铅当量快速比对装置原理

技术背景：

随着射线装置在医疗领域大量使用，相应地，工作人员以及受检的人员都需要进行恰当地防护，而根据中华人民共和国国家职业卫生标准GBZ130-2020，对于防护材料也有相应的防护当量要求，而另一方面，现在的防护材料多数为非纯铅的复合材料，测量其防护当量时，需要根据国际标准IEC61331:2004,或者国标LD86-1996《100KeV以下辐射防护服》标准进行测量，该测量需要在复杂的实验室进行，而无法进行简单的验证。

    本发明的装置，是利用医疗机构本身具有的X射线机，按照国标LD86-1996《100KeV以下辐射防护服》的测量方法，对实际使用的防护服材料与标准纯铅片同步进行照射后，通过图像灰度进行简单的对比，得出实际使用的防护服材料的相对防护效率范围值，进行简单的评估，适合日常使用过程中对辐射防护服的检查，避免因标识模糊、破损等原因而无法从外观上进行甄别，而导致医护人员或受检人员受到了超过预期的辐射。

    现有的检测方法需要在严格的实验室进行，而医疗机构无法自行检测，针对射线防护服防护当量标签标注不清、长时间使用后可能造成磨损、微裂缝等情况时，采用本发明的装置，利用医疗机构现有的X光机，可以进行简易地检测对比，从而评估射线防护服的防护当量是否还符合防护标准的要求，从而避免医护人员或受检人员受到超过预期值的辐射。

一、图像灰度值与透照厚度的定量分析

X射线数字图像灰度值（以下简称灰度值）与管电压和被测物体厚度为简单的正比关系，对于某一物质，射线穿过物质的衰减系数与物质密度、原子系数和射线能量有关，一般射线检测的衰减理论均是基于Beer定律发展起来的。在现有的研究中，给出了光子与材料的各种相互作用截面参数、衰减系数、吸收系数等国际标准的数据表，这些数据表同样验证了在理想的单色光子源情况下，穿过物体的衰减规律符合Beer定律，如下式（1）：I=I₀e^-μT 式中：μ为射线穿过单位厚度物质时的衰减系数；T为物体的厚度；I为射线透射后的强度；I₀ 为入射射线强度。

对于X射线的照射来说，X射线管的辐射强度与管电压的平方成正比，与管电流成正比。而根据平方反比定律，强度I₀ 与距离F的平方成反比，所以得出下列公式（2）：I₀=K₁AU²/F² 式中：K₁为常数系数，可以定义为灰度值常数；A为X射线机的管电流；U为X射线机的管电压值；F为X射线机到被测物体表面的焦距距离。

由于X射线达到被检物体表面的强度与管电压、管电流、焦距有关，所以可将X射线强度看成是关于管电压、管电流、焦距的函数（3）：I₀=I₀（A，U，F）。

二、线性衰减系数与防护效率即防护当量的确定

射线管电压的提高会造成射线有效能量的增加，而有效能量的增加会使射线波长变短，引起衰减系数下降。根据光电效应、原子物理学等理论，散射和吸收截面与衰减系数存在着换算关系，但在实际检测中线性衰减系数随着被测材料的厚度及防护效率变化而发生变化，而强滤波后的射线在X射线光谱中的分布应为从最大强度附近到最短波长的范围。参考文献给出了衰减系数和射线管电压之间的关系(4)：

式中：A,B,C,D,E,F为常数,随透过材料的不同而不同；V为射线管电压；K₂为常数。

三、灰度值与射线强度的关系

射线数字图像是以灰度值的形式显示的，即需要先把X射线强度转化为数字信号（图像的灰度值）。首先将入射光子转换为电荷，照射在像元上的X射线光子数量与像元转换的电荷数近似存在线性关系，具体公式如下（5）：U₀=MR 式中M为光通量；R为光电变换系数。

模数转换器（A/D）将得到的电压转化为数字信号，形成数字图像。模拟数字转换器的分辨率Q等于LSB电压（输出离散信号产生一个变化所需的最小输入电压的差值）（6）：Q=E_FSR/2^D 式中E_FSR为总的电压测量范围；2^D为电压间隔数，D为ADC模块的精度的位数，用比特作为单位。

在上述过程中，可直接用已经量化的电压值（即比特信息）作为图像的灰度值，结合式（5）（6）可推导出图像灰度值的变化规律（7）：G=f（R₀,E₀,D₀）I₀e^-μT 式中为关于R₀，E₀，D₀参数的函数；R₀为光电变换系数；E₀为模数转换器的转换系数；D₀为灰度值位数；G为图像灰度值。结合式（3）（4），可得到图像灰度值的计算公式（8）：G=f(R₀,E₀,D₀)I₀(A,U,F)e^-g(U,T,Z)T,对某一被检测物体来说，由于函数f(R₀,E₀,D₀)的值与检测系统有关，在固定检测系统后，函数f(R₀,E₀,D₀)应该是一个常数，简化为常数系数K。函数I₀(A,U,F)虽然是关于射线强度的函数，但在X射线机发射器固定的情况下，可将函数I₀的具体形式换算成（2），得到试验验证公式（9） G=KAU₂ e^-Μt/F²。

（注：参考文献：X射线图像灰度与透照厚度的定量关系 无损检测2016年第38卷第2期）

从公式中可看出数字图像灰度值的大小受到材料衰减系数、管电压、管电流、曝光时间和焦距的影响。在X射线系统固定的情况下，公式对于任何情况下的X射线都满足，经过试验数据证明数字图像灰度值与被检材料的厚度和衰减系数具有定量关系。而材料的厚度和衰减系数综合起来就是一定条件下的防护效率，即铅防护当量。

以上理论为基础，在X射线系统固定的情况下，对材料透射获得的图像灰度一致的情况下，其材料的防护效率即铅防护当量应该一致。由此采用纯度为99.99%，厚度误差为±3%的的纯铅片制作铅梯，与被测的其他复合材料在相同的X射线系统下进行透射，对获得的图像灰度进行对比，即可获得该材料的铅防护当量的大致区间。从而评估射线防护服的防护当量是否仍符合防护标准的要求，从而避免医护人员或受检人员受到超过预期值的辐射。

四、本发明装置示意图：

五、本发明装置实物图：

六、已获授权的专利：