双能X线骨密度仪测量原理和维修校准的技术分析

放射学方法测定体内骨矿物质含量BMC和骨密度BMD是目前评估骨质疏松的重要手段。作为骨密度测量的仪器,从最早的普通X线检查装置

放射学方法测定体内骨矿物质含量BMC和骨密度BMD是目前评估骨质疏松的重要手段。作为骨密度测量的仪器,从最早的普通X线检查装置到光子吸收法的核医学设备,发展到广泛使用的双能X线吸收测定、超声检测和CT测定装置已有50多年历史。本文重点分析了XR-46双能X线骨密度仪的系统原理及常见故障的分析和维修。

1. 常用骨密度仪的技术特点
目前骨密度测定仪主要有光子吸收法,定量超声法,X线吸收法和定量CT测定法等类型,其原理和技术特点如下:

光子吸收法测定骨密度装置是利用核素产生的单光子或双光子能量r射线作为放射源,其对软组织和骨质有不同的穿透力,经过放射源和探测器平行移动,探测晶体进行检测计数,计算机分析处理得到BMC和BMD。

超声骨密度仪是利用超声波穿过身体组织时发生衰减,衰减量与组织特性有关,骨内传播速度取决于骨的弹性模型和骨密度的特性。超声换能器从跟骨的一侧向另一侧发射超声波,通过传导速度和振幅衰减定量检测骨矿含量和骨结构及强度,特点是无创,无辐射和便携方便。

使用X线吸收法的有单能X线和双能X线骨密度仪,以及定量CT装置,其原理基于X线穿透人体骨组织时,对于不同骨矿含量组织X线吸收量的不同,通过计算机将穿透骨组织的 X线强度转换为骨矿含量数值。其中双能X线吸收测定方法DEXA是X线球管经过吸收过滤产生高/低二种能量的光子峰(一般为40kev和80kev),采用笔束式或扇形X线束,通过全身扫描系统将信号送至计算机处理,可以精确得到骨矿含量、肌肉量和脂肪量。

2. XR-46双能X线骨密度仪的系统原理和构成

该系统是采用笔束式快速扫描方式,由X线装置,探测器,数据采集(包括放大和采集电路),动态扫描过滤器,激光定位,质控测定及分析控制系统组成。其中X光机部分相对简单,球管为固定阳极,阳极电流很小,管电压恒定100kv,通过八个水平滤线器产生低能为46.8kev和高能为100kev的二种能量的光子峰。球管X射线一直恒定产生,剂量非常小。动态扫描过滤器含有4个过滤片可组合调节出8种水平的滤线器,保证不同体厚(0-56cm)的自动补偿功能,可根据不同厚度自动选择恰当的X线剂量,为保证最佳的剂量精准度,扫描速度恒定不变。

双能X线骨密度仪目前有单检测器和双检测器二种设计模式,前者采取单检测器交替接收高/低X线量并进行计数,后者采用双检测器以计数方式同时检测高/低能X线量。Norland XR-46型骨密度仪的检测器是采用两个独立一厚一薄碘化钠晶体设计的,用以提高晶体的计数率。激光定位系统通过定点扫描用以获得全身感兴趣区域ROI的数据,也可以自动进行患者的ROI局部扫描。

控制主机及测试系统用于整机的控制,其中测试系统用于实现质控和校准功能,通过计算机控制自动完成,包括校准程序(QA)和质控测试程序(QC)。利用由铝合金和丙稀塑料组成的77阶校准QA模块,替代骨骼和软组织。通过对77阶楔形校准进行高/低能的检测,得出骨矿含量和软组织含量,并进一步计算出软组织中的肌肉含量和脂肪含量。

3. 常见故障的校准维护及处理方法

3.1  AUTOSET板故障

故障现象:运行每日校准不能通过。做QC时需等待较长的时间才开始扫描,而且出来的体模图像断断续续不完整。在做QC过程中还出现故障提示:process timed out before enough counts were collected. the x-ray source is not generating enough x-rays or the beam is blocked。在做QA开始3分钟左右出现故障代码提示Routine/module:autoset_gain,ca_autoset. Error Messages:Active ADC range。

分析方法: 通过故障现象及提示信息,再对比正常的高低能曲线进行判断(发现此故障的高低能曲线图中没有低能曲线)。可能原因是低能探测器或探测器自动调节AUTOSET板故障。为协助判断再做一次6小时初始化校准,半小时左右QA中止失败。AUTOSET PMT GAIN没有通过,显示同样的AUTOSET错误信息,故障目标基本明确。

排除方法: 更换AUTOSET板确认球管与探测器位置准确后,进入维修模式的XSST菜单进行探测器的增益峰值GainPeak的测试,通过峰能图核实低能和高能的的DAC工作点分别在1150±50和2250±50光谱范围。如果DAC超出范围则选择PautoSet-R重新进行校正测试增益,直到在合适范围内。然后进行初始化校准,体模扫描,调零,并进行每日校准,精确度和精确度都通过显示“OK”。

3.2  滤线器故障

故障现象:运行每日校准(QA)不能通过,(Reference Beam)参考光束失败,(Dynamic Filtration)滤线器测试失败。运行QC时,开始3分钟左右屏幕就有错误信息出现“没有足够的X线产生,或射线被阻挡”。

分析方法:根据QA,QC都末通过的现象,判断控制计算机正常,X线部分基本正常。所以从软件上应先进行初始化校准,体模扫描,X光比率测试。如未通过,硬件上可能检查方向是AUTOSET板和滤线器组件,拆开控制电机后动态滤线片的外形构造。

处理及排除:先6小时初始化校准,结果提示“Reference Beam , Dynamic Filtration FAIL”。然后进行体模扫描同样未通过。进入维修模式的XSST菜单,选择Crcheck并移动探测器臂将激光对准定标标准位置“A”,按Mark启动X光比率计数测试,结果显示850000(超出允许范围550000-750000),所以进入硬件检测步骤,因高/低能可显示并且AUTOSET板更换时间不长,所以重点检查放在滤线器上。
由于设备购置5年使用率不高,由钐材料组成的滤线器老化可能性不大,滤线器组件结构上是由四个动态的滤线片和一个固定的滤线片组成,设计上构成八种滤线状态,其中四个动态滤线片的开合由四个电机带动,驱动板控制电机,最终可同时产生46.8kev和76.8kev的 高/低二种能量。了解结构后拆卸检查发现固定滤线片脱落。采用自行黏合的方法重新固定,但需要精确定位,方法是通过校准激光点的位置为标准,使其与X线出口孔对准。完成之后进行开机每日校准,并做球管与探测器为标准的测试(要求达到9万-12万光子),再进行床的水平测试,必要时做6小时QA,最终通过测试设备正常。

4.小结

骨密度仪的测量技术日益成熟,掌握其原理结构和规范使用,以及日常工作中定期的质量控制是很关键的,特别是更换零部件后需进行的校准测试。维修人员熟悉测试结果的含义,对故障分析和判断有很大帮助,做好设备的机械走轨等部件定期保养,可减少机械位置的漂移,从而保证仪器的精确度。

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