用于DSA介入诊疗的辐射精细测量设备研制

熊文俊,薄宇旗,刘红凯,黄金峰,华成彬

(广州兰泰胜科技有限公司,广州 510000)

数字减影血管造影技术(digital subtraction angiography, DSA)是在X射线透视成像辅助下进行诊疗手术,原理是在患者注入造影剂前拍摄X射线图像,注入造影剂后通过减影、增强、重建等方法获得清晰的血管影像。具有分辨率高、用时短、药量小、辐射剂量低等优点,主要用于血管疾病的检查,或者介入放射学中的各种介入性手术操作。介入性手术操作比如血管导丝推进,或者血管栓塞局部注入药物等操作,都需要医生在X射线持续照射条件下进行手术。与传统的放射诊疗场景下医生的远距离操控相比,DSA需要医生在X射线持续照射条件下进行操作,可能在局部产生过量照射。当前的辐射防护手段如防护眼镜、防护手套、防护服等对于操作人员的穿戴负担过大,均无法达到理想的防护效果[1-6]。已有研究调查介入放射人员的染色体畸变率、微核异常率、白细胞及中性粒细胞异常率等表征辐射损伤的指标均明显高于非介入放射人员[7]。2012年新修订的《辐射防护仪器 β,X和γ辐射周围和/或定向剂量当量(率)仪和/或监测仪》(GB—T 4835.1)中,对低能伽马射线做了剂量测量要求[8]。较2008年旧版国标增加了30～250 keV能量测量范围。而该能段包含了目前介入治疗X射线100 keV左右的能量范围,在实际测量中也存在许多困难[6-7]。

目前常用的传统辐射监测技术如热释光剂量计可佩带在关注的身体部位,实现剂量测量,但无法实现在线实时测量[5-6]。而在线测量设备由于体积重量大,给医生造成较大的佩戴负担,不利于监测工作的开展,通常选择佩戴在胸口的个人剂量计,也有佩戴在腕部的X/γ剂量计[5-7]。

本研究拟研制一款可方便佩戴、实时测量的辐射探测设备,一是可在辐射剂量率超阈值时进行报警,二是在术后对历史数据回溯,发现辐射屏蔽弱项进行优化。本研究使用硅探测器和专用信号处理芯片研制探测器,实现探测器的小型化、低功耗、和实时测量。通过蒙特卡罗模拟程序计算补偿片的最优化厚度,对探测器的各主要性能指标参数进行了测量验证,以满足职业照射人员外照射测量器具的要求。

1 工作原理

1.1 硅探测器测量原理

硅基探测器及相关半导体探测器都是以PN结为灵敏区域,根据结构形式的不同,可分为“P+-N-N+”、“P+-P-N+”、“N+-N-P+”、“N+-P-P+”等4种形式。常见的为“P+-N-N+”结构,由高掺杂的P+层和N+层以及N型本征区(Ⅰ区)组成,所以称为PIN探测器。掺杂区中间的高阻N型硅基就是探测器的灵敏区,当带电粒子穿过硅探测器灵敏区时损失能量,产生“电子-空穴”对。在电场作用下,电子向N+面漂移,空穴向P+面漂移,可以在探测器的P+面收集到电荷信号。该信号经过脉冲成形信号处理,仍保留了沉积能量信息,通过分析脉冲信号,可以得到入射粒子信息[9-10]。

1.2 能量补偿

用电子学测量电离辐射电信号,通过统计计数率和“计数率-剂量率”转换的方式测量剂量率是辐射剂量水平测量的常规方法。由于不同能量的电离辐射射线在探测器中的响应不同,硅探测器对低能X射线的探测效率较高,因此会有过响应,而对高能射线响应较弱。因此实际测量时对探测器进行能量补偿,使用补偿片抑制低能部分的响应,使得不同能量射线在探测器的响应趋于相近[9]。

在介入治疗中,为减少医患人员所受的剂量,所用的X射线能量一般小于100 keV[1,3,6-7]。保守考虑,本研究中拟对200 keV以内的X射线进行能量补偿,以保证测量的适应性和准确性。采用铜片对过响应部分进行修正,铜片的结构厚度通过蒙卡计算,使关注能量范围内的探测器能量响应满足测量误差要求[9-11]。

2 设计方案

2.1 探测器设计

探测器主要包括测量模块和主机两部分(图1)。测量模块用于射线信号测量,并进行放大成形提高信噪比,体积小、重量轻,可方便的佩戴在手部;主机部分主要用于处理测量模块的输出信号、数据管理和人机交互,可佩戴在手臂或安装在手术台固定位置。

图1 探测器外观图Fig.1 Appearance of the detector

2.2 测量模块

测量模块主要包括硅探测器、专用集成电路(application specific integrated circuit, ASIC)和能量补偿盒,并设计了专用结构实现防水防尘。其中硅探测器的灵敏区面积为5 mm×5 mm,厚度为300 μm的方形硅探测器。

《职业性外照射个人监测规范》(GBZ128—2019)中规定个人监测的剂量计使用的能量测量上限为10 MeV。由于硅探测器的灵敏层厚度较薄,对中高能区的γ射线响应不佳,对1 MeV以上的γ射线响应较差,通常用于中低能量的伽马射线测量。但对于介入治疗中,辐射源项只有X光机,且射线能量较低,通常能量上限小于100 keV。考虑能量范围的裕度,200 keV的能量上限已足够覆盖介入治疗中的射线测量需求。

配合硅探测器的信号处理需要具备信号处理、滤波放大、探测器高压、脉冲阈值比较等功能,考虑到小型化的需求,选用广州兰泰胜科技公司生产的专用ASIC芯片DAB210系列。该芯片集成了前放、滤波、高压、阈值比较等功能模块,可与硅探测器组成极小型测量模块。其参数指标列于表1。

表1 DAB210参数指标Table 1 Parameters of DAB210

2.3 主机

主机处理测量模块输出信号、数据管理、和人机交互。主机内置控制板,采用2.5英寸液晶屏显示人机交互界面,通过按钮实现探测器的设置输入、分析结果展示、系统状态等功能。内置可充电锂电池保证设备满电状态下续航72 h。内置的报警灯和蜂鸣器可实现超阈值声光报警功能。

2.4 能量补偿设计

拟选用铜进行能量补偿,根据探测器的几何特征选用两块平板形的铜片覆盖在硅探测器的前后两端,铜片上打孔以实现能量补偿。采用MCNP程序对探测器及补偿片进行建模:(1) 粒子源为垂直入射探测器的平行γ射线,在20～208 keV之间选取不同能量进行仿真;(2) 探测器为300 μm厚度的硅;(3) 探测器两边分别放置两块铜片作为补偿片;(4) 补偿片打孔孔径约为φ0.8 mm,通孔覆盖面积比例约87%,选择不同厚度的铜片(0～2 mm)分别计算探测器对不同单能X射线的响应;(5) 统计探测器内的γ射线沉积能量大于14 keV的粒子总计数。

通过选取不同的补偿片厚度,计算在不同能量X射线照射下的探测器计数率,探测器的能量响应示于图2,根据仿真结果选取最优的能量补偿方案[11-12]。

图2 不同厚度铜片补偿后的探测器能量响应[11]Fig.2 Energy response compensated by different thickness copper sheets[11]

根据图2仿真结果,对于0～2 mm的补偿片,厚度越大,在20～208 keV能量范围内的能量响应越好。拟选择2 mm的铜片进行补偿。超过2 mm的补偿片,一是降低了对X射线的响应,二是增加测量模块的厚度影响佩戴舒适性。

3 结果与讨论

3.1 能量范围

在国防科技工业电离辐射一级计量站使用X 射线空气比释动能标准装置,采用窄谱系列参考辐射对本设备进行测试,得到本设备在20～208 keV 范围内的能量响应列于表2。

表2 X光机测量值与标准值比对Table 2 The measured dose rate of X ray compared with the standard value

由表2可以看出,在208 keV能量范围内,经能量补偿后相对误差最大出现在能量100 keV左右,约为23.46%,小于±30%的国标要求[8]。

3.2 剂量率范围

137Cs标准辐射场中对设备进行校准,得到结果示于图3。对探测器在0.53 μSv/h～1.25 mSv/h标准场下对应的计数率进行统计,其中剂量率0.53 μSv/h时探测器的计数率约为0.04 s-1,1.25 mSv/h时的计数率约为34.89 s-1。可见探测器在0.6 μSv/h ～1.8 mSv/h范围内测量的剂量率线性较好。为拓展量程需求,通常可以增加一个小的硅探测器,将剂量上限拓展到约1.8 Sv/h,满足《职业性外照射个人监测规范》(GBZ128—2019)规定的1 Sv/h剂量率上限测量需求。

图3 计数率随剂量率变化曲线Fig.3 The relationship of count rates and dose rate

拓展量程后探测器计数率随剂量率变化曲线示于图4,在0.53 μSv/h～1.8 Sv/h剂量率范围内探测器保持了较好的测量线性。

图4 拓展量程后计数率随剂量率变化曲线Fig.4 The relationship of count rates and dose rate after extended

3.3 耐辐照特性

在钴源辐照场下对探测器的耐辐照性能进行测量,约100 Gy/h剂量率条件下探测器连续工作。将探测模块和经过刻度校准的电离室探测器绑定,同时放入辐射场中开机测量。由电离室探测器测量该区域的累积剂量,并观察硅探测器的工作状态。现场测量情况示于图5。

图5 耐辐照性能测试Fig.5 Radiation resistant test

电离室测量的累积照射剂量达到110 Gy后,探测器仍可正常工作,说明探测器的耐辐照性能好于累积剂量100 Gy。再进行照射后,由于通讯模块受照损坏,无法获得测量数据。

3.4 总体性能

通过对设备的剂量率范围、能量范围、耐辐照特性等各项指标进行测试,得到设备的主要性能指标列于表3。

表3 设备主要参数Table 3 Main parameters of the device

4 结论

针对介入治疗工作场所中的低能X射线辐照场景,研制了一套基于硅探测器的辐射剂量精细测量设备,该设备包括测量模块、主机和内置软件。该设备能量范围在20～200 keV,单探测器剂量率测量上限为1 mSv/h,采用双探测器测量上限可扩展至1 Sv/h。探测器重约15 g。

由于体积小、重量轻、易于集成,该设备可制成指环佩戴到手部测量手部皮肤剂量,或集成在防护眼镜上测量眼部剂量,适用于介入治疗中医生的手部剂量或眼部剂量的实时在线监测。也可在可能超限值照射的部位佩戴,以监测局部的受照实时剂量率。本研究利用无线数据传输实现了各模块监测数据的实时读取,在上位机上可实时显示各监测部位的受照剂量数据。辐射防护工作人员可根据该数据进行人员辐射屏蔽,进一步保护介入治疗工作人员的辐射安全。

本研究使职业人员的全身精细辐射剂量测量成为可能。对介入医护人员而言,一是能在辐射剂量超标时及时报警,二是在手术后可以进行数据回溯,分析辐射屏蔽弱项,进行精准辐射防护。