CC BY
237
УДК 616-073.75; 621.386.82
ОПЫТ РАЗРАБОТКИ ПРИБОРА КОНТРОЛЯ РАДИАЦИОННОГО ВЫХОДА МЕДИЦИНСКИХ РЕНТГЕНОДИАГНОСТИЧЕСКИХ АППАРАТОВ
Ю.Э. Зель, С.А. Кузьмин
Разработана функциональная электрическая схема прибора контроля радиационного выхода медицинских рентгенодиагностических аппаратов, в соответствии с которой изготовлен опытный образец. Представлены технические характеристики и описание принципа работы опытного образца прибора контроля, а также рассмотрены преимущества и недостатки заложенных схемотехнических решений.
Ключевые слова: рентгенодиагностический аппарат, прибор контроля, датчик рентгеновского излучения, фотоусилитель, амплитудный детектор.
В соответствии с пунктом 4.4.3 методических указаний [1] для каждого медицинского рентгеновского диагностического аппарата (РДА), не оснащённого измерителем произведения дозы на площадь, не реже одного раза в год должны измеряться значения радиационного выхода рентгеновского излучателя во всём диапазоне рабочих значений анодного напряжения рентгеновской трубки. Такие измерения должны также проводиться каждый раз после ремонта, замены или изъятия комплектующих изделий рентгеновского аппарата, настройки или регулировки их технических параметров, влияющих на генерирование рентгеновского излучения. Измерения проводятся организациями, аккредитованными на соответствующую техническую компетентность.
Однако при большой интенсивности потока отказов РДА проводить измерения радиационного выхода рентгеновского излучателя после ремонта во всём диапазоне рабочих значений анодного напряжения рентгеновской трубки с привлечением технически компетентной организации в большинстве случаев оказывается нецелесообразно с технической и экономической точек зрения.
Практика проведения контроля технических параметров РДА инженерами службы «Медтехника» Тульской областной клинической больницы (ТОКБ) после ремонта и в процессе технического обслуживания показала, что в большинстве случаев вполне достаточно произвести контроль величины радиационного выхода рентгеновского излучателя при одном значении анодного напряжения рентгеновской трубки. Попытка использования для этой цели имеющихся в распоряжении службы «Медтехника» ТОКБ двух дозиметров «ДКС-04» выпуска 1990 года оказалась неудачной вследствие их неисправности и невозможности восстановления.
Целью работы являются разработка и изготовление простого и удобного в эксплуатации опытного образца прибора, который позволял бы
111
оперативно проводить контроль величины радиационного выхода рентгеновских излучателей РДА, находящихся в эксплуатации в Клинико-диагностическом центре (КДЦ) ТОКБ. При этом в соответствии с рекомендациями, приведёнными в пункте 5.1.2.7 руководства по монтажу РДА «TFX-15» [2], проводить оперативный контроль радиационного выхода рентгеновского излучателя достаточно при одном значении анодного напряжения рентгеновской трубки 100 кВ.
После изучения и анализа устройства и принципов работы дозиметра «ДКС-04» [3] и устройства контроля радиационных и электрических характеристик рентгеновских аппаратов «УКРЭХ» [4], а также на основании стандарта [5] были разработаны функциональная и принципиальная электрические схемы, по которым был изготовлен опытный образец прибора контроля радиационного выхода «ПКР-1».
Прибор контроля радиационного выхода «ПКР-1» (далее по тексту - прибор контроля) предназначен для проведения дистанционного контроля величины радиационного выхода (мощности экспозиционной дозы на оси первичного пучка рентгеновского излучения) рентгеновских излучателей РДА при значении анодного напряжения 100 кВ в условиях эксплуатации. Основные технические характеристики опытного образца прибора контроля приведены в табл. 1.
Таблица 1
Технические характеристики опытного образца прибора контроля
радиационного выхода «ПКР-1»
№ Наименование параметра Значение
1 Диапазон контролируемых значений мощности экспозиционной дозы рентгеновского излучения, мР/с 102...104
2 Пределы допускаемой основной относительной
погрешности контроля радиационного выхода, % ±20
3 Максимальное напряжение выходного сигнала, В 3,80
4 Напряжение шумов выходного сигнала при не более
отсутствии рентгеновского излучения, мВ 0,5
5 Потребляемая мощность, мВт не более 55
6 Источник электропитания 2 батареи
Функциональная электрическая схема опытного образца прибора контроля представлена на рис. 1. Датчик рентгеновского излучения (ДРИ) выполнен на основе сцинтиллятора Е1 и кремниевого фотодиода VD1 аналогично датчику рентгеновского контрольного детектора «ДКР-1» [6]. ДРИ работает в фотогальваническом режиме и не требует внешних источников питания. В качестве VD1 применён кремниевый фотодиод ФД-24К.
Рис. 1. Функциональная электрическая схема опытного образца прибора контроля радиационного выхода «ПКР-1»
Помехозащищённый фотоусилитель (ПФУ) предназначен для усиления сигнала, поступающего на его вход с выхода ДРИ, и выполнен на элементах DA1, R1, R2 по схеме инвертирующего усилителя постоянного тока для работы с длинной линией на входе и с умеренным усилением шумов, т. е. для работы в условиях сильных помех. Эта схема также известна как схема с гальваническим разделением входных и выходных цепей или схема с «плавающим» входом [7].
Амплитудный детектор (АД) служит для запоминания величины напряжения, поступающего на его вход, и выполнен на элементах DA2, DA3, R3, R4, VD2, VD3, C1, SB1 по двухкаскадной схеме с развязкой запоминающего конденсатора от нагрузки [8].
В качестве операционных усилителей (ОУ) DA1, DA2, DA3 использованы микромощные ОУ типа КР140УД1208 с малым током потребления.
Помехозащищённый фотоусилитель, амплитудный детектор и цифровой мультиметр располагаются в комнате управления, а датчик рентгеновского излучения - в процедурной комнате и соединяется с ПФУ экранированным электрическим кабелем длиной 8 метров, что позволяет дистанционно управлять процессом контроля радиационного выхода из комнаты управления.
Работа прибора контроля осуществляется следующим образом. При выполнении снимка с пульта управления РДА сцинтиллятор E1 ДРИ преобразует рентгеновское излучение в световое, которое воздействует на кремниевый фотодиод VD1 и вызывает появление на его выходе электрического сигнала. С фотодиода VD1 сигнал по экранированному электрическому кабелю поступает на вход ПФУ, усиливается и с его выхода подаётся на вход АД, в котором на конденсаторе C1 запоминается амплитудное значение выходного сигнала ПФУ и с выхода DA3 подаётся на цифровой мультиметр «VICTOR VC921A». В результате на индикаторе мультиметра
высвечивается значение выходного напряжения АД, прямо пропорциональное радиационному выходу рентгеновского излучателя. Сброс показаний прибора контроля осуществляется кнопкой SB1, после чего прибор снова готов к работе.
На рис. 2 представлен общий вид опытного образца прибора контроля, из которого видно соответствие конструктивного деления функциональному, показанному на рис. 1.
Рис. 2. Общий вид опытного образца прибора контроля радиационного выхода «ПКР-1»
Определение радиационного выхода. Согласно пункту 4.4.2 методических указаний [1] радиационный выход рентгеновского излучателя
в (мР • м )/(мА• с) это - мощность экспозиционной дозы в мР/с, измеренная на расстоянии 1 м от фокуса рентгеновской трубки на оси первичного пучка рентгеновского излучения при заданных значениях анодного напряжения, приведённая к значению анодного тока 1 мА. В соответствии с этим определением и согласно методическим рекомендациям [9] при заданном значении анодного напряжения и заданной фильтрации излучения мощность экспозиционной дозы и радиационный выход рентгеновского излучателя РДА связаны следующим соотношением:
X = яЦ-
г 2
(1)
где X - мощность экспозиционной дозы рентгеновского излучения, мР/с;
Я — радиационный выход рентгеновского излучателя, (мР • м )/(мА• с); ¡А — анодный ток рентгеновской трубки, мА; г - расстояние от фокуса рентгеновской трубки до эффективного центра датчика рентгеновского излучения на оси первичного пучка излучения, м.
В свою очередь, расстояние г определяется по следующей формуле:
Г = Гк + Г8 , (2) где г - расстояние от фокуса рентгеновской трубки до эффективного центра датчика рентгеновского излучения на оси первичного пучка излучения, м; Гк - расстояние от фокуса рентгеновской трубки до внешней поверхности стекла коллиматора, м; г5 - расстояние от поверхности стекла коллиматора до эффективного центра датчика рентгеновского излучения, м.
В соответствии с работой [6] сигнал с выхода ДРИ пропорционален интенсивности рентгеновского излучения, которая, в свою очередь, связана с мощностью дозы прямо пропорциональной зависимостью через коэффициент электронного преобразования [10]. Исходя из этого и принимая во внимание то, что ДРИ и ПФУ работают на линейных участках характеристик преобразования и усиления сигнала, работа прибора контроля осуществляется в соответствии со следующей формулой:
X = К •ивых , (3)
где X - мощность экспозиционной дозы рентгеновского излучения, мР/с; К - коэффициент преобразования для анодного напряжения рентгеновской трубки 100 кВ, мР/(с• В); ивых - выходное напряжение сигнала, высвечиваемое на индикаторе цифрового мультиметра, В.
Решая систему уравнений из формул (1) и (3), получаем формулу для расчёта радиационного выхода
и 1
Я = Кивых г2 , (4)
1А
где Я — радиационный выход рентгеновского излучателя РДА, (мР• м )/(мА• с); К - коэффициент преобразования для анодного напряжения рентгеновской трубки 100 кВ, мР/(с• В); ивЪ1х - выходное напряжение сигнала, высвечиваемое на индикаторе цифрового мультиметра, В; IА — анодный ток рентгеновской трубки, мА; г - расстояние от фокуса рентгеновской трубки до эффективного центра датчика рентгеновского излучения на оси первичного пучка излучения, м.
Формула (4) позволяет рассчитать радиационный выход для любого значения анодного напряжения рентгеновской трубки при известном значении К . Поскольку зависимость величины К от анодного напряжения является нелинейной и трудно поддающейся математическому описанию,
для заданного анодного напряжения 100 кВ значение К было определено экспериментальным путём (калибровкой) с помощью рентгеновского клинического дозиметра «ДРК-1» и составило 3244 мР/(с • В).
Для РДА, находящихся в эксплуатации в КДЦ, были измерены значения расстояний т^, т8 и по формуле (2) вычислено значение расстояния т. Результаты измерений и вычислений приведены в табл. 2.
Таблица 2
Значения расстояний на оси первичного пучка рентгеновского излучения
Тип РДА rk , м rs, м r, м
ALFA-30-ST9 0,268 0,009 0,277
ALFA-90-SX15
Отличительными особенностями разработанного опытного образца прибора контроля радиационного выхода «ПКР-1» по сравнению с существующими дозиметром «ДКС-04» и устройством «УКРЭХ» являются:
- дистанционное управление процессом контроля радиационного выхода из комнаты управления (сброс старых показаний прибора контроля, выполнение рентгеновского снимка и считывание новых показаний), за счёт чего достигается более высокая оперативность проведения контроля и удобство считывания показаний прибора;
- фиксация показаний на индикаторе после каждой операции контроля;
- наличие возможности визуального контроля за пульсациями рабочего пучка рентгеновского излучения по экрану осциллографа, подключаемого к выходу помехозащищённого фотоусилителя.
Недостатками прибора контроля являются:
- отсутствие контроля точности выполнения уставки анодного напряжения рентгеновской трубки 100 кВ;
- необходимость проведения калибровки для каждого значения анодного напряжения, отличного от 100 кВ, с целью определения коэффициента преобразования K в формуле (4).
Список литературы
1. МУК 2.6.1.1797-03. Контроль эффективных доз облучения пациентов при медицинских рентгенологических исследованиях: методические указания. М.: МЗ РФ, 2004.
2. MPG 50 IMEX. Assembler's Manual. General Electric CGR. 1990.
3. Дозиметр «ДКС-04». Паспорт ЖШ 2.805.395 ПС. 1989.
4. Бердяков Г.И. Устройство контроля радиационных и электрических характеристик рентгеновских аппаратов УКРЭХ // Медицинская техника. № 5. 2002. С. 18-21.
5. ГОСТ 22091.6-84. Приборы рентгеновские. Методы измерения мощности экспозиционной дозы рентгеновского излучения и экспозиционной дозы рентгеновского излучения за импульс. М.: Государственный комитет СССР по стандартам, 1984.
6. Шенгелия Н.А. Контроль формы кривой анодного напряжения рентгенодиагностических аппаратов в условиях рентгеновского кабинета // Медицинская техника. № 5. 2001. С. 45-46.
7. Гутников В.С. Интегральная электроника в измерительных устройствах. Л.: Энергоатомиздат, 1988. С. 53-54.
8. Алексенко А.Г., Коломбет Е.А., Стародуб Г.И. Применение прецизионных аналоговых микросхем. М.: Радио и связь, 1985. С. 171.
9. Определение радиационного выхода рентгеновских излучателей медицинских рентгенодиагностических аппаратов: методические рекомендации от 12 декабря 2007 г. № 0100/12883-07-34.
10. Дмоховский В.В. Основы рентгенотехники. М.: Медгиз, 1960.
С. 54.
Зель Юрий Эдуардович, инженер по обслуживанию рентгеновского оборудования, zel.tula@,mail.ru, Россия, Тула, ГУЗ ТО «Тульская областная клиническая больница», Клинико-диагностический центр,
Кузьмин Сергей Александрович, инженер по обслуживанию рентгеновского оборудования, kewsmanarambler.ru, Россия, Тула, ГУЗ ТО «Тульская областная клиническая больница», Клинико-диагностический центр
THE EXPERIENCE OF THE DEVELOPMENT OF THE MEDICAL X-RAY DIAGNOSTIC APPARATUSES RADIATION OUTPUT MONITOR
Yu.E. Zel, S.A. Kuzmin
Developed the functional electric circuit of the medical X-ray diagnostic apparatuses radiation output monitor, the experimental one is manufactured. Presented the experimental monitor technical characteristics and the principle of operation description. Advantages and disadvantages of the experimental monitor are considered.
Key words: X-ray diagnostic apparatus, monitor, X-ray radiation sensor, pho-toamplifier, amplitude detector.
Zel Yuri Eduardovich, X-ray service engineer, zel. [email protected], Russia, Tula, GUZ TO «Tula regional clinical hospital», Clinical-diagnostic centre,
Kuzmin Sergei Alexandrovich, X-ray service engineer, [email protected], Russia, Tula, GUZ TO «Tula regional clinical hospital», Clinical-diagnostic centre
