Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1. Состояние и перспективы развития методов и средств неинвазивного измерения анодного напряжения 12
1.1 Контроль параметров рентгенодиагностических аппаратов в условиях эксплуатации 12
1.2 Современное состояние отечественного парка неинвазивных киловольтметров 13
1.3 Отечественные разработки в области радиационных методов контроля параметров рентгенодиагностических аппаратов 20
1.4 Постановка проблемы исследований 28
ГЛАВА 2. Имитационная модель детекторной секции радиационного киловольтметра 29
2.1 Физическая модель детекторной секции радиационного киловольтметра 30
2.1.1 Рентгенооптическая схема метода 30
2.1.2 Ослабление излучения в объеме фантома 31
2.1.3 Основные допущения, принимаемые при моделировании
2.2 Программа имитационного моделирования 39
2.3 Результаты имитационного моделирования 42
2.3.1 Влияние анодного напряжения и фильтрации на величину коэффициентов приведенного рассеяния 42
2.3.2 Влияние размеров фантома на величину коэффициентов приведенного рассеяния 44
2.3.3 Характер спектров ослабленного и рассеянного излучений 54
2.3.4 Влияние вещества фантома на величину коэффициентов приведенного рассеяния 58
ГЛАВА 3. Экспериментальное исследование метода коэфициентов приведенного рассеяния 68
3.1 Описание экспериментального стенда 68
3.2 Результаты испытаний радиационного киловольтметра с фантомами из различных материалов 75
3.2.1 Результаты испытаний радиационного киловольтметра с фантомом из фторопласта 75
3.2.2 Результаты испытаний радиационного киловольтметра с фантомом из воды 79
3.2.3 Результаты испытаний радиационного киловольтметра с фантомом из селенита 82
3.2.4 Влияние суммарной фильтрации на величину коэффициентов приведенного рассеяния 88 3.3 Связь коэффициентов приведенного рассеяния и величины слоя половинного ослабления 92
ГЛАВА 4. Встроенная система контроля рентгеновского аппарата 95
4.1 Описание встроенной системы контроля рентгенодиагностических аппаратов 95
4.2 Методика и результаты калибровки встроенной системы контроля 99
4.3 Испытания встроенной системы контроля в составе аппарата 12Л7УР 102
4.3.1 Измерение анодного напряжения и суммарной фильтрации 102
4.3.2 Измерение радиационного выхода 1 4.4 Режимы работы встроенной системы контроля аппарата 12Л7УР 108
4.5 Автономное использование радиационного киловольтметра 109
Заключение 115
Список использованных источников
- Современное состояние отечественного парка неинвазивных киловольтметров
- Основные допущения, принимаемые при моделировании
- Результаты испытаний радиационного киловольтметра с фантомами из различных материалов
- Испытания встроенной системы контроля в составе аппарата 12Л7УР
Современное состояние отечественного парка неинвазивных киловольтметров
В феврале 2013 года занесены в госреестр ряд универсальных дозиметров для контроля параметров рентгеновских аппаратов производства RTI Electroniks AB, Швеция. Зарегистрировано два типа приборов RTI Piranha и RTI Cobia Smart R/F. Приборы этих серий имеют сертификаты соответствия для России.
Приборы серии RTI Piranha [17] осуществляют измерение следующих параметров: анодное напряжение (пиковое значение, kVp); воздушную керму; воздушную керму за импульс; произведение поглощенной дозы в фантоме на длину (в томографическом фантоме); длительность экспозиции; анодный ток; освещенность и яркость рабочего поля. RTI Piranha также позволяет определять количество импульсов, частоту следования импульсов, мощность воздушной кермы, значение слоя половинного ослабления СПО (HVL), суммарную фильтрацию, форму анодного напряжения (осциллограмма), произведение ток время. Результаты отображаются на ПЭВМ с помощью программного обеспечения Ocean, позволяющего одновременно наблюдать за всеми результатами измерений и легко экспортировать их в Exсel. Связь дозиметра с ПЭВМ осуществляется с помощью Bluetooth либо USB – кабеля. Внешний вид прибора показан на рисунке 1.1.
В состав серии входят различные модификации приборов, отличающиеся набором функций, дополнительными опциями, диапазоном измерения величин. Дополнительными опциями являются подключение детекторов для инвазивного и неинвазивного измерения экспозиции и для измерения яркости и освещенности.
RTI Piranha R/F&M 657 является моделью с максимальной комплектацией и с полным набором функций. Технические характеристики этой модели представлены в таблице 1.1.
RTI Cobia Smart R/F (рисунок 1.2) – максимально простой прибор для контроля основных электрических и радиационных параметров медицинских рентгеновских аппаратов. С помощью прибора осуществляется измерение анодного напряжения (пиковое значение, kVp), воздушной кермы, длительности экспозиции и определение слоя половинного ослабления СПО (HVL), мощности воздушной кермы, количества импульсов. Все измерения производятся с помощью одного прибора и отображаются на широкоэкранном цветном дисплее. Детектор встроен в корпус прибора.
Прибор Nomex (номер в госреестре № 14958-95 [18]) производства PTW-Freiburg Германия является универсальным высокоточным дозиметром, погрешность измерения дозы которого составляет 1,5%, погрешность измерения анодного напряжения составляет 0,75% или 0,5 кВ. Особенностью построения прибора является размещенная в едином корпусе электроника и детекторная матрица (рисунок 1.3). Подключение осуществляется через USB напрямую к ноутбуку или ПК. Он может быть использован для контроля параметров аппаратов для рентгенографии, рентгеноскопии, стоматологии, компьютерной томографии и маммографии. NOMEX измеряет дозу, мощность дозы, время экспозиции, дозу за импульс, пульсации, анодное напряжение (kVpmax, kVpmean, PPV), общую фильтрацию (до 40 mm Al) и слой половинного ослабления при однократном воздействии излучения. Осуществляет расчет практического пикового напряжения (PPV) по алгоритму МЭК 61676 [16].
Универсальный диагностический дозиметр NOMEX представляет собой автоматизированную измерительную микропроцессорную систему, включающую в себя измерительный пульт с дисплеем и встроенным цифропечатающим устройством, набор из трех ионизационных камер для измерения кермы в воздухе и мощности кермы в воздухе, детектор для измерения максимальных напряжений на рентгеновской трубке, детектор для счета числа импульсов рентгеновского излучения, маммографический детектор. Принцип измерения анодного напряжения базируется на двухдетекторном методе. Прибор соответствует всем требованиям стандарта [16], но срок действия свидетельства истек 01.05.2007.
Комплект DIAset UNIVERSAL X-ray QC производства PTW-Freiburg (Германия) зарегистрирован в Госреестре СИ РФ под номером 34724-09 [20] (срок действия свидетельства до 1.09.2014). Данный комплект представлен дозиметром Дозиметр DIADOS Е включает в свой состав блок управления и два подсоединяемых к нему полупроводниковых детектора, используемых для проведения измерений с различными типами рентгеновских аппаратов: рентгенографическими, стоматологическими, маммографичекими. Дозиметр DIADOS Е измеряет дозу, мощность дозы, время экспозиции, дозу за импульс, число импульсов, ток, заряд, заряд за импульс. Приборы для контроля параметров рентгеновского излучения DIAVOLT UNIVERSAL (с серийными номерами до 0999) измеряют анодное напряжение на рентгеновской трубке, время экспозиции и относительное количество электричества (мАс). В измерители с заводскими номерами от 1000 и выше добавляется возможность измерения кермы в воздухе.
Анодное напряжение на рентгеновской трубке измеряется двухдетекторным методом, заключающимся в определения разности значений сигналов от двух полупроводниковых детекторов, установленных за фильтрами различной толщины. В процессе измерения анодного напряжения приборами DIAVOLT UNIVERSAL вычисляются значения среднего напряжения kVmean, максимального напряжения kVmax, и практического пикового напряжения PPV (в соответствии со стандартом МЭК 61676:2002).
Основные допущения, принимаемые при моделировании
В работе Муслимова Д. А. [48] описано два метода измерения анодного напряжения. Суть предложенного способа формирования абсорбционных кривых заключается в том, что группа микродетекторов, расположенных на одной прямой, образует многоэлементный рентгеновский фильтр, в котором каждый предыдущий микродетектор является фильтром для последующего. При воздействии на детектор рентгеновского излучения в объеме детектора создается распределение квантов, отвечающее спектральному составу падающего излучения. Электрические сигналы, возникающие на выходе каждого микродетектора, обуславливают дискретное представление абсорбционной кривой.
Было показано [49], что практическое пиковое напряжение определяется градиентом затухания абсорбционной кривой на ее начальном участке.
Поскольку характер затухания излучения в заданной среде полностью определяется его спектральным составом, то анализ формы абсорбционных кривых приводит к обратной задаче восстановления спектральных распределений по известному отклику детектора и последующему расчету контрастно эквивалентного напряжения [50].
Задача восстановления спектрального состава излучения по сигналам с «идентичных» микродетекторов, имеющих различную эффективность регистрации, определяемую пространственным положением микродетектора в линейке, приводит к решению системы линейных алгебраических уравнений. Учитывая вероятностную природу взаимодействия рентгеновского излучения со средой, записанная система уравнений является системой со стохастической матрицей. Для ее решения был использован метод минимизации направленного расхождения. Решение сводится к сравнению двух макросостояний системы, характеризующихся соответственно апостериорной вероятностью абсорбции квантов, заданной считанным с каждого микродетектора сигналом, и априорной вероятностью, определенной эффективностью поглощения квантов в микродетекторах. Количество информации, получаемое в результате регистрации абсорбционной кривой, является величиной, равной разности энтропий системы до и после регистрации. Энтропия системы определяется числом возможных реализаций процесса абсорбции квантов в веществе детектора и задается уравнением Шеннона. Причем энтропия системы после регистрации абсорбционной кривой должна быть максимальной. Условие максимума энтропии системы позволило сформировать итерационный процесс последовательных приближений для искомого спектрального распределения, заданного начальным приближением. Выход из итерационного процесса осуществляется по достижению минимума информации, получаемой при реализации экспериментально регистрируемой абсорбционной кривой.
Однако в данном случае точность результатов измерения во многом зависит от того, как расположена линейка детекторов по отношению к рентгеновскому пучку. Линейка детекторов должна размещаться строго вдоль рентгеновского луча. При несоблюдении этого условия часть детекторов окажется в прямом пучке, что приведет к изменению абсорбционной кривой и ошибкам при восстановлении спектра излучения и оценки градиента затухания.
Из приведенных методов и приборов для измерения параметров РДА, разработанных в РФ, только прибор УКРЭХ зарегистрирован в Госреестре как прибор для поверки РДА. 1.4 Постановка проблемы исследований
Анализ методов и средств неинвазивного измерения параметров рентгеновских аппаратов показывает, что в настоящее время проблема создания универсальных приборов контроля, удовлетворяющих в полной мере требованиям регламентирующих документов, окончательно не решена. Так, существующие средства контроля имеют ограниченный диапазон измерения анодных напряжений, не превышающий 160 кВ и, следовательно, не применимы для оценки параметров излучателей рентгенотерапевтических комплексов. Суммарная фильтрация излучения и слой половинного ослабления рассчитываются по результатам измерения ослабления ограниченного набора фильтров, что обуславливает высокую методическую погрешность. При этом спектральный состав излучения вообще не анализируется. Задачи контроля параметров РДА средствами, интегрированными в их состав, решаются только для оценки качества изображения. Встроенные системы контроля электрических и радиационных параметров не внедрены. Таким образом, актуальной является проблема поиска критериев для оценки анодного напряжения и суммарной фильтрации, разработки алгоритмов решения обратной задачи определения условий генерации излучения и создания радиационного киловольтметра для встроенной системы контроля параметров РДА.
Исследования в области разработки новых радиационных методов и средств измерения параметров рентгеновских излучателей предполагают: разработку математических моделей, описывающих процессы формирования измерительных сигналов под действием рентгеновского излучения; оценку параметров рентгенооптической схемы измерительного тракта по результатам моделирования; создание экспериментального стенда, включающего действующий макет радиационного киловольтметра; выполнение экспериментальной отработки измерительной системы и создание прототипа встроенной системы контроля параметров РДА.
Результаты испытаний радиационного киловольтметра с фантомами из различных материалов
Расчет координат точек взаимодействия квантов излучения со средой осуществлялся путем задания случайных координат точки в плоскости (X,Y) и расчете координаты Z как длины свободного пробега кванта излучения в материале фантома в направлении оси Z. Очевидно, что в этом случае делается предположение об однородности рентгеновского пучка в плоскости, перпендикулярной направлению его распространения. Длина свободного пробега квантов находилась по формуле [70] где у - случайное число в интервале от 0 до 1, р - плотность материала фантома, (г/см3).
В реальной системе используются сцинтилляционные рентгеновские детекторы, обладающие высокой квантовой эффективностью регистрации. При разработке модели учитывались эффективности регистрации детекторов прямого и рассеянного излучений во всем диапазоне энергий. Была рассчитана эффективная площадь детекторов и введен поправочный коэффициент, учитывающий геометрию системы при расчете отношения сигналов детекторов. Величина поправочного коэффициента составила 0,125. Расчет углов вылета рассеянных фотонов осуществлялся с помощью программных модулей, возвращающих углы вылета, заданные дифференциальным сечением рассеяния. В случае некогерентного рассеяния использовался модуль G(s)
При расчете координат вылета квантов излучения из фантома область фантома описывалась тремя граничными поверхностями: верхнее основание Z = 0, нижнее основание Z = h, боковая поверхность X2+Y2=R2. Если квант излучения пересекает боковую поверхность фантома, то он вносит вклад для сигналов детекторов рассеянного излучения D2. Если квант пересекает нижнее основание, то он попадает в детекторы D1. Квант, покинувший фантом через верхнее основание, выбывает из системы.
Для обеспечения приемлемой статистики расчета формировался массив, содержащий 106 значений энергий квантов. Пример распределения для анодного напряжения 120 кВ и суммарной фильтрации 1 мм алюминия приведен на рисунке 2.4.
Исходя из физики процессов, протекающих при взаимодействии рентгеновских квантов в объеме фантома и основных допущениях, сделанных выше, была предложена блок-схема алгоритма работы программы имитационного моделирования (рисунок 2.5). Полный листинг программы представлен в приложении А. Свидетельство о регистрации программы – в приложении Б.
Суть работы модуля сводится к последовательной выборке энергий квантов из массива Etb, расчету длины пробега квантов в зависимости от их энергии и проверке условия вылета за пределы фантома. Если длина пробега больше h, то текущее значение энергии вносится в массив энергий вылета. Если длина пробега меньше h, то произошло либо фотоэлектрическое поглощение, либо рассеяние. Вероятность текущего события определяется отношением сечений взаимодействия
Суть работы модуля расчета координат событий сводится к выбору случайных координат в плоскости (X,Y), задающих начальную точку для расчета процесса многократного рассеяния квантов излучения. При этом координата Z задана значением, выбранным из массива, сформированного ранее. Далее идет обращение к внешнему модулю, с помощью которого рассчитывается дальнейшая судьба рассеянного фотона. Внешний модуль возвращает координаты точки вылета кванта, его энергию и координаты точки последнего взаимодействия. Таким образом фактически задается вектор в пространстве. Причем начало этого вектора лежит внутри фантома, а его конец – за пределами объема фантома.
При решении задачи контроля параметров рентгеновских аппаратов неизвестными являются и анодное напряжение, и суммарная фильтрация пучка. Очевидно, что в этом случае калибровочная характеристика может быть представлена поверхностью, отражающей зависимость КПР от двух параметров одновременно. Тогда для определения напряжения и суммарной фильтрации задача должна быть доопределена путем повторного измерения КПР с добавочным фильтром заданной толщины.
Испытания встроенной системы контроля в составе аппарата 12Л7УР
Зависимости, показанные на рисунках 3.9 и 3.10, получены при размещении дополнительного фильтра в плоскости излучателя. При размещении дополнительного фильтра в плоскости входного окна ДС наблюдается квазилинейный рост КПР с увеличением толщины фильтра, что обусловлено влиянием вторичного излучения, возбуждаемого в материале фильтра. Последнее наглядно иллюстрируется рисунком 3.11.
Зависимость КПР от дополнительной фильтрации при различном расположение фильтров относительно плоскостей входного окна ДС и коллиматора излучателя на фокусном расстоянии 80 см Измерения, выполненные при фиксированных анодных напряжениях и фильтрации, но для разных фокусных расстояний, выявили, что взаимное расположение излучателя и ДС оказывает сильное влияние на экспериментальные результаты.
В качестве примера на рисунке 3.12 представлены данные, полученные при напряжении 80 кВ и суммарной фильтрации 4 мм Al. Видно, что зависимость КПР от расстояния можно аппроксимировать линейной функцией, отражающей преобладающий тренд изменения КПР. Однако в отличие от зависимостей, приведенных на рисунках 3.9 и 3.10, в данном случае наблюдается значительно больший разброс экспериментальных данных.
В целом, установлено, что при изменении фокусного расстояния в диапазоне от 40 до 140 см КПР меняется в среднем на 3,8 %. Следовательно, влиянием фокусного расстояния пренебречь нельзя. На практике, при реализации измерительного устройства, фокусное расстояние должно быть фиксированным. Выбор оптимального фокусного расстояния определяется расхождением рентгеновского пучка и величиной сигналов детекторов.
Зависимость КПР от фокусного расстояния (измерения выполнены при анодном напряжении 80 кВ, суммарной фильтрации 4 мм Al и токе анода 30 мА)
Анализ экспериментальных данных показал, что в условиях измерительного стенда фокусное расстояние должно быть не менее 80 см. Опытным путем установлено, что градиент КПР с увеличением фокусного расстояния сильно меняется в диапазоне до 60 см и почти не меняется в диапазоне от 60 до 110 см.
Исследование влияния длительности экспозиции проводилось при идентичных уставках анодного напряжения и тока, на различных уставках количества электричества. В результате установлено, что на значение КПР длительность экспозиции влияния не оказывает. Разброс экспериментальных значений КПР в широком диапазоне длительности снимка (от долей секунды до нескольких секунд) значительно меньше инструментальной погрешности (рисунок 3.13).
Для нахождения зависимости КПР от анодного тока условия съемки оставались неизменными, но менялось значение напряжения на накале рентгеновской трубки. Было установлено, что вариации тока анода в пределах от 5 мА до 40 мА практически не влияют на величину КПР (рисунок 3.14). Изменения КПР при этом носят случайный характер и не превышают 0,1 %. На практике изменения анодных токов можно не учитывать. КПР
Для сравнения с результатами моделирования был подготовлен фантом, содержащий дистиллированную воду в герметичном пластиковом контейнере цилиндрической формы с соотношением высоты к радиусу основания 4 к 1. Зависимость КПР от анодного напряжения, полученная при тех же условиях, что и для фторопластового фантома, приведена на рисунке 3.15, а рисунок 3.16 иллюстрирует результаты моделирования, полученные для фантома из воды.
Экспериментальные и расчетные зависимости КПР от анодного напряжения для селенита, полученные для значений суммарной фильтрации 2,2 мм (а), 4 мм (б) 5,8 мм (в) в алюминиевом эквиваленте Количественные расхождения в результатах расчетов и эксперимента могут быть обусловлены возбуждением вторичного излучения в элементах конструкции радиационного киловольтметра. Причем в случае материалов с малым Zэфф. поля рассеянного излучения являются более интенсивными, что и определяет большее расхождение результатов для фторопластового фантома в сравнении с фантомом из селенита.
На рисунке 3.21 схематично представлена конструкция детекторной секции РК с отображением возможных путей возникновения паразитного вторичного излучения, которое будет воздействовать на фронтальные детекторы D1.
Таким образом, за счет появления дополнительного слагаемого в знаменателе выражения 3.1 значение КПР уменьшается, что подтверждается экспериментально. С увеличением энергии излучения наблюдается уменьшение отклонения экспериментальных данных от расчетных значений, что объясняется уменьшением образования вторичного излучения в элементах конструкции вследствие увеличения проникающей способности рентгеновских квантов.
При разработке конструкции РК необходимо исключить воздействие вторичного излучения за счет добавления свинцовых пластинок при установке фронтальных детекторов на печатную плату. Для наглядного сравнения полученных результатов на рисунке 3.22 представлены одновременно экспериментальные зависимости КПР от потенциала анода для фантомов из селенита и фторопласта, по которым видно, что эффективный диапазон работы РК сдвигается в сторону больших анодных напряжений для фантомов из материалов с большим значением эффективного атомного номера.
