X线机自动曝光控制电离室的研制及其特性研究
作者：王鹏程 刘世民 王 洪 曹允希 王先运 李月卿
单位：泰山医学院放射系 (271000)
关键词：自动曝光；电离室；X线摄影术
提要
提要：研制用于医用诊断X线机自动曝光控制用电离室，并对其各种输出特性进行了实验测量与研究。电离室中心电极采用了静电喷涂石墨电极，因此不会在胶片上形成影像，为增大电离室输出效率电离室采用复式结构，减小了电离室厚度与极间电容。研制的电离室可方便安装于不同X线机上，其输出信号与输入射线强度线性良好，线质响应均匀，输出时间响应线性良好。
The Development of the Ionization Chamber and the Researching of its Characteristics for Automatic Exposure Controlling in the X-ray Diagnosis Machine
, 百拇医药
Weng Pengcheng Liu Shiming Wang Hong
Cao Yunxi Wang Xanyun Li Yueqing
Department of Radiology, Taishan Medical College, Shandong Province
ABSTRACT:An ionization chamber for automatic exposure controlling used in X ray diagnosis machine was developped, and its characteristics were measured and researched. The electrodes of measuring field were made of cabon, such couldn't leave it's imaging on the film. In order to increase the ionization efficiency and decrease the thickness and electric capacity between electrods, the chamber was constructed in multilayers. The chamber we developped can be fixed in different x ray machines convientlly, there is a fine linearity between it's signal output and the exposures, the beam quality response is uniform and output-timing response is also good.
, http://www.100md.com
KEY WORDS: Automatic exposure Ionization chamber X-ray photograpy
近年来医院放射科已广泛应用自动洗片机，由于自动洗片机只能按相同的冲洗条件自动洗片，这就要求所冲洗的X线照片必须具有相同的曝光量，而在X线摄影时，不同病人、不同照射体位，靠手工凭经验来选择照相kV、mA及曝光时间，使照片达到相同的照射量是具有很大盲目性的。
自动曝光控制(Automatic Exposure Control AEC)利用射线传感器探测穿过被照肢体到达胶片的射线量，从而控制曝光时间，可以使对不同体位、不同病人所拍摄的X线照片具有相同的感光量，彻底解决在自动洗片机上冲洗不同照片时，照片感光量不一致的问题。AEC技术中的关键环节是X线曝光传感器，笔者根据国产X线机特点，研制了一种可安装于不同机器的自动曝光控制电离室，并对其工作特性进行了研究。
, http://www.100md.com 1 材料与方法
1.1 AEC电离室的原理与方法
利用气体电离方法进行射线探测是一项广为采用的技术[1]。AEC电离室为平行板电离室，电极之间充有空气并加上一定直流电压，射线和入射电极(阴极)作用，通过光电效应或康普顿效应激发出次级电子，这些次级电子在电离室中电离空气产生正、负离子对，正、负离子在电极电场作用下向两极移动，在外电路形成输出电流信号。由于正、负离子的复合，电离室所产生的离子不能完全到达测量电极，根据Boag理论[2，3]，电离室的收集效率为：
式中，ξ=m.d2.q0.5/V，d为电离室电极间距(cm)，V为极间电压(收集电压Volt)，q为单位时间内空气电离密度(esu.cm-3.s-1)，m为空气温度、气压修正因子。
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由此可见，为增大电离电荷收集效率，提高电离电流输出，应减小电离室厚度(极间距)，但极间距减小会使电离室灵敏体积减小，因此电离室厚度应按电荷收集效率、收集体积大小及电离室的安放空间折衷考虑。另外增大收集电压可提高收集效率，但电压过高会增大电源的要求，一般电离室极间距在5—10mm时，大于200V的极化电压就可使电离室收集效率达99%以上[4]。
1.2 AEC电离室的结构
用于自动曝光控制的电离室应满足以下要求：① 对X线吸收尽量小，因为这部分被吸收X线对胶片成像无贡献，而病人所接受的X线剂量又因此要相应提高。② 由于电离室置于被照肢体与片盒之间，因此电离室必须不包含会在X线照片上造成影像的构件，因而电离室阴极面积应大于最大胶片尺寸，阳极采用石墨静电喷涂电极，从而保证电离室边缘及测量阳极不会在照相底片上形成影像。③ 电离室尽量薄，否则因X线管焦点与胶片距离有限，在病人和胶片之间置入电离室会使此距离增大造成几何模糊增大。为减小电离室总厚度，同时又保证其具有足够大的灵敏度，我们采用了复式结构电离室，将中心阳极夹在两阴极之间，这种结构既不增大电离室总厚度又增加了测量体积提高了灵敏度，更为重要的是这种结构的电离室中心电极由两接地阴极直接提供电磁屏蔽，如果采用单层结构电离室，中心阳极直接靠近电离室壁，和前者相比虽然有效极间距增大，电离室时间响应提高，但是中心阳极无电磁屏蔽，由于电离室的输出电流很微弱，电磁干扰会窜入中心阳极从而降低电离室输出的信噪比。图1为电离室示意图。④ 测量野的形状和大小由临床摄影体位决定，显然，对于较小的部位，如颈部和头部，从病人旁边通过的X线不会被吸收减弱，它们入射到电离室上，自动曝光系统就会提前拉闸，致使曝光不足，因而只在电离室的某一专用部分测量X线剂量，另一方面，这个测量野也不能太小，因为所测得的剂量必须相应于底片上感兴趣部分某一平均黑度，不受细节部分黑度分布张落影响，而且还要保证其输出信号有足够大的信噪比，因此，测量野位置采用三照射野结构，如图1(c)所示，每野测量面积为50cm2，阳极(收集电极)周围电场分布，使之不产生畸变，在阳极周围加上与阴极同电位的阳极保护环。在大部分情况下，用中心野输出控制曝光量，因为照相部位的影像一般安排在胶片中心；但也有一些器官在体内分布是对称的，如肺。对正常胸片，一个中心测量野是不适合的，中心野测量的只是心脏部位的感光照射量，而人们感兴趣的影像是两侧肺野，因此对此类X线摄影，两个对称测量野是最理想的，每个测量野对准两肺中心。实际应用时，测量野可用开关选择分别使用或组合使用。
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图1 自动曝光控制用三野电离室结构图
2 AEC电离室的输出特性研究
2.1 线质响应
AEC电离室在诊断摄影所用的kV范围内要有良好的响应。利用DF500mAX线机(以下相同)，将电离室置于诊视床上，X线野对准电离室测量野中心，保持照像mA不变，选择不同kV值进行曝光，每次测量时X线机kV值由美国产NERO6000X线机多功能测量仪监测输出照射量(率)，AEC电离室输出由NYL-Ⅲ伦琴计(弱电流计)经I/V积分变换由其数字电压表读出，参照新开英秀[4]的研究，电离室的极化电压采用300V，由kV增加而造成的X线机输出照射量的增加以NERO6000的测量值进行修正。
2.2 电离室的输出线性研究
AEC电离室要求不同线质、线量的X线应有良好的输出线性，以保证实际应用时被照肢体厚度不同、部位不同引起的不同强度射线照射到电离室上，其输出电流信号与输入的射线量之间应是完全线性的关系。测量时首先选择一定kV值并保持不变，改变不同照射mA值，在相同曝光时间下，分别以NERO6000仪测量到达电离室的X线照射量及AEC电离室读数，按AEC电离室测量读数对NERO6000仪测得的照射量进行线性回归分析。
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2.3 AEC电离室输出的时间线性研究
AEC电离室的实际应用，就是当其输出信号达到预定阈值时其控制电路能及时关断X线机高压，从而达到控制胶片曝光量之目的。由于被照人体厚度不同及肢体部位不同，穿过人体到达电离室的照射量率(单位时间内照射量的大小)也就不同，对AEC电离室输出的时间响应要求当输入辐射量相同时，其输出信号与测量时间应是完全线性的。测量时固定kV及mA，变换不同的曝光时间，测量电离室相对输出，以测量时间对输出读数进行线性回归分析，在测量之前X线机曝光时间以NERO6000仪预先校准。
3 结果与结论
所测量的管电压为50—110kV线质响应曲线如图2所示。由图可见在此范围内，由射线品质变化引起的电离室最大输出变化为±5%。对60、70、80、90kV管电压测量电离室输出线性结果表明，其在不同管电压测量条件下，当输出X线强度从0.6mR/min到7R/min变化时，其输出曲线的线性相关系数不小于0.99，图3为70kV条件下测量输出线性回归曲线。其线性相关系数为0.998884。
, 百拇医药
图2 不同管电压下电离室能量响应曲线
图3 不同X线强度照射下电离室输出响应曲线
图4为AEC电离室的时间线性特性，测量时间从0.1秒到3秒，对测量输出与曝光时间进行线性回归处理，其线性回归系数R=0.99961。由于AEC电离室是用来控制X线照片曝光量的，一般对一个好的X线影像要求其黑化度在0.8—1.2左右，对应照射量为0.6—1.5mR，由此可见，我们所研制的电离室其物理特性可以满足自动曝光控制的需要。通过拍片证实中心涂炭电极对X线吸收很小，不能在X线照片上形成影像，这对AEC电离室而言，也是至关重要的因素。
, 百拇医药
图4 不同曝光时间对应电离室输出响应曲线
需要注意的是电离室的输出特性与其所接的测量输出电路相关，自动曝光控制电离室实际应用时其控制电路中必须有调整校正电路，用以适应不同屏胶系统及不同厚度体位摄影之用，关于整个自动曝光控制电路结构及原理限于篇幅在此不予表述。
参 考 文 献
1. 李士骏.电离辐射剂量学.原子能出版社，1986；75-88.
2. Boag J. W Radiation Dosimetry Vol. 2.11-17，Academia Press,1966.
3. 岗岛俊三.医学放射线物理学.南山堂，东京，1980；136-139.
4. Eishu Shinkai property evalution of newly developed double electrode ionization chamber for measuring patient exposure.日本放射线技术学会杂志.1994；Vol.50,NO.9,1565-1572.
(1998年2月6日收稿), 百拇医药
单位：泰山医学院放射系 (271000)
关键词：自动曝光；电离室；X线摄影术
提要
提要：研制用于医用诊断X线机自动曝光控制用电离室，并对其各种输出特性进行了实验测量与研究。电离室中心电极采用了静电喷涂石墨电极，因此不会在胶片上形成影像，为增大电离室输出效率电离室采用复式结构，减小了电离室厚度与极间电容。研制的电离室可方便安装于不同X线机上，其输出信号与输入射线强度线性良好，线质响应均匀，输出时间响应线性良好。
The Development of the Ionization Chamber and the Researching of its Characteristics for Automatic Exposure Controlling in the X-ray Diagnosis Machine
, 百拇医药
Weng Pengcheng Liu Shiming Wang Hong
Cao Yunxi Wang Xanyun Li Yueqing
Department of Radiology, Taishan Medical College, Shandong Province
ABSTRACT:An ionization chamber for automatic exposure controlling used in X ray diagnosis machine was developped, and its characteristics were measured and researched. The electrodes of measuring field were made of cabon, such couldn't leave it's imaging on the film. In order to increase the ionization efficiency and decrease the thickness and electric capacity between electrods, the chamber was constructed in multilayers. The chamber we developped can be fixed in different x ray machines convientlly, there is a fine linearity between it's signal output and the exposures, the beam quality response is uniform and output-timing response is also good.
, http://www.100md.com
KEY WORDS: Automatic exposure Ionization chamber X-ray photograpy
近年来医院放射科已广泛应用自动洗片机，由于自动洗片机只能按相同的冲洗条件自动洗片，这就要求所冲洗的X线照片必须具有相同的曝光量，而在X线摄影时，不同病人、不同照射体位，靠手工凭经验来选择照相kV、mA及曝光时间，使照片达到相同的照射量是具有很大盲目性的。
自动曝光控制(Automatic Exposure Control AEC)利用射线传感器探测穿过被照肢体到达胶片的射线量，从而控制曝光时间，可以使对不同体位、不同病人所拍摄的X线照片具有相同的感光量，彻底解决在自动洗片机上冲洗不同照片时，照片感光量不一致的问题。AEC技术中的关键环节是X线曝光传感器，笔者根据国产X线机特点，研制了一种可安装于不同机器的自动曝光控制电离室，并对其工作特性进行了研究。
, http://www.100md.com 1 材料与方法
1.1 AEC电离室的原理与方法
利用气体电离方法进行射线探测是一项广为采用的技术[1]。AEC电离室为平行板电离室，电极之间充有空气并加上一定直流电压，射线和入射电极(阴极)作用，通过光电效应或康普顿效应激发出次级电子，这些次级电子在电离室中电离空气产生正、负离子对，正、负离子在电极电场作用下向两极移动，在外电路形成输出电流信号。由于正、负离子的复合，电离室所产生的离子不能完全到达测量电极，根据Boag理论[2，3]，电离室的收集效率为：
式中，ξ=m.d2.q0.5/V，d为电离室电极间距(cm)，V为极间电压(收集电压Volt)，q为单位时间内空气电离密度(esu.cm-3.s-1)，m为空气温度、气压修正因子。
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由此可见，为增大电离电荷收集效率，提高电离电流输出，应减小电离室厚度(极间距)，但极间距减小会使电离室灵敏体积减小，因此电离室厚度应按电荷收集效率、收集体积大小及电离室的安放空间折衷考虑。另外增大收集电压可提高收集效率，但电压过高会增大电源的要求，一般电离室极间距在5—10mm时，大于200V的极化电压就可使电离室收集效率达99%以上[4]。
1.2 AEC电离室的结构
用于自动曝光控制的电离室应满足以下要求：① 对X线吸收尽量小，因为这部分被吸收X线对胶片成像无贡献，而病人所接受的X线剂量又因此要相应提高。② 由于电离室置于被照肢体与片盒之间，因此电离室必须不包含会在X线照片上造成影像的构件，因而电离室阴极面积应大于最大胶片尺寸，阳极采用石墨静电喷涂电极，从而保证电离室边缘及测量阳极不会在照相底片上形成影像。③ 电离室尽量薄，否则因X线管焦点与胶片距离有限，在病人和胶片之间置入电离室会使此距离增大造成几何模糊增大。为减小电离室总厚度，同时又保证其具有足够大的灵敏度，我们采用了复式结构电离室，将中心阳极夹在两阴极之间，这种结构既不增大电离室总厚度又增加了测量体积提高了灵敏度，更为重要的是这种结构的电离室中心电极由两接地阴极直接提供电磁屏蔽，如果采用单层结构电离室，中心阳极直接靠近电离室壁，和前者相比虽然有效极间距增大，电离室时间响应提高，但是中心阳极无电磁屏蔽，由于电离室的输出电流很微弱，电磁干扰会窜入中心阳极从而降低电离室输出的信噪比。图1为电离室示意图。④ 测量野的形状和大小由临床摄影体位决定，显然，对于较小的部位，如颈部和头部，从病人旁边通过的X线不会被吸收减弱，它们入射到电离室上，自动曝光系统就会提前拉闸，致使曝光不足，因而只在电离室的某一专用部分测量X线剂量，另一方面，这个测量野也不能太小，因为所测得的剂量必须相应于底片上感兴趣部分某一平均黑度，不受细节部分黑度分布张落影响，而且还要保证其输出信号有足够大的信噪比，因此，测量野位置采用三照射野结构，如图1(c)所示，每野测量面积为50cm2，阳极(收集电极)周围电场分布，使之不产生畸变，在阳极周围加上与阴极同电位的阳极保护环。在大部分情况下，用中心野输出控制曝光量，因为照相部位的影像一般安排在胶片中心；但也有一些器官在体内分布是对称的，如肺。对正常胸片，一个中心测量野是不适合的，中心野测量的只是心脏部位的感光照射量，而人们感兴趣的影像是两侧肺野，因此对此类X线摄影，两个对称测量野是最理想的，每个测量野对准两肺中心。实际应用时，测量野可用开关选择分别使用或组合使用。
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图1 自动曝光控制用三野电离室结构图
2 AEC电离室的输出特性研究
2.1 线质响应
AEC电离室在诊断摄影所用的kV范围内要有良好的响应。利用DF500mAX线机(以下相同)，将电离室置于诊视床上，X线野对准电离室测量野中心，保持照像mA不变，选择不同kV值进行曝光，每次测量时X线机kV值由美国产NERO6000X线机多功能测量仪监测输出照射量(率)，AEC电离室输出由NYL-Ⅲ伦琴计(弱电流计)经I/V积分变换由其数字电压表读出，参照新开英秀[4]的研究，电离室的极化电压采用300V，由kV增加而造成的X线机输出照射量的增加以NERO6000的测量值进行修正。
2.2 电离室的输出线性研究
AEC电离室要求不同线质、线量的X线应有良好的输出线性，以保证实际应用时被照肢体厚度不同、部位不同引起的不同强度射线照射到电离室上，其输出电流信号与输入的射线量之间应是完全线性的关系。测量时首先选择一定kV值并保持不变，改变不同照射mA值，在相同曝光时间下，分别以NERO6000仪测量到达电离室的X线照射量及AEC电离室读数，按AEC电离室测量读数对NERO6000仪测得的照射量进行线性回归分析。
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2.3 AEC电离室输出的时间线性研究
AEC电离室的实际应用，就是当其输出信号达到预定阈值时其控制电路能及时关断X线机高压，从而达到控制胶片曝光量之目的。由于被照人体厚度不同及肢体部位不同，穿过人体到达电离室的照射量率(单位时间内照射量的大小)也就不同，对AEC电离室输出的时间响应要求当输入辐射量相同时，其输出信号与测量时间应是完全线性的。测量时固定kV及mA，变换不同的曝光时间，测量电离室相对输出，以测量时间对输出读数进行线性回归分析，在测量之前X线机曝光时间以NERO6000仪预先校准。
3 结果与结论
所测量的管电压为50—110kV线质响应曲线如图2所示。由图可见在此范围内，由射线品质变化引起的电离室最大输出变化为±5%。对60、70、80、90kV管电压测量电离室输出线性结果表明，其在不同管电压测量条件下，当输出X线强度从0.6mR/min到7R/min变化时，其输出曲线的线性相关系数不小于0.99，图3为70kV条件下测量输出线性回归曲线。其线性相关系数为0.998884。
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图2 不同管电压下电离室能量响应曲线
图3 不同X线强度照射下电离室输出响应曲线
图4为AEC电离室的时间线性特性，测量时间从0.1秒到3秒，对测量输出与曝光时间进行线性回归处理，其线性回归系数R=0.99961。由于AEC电离室是用来控制X线照片曝光量的，一般对一个好的X线影像要求其黑化度在0.8—1.2左右，对应照射量为0.6—1.5mR，由此可见，我们所研制的电离室其物理特性可以满足自动曝光控制的需要。通过拍片证实中心涂炭电极对X线吸收很小，不能在X线照片上形成影像，这对AEC电离室而言，也是至关重要的因素。
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图4 不同曝光时间对应电离室输出响应曲线
需要注意的是电离室的输出特性与其所接的测量输出电路相关，自动曝光控制电离室实际应用时其控制电路中必须有调整校正电路，用以适应不同屏胶系统及不同厚度体位摄影之用，关于整个自动曝光控制电路结构及原理限于篇幅在此不予表述。
参 考 文 献
1. 李士骏.电离辐射剂量学.原子能出版社，1986；75-88.
2. Boag J. W Radiation Dosimetry Vol. 2.11-17，Academia Press,1966.
3. 岗岛俊三.医学放射线物理学.南山堂，东京，1980；136-139.
4. Eishu Shinkai property evalution of newly developed double electrode ionization chamber for measuring patient exposure.日本放射线技术学会杂志.1994；Vol.50,NO.9,1565-1572.
(1998年2月6日收稿), 百拇医药