Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Получение цифровых рентгеновских изображений с помощью многоканального линейного полупроводникового детектора 25
1.1. Микростриповый полупроводниковый детектор GaAs-640-0.2 27
1.2. Рентгеновский аппарат РАП-160-5 33
1.3. Цифровая рентгеновская установка на базе линейного полупроводникового детектора GaAs-640-0.2 35
1.4. Синхронизация установки на базе линейного полупроводникового детектора GaAs-640 36
1.5. Получение снимков и повышение их качества на установке на базе линейного полупроводникового детектора GaAs-640-0.2 41
1.6. Стриповый твердотельный детектор GaAs-512-0.1 45
1.7. Проекционные снимки на установке на базе детектора GaAs-512-0.1 50
Глава 2. Получение цифровых рентгеновских изображений с помощью сканирующего многоканального газоразрядноГо детектора 56
2.1. Линейный сканирующий газоразрядный детектор ПРИЗ-1536 57
2.2. Рентгеновская установка на базе сканирующего газоразрядного детектора 63
2.3. Исследование внутренней структуры объектов без синхронизации с рентгеновским источником 65
2.4. Синхронизация рентгеновской установки 67
2.5. Определение разрешения установки и оптимального положения исследуемого объекта 71
2.6. Результаты рентгеновского исследования биологических объектов в синхронизованном режиме 73
2.7. Результаты эксперимента на установке с линейкой газоразрядных детекторов 74
Глава 3. Томографическая визуализация с субмиллиметровым пространственным разрешением 76
3.1. Установки для рентгеновской визуализации 78
3.2. Геометрия установки на базе детектора GaAs-512-0.1 при получении синограмм 82
3.3. Геометрия установки на базе детектора ПРИЗ-1536 при получении синограмм 83
3.4. Используемые методы томографическй реконструкции 84
3.5. Результаты съемок на установке с полупроводниковым линейным детектором 86
3.6. Результаты съемки на установке с газоразрядным детектором 88
Глава 4. Дозовые нагрузки на объекты от импульсной рентгенвской трубки и бетатрона 92
4.1. Разработка методики измерения мощности дозы от импульсного источника 93
4.2. Оценка эквивалентных доз при рентгеновских визуализациях 97
4.3. Пространственные дозовые характеристики бетатрона ОБЬ-4 100
Заключение 105
- Синхронизация установки на базе линейного полупроводникового детектора GaAs-640
- Исследование внутренней структуры объектов без синхронизации с рентгеновским источником
- Используемые методы томографическй реконструкции
- Оценка эквивалентных доз при рентгеновских визуализациях
Синхронизация установки на базе линейного полупроводникового детектора GaAs-640
Каждый снимок является отдельной строчкой изображения. Сигналы с устройства передаются на плату обработки персонального компьютера, где переводятся в цифровой вид и обрабатываются. Набор снимков (строчек) формирует цифровое изображение, которое может подвергаться дополнительной обработке.
Скорость перемещения объекта определяет разрешение итогового снимка в направлении перпендикулярном детекторной линии. Чем меньше скорость объекта, тем больше количество строчек на единицу длины. Однако уменьшать скорость перемещения имеет смысл до тех пор, пока смещение объекта за период регистрации строчки будет больше ширины детектирующих элементов, что составляет 200 мкм. В противном случае, одни и те же элементы исследуемого объекта будут попадать в детектируемую область более одного раза, а такая дублирующая информация бесполезна. Кроме этого нужно учитывать, что уменьшение скорости перемещения объекта приводит к увеличению экспозиции, а значит и суммарной дозовой нагрузки на исследуемый объект.
Работа над созданием этой установки, над решением возникавших при этом технических задач, работа по определению основных свойств прототипа и описание результатов опубликованы в трудах [69-72].
Синхронизация установки на базе линейного полупроводникового детектора GaAs-640-0.2 Полупроводниковая линейка GaAs-640-0.2 была сконструирована для работы с источником излучения постоянного действия с использованием внешнего генератора частоты, который запускает каждую из 68 операций на мультиплексах (рисунок 1.5), указанных в формуле (1.1). Получая частотный сигнал, линейный детектор выполняет определенное действие, соответствующее текущему рабочему состоянию и переходит в режим ожидания следующего частотного сигнала с внешнего генератора. Однако в собранной установке должна осуществляться синхронизация с рентгеновской трубкой РАП-160-5, которая генерирует один сигнал в момент начала генерации каждого импульса излучения. Таким образом, при каждом сигнале от источника излучения на вход блока детектирования «clock» (смотри рисунок 1.5) необходимо подавать группу сигналов из 680 импульсов, необходимую для полного цикла сбора информации на детекторе.
В силу описанных особенностей, синхронизация приемника с рентгеновским аппаратом была реализована с помощью отдельного устройства, сконструированного и запрограммированного специально для этой задачи. Блок-схема установки с устройством синхронизации представлена на рисунке 1.8. – рентгеновский аппарат; 2 – щелевой коллиматор; 3 – объект исследования; 4 –блок детектирования; 5 – блок синхронизации; 6 – аналого-цифровой преобразователь; 7 – персональный компьютер; 8 – осциллограф Рисунок 1.8 – Блок-схема синхронизованной установки на базе детектора GaAs-640-0.2 Излучение с рентгеновского аппарата РАП-160-5 1, проходя через щелевой коллиматор 2, частично поглощается в объекте исследования 3 и попадает в чувствительную область блока детектирования GaAs-640-0.2 4. В момент генерации импульса излучения рентгеновским аппаратом на соответствующем выходе формируется синхронизирующий сигнал длительностью около 140 мкс. Данный сигнал поступает на вход блока синхронизации 5. При получении синхроимпульса блок синхронизации с некоторой задержкой генерирует группу сигналов из 680 импульсов, которая подается на вход блока детектирования «clock». Под управлением этой группы сигналов осуществляется один полный цикл опроса чувствительных элементов детектора GaAs-640-0.2. Информация с блока детектирования на выходе «out» после обработки аналого-цифровым преобразователем 6 поступает на персональный компьютер 7.
В силу того, что детектор GaAs-640-0.2 является прототипом, для удобства работы с устройством внутренние сигналы «line» и «strobe» выведены на внешнюю часть корпуса. Эти сигналы, а также дубль сигнала с блока синхронизации, поступают на входы осциллографа 8.
На рисунке 1.9 представлена временная диаграмма работы детектора GaAs-640-0.2 под управлением синхронизирующего устройства.
Исследование внутренней структуры объектов без синхронизации с рентгеновским источником
В начале работы синхронизировать систему не представлялось возможным, из-за несоответствия параметров синхронизирующего сигнала трубки требованиям детектора к синхроимпульсу. Поэтому снимки проводились при достаточно жестких в дозовом плане режимах работы рентгеновского аппарата (80 кэВ, 4,7 мА). Однако это позволило обеспечить квазипостоянный во времени поток рентгеновского излучения.
В таких режимах были получены изображения различных образцов. Ниже приведены фотографии и рентгеновские снимки некоторых из них (рисунки 2.5, 2.6). а) – фотография компьютерной мыши; б) – рентгеновский снимок компьютерной мыши Исследуемый манипулятор «мышь» а) – фотография рыбы; б) – рентгеновский снимок рыбы Рисунок 2.6 – Исследуемая рыба Rutilus caspicus
Полосы на кадрах являются результатом отсутствия синхронизации между рентгеновским аппаратом и системой детектирования. 2.4. Синхронизация рентгеновской установки
Несмотря на относительно высокую информативность получаемых снимков, в целях повышения качества итоговых изображений и уменьшения дозовых нагрузок на образцы была поставлена задача синхронизации установки, однако при ее решении возник ряд сложностей.
Проблема заключалась в том, что в режиме синхронизации с источником детектор ожидает синхроимпульс, длительность которого должна быть 10 мкс, амплитуда 5 В и частота импульсов не должна превышать 200 Гц, что обусловлено минимальным временем одного цикла обработки строки. В свою очередь частота генерации импульсов на рентгеновской трубке РАП-160-5 изменяется автоматически и зависит от выбранных режимов. На рисунке 2.7 представлены некоторые зависимости частот генерации синхроимпульсов от тока и напряжения на аноде, полученные экспериментально.
Зависимости частот генерации синхроимпульсов рентгеновским аппаратом РАП-160-5 от анодного тока и напряжения
Во время измерений было выявлено, что при изменении напряжения на рентгеновской трубке частота меняется не при каждом значении, а в диапазонах по 10 кВ. Из полученных значений частот, были выделены рабочие диапазоны, при которых частота синхроимпульса не превышает 200 Гц (смотри рисунок 2.7).
Следующей сложностью являлось то, что непосредственно перед моментом излучения импульса трубка на соответствующем выходе генерирует синхронизующий сигнал амплитудой 5 В и длительностью 140 мкс. Для корректировки длительности синхронизующего импульса было разработано устройство, которое при получении на входе сигнала с синхронизующего канала трубки генерирует отдельный сигнал с заданными параметрами, передающийся на детектор в качестве синхроимпульса. На рисунке 2.8 изображена блок-схема установки на базе детектора ПРИЗ-1536 с применением созданного синхронизующего устройства.
Излучение, генерируемое рентгеновским аппаратом 1, частично поглощаясь в объекте исследования 2, проходя через щелевой коллиматор 3, регистрируется линейным детектором 4. В момент начала излучения источник генерирует синхронизующий сигнал длительностью 140 мкс, который поступает на блок синхронизации 5. При поступлении синхросигнала с источника блок синхронизации выдает импульс длительностью 10 мкс, который поступает на блок детектирования и запускает на нем цикл обработки данных. Система позиционирования 6 перемещает детектор, осуществляя продольное сканирование объекта исследования. Система позиционирования и блок детектирования связаны с персональным компьютером 7, который управляет установкой и осуществляет сбор и обработку данных. Режим синхронизации позволил выбирать меньшие значения анодного тока и напряжения, а также сократить время облучения, что привело к существенному снижению дозовой нагрузки на исследуемые образцы. Несоответствие работы детектора и источника приводило к случаям, когда излучение генерировалось источником не во время всего режима регистрации излучения экс, а только в его начале, конце, либо вовсе в момент t2 (смотри рисунок 2.3), когда детектор не восприимчив к излучению. Такая ситуация приводила к тому, что на изображениях появлялись темные линии направленные вдоль оси детектора [79]. На рисунке 2.9 представлены три изображения кейса с электроинструментом, снятого в синхронизированном и несинхронизированном режиме.
Используемые методы томографическй реконструкции
Для восстановления томографического сечения из синограммы для случая параллельного пучка был выбран один из самых широко применяемых методов, основанный на обратном преобразовании Радона (смотри Введение). Для решения этих задач использовалась популярная вычислительная среда MATLAB. В пакете MATLAB обратное преобразование Радона для случая параллельного пучка реализовано в виде функции iradon, которая входит в пакет расширений Image Processing Toolbox. С описанием работы функции можно ознакомиться на официальном сайте разработчика системы MATLAB [83].
Для применения функции iradon необходимо знать следующие параметры синограммы: угловой шаг поворота объекта, полный угол сканирования, фактический центр вращения объекта с точностью до одного пикселя (иначе говоря, номер детектирующего элемента, который находился в центре вращения). Основная сложность при реализованной методике реконструкции заключается в том, что все эти параметры варьируются от эксперимента к эксперименту. Ели центр вращения относительно постоянен, то остальные параметры различны даже в двух подряд полученных синограммах. Чтобы повысить точность реконструкции их необходимо определять для каждой синограммы. Для этого использовался итерационный метод последовательного изменения каждого параметра с определенным шагом. Реконструкция проводилась многократно в цикле, с последующим анализом восстановленных сечений и фиксацией параметров на каждой итерации. Параметры, отвечающие наиболее четкому и контрастному изображению сечения, принимались как рабочие, а результаты, восстановленные с ними, сохранялись.
Создание алгоритма для восстановления из синограмм для случая веерного пучка имело ряд сложностей. В системе MATLAB имеется оператор, осуществляющий обратное преобразование Радона для случая веерного пучка, реализованный в виде функции ifanbeam. Сложность ее применения заключается в том, что она имеет ряд больших ограничений по входным параметрам [84], что делает невозможным непосредственное применение данной функции, в поставленных целях и на практике в целом.
Было принято решение использовать для восстановления сечений в случае расходящегося пучка программное обеспечение NRecon, разработанное компанией Bruker micro-CT (бывший Skyscan) [85]. Пакет NRecon позволяет проводить реконструкцию структуры объекта из набора теневых проекций при произвольном угле расхождения пучка. Данный программный продукт не имеет ограничений на геометрию пучка, угловой шаг и полный угол сканирования.
Очередная сложность заключалась в том, что программный пакет NRecon не предназначен для реконструкции сечений из синограмм. Для адаптации синограмм под реконструкцию программой NRecon их было необходимо модифицировать в наборы проекционных снимков. Идея заключалась в том, что каждую строку синограммы, представляющую собой теневую проекцию высотой 1 пиксель, можно многократно дублировать и сложить из этих дублей двухмерное изображение, имитирующее полноценный проекционный снимок. После такой процедуры данный набор псевдопроекций загружался в программу NRecon и обрабатывался обычным для нее способом. На рисунке 3.4 представлен пример такой реконструкции из псевдопроекций высотой 100 пикселей, полученных из одной синограммы. Рисунок 3.4 – Пример объемной реконструкции из псевдопроекций в программе NRecon
На представленном изображении видно, что объем составлен из одинаковых сечений. Четкие вертикальные линии хорошо это демонстрируют. Эта ситуация возникает вследствие того, что при использовании такого метода реконструкция всех сечений дает идентичный результат, так как все сечения являются копиями одного исходного, взятого из синограммы.
При помощи созданных прототипов рентгеновских установок были получены серии снимков объектов различной природы. Результатами съемок являлись синограммы, при помощи которых осуществлялась реконструкция томографических срезов исследуемых объектов.
В целях определения оптимальных режимов работы источника и положения исследуемого объекта для получения синограмм предварительно проводился анализ проекционных снимков тех же образцов при различных условиях. Полученные синограммы обрабатывались, после чего с их помощью восстанавливались томографические срезы.
На рисунке 3.5 представлена синограмма того же соснового бруска, что и на рисунке 1.19, приведенного в Разделе 1.7, и восстановленный в пакете MATLAB томографический срез.
а) – синограмма; б) – реконструированный томографический срез Рисунок 3.5 – Рентгеновские изображения бруска сосны Pinus sylvestris
Недостатки визуализации, различимые на Рисунке 1.19, и описанные в Разделе 1.7, определяют артефакты, возникающие при восстановлении томографического среза. Линии на синограмме, вызванные несовершенством калибровки чувствительности детекторов, после реконструкции преобразуются в кольцевые артефакты. Не смотря на это, полученные томографические результаты имеют высокое качество, позволяющие анализировать внутреннюю структуру образцов. Пространственное разрешение полученных томографических изображений определялось по формулам 3.2 и 3.3 с учетом того, что расстояние между источником и детектором составляет 120 см, а между источником и объектом исследования – 110 см. Полученное расчетное значение равно 5,4 пар линий/мм (92 мкм), однако, при измерении тест-объектом мирой, пространственное разрешение составило 5 пар линий/мм. Это объясняется рассеиванием излучения и большим размером фокусного пятна источника. Как известно, деревья имеют невысокую плотность, и разброс в профиле плотности годичных колец невелик [86]. Тем не менее, реконструированные слои бруска сосны демонстрируют возможность визуально различать годовые кольца растения, в том числе и те, размеры которых меньше миллиметра, что говорит о высоком контрастном разрешении созданной системы.
Размеры чувствительной области газоразрядного детектора ПРИЗ-1536 позволяют в качестве исследуемых образцов использовать объекты, имеющие размеры сопоставимые с человеческим телом. В качестве исследуемого образца был выбран модуль низкоконтрастного разрешения комбинированного фантома для компьютерной томографии AAPM CT Performance Phantom Model 610. На рисунке 3.6 приведена фотография модуля низкоконтрастного разрешения.
Оценка эквивалентных доз при рентгеновских визуализациях
Для определения мощностей доз в точках расположения образцов при визуализациях, дозиметры ДТЛ-02 располагались на той же высоте и расстоянии от рентгеновского аппарата РАП-160-5. После этого дозиметры подвергались облучению в тех же режимах работы источника, при которых делались проекционные снимки и синограммы. Облучение производилось в течение фиксированного временного интервала. Зафиксированные дозиметрами дозы, делились на время экспозиции, из чего получались значения мощностей доз в условиях, при которых делались рентгеновские снимки. При вычислениях учитывалась дополнительная коллимация излучения узкой щелью, располагаемой между объектом и источником. Кроме этого расчет дозы производился с учетом полезного времени облучения. Ситуация заключается в том, что имеющаяся в распоряжении механика, использовавшаяся для позиционирования объектов при визуализациях, не предоставляет возможность синхронизации ее работы с остальными узлами установок. Кроме этого диапазон рабочих скоростей перемещения механики не позволяет двигать объекты со скоростями оптимальными для данных измерений. Таким образом, часть снимков-строчек, сделанных при визуализациях, была бесполезна и позже отбрасывалась, а дозовая нагрузка, полученная во время их съемки, была излишней.
Расчет эквивалентных доз на исследуемые объекты, возникающих при исследованиях на созданных рентгенографических прототипах, проводился по формуле, представленной ниже: (4.1) где Eобр – эквивалентная доза полученная образцом; tобр – время облучения образца при получении снимка; Eдоз – значение дозы, полученной дозиметром; tдоз – время облучения дозиметра; k – коэффициент, равный отношению количества полезных строчек к количеству отброшенных. Коэффициент k зависит от выбранного режима работы трубки, исследуемого образца и требуемого разрешения итогового проекционного или томографического снимка.
В установке с полупроводниковым детектором для проекционных рентгеновских снимков параметры установки определили эквивалентную дозу равную 14 мкЗв. При получении синограмм на этой установке доза составила 2,8 мЗв.
Как видно имеется существенная разница эквивалентных доз при проекционных снимках и томографических. Это обусловлено тем, что при получении проекционного снимка каждый слой образца облучается единожды. Напротив, при получении синограммы делается серия снимков одного и того же слоя но при разных ориентациях объекта.
При получении проекционных снимков на прототипе с газоразрядным детектором режим работы источника и время облучения обусловили расчетную эквивалентную дозу равную 15 мкЗв. В процессе съемки синограмм на этой же установке расчетная эквивалентная дозовая нагрузка на исследуемый объект при получении одной синограммы составила 9,5 мЗв.
Эти результаты существенно ниже общепринятых значений эквивалентных доз, получаемых пациентами при стандартных медицинских обследованиях. Так при пленочных методах медицинской визуализации дозовые нагрузки имеют следующие значения: для флюорографии нормой является доза равная 0,8 мЗв, для рентгенографии 0,4 мЗв, для рентгеноскопии 10 мЗв [93]. Стоит отметить, что, несмотря на повсеместный переход к цифровым технологиям, пленочные обследования на сегодняшний день применяются во многих странах.
Применение цифровых детектирующих систем существенно снижает значения эквивалентных доз, получаемых пациентами, тем не менее, достигнутые в рамках данного исследования значения доз ниже, чем при применяемых стандартных методиках. Для цифровых методов общепринятые средние значения дозовых нагрузок следующие: флюорография – 0,6 мЗв; рентгенография – 0,15 мЗв; рентгеноскопия – 3,5 мЗв [94]. Дозы при компьютерной томографии обычно составляют около 50 мЗв при обследованиях головного мозга и шеи; 20 мЗв при обследованиях таза, грудной и брюшной полости [95].
Существенное снижение дозовых нагрузок обусловлено в основном тем, что в установках используется импульсный источник. В цикле работы детекторов часть времени необходима для обработки и передачи сигналов. В этот момент излучение ими не регистрируется, а значит, при использовании постоянно действующих источников, возникает излишняя дозовая нагрузка. При синхронизации импульсного источника с детектирующей частью, бесполезная дозовая нагрузка исключается. Кроме этого, используемые в разработанных прототипах цифровые детекторы имеют повышенную чувствительность и способны регистрировать излучение с относительно не большой интенсивностью.
Очевидно, что применение низко интенсивных источников излучения, приводит к снижению качества визуализаций. На газоразрядном детекторе снижается контрастная чувствительность, а на полупроводниковой линейке возникают эффекты, связанные с нелинейностью чувствительности отдельных детекторов, однако, эта проблема имеет программные решения.
В силу того, что режимы работы источника, и соответственно дозы, зависят от материала изучаемого образца, его размеров и требуемого разрешения итоговых изображений, дозовая нагрузка при исследованиях на созданных установках может меняться, в том числе и в сторону увеличения. Кроме этого учет объемной дозы и распределение полутеней после коллимации может изменить результирующую расчетную дозу. Однако все эти факторы не могут значительно увеличить результирующую дозу и порядок оценочных цифр сохранится.
Пространственные дозовые характеристики бетатрона ОБЬ-4 В качестве источника излучения в работе использовался малогабаритный шестистоечный бетатрон ОБЬ-4. Максимальная энергия электронов составляет 4.0 МэВ. Бетатрон ОБЬ-4 сконструирован как импульсный источник тормозного излучения с использованием вольфрамовой мишени.
