Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. ТЕХНИКА И МЕТОДИКА ЦИФРОВОЙ ФЛЮОРОГРАФИИ ОРГАНОВ ГРУДНОЙ ПОЛОСТИ ПРИ МАССОВОМ ОБСЛЕДОВАНИИ НАСЕЛЕНИЯ 6
Глава 2. ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ИССЛЕДОВАНИЯ СПЕКТРАЛЬНЫХ И ДОЗИМЕТРИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК РЕНТГЕНОВСКИХ ИЗЛУЧАТЕЛЕЙ 17
2.1 . Исследования спектрального распределения тормозного излучения в диагностических рентгеновских трубках с вольфрамовым анодом —17
2.2 Исследование взаимосвязи между спектральным распределением тормозного излучения и его дозиметрическими характеристиками.. 25
2.3 Дозиметрические характеристики радиационного выхода рентгеновских излучений с использованием трубок с вольфрамовым анодом 32
2.4 Экспериментальная проверка теоретических исследований 37
Глава 3. ОБОСНОВАНИЕ ВЫБОРА И РАЗРАБОТКИ СИСТЕМЫ АВТОМАТИЧЕСКОГО ЭКСПОНИРОВАНИЯ „ 44
3.1. Обоснование выбора системы автоматического экспонометра 44
3.2. Разработка системы автоматического экспонирования 46
3.3. Обоснование выбора детектора для системы автоматического экспонирования с автоматическим выбором напряжения генерирования рентгеновского излучения 50
3.4. Электрическая блок-схема флюорографа 53
3.5. Конструкция цифрового флюорографа 56
Выводы из главы 3 58
Глава 4 ОЦЕНКА КАЧЕСТВА ЦИФРОВОГО ИЗОБРАЖЕНИЯ „ 60
4.1. Определение пространственной разрешающей способности „...60
4.2. Определение динамической нерезкости изображения 69
4.3. Эталон для определения контрастных характеристик рентгенодиагностических аппаратов 74
4.4. Юстировка светового центратора 81
Выводы из главы 4 84
Глава 5. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ЦИФРОВОГО ФЛЮОРОГРАФА С АВТОМАТИЧЕСКИМ РЕЖИМОМ СЪЕМКИ 85
5.1. Проверка контрастной чувствительности и дозы на снимок 85
5.2. Проверка геометрических искажений (дисторсии) 85
5.3. Проверка динамического диапазона 85
5.4. Проверка пространственного разрешения
5.5 Проверка чистоты выходного поля изображения 86
5.6 Проверка неравномерности распределения яркости 86
5.7 Проверка соответствия между полем рентгеновского излучения и поверхностью приемника изображения
5.8 Проверка ограничения и индикации пространственной протяженности пучка рентгеновского излучения. Проверка обеспечения совместимости светового (лазерного) и рентгеновских лучей в плоскости приемника изображения „ 88
5.9 Проверка радиационной защиты обслуживающего персонала. Проверка мощности дозы излучения на рабочем месте и на расстоянии 100 см от фокусного пятна в любом направлении
5.10 Проверка режима автоматической съемки 91
Выводы из главы 5 91
Выводы.. 103
Список литературы 104
- ТЕХНИКА И МЕТОДИКА ЦИФРОВОЙ ФЛЮОРОГРАФИИ ОРГАНОВ ГРУДНОЙ ПОЛОСТИ ПРИ МАССОВОМ ОБСЛЕДОВАНИИ НАСЕЛЕНИЯ
- Исследования спектрального распределения тормозного излучения в диагностических рентгеновских трубках с вольфрамовым анодом
- Обоснование выбора системы автоматического экспонометра
- Определение пространственной разрешающей способности
- Проверка контрастной чувствительности и дозы на снимок
Введение к работе
Актуальность работы. В настоящее время в медицине
рентгенологический метод продолжает занимать ведугцее место при раннем выявлении и диагностике различных заболеваний. Более 60% патологических изменений в организме выявляется с помощью рентгенологических методов.
За последнее десятилетие сам рентгенодиагностический метод претерпел принципиальные изменения. На смену традиционным пленочным рентгеновским аппаратам пришла новая цифровая рентгенодиагностическая техника. Цифровые рентгенодиагностические аппараты имеют целый ряд преимуществ по отношению к пленочным аппаратам: широкий динамический диапазон и высокая контрастная чувствительность цифровых аппаратов, а также возможность компьютерной обработки изображения, позволяет надежно выявлять даже незначительные изменения в биологических тканях различной плотности, что существенно уменьшает вероятность пропуска патологии. Значительное снижение лучевой нагрузки делает цифровой метод рентгенодиагностики практически безопасным для пациентов и обслуживающего персонала. Цифровое рентгеновское изображение выводится на экран видеомонитора через секунды после экспозиции, что позволяет вести диагностику в реальном масштабе времени. Исключение необходимости использования дорогостоящей фотопленки, фотолабораторного оборудования и химреактивов делает цифровую рентгенографию экономически выгодной.
Однако в цифровых аппаратах, выпускаемых как за рубежом, так и в нашей стране, отсутствует система автоматического" выбора анодного напряжения в режиме съемки индивидуально для каждого пациента.
иЩмт в Y
СПетеї ОЭ «60,
Вынужденная ручная установка анодного напряжения. выполняемая рентгенолаборантом, как показывает опыт, может привести к переоблучению пациента и потере качества диагностического изображения. Кроме того, ручное управление работой аппарата увеличивает длительность рентгенологической процедуры. Эти недостатки цифровых рентгеновских аппаратов особенно остро проявляются при массовом флюорографическом обследовании населения, когда поток пациентов значителен. При массовых флюорографических исследованиях особенное значение уделяется выбору физико-технических параметров экспозиции, а именно: анодного напряжения, анодного тока, времени экспозиции либо количества электричества. С целью исключения брака и возможных повторных рентгенодиагностических исследований в современных аппаратах широко используются системы выбора физико-технических параметров с использованием автоматики по органам, где в зависимости от исследуемого органа, толщины и возраста пациента автоматически выбираются: анодное напряжение и количество электричества либо анодное напряжение и система автоматического экспонирования, совмещенная с выбором доминантной области экспонометра. Системы автоматического экспонирования разрабатывались в нашей стране в начале 60х годов в Ленинградском электротехническом институте (Цветков А.Ф., Хараджа Ф.И.), во Всесоюзном научно-исследовательском институте радиационной техники (Горбачевский AM., Жегалкин ГА, Дмитриев Г.П.); позднее в конце 80х годов были разработаны системы на основе ионизационных камер в Научно-исследовательском институте интроскопии (Владимиров Л.В., Козлов А.А. и др.) В основу этих систем было положено измерение требуемой экспозиционной дозы в области доминанты, при достижении заданного порогового значения которой выдавалась команда на окончание экспозиции. Системы автоматического
5 экспонирования широко используются в аппаратах отечественных и зарубежных фирм: «Сименс», «Филипс», «Дженерал электрик» и др. Основным недостатком этих систем является то, что при этом необходимо предварительно выбрать уставку анодного напряжения и доминанту рабочего поля детектора экспонометра, что также предусмотрено и в системах «автоматики по органам». Данный недостаток был достаточно хорошо известен и отечественными учеными к.т.н. Подгорным В.Н., д.т.н., профессором Блиновым Н.Н., д.т.н. Владимировым Л.В., д.т.н. Кантером Б.М. в разное время разрабатывались системы автоматических экспонометров, позволяющие не только выбрать требуемую экспозицию, но и требуемое напряжение генерирования рентгеновского излучения в процессе экспозиции. Однако эти попытки не были доведены до серийного производства. Одной из причин того, что системы с автоматическим выбором напряжения в процессе экспозиции разрабатывались для аналоговых приемников излучения (пленка + усиливающий экран), которые имеют ограниченный динамический диапазон чувствительности (15 -20).
В настоящее время в связи с использованием цифровых приемников рентгеновского излучения на основе полупроводниковых зарядочувствительных детекторов (ПЗС - матриц), имеющих динамический диапазон 100 и более, разработчиками ООО «Гелпик» при активном участии автора бьша возобновлена работа по возможности автоматического выбора напряжения генерирования в процессе экспозиции при флюорографии.
Цель и основные задачи исследований. Основная цель диссертационной работы заключается в теоретическом исследовании, разработке и внедрении в клиническую практику цифрового флюорографа, оснащенного системой автоматического выбора анодного напряжения в снимочном режиме индивидуально для каждого пациента. При этом должен быть получен медицинский эффект, заключающийся в: снижении лучевой нагрузки на пациента, исключении брака в съемке, увеличении пропускной способности флюорокабинета, облегчении работы рентгенолаборанта.
Для достижения поставленной цели необходимо было решить следующие
основные научно-технические задачи:
1. Проанализировать современное состояние цифровой флюорографии.
-
Провести исследование спектральных и дозиметрических характеристик рентгеновских излучателей.
-
Провести исследование детекторов излучения, используемых в рентгеновской экспонометрии.
-
Разработать систему автоматического выбора экспозиции для цифровой флюорографии.
-
Разработать цифровой флюорограф, оснащенный системой автоматического выбора экспозиции.
-
Провести испытания нового цифрового флюорографа с целью оценки качества изображения при использовании системы автоматического выбора анодного напряжения в процессе экспозиции.
-
Внедрить в медицинскую практику цифровые флюорографы, оснащенные системой автоматического выбора анодного напряжения в процессе экспозиции.
Научная новизна.
1. Получены аналитические выражения и разработана методика расчета
радиационного выхода медицинских рентгеновских излучателей использующих
трубки с вольфрамовым анодом.
2. На основании теоретических расчетов показано, что спектральные распределения
тормозных спектров по количеству квантов, по интенсивности излучения и по
мощности дозы имеют различный сдвиг максимумов по энергиям.
3. Проведен анализ возможных переэкспозиций при работе системы
автоматического экспонирования, обусловленных временными характеристиками
фронтов нарастания и спада анодного напряжения при малых длительностях
экспозиций и показано, что при заданном времени экспозиции дозовая погрешность
не превышает 20% от требуемой экспозиционной дозы.
4. Разработана методика расчета опорного тока для системы «активного»
экспонирования в зависимости от требуемого времени экспозиции и
чувствительности приемника рентгеновского излучения флюорографического
аппарата с учетом параметров пациента.
5. Разработана схема «активного» рентгеновского экспонометра обеспечивающего
автоматический выбор анодного напряжения в процессе экспозиции в зависимости
от параметров объекта контроля при заданном времени снимка.
Практическая значимость работы.
-
По результатам научно-технических исследований проведены инженерно-конструкторские работы по созданию цифрового флюорографа "Ренекс-Флюоро" с системой автоматического выбора напряжения генерирования рентгеновского излучения в процессе экспозиции.
-
Налажен производственный выпуск цифровых флюорографов с системой автоматического выбора напряжения генерирования рентгеновского излучения в процессе экспозиции в зависимости от параметров пациента.
-
Режим «однокнопочного» включения аппарата с автоматическим выбором напряжения обеспечивает исключение ошибок в экспозиции при одновременном увеличении пропускной способности флюорографического аппарата.
-
Внедрено в медицинскую практику более 50 цифровых флюорографов новой конструкции.
-
Разработаны специальные фантомы и тест-объекты оригинальной конструкции для оценки пространственной и контрастной разрешающей способности цифрового рентгеновского изображения, защищенные рядом патентов РФ.
6. Разработаны, методические рекомендации и пособия для врачей при работе на цифровом флюорографе "Ренекс-Флюоро".
Достоверность полученных результатов
1. Достоверность полученных квантовых распределений тормозных спектров
рентгеновских трубок с вольфрамовым анодом подтверждается сравнением с
экспериментальными данными отечественных и зарубежных исследователей. При
этом расхождения между нашими расчетными данными и данными, полученными в
результате эксперимента и опубликованными в отечественной и зарубежной
литературе не превышали + 6%.
2. Достоверность по расчетным значениям радиационного выхода
подтверждена нашими экспериментальными данными и данными, опубликованными
в справочной литературе. При этом расхождение между расчетными и
экспериментальными значениями по радиационному выходу при работе
рентгеновского аппарата в длительном режиме не превышали ± 20%.
3. Работоспособность системы «активного» экспонирования, а, следовательно,
и достоверность теоретических положений заложенных в основу его работы, в том
числе и по определению опорного тока, подтверждается результатами приемо
сдаточных и квалификационных испытаний, а также успешной эксплуатацией
выпускаемых флюорографов с системой «активного» экспонирования.
Внедрение результатов работы:
Материалы диссертационной работы доложены на конференциях Научно-практического центра рентгенорадиологии, Научно-практического центра медицинской радиологии, НПО «Спектр», Ассоциации медицинских физиков
России, а также опубликованы в печати - в журнале «Медицинская техника» (список публикаций прилагается) и в патентах на изобретение.
Цифровой флюорограф «Ренекс-Флюоро» с системой автоматического выбора экспозиции демонстрировался на международной выставке «Здравоохранение» в 2002, 2003 и 2004 гг.
Публикации по материалам диссертации:
Всего опубликовано 17 работ, в том числе 4 патента на изобретения.
Структура и объем работы.
Диссертация состоит из введения, 5 глав, выводов, списка литературы, включающего 75 источников, и приложения, в котором представлены акты испытаний цифрового флюорографа новой конструкции, акты внедрения результатов работы, копии патентов на изобретения.
Общий объем работы составляет 106 страниц текста, в том числе 26 рисунков и 14 таблиц.
Техника и методика цифровой флюорографии органов грудной полости при массовом обследовании населения
В настоящее время в России массовое флюорографическое обследование населения проводится с целью своевременного выявления таких грозных заболеваний, как туберкулез, рак легкого и ряда других заболеваний органов грудной клетки [4,35]. Для этих целей используются современные цифровые флюорографы. Ниже рассматриваются принцип получения изображения и технические характеристики основных типов цифровых рентгеновских флюорографов, применяемых в здравоохранении России.
1.1. В цифровом флюорографе с усилителем рентгеновсюго изображения (УРИ) в качестве детектора используется рентгеновский электронно-оптический преобразователь (РЭОП). Рентгеновский пучок, пройдя через тело пациента, несет в себе скрытое изображение внутренних органов. С помощью РЭОПа это скрытое изображение визуализируется и через объектив проецируется на входное окно телевизионного прибора (видикона или ПЗСматрицы), подключенного к электронному блоку обработки электрического сигнала и воспроизведения рентгеновского изображения.
РЭОП является вакуумным прибором, как правило, цилиндрической формы, включающий в себя ряд компонентов. Входное окно современных РЭОПов изготовлено из тонкого алюминия или титана (толщиной 0,250,5 мм). Большинство РЭОПов имеют диаметр входного поля 170- 400 мм, хотя фирме Siemens удалось создать уникальный преобразователь Optilux HD с размером поля 570 мм [49]. К внутренней поверхности входного окна примыкает флюоресцирующий экран, который содержит люминофор из йодистого цезия, активированного натрием (Csl: Na), нанесенный на подложку из алюминия. Данный люминофор отличается высоким коэффициентом преобразования рентгеновских квантов в световые фотоны. Достигается это его структурой, состоящей из монокристалов, которые имеют нитевидную форму (около 5 мкм в диаметре и до 0,5 мм длиной). Под действием рентгеновских квантов, поглощаемых люминофором, образуются фотоны голубого света и световой поток передается вдоль кристаллов при отсутствии бокового рассеяния на фотокатод. В большинстве РЭОПов фотокатод изготовлен из соединения сурьмы и цезия (SbCs3) . В результате фотоэффекта, в фотокатоде происходит эмиссия электронов. Электроны ускоряются в поле высокого напряжения (25— 35 кВ), приложенного между катодом и анодом РЭОПа, и фокусируются электронной оптикой на люминофоре выходного окна, имеющего толщину слоя около 5 мкм. В современных РЭОПах в качестве выходного люминофора широко применяется соединение на основе гадолиния, обладающего высокой светоотдачей. Вблизи выходного люминофора располагается тонкая алюминиевая фольга, которая является как анодом, так и отражателем света, увеличивающим яркость выходного изображения. Выходное окно РЭОПа оптически сопряжено с ПЗС-матрицей или приемной телевизионной трубкой. На выходе этих устройств формируется электрический сигнал, который после соответствую-щей обработки, формируется ЭВМ (в современных цифровых флюорографах в качестве ЭВМ наиболее часто используются персональные компьютеры) в форме цифровой матрицы изображения.
Цифровой рентгеновский аппарат, оснащенный УРИ, отличается очень большой чувствительностью, так как практически все кванты рентгеновского излучения, прошедшие через входное окно РЭОПа, преобразуются в электрический сигнал. Однако, производство РЭОПов с большим полем зрения (более 500 мм в диаметре) для обследования легких связано с технологическими трудностями, что приводит к значительному увеличению стоимости аппарата. По этой причине фирма Siemens, создавшая РЭОП с диаметром входного окна 570 мм, отказалась от его производства.
СП «Спектр» и ТОО «ТАНА» (Москва) создали цифровойфлюорограф ФСЦ-У-01 для обследования легких с РЭОПом диаметром 300 мм [25, 26]. Рентгенография производится в импульсном режиме при четырех различных положениях РЭОПа относительно тела пациента. Для быстрого перемещения РЭОПа используется специальная электромеханическая система. Полный цикл съемки равен 5 с. Полномасштабный цифровой снимок легких образуется путем "сшивки" четырех фрагментов на ЭВМ с помощью специальной программы. Размер рабочего поля снимка составляет 385 х 385 мм, разрешающая способность 1,4 пар лин/мм. Число элементов цифрового изображения 1024x1024. Пороговая контрастная чувствительность 0,5 %. Средняя рабочая доза при четырех экспозициях (в плоскости приемника) 70 мкр. Другие фирмы цифровой флюорограф подобной конструкции не выпускают.
Исследования спектрального распределения тормозного излучения в диагностических рентгеновских трубках с вольфрамовым анодом
Тормозное излучение, возникающее при изменении кинетической энергии электронов при их торможении на поверхности зеркала анода рентгеновской трубки, имеет непрерывный спектр. Энергетическому и угловому распределению тормозного спектра посвящено большое количество работ, как теоретического, так и экспериментального характера. Граничная энергия тормозного спектра излучения определяется известным выражением:
U - разность потенциалов между катодом и анодом трубки или анодное напряжение выраженное в Вольтах (В).
Граничная энергия спектра определенная по выражению (2.1) однако спектральное распределение интенсивности тормозного спектра излучения не имеет однозначного аналитического отображения. В связи с этим, наряду с теоретическими работами по спектральному распределению интенсивности тормозного излучения до настоящего времени проводятся работы, посвященные экспериментальным методам определения тормозных спектров излучения [14; 18; 68].
Теоретическое распределение энергии в спектре тормозного излучения были проведены Крамепсом и Куленкапфом [45]. Обзор работ по данному вопросу подробно рассмотрен в справочнике «Рентгенотехника» под редакцией Клюева В.В. [2; 47]. Согласно теоретическим расчетам, интенсивность тормозного рентгеновского излучения определяется следующим выражением [47]:.
Однако измерения интенсивности излучения показали, что выражение (2.2) не может быть использовано для практических расчетов интенсивности рентгеновского излучения. Основное противоречие в использовании выражения (2.2) в практических целях возникает в связи с показателем степени «2». Так, разные источники приводят разные значения показателя степени, от «2» для не фильтрованного излучения с напряжением ниже 50кВ [19] до «5» и более для фильтрованного рентгеновского излучения [5]. Так же замечены большие несоответствия в значения коэффициента «с». В связи с таким большим. разбросом в показателе степени напряжения генерирования рентгеновского излучения в большинстве справочной литературы даются практические таблицы, в которых приводятся значения мощности дозы тормозного излучения в зависимости от напряжения приложенного к рентгеновской трубке, а так же толщины и материала фильтра. При этом значения мощности дозы нормируется к анодному току 1мА и фокусному расстоянию 1м. Такие таблицы удобны в практическом применении, однако не дают представления о реальном спектральном распределении тормозного излучения.
Обоснование выбора системы автоматического экспонометра
В широко распространенной ранее пленочной флюорографии использовался массовый скрининг населения, широкий его охват рентгенологическим обследованием. При многотысячных обследованиях даже незначительный процент брака (до 10 %) вызывал большое количество бракованных снимков, необходимость вызова на повторное обследование со всеми отрицательными последствиями. Основными причинами такого положения были нестабильность работы источника излучения, отсутствие оперативного контроля над качеством получения и обработки результатов съемки, узкий динамический диапазон съемки. Сказывалась общепринятая школа диагностики. В соответствии с ней экспонирование проводилось при относительно низких анодных напряжениях. Критерием качественного снимка являлась возможность наблюдения 3-4 грудных позвонков.
Причиной низкого качества изображения являлась недодержка, обусловленная ошибкой выбора режима съемки при низких киловольтах и малом динамическом диапазоне. Одним из путей устранения этой погрешности предлагался выбор анодного напряжения в соответствии с таблицей экспозиций по фактическому переднезаднему размеру грудной клетки «кВ - см». Однако полученные данные варьируют в зависимости от конституционных особенностей организма. Поэтому массового применения такие таблицы не нашли.
Широкое применение получило автоматическое экспонирование, определение прошедшей через объект исследования дозы с помощью фотоэлектрического или ионизационного детектирования энергии с определенного участка просвечиваемого поля пациента, В пленочной флюорографии, использовавшей автоматическое экспонирование, применялся фотоэлектронный детектор, ориентированный на доминанту или характеристический участок светового поля. Под доминантой понимался участок светового поля, изображение которого характеризовало по своим параметрам все изображение флюорографического кадра [34]. Расположение доминанты в пленочном флюорографе (Рис. 1, А) было выбрано экспериментальным путем как горизонтальное, симметричное обоим легочным полям. В результате применения автоматического экспонирования удалось снизить долю бракованных снимков, по крайней мере, вдвое.
При переходе на цифровую флюорографию проблема изменилась. Динамический диапазон цифровой флюорографии достаточно широкий. Оценка снимка рентгенолаборантом происходит практически мгновенно, то есть действует оперативный контроль над качеством снимка. Используется жесткая техника съемки, фактически работа происходит при сниженной дозовой нагрузке пациента. В то же время при имеющемся положении доминанты или при исследовании в боковом положении возможна ошибка экспонирования. Поэтому доминанта цифрового флюорографа для лучшего отображения органов грудной клетки нами расположена вертикально почти по оси симметрии (Рис. 1Б). При этом отображаются большое количество грудных позвонков. Последующее снижение дозовой нагрузки пациента обеспечивалоь корректировкой динамического диапазона.
Определение пространственной разрешающей способности
Пространственная разрешающая способность рентгенографической системы является одним из важнейших физических факторов, определяющих дешифровочные и измерительные качества рентгеновского изображения. Чем выше разрешающая способность, тем больше деталей внутренней структуры исследуемого объекта становятся доступными для рентгенологического анализа. Следовательно, повышаются точность и надежность рентгенодиагностики.
Пространственная разрешающая способность любого снимка (пленочного или цифрового) ограничена из-за несовершенства системы формирования рентгенограммы, вызывающей различного рода нерезкости изображения. Суммарная величина нерезшсти рентгеновского изображения описывается алгебраическим сложением отдельных составляющих, то есть определяется следующим уравнением.
Пространственная разрешающая способность рентгеновского снимка обратно пропорциональна его суммарной нерезкости.
Современные рентгенодиагностические аппараты, оснащенные генераторами высокочастотного типа, например «Ренекс - Флюоро», позволяют проводить съемку с выдержкой 0,01с и меньше [17]. При таких экспозициях удается получить рентгеновское изображение подвижных органов свободное от динамической нерезкости. Поэтому в данном случае уравнение (4.1) примет следующий вид.
Проверка контрастной чувствительности и дозы на снимок
Проверка контрастной чувствительности и дозы на снимок проводили следующим образом.
Было установлено анодное напряжение Ua = 77 кВ. На излучателе разместили пластину из алюминия толщиной 20 мм, размером 50x50 мм. В плоскости снимка поместили кружки из алюминия диаметром 20 мм толщиной 0,1; 0,15 мм (1% , 1,5%) контраста соответственно). Подобрали уставку количества электричества при которой на экране видеомонитора путем контрастирования изображения еще возможно наблюдение круга диаметром 20 мм, соответственно контрасту 1,5%. Уверенно наблюдая на экране монитора круг диаметром 20 мм, соответствующий контрасту 1,5%, измеряли дозу на снимок, которая составила 8,8 мкГр («1 мР), что не превышает значений дозы 10 мкГр« 1,14 мР.
