的数据吞吐　

率高达１ＭＩＰＳ／ＭＨｚ，从而可以缓减系统在功耗和处　

理速度之间的矛盾。ＡＴｍｅｇａ１６资源丰富，有如下特　

点：１６Ｋ字节的系统内可编程Ｆｌａｓｈ，５１２字节　

ＥＥＰＲＯＭ，１Ｋ字节ＳＲＡＭ，３２个通用Ｉ／Ｏ口线，３２个　

通用工作寄存器，用于边界扫描的ＪＴＡＧ接口，三个　

具有比较模式的灵活的定时器计数器，具有可编程　

看门狗定时器，可编程串行ＵＳＡＲＴ，一个ＳＰＩ串行端　

口以及六个可以通过软件进行选择的工作模式。　

如图４所示，探头探测到的信号经过放大比　

较，经过Ａ／Ｄ转换后送到单片机控制系统，单片机　

对所得的数据存储，并与刻度表中的数据进行对　

比，计算出ｘ射线管电压，单片机将结果输出到　

ＬＣＤ显示系统。　

图４　Ｘ射线管电压测量电路实现框图　

４　实验结果　

非介入式管电压测量仪在四川大学的ｘ射线　

诊断机上进行标定，标定后对Ｘ射线机进行测量。　

表１为仪器精度的实验数据，表２为仪器重复性的　

实验数据。表３为不同时间电流积（ｍＡｓ）的实验数　

据，表４为不同焦点一探头距离的实验数据，表５为　

表１仪器精度实验数据　

１１９．９　１２０．ｏｌｌ９．９　１２０．ｏ　１２０．０　Ｉｌ９．９　１２０．ｏ　１２０ｌｏｌｌ９－９ｌ２０．ｏ　

注：诊断机电压为１２０ｋＶ，电流时间积为２０ｍＡｓ，距离为４０ｃｍ　

表３不同时间电流积【ｍＡｓ）的实验数据　

注：诊断机电压为８０ｋＶ，电流为１００ｍＡ，距离为４０ｃｍ　

表４不同焦点一探头距离的实验数据　

距离（ｃｍ）　３０　３５　４Ｏ　４５　５Ｏ　５５　６０　

电压测量值（ｋＶ）７９．７　７９．８　７９．８　８０．１　８０．Ｉ　８０．Ｉ　８０．２　

注：诊断机电压为８ＯｋＶ．电流时间积为２０ｍＡｓ　

表５不同附加过滤的实验数据　

滤片厚度（（ｎｕｎ）０　２．５　３　３．５　

电压测量值（ｋＶ）　７９．８　８０．２　８０．６　８１．１　

注：诊断机电压为８０ｋＶ．电流时间积为２０ｍＡｓ。距离为　

４０ｃａ．滤片材料为铝片　

不同附加过滤的实验数据。　

通过以上数据分析可知，测量系统的精度达到　

±０．１　ｋＶ，测量重复性为０．０４３％，照射时间的变异系　

数＜Ｏ．５％，焦探距的变异系数＜Ｏ．５％，附加滤过的变　

异系数＜１．５％，测量数据表明仪器性能符合非介入　

测量医用诊断ｘ射线管电压的计量学仪器行业标　

准（ＩＥＣ　６１６７６：２００２，ＩＤＴ）的要求。　

５　结束语　

本文详细介绍了ｘ射线管电压的测量原理和　

技术实现，该系统以ＡＶＲ单片机为核心，实现了Ｘ　

射线强度信号的探测、传输及分析，从而测量出ｘ　

射线管电压。从实验测试和现场使用情况来看，基　

于非介入式管电压测量法的测量系统精度高、重复　

性好、安全可靠、便于现场测量，使得工作人员能够　

很方便地调整ｘ射线诊断机管电压，提高了ｘ射线　

诊断机的应用效果和使用寿命，在ｘ射线诊断机质　

量检测领域有着十分广阔的应用前景。　

参考文献　

［１１　魏志勇．］医用核辐射物理学［Ｍ】．苏州：苏州大学出版社，　

２００３．　

［２］王瑞玉．医用数字乳腺Ｘ射线机［Ｍ】．北京：中国医药科技　

出版社，２００７．　

［３　黎式棠．３］医用ｘ射线机原理与维修【Ｍ】．南宁：广西科学技　

术出版社，１９９９．　

［４］中国标准汇编．医疗器械标准汇编医用ｘ射线卷【ｓ】．北　

京：中国标准出版社，２００２．　

ｆ５　杨５］勇，张圆月，刘志宏．医用诊断ｘ射线剂量探测技术　

概述【Ｊ】．中国测试技术，２００５，３１（４）：９４－９６．　

【６】孙丽娜，原培新．Ｘ射线安检设备中探测技术研究【Ｊ】．中　

国测试技术，２００６，３２（３）：２０—２２．　

【７】Ｒａｎａｌｌｏ　Ｆ　Ｎ．Ｐｍｐ０ｓｅｄ　ｄｅｆｉｎｉｔｉｏｎｓ　ｏｆ　ｔｕｂｅ　ｐｏｔｅｎｔｉａｌ（ｋＶ）　

ａｎｄ　ｐｅａｋ　ｔｕｂｅ　ｐｏｔｅｎｔｉａｌ（ｋＶｐ）ｉｎ　ｔｈｅ　ｎｏｎ－ｉｎｖａｓｉｖｅ　

ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ　ｏｆ　Ｘ—ｍｙ　ｔｕｂｅ　ｐｏｔｅｎｔｉａ１．Ｍａｄｉｓｏｎ，　

Ｗｉｓｃｏｎｓｉｎ：Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ　ｏｆ　Ｗｉｓｃｏｎｓｉｎ－Ｍａｄｉｓｏｎ，１９９３：７０—８０．　

ｆ８］Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ　Ｅｌｅｃｔｒｏｔｅｅｈｎｉｅａｌ　Ｃｏｍｍｉｓｓｉｏｎ．Ｅｖａｌｕａｔｉｏｎ　ａｎｄ　

ｒｏｕｔｉｎｅ　ｔｅｓｔｉｎｇ　ｉｎ　ｍｅｄｉｃａｌ　ｉｍａｇｉｎｇ　ｄｅｐａｒｔｍｅｎｔｓ—Ｐａｒｔ　３－２，　

ａｃｃｅｐｔａｎｃｅ　ｔｅｓｔｓ－Ｉｍａｇｉｎｇ　ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ　ｏｆ　ｍａｍｍｏｇｒａｐｈｉｅ　

Ｘ—ｒａｙ　ｅｑｕｉｐｍｅｎｔ［Ｓ］．ＩＥＣ　Ｓｔａｎｄａｒｄ　１２２３—３—２。１９９６．　

2024年4月10日发(作者：仝俨雅)

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第３２００８年９月　４　蔓｛朔　Ｃ

ＨＩＮＡ　ＭＥＡＳＵＲＥＭＥ

中国测试技术　

。Ｎ…Ｔ　ｓ。ＴＩＮＧ　ＴＥＣＨＮＯＬＯＧＹ　Ｖｏ１．３４　Ｎｏ．５　

Ｓｅｐｔ．２００８　

基于非介入式Ｘ射线管电压测量的研究　

杨　建　，侯新生　，郑永明２，黄　平　

（１．成都理工大学，四川成都６１００５９；２．中国测试技术研究院，四川成都６１００２１）　

摘要：为了实现ｘ射线诊断机的质量控制，根据辐射剂量测量的原理，设计了非介入式ｘ射线管电压测量系统。　

该测量系统以单片机控制系统为平台，智能判断ｘ射线诊断机的照射，通过不同传输路径的射线强度的对比，计　

算ｘ射线管电压，实现ｘ射线管电压波形的实时存储。实验数据表明，该方法简单有效，安全可靠，适用于Ｘ射线　

诊断机的质量控制，具有广阔的应用前景。　

关键词：ｘ射线诊断机；质量控制；ｘ射线管；非介入式；管电压　

中圈分类号：Ｒ８１４．２；ＴＰ２７７　文献标识码：Ａ　文章编号：１６７２－４９８４｛２００８ｌ０５—０１１０—０３　

Ｓｔｕｄｙ　ｏｎ　ｖｏｌｔａｇｅ　ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ　ｏｆ　Ｘ－ｒａｙ　ｔｕｂｅｓ　ｂａｓｅｄ　ｏｎ　ｎｏｎ－ｉｎｔｒｕｓｉｖｅ　

ＹＡＮＧ　Ｊｉａｎ　，ＨＯＵ　Ｘｉｎ－ｓｈｅｎｇ　，ＺＨＥＮＧ　Ｙｏｎｇ－ｍｉｎｇ＝，ＨＵＡＮＧ　Ｐｉｎｇ：　

（１．Ｃｈｅｎｇｄｕ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ　ｏｆ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｃｈｅｎｇｄｕ　６１００５９，Ｃｈｉｎａ；　

２．Ｎａｔｉｏｎａｌ　Ｉｎｓｉｔｔｕｔｅ　ｏｆ　Ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ　ａｎｄ　Ｔｅｓｔｉｎｇ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｃｈｅｎｇｄｕ　６１００２１，Ｃｈｉｎａ）　

Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｉｎ　ｏｒｄｅｒ　ｔｏ　ｃｏｎｔｒｏｌ　ｔｈｅ　ｑｕａｌｉｔｙ　ｏｆ　Ｘ—ｒａｙ　ｄｉａｇｎｏｓｔｉｃ　ｍａｃｈｉｎｅ，ｎｏｎ－ｉｎｔｒｕｓｉｖｅ　Ｘ—ｍｙ　ｔｕｂｅ　ｖｏｌｔａｇｅ　

ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ　ｓｙｓｔｅｍ　ｗａｓ　ｄｅｓｉｇｎｅｄ　ａｃｃｏｒｄｉｎｇ　ｔｏ　ｔｈｅ　ｔｈｅｏｒｙ　ｏｆ　ｒａｄｉａｔｉｏｎ　ｄｏｓａｇｅ　ｔｅｓｔｉｎｇ．Ｔｈｉｓ　ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ　ｓｙｓｔｅｍ　

ｔｏｏｋ　ｔｈｅ　ｓｉｎｇｌｅ　ｃｈｉｐ　ｃｏｎｔｒｏｌ　ｓｙｓｔｅｍ　ａｓ　ｔｈｅ　ｐｌａｆｔｏｒｍ，ｊｕｄｇｅｄ　ｔｈｅ　ｅｘｐｏｓｕｒｅ　ｏｆ　Ｘ－ｒａｙ　ｄｉａｇｎｏｓｔｉｃ　ｍａｃｈｉｎｅ　ｉｎｔｅｌｌｉｇｅｎｔｌｙ。　

ｃａｌｃｕｌａｔｅｄ　ｔｈｅ　Ｘ－ｒａｙ　ｔｕｂｅ　ｖｏｌｔａｇｅ　ｔｈｒｏｕｇｈ　ｔｈｅ　ｓｔｒｅｎｇｔｈ　ｃｏｎｔｒａｓｔ　ｏｆ　ｄｉｆｅｒｅｎｔ　ｒａｙｓ　ｆｒｏｍ　ｄｉｆｅｒｅｎｔ　ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ　ｐａｔｈ，　

ａｎｄ　ｓｔｏｒｅｄ　ｔｈｅ　ｒｅａｌ－ｔｉｍｅ　ｗａｖｅ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｔｕｂｅ　ｖｏｌｔａｇｅ　ｓｉｍｕｌｔａｎｅｏｕｓｌｙ．Ｔｈｅ　ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌ　ｄａｔａ　ｓｈｏｗｓ　ｔｈａｔ　ｔｈｉｓ　ｍｅｔｈｏｄ　ｉｓ　

ｓｉｍｐｌｅ　ａｎｄ　ｅｆｆｅｃｔｉｖｅ，ｓａｆｅ　ａｎｄ　ｒｅｌｉａｂｌｅ，ａｐｐｌｉｃａｂｌｅ　ｔｏ　ｔｈｅ　ｑｕａｌｉｔｙ　ｃｏｎｔｒｏｌ　ｏｆ　ｔｈｅ　Ｘ—ｒａｙ　ｄｉａｇｎｏｓｉｓ　ｍａｃｈｉｎｅ．Ｔｈｕｓ　

ｈｉｔｓ　ｍｅｔｈｏｄ　ｈａｓ　ｂｒｏａｄ　ａｐｐｈｃａｔｉｏｎ　ｐｒｏｓｐｅｃｔｓ．　

Ｋｅｙ　ｗｏｒｄｓ：Ｘ－ｒａｙ　ｄｉａｇｎｏｓｉｔｃ　ｍａｃｈｉｎｅ；Ｑｕａｌｉｔｙ　ｃｏｎｔｒｏｌ；Ｘ－ｒａｙ　ｔｕｂｅ；Ｎｏｎ－ｉｎｔｒｕｓｉｖｅ；Ｔｕｂｅ　ｖｏｌｔａｇｅ　

１　引　言　

为了确保ｘ射线诊断机的放射影像品质，减少　

被诊断者及工作人员的辐射吸收剂量，我们必须对　

Ｘ射线诊断机进行质量控制。ｘ射线诊断机质量控　

制主要有以下参数：管电压（ｋＶｐ）、管电流（ｍＡ）及　

曝光时间（Ｓ）。　

ｘ射线辐射强度与管电流成正比，与管电压的　

化更能引起辐射剂量的变化，因此管电压的准确度　

体探测器检测穿过不同厚度材料后的ｘ射线辐射　

量，通过吸收辐射量之比我们可以计算出管电压。　

这样方法简单易行，技术上更安全可靠。　

２非介入式Ｘ射线管电压测量的原理　

非介入式管电压（ｋＶｐ）测量是基于改变吸收材　

料的厚度，检测出不同的ｘ射线辐射量，通过不同　

的ｘ射线辐射量的比较，计算出管电压。下面具体　

ｘ射线管在高压下产生Ｘ射线，ｘ射线在物质　

平方也成正比。所以与管电流挛化相比，管电压变　

介绍测量的原理：

是至关重要的。不准确的管电压会影响放射影像的　

品质，不利于临床诊断。　

测量Ｘ射线管电压的方法一般有两大类：一类　

是介入式测量法，将管电压经过分压箱分压后，接入　

中的传输遵循以下衰减规律：　

Ｉ：Ｉ　一　Ｉ　Ｅ，ｍ）ｄ　

到示波器或监视器测量，从而得出管电压；另一类　

就是本文要介绍的非介入式测量法，利用多个半导　

收稿日期：２００８—０４—２２：收到修改稿日期：２００８－０７—０５　

其中，，０为初始强度；　

，为衰减后的强度；　

ｍ为物质材料；　

Ｅ为射线能量；　

ｄ为物质厚度；　

（　，ｍ）为衰减系数。　

作者简介：杨建（Ｉ９８２一），男，江苏南通市人，硕士研究生，　

专业方向为仪器与测控技术。　

因为ｘ射线的能量与高压存在一定的数学关　

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第３４卷第５期　杨建等：基于非介入式ｘ射线管电压测量的研究　

系，因而可以用电压　来表示ｘ射线的能量Ｅ，则　

（Ｅ，ｍ）可以改为　（　，ｍ）。当ｘ射线穿过材料厚度　

分别为ｄ　、　时，其射线强度为，】、，２。则有：　

，＝　（　ｔｍ）ｄｌ　，＝ｌｏｅ　（　・　）　

可以求出物质衰减系数：　

。

（　，ｍ）：　

ｄ２－ｄｌ　

度滤片　

由函数求逆运算可得到电压：　

Ｖ．Ｗｘ一　ｆ＼　　Ⅱ

２一Ⅱｌ　

，ｍ　１

／

在设计ｘ射线诊断机检测仪探头部分时，滤片　

图１　Ｘ射线束照射和探头示意图　

厚度ｄ。、ｄ２恒定，材料ｍ均匀，则管电压只与射线强　

度，ｌ、，２的比值有关。　

采用标准电压进行刻度的方法，我们列出电压　

与，　／，２的数值关系，把它作为以后测量的数据表，　

通过数据表可以计算出电压值。　

Ｖ０　

这种通过测量射线强度来计算管电压的方法，　

回避了直接测量高压，避免了高压作业的危险，实　

现了非介入测量。　

３　非介入式管电压测量的技术路线　

非介入式管电压测量系统主要包括了两个部　

分：ｘ射线探头和电路硬件部分。　

图２信号放大电路　

图１显示了射线探头结构，探头采用半导体探　

测器，两个探头分别探测穿过不同厚度过滤片的Ｘ　

满刻度频率为：　

’ｎ—ｄ　

射线强度。　

　．

（ｃｈ最小值为１　０００ｐＦ）　

乙ｈ　

电路硬件部分主要由探头信号放大、模数转　

本设计中满刻度输出频率为１　ＭＨｚ，输入电阻　

换、ＡＶＲ单片机和ＬＣＤ显示器等组成。　

尺　取１５．８Ｑ，定时电容ｃ瑾取５１　ｐＦ，积分电容　

信号放大电路采用德州仪器公司的ＴＬ０３１，　

取ｌ　０００ｐＦ，上拉电阻　２取５１０Ｑ。　

ＴＬ０３１为低功耗精密运算放大器，具有很高的转换　

单片机采用ＡＴＭＥＬ公司的ＡＶＲ单片机　

速率和带宽，它的输入级为ＪＦＥＴ，具有很高的输人　

ＡＴｍｅｇａ１６，ＡＴｍｅｇａｌ６是基于增强ＲＩＳＣ结构的低功　

阻抗，很低的失调电流，适合于ｘ射线探头低电流　

耗８位ＣＭＯＳ微控制器。由于其先进的指令集以及　

的放大，图２为信号放大电路。　

如图３所示，为了提高系统测量的　

精度，数模转换采用电压频率转换芯片　

ＡＤ６５０，配合单片机的１６位计数器，计　

时器组成１６位Ｖ／Ｆ型模数转换器。　

ＡＤ６５０具有很高的满刻度频率，很低　

的非线性度（在１０　ｋＨｚ满刻度时非线　

性度小于０．００２％，１００　ｋＨｚ满刻度时　，　

非线性度小于０．００５％，在１　ＭＨｚ满刻　

度时非线性度小于０．０７％）。电压转换　

的频率为：　

厶＝０・１５×　

图３模数转换电路　

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１１２　中国测试技术　２００８年９月　

单时钟周期指令执行时间，ＡＴｍｅｇａ１６的数据吞吐　

率高达１ＭＩＰＳ／ＭＨｚ，从而可以缓减系统在功耗和处　

理速度之间的矛盾。ＡＴｍｅｇａ１６资源丰富，有如下特　

点：１６Ｋ字节的系统内可编程Ｆｌａｓｈ，５１２字节　

ＥＥＰＲＯＭ，１Ｋ字节ＳＲＡＭ，３２个通用Ｉ／Ｏ口线，３２个　

通用工作寄存器，用于边界扫描的ＪＴＡＧ接口，三个　

具有比较模式的灵活的定时器计数器，具有可编程　

看门狗定时器，可编程串行ＵＳＡＲＴ，一个ＳＰＩ串行端　

口以及六个可以通过软件进行选择的工作模式。　

如图４所示，探头探测到的信号经过放大比　

较，经过Ａ／Ｄ转换后送到单片机控制系统，单片机　

对所得的数据存储，并与刻度表中的数据进行对　

比，计算出ｘ射线管电压，单片机将结果输出到　

ＬＣＤ显示系统。　

图４　Ｘ射线管电压测量电路实现框图　

４　实验结果　

非介入式管电压测量仪在四川大学的ｘ射线　

诊断机上进行标定，标定后对Ｘ射线机进行测量。　

表１为仪器精度的实验数据，表２为仪器重复性的　

实验数据。表３为不同时间电流积（ｍＡｓ）的实验数　

据，表４为不同焦点一探头距离的实验数据，表５为　

表１仪器精度实验数据　

１１９．９　１２０．ｏｌｌ９．９　１２０．ｏ　１２０．０　Ｉｌ９．９　１２０．ｏ　１２０ｌｏｌｌ９－９ｌ２０．ｏ　

注：诊断机电压为１２０ｋＶ，电流时间积为２０ｍＡｓ，距离为４０ｃｍ　

表３不同时间电流积【ｍＡｓ）的实验数据　

注：诊断机电压为８０ｋＶ，电流为１００ｍＡ，距离为４０ｃｍ　

表４不同焦点一探头距离的实验数据　

距离（ｃｍ）　３０　３５　４Ｏ　４５　５Ｏ　５５　６０　

电压测量值（ｋＶ）７９．７　７９．８　７９．８　８０．１　８０．Ｉ　８０．Ｉ　８０．２　

注：诊断机电压为８ＯｋＶ．电流时间积为２０ｍＡｓ　

表５不同附加过滤的实验数据　

滤片厚度（（ｎｕｎ）０　２．５　３　３．５　

电压测量值（ｋＶ）　７９．８　８０．２　８０．６　８１．１　

注：诊断机电压为８０ｋＶ．电流时间积为２０ｍＡｓ。距离为　

４０ｃａ．滤片材料为铝片　

不同附加过滤的实验数据。　

通过以上数据分析可知，测量系统的精度达到　

±０．１　ｋＶ，测量重复性为０．０４３％，照射时间的变异系　

数＜Ｏ．５％，焦探距的变异系数＜Ｏ．５％，附加滤过的变　

异系数＜１．５％，测量数据表明仪器性能符合非介入　

测量医用诊断ｘ射线管电压的计量学仪器行业标　

准（ＩＥＣ　６１６７６：２００２，ＩＤＴ）的要求。　

５　结束语　

本文详细介绍了ｘ射线管电压的测量原理和　

技术实现，该系统以ＡＶＲ单片机为核心，实现了Ｘ　

射线强度信号的探测、传输及分析，从而测量出ｘ　

射线管电压。从实验测试和现场使用情况来看，基　

于非介入式管电压测量法的测量系统精度高、重复　

性好、安全可靠、便于现场测量，使得工作人员能够　

很方便地调整ｘ射线诊断机管电压，提高了ｘ射线　

诊断机的应用效果和使用寿命，在ｘ射线诊断机质　

量检测领域有着十分广阔的应用前景。　

参考文献　

［１１　魏志勇．］医用核辐射物理学［Ｍ】．苏州：苏州大学出版社，　

２００３．　

［２］王瑞玉．医用数字乳腺Ｘ射线机［Ｍ】．北京：中国医药科技　

出版社，２００７．　

［３　黎式棠．３］医用ｘ射线机原理与维修【Ｍ】．南宁：广西科学技　

术出版社，１９９９．　

［４］中国标准汇编．医疗器械标准汇编医用ｘ射线卷【ｓ】．北　

京：中国标准出版社，２００２．　

ｆ５　杨５］勇，张圆月，刘志宏．医用诊断ｘ射线剂量探测技术　

概述【Ｊ】．中国测试技术，２００５，３１（４）：９４－９６．　

【６】孙丽娜，原培新．Ｘ射线安检设备中探测技术研究【Ｊ】．中　

国测试技术，２００６，３２（３）：２０—２２．　

【７】Ｒａｎａｌｌｏ　Ｆ　Ｎ．Ｐｍｐ０ｓｅｄ　ｄｅｆｉｎｉｔｉｏｎｓ　ｏｆ　ｔｕｂｅ　ｐｏｔｅｎｔｉａｌ（ｋＶ）　

ａｎｄ　ｐｅａｋ　ｔｕｂｅ　ｐｏｔｅｎｔｉａｌ（ｋＶｐ）ｉｎ　ｔｈｅ　ｎｏｎ－ｉｎｖａｓｉｖｅ　

ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ　ｏｆ　Ｘ—ｍｙ　ｔｕｂｅ　ｐｏｔｅｎｔｉａ１．Ｍａｄｉｓｏｎ，　

Ｗｉｓｃｏｎｓｉｎ：Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ　ｏｆ　Ｗｉｓｃｏｎｓｉｎ－Ｍａｄｉｓｏｎ，１９９３：７０—８０．　

ｆ８］Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ　Ｅｌｅｃｔｒｏｔｅｅｈｎｉｅａｌ　Ｃｏｍｍｉｓｓｉｏｎ．Ｅｖａｌｕａｔｉｏｎ　ａｎｄ　

ｒｏｕｔｉｎｅ　ｔｅｓｔｉｎｇ　ｉｎ　ｍｅｄｉｃａｌ　ｉｍａｇｉｎｇ　ｄｅｐａｒｔｍｅｎｔｓ—Ｐａｒｔ　３－２，　

ａｃｃｅｐｔａｎｃｅ　ｔｅｓｔｓ－Ｉｍａｇｉｎｇ　ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ　ｏｆ　ｍａｍｍｏｇｒａｐｈｉｅ　

Ｘ—ｒａｙ　ｅｑｕｉｐｍｅｎｔ［Ｓ］．ＩＥＣ　Ｓｔａｎｄａｒｄ　１２２３—３—２。１９９６．