Содержание к диссертации
Введение
Глава I. Анализ особенностей современных аппаратов для визуализации цифровых рентгеновских изображений с позиций минимизации дозы облучения при исследовании 10
1.1. Мировые тенденции развития рентгенодиапюстической аппаратуры 10
1.2. Анализ состояния отечественного парка рентгенодиапюстической аппаратуры и постановка задачи работы 16
1.3. Классификация аппаратов для формирования цифровых медицинскихрентгеновских изображений 19
Выводы к главе 1 24
Глава 2. Анализ зависимостей эффективной дозы от параметров исследований 26
2.1. Понятие об эффективной эквивалентной дозе 26
2.2. Исследование возможностей определения ЭД в процессе рентгенодиагностического исследования 34
2.3. Зависимость ЭД от параметров исследования 36
2.4. Разработка аналитических моделей определения ЭД 55
Выводы к главе 2 58
Глава 3. Экспериментальное измерение ЭД на тканеэкви валентных фантомах . 60
3.1 Измерение рассеянного излучения при стандартной рентгенографии 60
3.2 Измерение рассеянного излучения при сканирующей флюорографии 62
3. 3Экспериментальное исследование эффективных доз при линейной томографии. 66
Выводы к главе 3 75
Глава 4. Исследование влияния параметров цифровых РДА на ЭД 77
4.1. Характеристики цифровых рентгеновских изображений 77
4.1.1. Энергетические характеристики изображений
4.1.2. Пространственные характеристики изображений
4.1.3. Градационные характеристики изображения
4.2. Доза облучения пациента в цифровых системах для рентгенографии 87
4.3. Исследование дозовых нагрузок при сканирующей рентгенографии 91
4.4. Рекомендации но определению квантовой эффективности DQE 98
4.5. Методы снижения дозы облучения с помощью оптимизации средстврадиационной защиты 107
4.6. Методы снижения лучевой нагрузки формированием пространственногораспределения излучения 114
4.7. Снижение дозы облучения при просвечивании 116
4.7.1. Метод непрерывного вращения детекторов линейки 118
4.7.2. Метод объемной фильтрации и изменения размеровпикселей 121
Выводы к главе 4 126
Глава 5. Разработка таблиц для определения эффективных доз облучения пациентов при рентгенографии на среднечастотпом рентгеновском аппарате 127
5.1. Актуальность определения ЭД 127
5.2. Оценка удельных эффективных доз облучения при рентгенографии насреднечастотных аппаратах по фантомным измерениям 128
5.3. Определение коэффициента Ке для оценки ЭД по радиационному выходуизлучателя 157
5.4. Оценка ЭД по показаниям прибора для измерения произведения дозы наплощадь 179
5.5. Комментарии к таблицам удельных эффективных доз 200
5.5.1. Входная доза 200
5.5.2. Эффективная доза (ЭД) 201
5.5.3. Исследуемый орган 201
5.5.4. Фокусное расстояние 201
5.5.5. Удельный радиационный выход 202
5.5.6. Анодное напряжение 202
5.5.7. Размеры рабочего пучка 203
5.5.8. Фильтрация излучения 203
5.5.9. Возраст пациента 204
5.6. Таблицы экспозиций и эффективные дозы облучения пациентов в дентальной рентгенологии 205
5.7. Выбор физико-технических условий маммографического исследования 211
Выводы к главе 5 216
Глава 6. Разработка систем контроля ЭД при рентгенодиапюстическом исследовании 217
6.1. Выбор системы контроля ЭД 217
6.2.Выбор физико-технических условий рентгенографии на отечественныхрентгенодиагностических комплексах 217
6.3. Выбор условий работы с рентгеноэкспонометром 224
6.4. Выбор режимов при цифровой рентгенографии 233
6.5. Разработка системы регистрации ЭД в рентгенодиагностической аппарататуре 235
Выводы к главе 6 242
Глава 7. Разработка РДА нового поколения. Внедрение результатов исследования 243
7.1 .Минимизациия дозы облучения при рентгеновском просвечивании 243
7.2. Разработка РДА общего назначения «Медикс-Р» и «Телемедикс-Р» 244
7.3. Малодозовый цифровой флюорограф АПЦФ-01 «Амико» 249
7.4. Сканирующий малодозовый цифровой флюорограф ФМЦС«Проскан» 255
7.5. Оптимизация физико-технических условий цифровых рентгенографических систем 258
7.6. Разработка рентгенохирургического аппарата типа «С-дуга» 268
7.7 Цифровой стоматологический визиограф «Денталикс» 270
Выводы к главе 7 271
Заключение 273
Список литературы 276
Приложение
- Анализ состояния отечественного парка рентгенодиапюстической аппаратуры и постановка задачи работы
- Зависимость ЭД от параметров исследования
- Измерение рассеянного излучения при сканирующей флюорографии
- Доза облучения пациента в цифровых системах для рентгенографии
Введение к работе
Актуальность работы.
Рентгенодиагностическая аппаратура в XXI веке, как и прежде, остается доминирующей в лучевой диагностике заболеваний человеческого организма. Несмотря на бурное развитие новых методов лучевой диагностики, таких как ультразвуковые, магнитно-резонансные, эндоскопические, радиоизотопные, до сих пор большая часть диагнозов, устанавливается или подтверждается с помощью рентгеновских исследований. Каждый год в мире увеличивается количество рентгенодиагностических исследований, одновременно возрастает их сложность и дозовая нагрузка. При этом более 70 % надфоновой генетически значимой дозы облучения человечества приходится на рентгенодиагностические исследования.
Основной задачей развития современной медицинской рентгенотехники остается проблема максимально возможного снижения дозы облучения при сохранении, а по возможности и при увеличении диагностически существенной информации. Обязательная регистрация дозы облучения пациентов при регтгенодиагностических исследованиях нормирована Законом о радиационной безопасности населения РФ.
К моменту начала настоящей работы в области рентгенодиагностической техники все традиционные методы снижения лучевой нагрузки были практически исчерпаны: во всех методах диагностики был почти достигнут принципиальный физический предел снижения дозы, определяемый квантовыми флуктуация ми рентгеновского излучения.
Новый подход, заключающийся в переходе от аналоговых к дискретным компьютерным средствам формирования рентгеновских изображений, позволил в ряде случаев преодолеть достигнутый миниматьныи уровень дозо вой нагрузки на пациента при существенном повышении диагностических возможностей. К настоящему времени цифровые методы преобразования рентгеновских изображений победили пленочные регистраторы практически во всех методах рентгенодиагностики.
В восьмидесятых годах в нашей стране были сделаны попытки построить первые цифровые рентгенодиагностические системы [3-8], которые, однако, не выходили за рамки компьютерных автоматизированных рабочих мест, обеспечивающих апостериорную цифровую обработку или запоминание рентгеновских изображений, полученных в аналоговой форме на обычных рентгеновских аппаратах.
Наиболее актуальной для России в то время являлась замена
малоинформативной высокодозной пленочной флюорографии легких на малодозовые
цифровые исследования. Эта задача была важна в связи с угрожающим ростом
туберкулеза. В свете этого требовали осмысления методы измерения характеристик
цифровых изображений, дозовых и радиационных параметров
рептгенодиагностических аппаратов (РДА).
В последнее десятилетие развитие РДА в нашей стране было направлено преимущественно на разработку цифровых технологий [3,4,5, 8,10, 11].
Первой законченной разработкой, выполненной специально для цифровой рентгенографии, являлась сканирующая рентгеновская установка для цифровой рентгенографии МЦРУ "Сибирь", созданная ИЯФ им. Будкера Сибирского филиала АН РФ, с оригинатьной линейкой ксенонових детекторов [4], При значительном снижении дозы и расширении динамического диапазона эта система в принципе не способна бьыа обеспечить пространственного разрешения выше 0,9 мм" и находила лишь ограниченное применение.
К настоящему времени создано более десяти моделей цифровых аппаратов для флюорографии и рентгенографии с различными типами детекторов: сканирующих на основе газовых и твердотельных детекторов, рентгенографических камер на основе оптики переноса [16], с применением электронных усилителей рентгеновского изображения [88].
За рубежом созданы и промышленно выпускаются многочисленные цифровые системы для субтракпионной ангиографии, для цифровой рентгенографии и импульсного "цифрового" просвечивания с использованием "стимулируемых" люминофоров и твердотельных полноформатных матриц на фотодиодах. [81]. Несколько раньше (в конце восьмидесятых годов прошлого столетия) Нудельманом с соавторами (США) были разработаны общие теоретические аспекты перехода к цифровым системам формирования медицинских изображений [114, 163]. Принципы, разработанные Нудельманом, были основаны на использовании традиционных УРИ и стандартных телевизионных систем с видиконами и изо конами в качестве телевизионных трубок.
В последние годы особенно бурно развиваются новые типы одно - и двумерных детекторов излучения, основанных на использовании твердотельных фотодиодов и т.н. приборов с зарядовой связью - ПЗС-линеек и ПЗС-матриц, обладающих рядом принципиальных особенностей.
Все эти новые технические решения радикальным образом меняют технологию рентгенодиагностического исследования и условия формирования дозы облучения пациента.
Широкие возможности, предоставляемые новыми системами детектирования, требуют новых подходов к важнейшей задаче лучевой диагностики - минимизации дозы облучения при исследовании. Новизна этих подходов, помимо повышения чувствительности цифровых детекторов в несколько раз, определяется также и тем, что с переходом к цифровым методам появляется новое понимание основных параметров рентгеновских диагностических аппаратов, характеристик медицинских цифровых рентгеновских изображений, а также их связи с дозой облучения пациента.
Теоретической и методической базой работы служат труды ведущих ученых и специалистов Е.С. Бару, Н.Н. Блинова (ст.), Ю.В. Варшавского, Л.В. Владимирова, М.И. Зеликмана, Б.М. ЬСантера, В.В. Клюева, Э.Б. Козловского, Б. И. Леонова, А.И. Мазурова, Р.В. Ставицкого, А.Г. Хабахпашева, А.Н. Черния и ряда других.
Цель работы.
Целью настоящей работы является теоретическое обоснование и разработка методов минимизации лучевой нагрузки на пациента при ренттенодиагностических исследованиях за счет оптимальной конструкции рентгеновских аппаратов и заигатных средств, рационального выбора физико-технических режимов работы, расчета и регистрации эффективной дозы облучения.
Постановка задач:
создать теоретическое обоснование и разработать принципы рационального построения малодозовых цифровых ренттенодиагностических аппаратов, выбора физико-технических режимов для РДА с системами автоматики по органам при рентгенографии с указанием значения эффективной дозы облучения пациента;
разработать аналитические методы определения эффективной дозы (ЭД) по измеренным значениям физических параметров исследования: радиационному выходу, произведению дозы на площадь, входной дозе в плоскости приемника и излучению, рассеянному объектом;
провести исследование влияния на дозу облучения физико-технических условий генерирования и формирования изображения для цифровых, и в; первую
7 очередь, сканирующих рентгенографических аппаратов и предложить условия, обеспечивающие минимизацию лучевой нагрузки;
разработать критерий определения необходимой дозы в плоскости приемника по минимальному допустимому отношению сигнал/шум с учетом характеристик зрительного анализатора и эксплуатационных характеристик тракта преобразования;
создать системы определения эффективной дозы облучения пациента, в том числе при подвижном веерном рабочем пучке (сканирующая рентгенография);
разработать ряд рентгеновских диагностических аппаратов и принадлежностей нового поколения, обеспечивающих минимизацию дозы при исследовании.
Научная новизна.
Впервые проведен комплексный анализ методов определения эквивалентной дозы облучения пациента по измерению характеристик тракта преобразования энергии в РДА на основе следующих физических моделей:
радиационному выходу излучателя,
произведению дозы в рабочем пучке на его площадь,
входной дозы в плоскости детектора,
интенсивности рассеиваемого объектом излучения,
количеству электричества, протекающего через рентгеновскую трубку в процессе экспозиции.
Впервые измерены экспериментально на тканеэквивалентном фантоме с ТЛД эффективные дозы при специальных рентгеновских исследованиях на РДА с частотным питающим устройством: линейной томографии и сканирующей цифровой флюорографии.
Впервые построены экспериментальные зависимости ЭД от дозы рассеянного объектом излучения. Разработан метод регистрации ЭД при сканирующей цифровой флюорографии по измерению рассеянного излучения. На основе теоретических разработок и фантомных экспериментальных исследований разработаны рациональные таблицы экспозиций с расчетными значениями ЭД, обеспечивающие минимальный уровень облучения пациента для среднечастотных питающих устройств и современных высокочувствительных детекторов излучения для РДК общего назначения, экспериментально подтвержденные в процессе эксплуатации комплексов «Медикс-Р» и «Телемедикс-Р».
Впервые разработаны рациональные условия применения автоматических экспонометров с указанием удельных эффективных доз для аппаратов общего назначения, а также для дентальных и маммографических аппаратов, экспериментально подтвержденные при эксплуатации комплексов.
Проведено исследование зависимостей дозовых нагрузок от параметров качества рентгеновских изображений и геометрии исследования для цифровых, в первую очередь, сканирующих рентгеновских аппаратов и определены условия для их минимизации, экспериментально проверенные при эксплуатации цифровых флюорографов АПЦФ-01 «Амико» и ФМЦС «ПроСкан».
Впервые разработан метод снижения лучевой нагрузки при рентгеноскопии с УРИ путем цифрового бинирования пикселей в разных зонах изображения, подтвержденный патентом РФ.
Предложены системы радиационной защиты, ограничивающие рассеянное объектом излучение, что в ряде исследований приводит к снижению ЭД до 25 %.
Научно-практическая значимость работы:
Решение крупной научной проблемы, имеющей важное социальное и хозяйственное значение, снижения генетически значимой дозы облучения населения Российской Федерации за счет создания высокоэффективных систем генерирования и регистрации рентгеновского излучения при рентгенодиагностике, а также определения и учета эффективной дозы облучения пациента.
Научно-практическая значимость работы заключается в том, что ее результаты нашли применение в разработанных и внедренных за 10 лет деятельности ЗАО «Амико», ЗАО «Рентгенпром» и ООО «Рентген-Комплект» и выпускаемых серийно:
ренттенодиагностических комплексах «Медикс-Р», «Телемедикс-Р»
цифровых флюорографах «АПЦФ-Амико», «ФМЦС-Проскан»
передвижных цифровых флюорографических кабинетах на шасси ЗИЛ и КАМАЗ
дентальных цифровых рентгеновских аппаратах «Денталикс»
цифровых усилителях рентгеновского изображения с ПЗС-детектором первого и второго телевизионного стандарта «Аметист-230» и «Аметист-300»
Передвижных рентгенохирургических аппаратах «АРХП-Амико»
полном номенклатурном ряде средств индивидуальной и коллективной радиационной защиты для рентгеновских кабинетов «КИРЗИ».
На зашиту выносятся:
Аналитические модели определения удельных значений ЭД по измеренным значениям радиационного выхода излучателя, входной экспозиционной дозы, дозы в плоскости приемника, экспозиции за исследование, рассеянного объектом излучения.
Системы для регистрации ЭД в процессе рентгенодиагностических исследований при регистрации дозы на выходе, излучения, рассеянного объектом, экспозиции, обеспеченной экспонометром, защищенные патентами РФ.
Результаты определения ЭД для аппаратов нового поколения во всем диапазоне применяемых в диагностике энергий (Va = 40-125 кВ) для широкого спектра методик рентгенодиагностического исследования (по 52 методикам) на основе фантомных экспериментов в условиях, максимально приближенных к реальным.
Таблицы экспозиций для РДА нового поколения: среднечастотных рентгеновских генераторов и высокочувствительных детекторов, в том числе, цифровых с указанием значения эффективной дозы.
Результаты исследований по рациональным условиям работы автоматических экспонометров в режиме «автоматики по органам» с указанием значений удельной ЭД, отнесенной к 1мАс.
Разработанные, внедренные в клиническую практику и поставленные на серийное производство цифровые рентгенодиагностические аппараты для общей и специальной диагностики и средства радиационной защиты нового поколения, созданные под руководством автора в ЗАО «Амико», ЗАО «Рентгенпром» и ООО «Рентген-Комплект» в 1994 - 2004 г .г.
Структура работы, апробация и публикации.
Работа состоит из семи глав, введения, заключения, библиографии и приложений с актами внедрения. По работе опубликовано 23 статьи и 6 монографий. Получено авторское свидетельство СССР и 6 Патентов РФ, восемь работ выполнены единолично, Результаты доложены на трех Всероссийских симпозиумах и форумах, разработанные в рамках работы изделия демонстрировались на международных выставках: MEDICA (Дюссельдорф 1997-2003), Булмедика (София 1998), Здравоохранение (Москва 1996-2003), Больница (С. Петербург 1999-2003).
Анализ состояния отечественного парка рентгенодиапюстической аппаратуры и постановка задачи работы
Ситуация в лечебной сети в России с рентгеновской аппаратурой, сложившаяся к настоящему времени характеризуется цифрами, приведенными в таблице 1.4. Там же для сравнения приведены данные пятилетней давности (1997 г.).
До сих пор из приведенных количеств более 70% представляют собой устаревшие изделия, исчерпавшие свой ресурс и подлежащие замене [1S7]. В среднем не более 15% из всех РДА - зарубежного производства. Если учесть, что рентгеновская промышленность СССР в значительной мере была разрушена (завод "АктюСрентген" оказался в Казахстане, объединение КПОМА на Украине, российские заводы "Мосрентген" и "Севкаврентген" в десять и Солее раз уменьшили объемы производства), а современный зарубежный цифровой комплекс для общей диагностики стоит 500 и более тысяч долларов, очевидно, что без создания отечественных ЦРДА, существенно более дешевых по сравнению с зарубежными, задача переоснащения рентгенологии в нашей стране не может быть решена. Восстановление отечественной рентгенотехники с помощью развития мобильных малых предприятий, сборочных производств, происходило в последние годы быстрыми темпами путем разработки и модернизации основных узлов рентгеновского комплекса: рентгеновского питающего устройства (РПУ) и создания детекторов для регистрации цифрового изображения.
Данные таблицы 1-4 приведены с учетом данных формы 30 Службы Главного рентгенолога МЗ РФ профессора Портного Л.М. Сравнительный анализ состояния рентгеновской аппаратуры в России за пятилетний период позволяет сделать ряд существенных выводов.а) Создан в последние годы целый ряд новых отечественных РДА с цифровойрегистрацией, как общего, так и специального назначения: флюорографы, маммографы,передвижные аппараты типа "С-дуга", УРИ с электронной памятью, телеуправляемыеаппараты для просвечиваний и снимков, рентгенографические цифровые аппараты [8].б) Несмотря на усилия отечественной промышленности, общее тяжелоесостояние парка РДА в РФ практически не изменилось за последние пять лет. По прежнему основной объем аппаратуры в ЛПУ страны (более 70%) составляютустаревшие аналоговые модели, исчерпавшие ресурс. По-прежнему, значительноеколичество просвечиваний ведется без УРИ (40%), а фотообработка проводитсявручную.
Следует отметить, что статистика, содержащаяся в ежегодной отчетности по форме 30, страдает определенной формальностью. До сих пор, например, приводятся данные о количестве используемых электрографических аппаратов, хотя, по нашим данным, уже, по крайней мере, 10 лет прекращен выпуск электрофафических пластин (Литва), а срок эксплуатации пластин офаничен 5 годами. Маммофафические отечественные аппараты "Электроника1 также практически не эксплуатируются в последние 5 лет, поскольку сменные конверты вакуумных кассет с маммофафическими экранами ЭУИ-3, освоенные ЗАО "Амико", срок эксплуатации которых не превышает 1-1,5 года, последние несколько лет практически не востребованы. Однако общая картина достаточно объективна.в) Объемы выпускаемой отечественной промышленностью рентгеновскойаппаратуры, определяемые целиком объемами заказов, до сих пор не обеспечиваюткомпенсации естественного старения аппаратуры. Это объясняется не офаниченнымивозможностями предприятий по наращиванию выпуска, а только слабымифинансовыми возможностями отечественного здравоохранения. Как показывает нашанализ, удовлетворение потребностей в аппаратуре общего назначения (более 60%) может быть обеспечено за счет отечественных моделей. Ряд специальных РДА в РФ не выпускается, и их обеспечение должно производиться за счет импорта:г) Несмотря на заметное возрастание чувствительности рентгеновскихприемников изображений и бурное развитие иных методов лучевой диапюстики впоследние годы генетически значимая доза облучения при рентгеновскихисследованиях практически не изменилась в нашей стране и находится на уровне2 мкЗв в год на человека. Это обусловлено рядом разнообразных причин.1. Организационные причины, связанные с необоснованным направлением на рентгеновское исследование, низкой эффективностью работы.2. Высокий уровень брака и повторные исследования (до 10-12%).3. Проведение рентгеноскопии без УРИ, запрещенное более 10 лет назад во всех развитых странах и ручное проявление пленок при рентгенографии.4. Использование устаревшей аппаратуры, не обеспечивающей требуемые режимы.5. Нерациональный выбор физико-технических условий исследования.6. Недостаточная эффективность применяемых в отечественной аппаратуре приемников и преобразователей рентгеновских изображений.7. Нерациональное использование средств радиационной защиты.8. Отсутствие достаточно эффективных методов и средств контроля эффективной эквивалентной дозы облучения.
Исследованию и странению этих причин, т.е. проблемам минимизации лучевой нагрузки при ренттенодиагностических исследованиях посвящена настоящая работа.
Если первые четыре из перечисленных причин лежат вне компетенции технических специалистов, то последние четыре в полной мере являются научно-техническими проблемами и подлежат анализу в рамках настоящей работы.д) В нашей стране накоплен достаточный опыт эксплуатации РДА новогопоколения с цифровой регистрацией, новых цифровых систем детектированиярентгеновских изображений, максимально пригодных для использования втрадиционной рентгеновской аппаратуре. Анализ показывает, что для успешнойэксплуатации РДА нового поколения в нашей стране при максимально возможномснижении дозы облучения пациентов при исследовании необходимо решитьследующие проблемы:- провести анализ и классификацию цифровых рентгеновских аппаратов на современном уровне и сформулировать на этой основе требования, обеспечивающие минимизацию дозы облучения; исследовать особенности параметров, характеризующих цифровые изображения: градационные, пространственные, временные исследовать их связь с ЭД и разработать методы и средства их измерения;- исследовать дозовые характеристики, присущие различным методам полученияцифровых рентгеновских изображений, в частности, их связь с параметрамиизображений и рентгеновских излучателей;исследовать компьютерные возможности препарирования цифровых рентгеновских изображений для уменьшения дозы облучения, в частности, способы снижения вредного влияния рассеянного объектом излучения на качество изображения;- разработать отечественные цифровые РДА для общей и специальнойрентгенологии, в частности приставки к существующим РДА, позволяющие вмаксимальной степени использовать традиционную технику и свести кминимуму затраты на переоснащение и дозу облучения пациентов;- провести медико-технические испытания разработанных аппаратов с цельюсоздания методических рекомендаций по рациональному выбору их режимов.
Зависимость ЭД от параметров исследования
На рис.2-2 приведены условия эксперимента по определению ЭД, соответствующие реальному рентгенодиагностическому исследованию. Все элементы рисунка 2-2, расположенные на пути прямого пучка от диафрагмы до отсеивающего растра принимают участие в определении ЭД. Диафрагма ограничивает площадь рабочего пучка: ЭД сложным образом зависит от площади облучения S, чем больше S тем больше ЭД (см. 2-9). Фильтр изменяет спектр, уменьшая вклад мягкой составляющей в формировании ЭД.
В реальных рентгеновских аппаратах на выходе диафрагмы за фильтром может устанавливаться ионизационная камера прибора, измеряющего произведение дозы на площадь: чем больше это произведение, тем больше ЭД. Учитывая сложность форм исследуемых органов, трудно говорить о взаимной пропорциональности этих величин. Для того, чтобы не влиять на качество изображения, камера прибора, измеряющего произведение дозы на площадь, должна быть рентгено и оптически прозрачной.
Далее на пути прямого пучка располагается объект исследования, перед которым может быть установлена камера дозиметра, регистрирующего входную дозу (см. табл. 2.1-2.3). В объекте излучение поглощается и рассеивается, поразному формируя вклад в ЭД. Лишь небольшая часть (от 1,0 до 10,0%) попадет на выход, где, пройдя через отсеивающий растр, и рентгено прозрачную ионизационную камеру автоматического экспонометра формирует скрытое изображение в плоскости приемника изображения.
Внимательное изучение геометрии исследования, приведенной на рис. 2-2 показывает, что исходным сигналом для определения ЭД может быть любой, полученный от многочисленных детекторов, располагаемых на пути рабочего пучка с учетом внесения всех прочих геометрических условий исследования.
Так, например, произведение дозы на площадь, зарегистрированное проходной камерой на выходе диафрагмы в значительной мере определяет ЭД, если известен исследуемый орган, его проекция, плотность, значения анодного напряжения рентгеновской трубки и расстояние фокус-объект исследования.
Аналогичным образом ЭД может быть определена, когда известна величина количества электричества (мАс) за исследование, если известен исследуемый орган, его плотность и проекция, значение анодного напряжения размер рабочего поля, фокусное расстояние, собственная фильтрация излучателя.
Таким же образом можно оценивать ЭД по радиационому выходу, входной дозе, сигналу экспонометра.К настоящему времени накоплен достаточно обширный материал по методам и средствам оценки ЭД при рентгенодиагностических исследованиях, однако, он далеко не универсален, противоречив и при пользовании приводит к серьезным затруднениям.
МЗ РФ выпущен ряд методических указаний по методам контроля эффективных доз при рентгенологических исследованиях. [105-113].
Методические указания МУК 2.6.1.962-00 предназначены для определения эффективных доз облучения пациентов при проведении диагностических и профилактических медицинских рентгенологических исследований с использованием инструментальных методов контроля. [105].
Методические указания обязательны для лечебно-профилактических учреждений, организаций, ответственных за контроль и учет доз облучения пациентов и организаций, осуществляющих измерение доз облучения пациентов. Они распространяются на все виды медицинских рентгенологических исследований за исключение.ч тех, которые проводятся с помощью маммографов, компьютерных томографов, остеоденситометров и дентальных рентгеновских аппаратов.
Согласно НРБ-99 [116] при проведении профилактических и научных рентгенологических исследований практически здоровых лиц установлен норматив годовой эффективной дозы облучения - 1 мЗв. При проведении диагностических рентгенологических исследований пределы доз не устанавливаются, однако дозы облучения пациентов необходимо контролировать для реіпения следующих задач: оптимизации проведения рентгенологических исследований на основе принципа - максимум диагностической информации при миниматьно возможных уровнях облучения; накопления и анализа информации о дозах медицинского облучения населения при проведении рентгенологических исследований с целью установления разумно достижимых контрольных уровней медицинского облучения; оценка вклада медицинского облучения в коллективную дозу облучения населения различных регионов страны для целенаправленного улучшения медицинского обслуживания.
Эффективная доза - величина, используемая как мера риска возникновения отдаленных последствий облучения всего тела человека и отдельных его органов и тканей с учетом их радиочувствительности (см. п. 2-1, 2-2). Исходные данные для расчета эффективной дозы облучения пациентов должны включать:- технические характеристики рентгеновской аппаратуры (напряжение на аноде рентгеновской трубки, толщина и материал фильтра);- геометрические характеристики рентгенологического исследования (область исследования, размеры поля облучения, геометрия облучения); дозиметрические характеристики рентгенологического исследования (радиационный выход рентгеновского излучателя и экспозиция (количество электричества) или значение произведения дозы на площадь, измеренное с помощью проходной ионизационной камеры).
Значения эффективных доз облучения пациентов были рассчитаны с помощью оригинальной компьютерной программы EDEREX (Effective Dose Estimation at Roentgen Examinations), разработанной в Федеральном радиологическом центре при СПб НИИ радиационной гигиены. Программа позволяет в режиме реального времени рассчитать значения средних доз в 22 органах и тканях тела человека и эффективную дозу с учетом параметров рентгенологической процедуры, возраста и телосложения пациента.
Расчеты эффективной дозы в соответствии с ее определением проводились для условного человека имеющего полный набор мужских и женских органов. В качестве моделей были использованы антропоморфные гетерогенные фантомы тела взрослого человека, а также детей в возрасте: новорожденного, 1, 5, 10 и 15 лет, рекоменндованные МКРЗ в качестве "стандартных" для проведения такого рода расчетов (табл. 2-7).
Определение эффективной дозы облучения пациентов при рентгенологических исследованиях основано на использовании одного из двух инструментальных методов: измерение произведения дозы на площадь или измерение радиационного выхода рентгеновского излучателя.Исходная информация для определения эффективной дозы облучения пациента должна включать:
Измерение рассеянного излучения при сканирующей флюорографии
Как неоднократно было отмечено, облучение населения за счет медицинских рентгенологических исследований создает наибольшую опасность среди всех искусственных источников радиационного воздействия. При статических методах рентгенодиагностики дозовые нагрузки на пациентов относительно легко определяются, исходя из существующих данных (см. главу 2). Совершенно иная ситуация сложилась при определении дозовых нагрузок в результате подвижных способов облучения.
Известно, что до сих пор одно из ведущих мест в применении рентгенологических исследований при постановке первичного диагноза при туберкулезе, раке легкого, наряду со стандартной рентгенографией и компьютерной томографией, занимает обычная механическая томография и зонография. В связи с этим нами было проведено экспериментальное исследование по оценке эффективных доз облучения пациентов при этих подвижных методах исследования органов грудной клетки. В качестве стенда использовался сдандартный рентгенографический стол с томографической приставкой, описанный выше в разделе 3.1 (см. Рис. 3.1). Сопоставительным критерием при оценке эффективных доз было выбрано стандартное рентгенографическое исследование. Геометрические условия проведения перечисленных исследований приведены на рис. 3-4 Исследования проводились методом термолюминесцентной дозиметрии с LiF детекторами-монокристаллам и, описанными выше в разделе 3.1. Перед употреблением все детекторы тестировались путем их облучения рентгеновским излучением с контрольными поглощенными дозами.
Помимо этого, для соблюдения заданной точности измерений для указанных детекторов был построен «ход с жесткостью» (рис. 3-5). Погрешность измерения поглощенной дозы в необходимом энергетическом диапазоне не превышает 5 %. Регистрация показаний термолюминесцентных детекторов производилась на стандартном регистрирующем устройстве ДТУ-01М
В качестве объекта использовался описанный выше дозиметрический тканеэквивалентный фантом АТОМ 70ID
В процессе экспериментальных исследований нами размещались детекторы в органах и тканях, входящих в перечень МКРЗ для определения эффективной дозы (Е), который представлен совместно с нормированными данными по взвешивающим факторам. (WT) в таблице 3-3. Моделирование режимов томографии проводилось фиксацией системы излучатель-приемник относительно выделяемого слоя фантома на высоте 20 мм от деки стола. Регистрировались последовательно распределение доз в пяти позициях: 0, +10, +20 , -10, -20. Расчет удельных доз производился для трех методов:превышающей нижний предел его чувствительности, что особенно существенно для детекторов, находящихсяв отдалении от облучаемой ткани и подвергающихся облучению только рассеяннымизлучением, облучение фантома производилось в режиме рентгеноскопии (t = 5 мА, t =1000 с, q = 5000 мАс). Затем полученные результаты приводились к удельномузначению экспозиции q -l мАс. Полученные данные приведены в таблицах 3-4 - 3-7.Данные таблицы 3-8 показывают, что зонография и особенно томографияорганов грудной клетки связаны с облучением пациента повышенными дозовыми нагрузками по сравнению с задне-передней рентгенографией легких. Это объясняется тем, что при переднее-задней проекции при повороте излучателя вдоль тела пациента в зону облучения первичным пучком рентгеновского излучения попадает большое число жизненноважных органов и тканей, которые участвуют в формировании эффективной дозы с высокими значениями взвешивающих факторов. Отсюда следует необходимость снижения дозовых нагрузок при этих исследованиях. Частичного снижения дозы можно достигнуть экранированием брюшной полости защитными экранами при проведении рентгенологических исследований
В настоящем случае этот путь эффективен потому, что он обеспечивает экранирование гонад, толстого кишечника, печени и других органов и тканей. Следует отметить, что при стандартных рентгенологических исследованиях неподвижным пучком экранирование органов и тканей производится только от рассеянного в воздухе излучения. Тогда экранирование практически, за исключением редких случаев, неэффективно.
При томографических исследованиях, когда излучатель перемещается вдоль тела пациента, экранирование позволяет снизить эффективную дозу, как показали наши исследования, примерно, до 1,5 раз.
Из данных таблицы 2-8 следует также, что по мере увеличения угла поворота излучателя практически не происходит увеличения значения удельной эффективной дозы. Это естественно, т.к. увеличивается число органов и тканей, попадающих в зону, облучения первичным пучком рентгеновского излучения, и одновременно с увеличением угла возрастает поглощение излучения
Если удельные значения эффективных доз, приведенных к одной мЛс, в зависимости от угла томографии изменяются относительно слабо, то суммарная эффективная доза возрастает весьма значительно, поскольку количество электричества, необходимое для достижения необходимого почернения пленки, по сравнению с рентгенографией в зависимости от угла должно быть увеличено в 2-4 раза. Исходя из полученных данных (таблица 3-8) на рис. 3-7 приведена кривая зависимости удельного значения эффективной дозы от угла качания излучателя. Эта кривая позволяет определить удельное значение эффективной дозы при любом угле качания излучателя до 40. Погрешность определения эффективной дозы составляет порядка ±20 %. Такая погрешность допустима в практике применения источников ионизирующих излучений, создающих облучение человека, т.е. в радиационно-гигиенической практике. В таблице 3 8 приведены средние значения эффективных доз при реальных условиях рентгенографии, зонографни и томографии органов грудной клетки. Величины эффективных доз (Е) легко определить, имея значения удельных эффективных доз (Е )
Доза облучения пациента в цифровых системах для рентгенографии
В традиционной рентгенографии доза на пациента оценивается при достижении пленкой заданной плотности почернения в условиях стандартизированной фотообработки. Так, например, экспозиционная доза в плоскости входного экрана у советского флюорографа 12Ф-7 с камерой КФ-70 составляла 14 мР. В конце восьмидесятых годов мы перешли к международным методикам определения дозы при В = 1,0. Так, в новом российском флюорографе 12Ф9 с камерой повышенной чувствительности почернение пленки 1,0 достигается при входной экспозиционной дозе 3,5 - 4,0 мР. В целях однозначности результатов измерения дозы производится при качестве излучения, соответствующем слою половинного ослабления 7 мм А1 (E j, = 49,0 кЭВ; va = 70 кВ, фильтр 20 мм Л1).
В цифровой рентгенографии опорная точка для измерения входной дозы отсутствует и установление ее не очевидно. Это связано, прежде всего, с избыточностью динамического диапазона цифровых систем и различным его значением для разных типов преобразователей (от 40 для видиконов до 200 для ксеноновых детекторов). Опорная точка В = 1,5 была принята как середина рабочей зоны почернения пленки, максимум которого близок к 3,0 для большинства рентгеновских пленок. Опорная точка В - 1,0 соответствовала среднему значению почернения. Очевидно, что выбрать одно и то же значение середины в значении динамического дналазона для разных систем не представляется возможным. Можно было бы оценивать максимальное значение дозы, при котором еще сохраняется линейность сигнала. Такое значение указывается, в частности, в паспорте некоторых ПЗС матриц. Например, для Kodak 1600 максимум динамического диапазона соответствует 450 000 электронов на пиксел. Это значение может быть пересчитано через квантовую эффективность и коэффициент ослабления сигнала оптической системой в экспозиционную дозу на входном экране.
К сожалению, полученное таким образом значение дозы ни в коей мере не характеризует лучевую нагрузку на пациента, поскольку соответствует максимальному значению, достижимому детектором.
Анализ показывает, что для цифровых систем возможным определением для характеристики дозы в плоскости входного экрана рентгенографических систем цифрового преобразования изображений является такое минимальное значение экспозиционной дозы, при котором достигается заданная контрастная чувствительность.
Такая методика позволяет связать чувствительность системы преобразования с параметрами качества изображения, ограничивая ее необходимым минимумом. Однако следует понять, что реальная доза исследовании, как правило, оказывается значительно выше в связи с необходимостью достигнуть предельной контрастной чувствительности при всех плотностях объекта, имеющих место при данном исследовании. Наш опыт экспериментальной эксплуатации показывает, что такое превышение может достигать 3-крат.
Рассмотрим изображение, в котором должна быть достигнута контрастная чувствительность 0,1 %, понимаемая как отношение интенсивности сигнала тест-объекта к средней интенсивности. Для достижения такой чувствительности со среднейточностью 10 % необходимо иметь отношение сигнал/шум системы преобразования не менее 10 000. Для контрастной чувствительности 0,2 % необходимо соответственно достигнуть отношение сигнал/шум 500 и т.п. (см. 4-11).
Если принять за опорную точку при определении дозы в плоскости детектора отношение контрастной чувствительности 1,0 %, отношение сигнал/шум 4 должно быть не менее 100. Эта величина в значительной мере определяется количеством рентгеновских квантов N, взаимодействующих с входным детектором. В общем виде:
Таким образом, для обеспечения однопроцентной контрастной чувствительности минимально необходимое количество квантов составит 10 000.
Из [143, 144] известно, что экспозиционная доза в 1 Р при длине волны кванта X = 0,24 А (что соответствует эквивалентной энергии W = 49 кЭВ и слою половинного ослабления л /2 = 7 мм А1) соответствует числу квантов
При матрице разложения 2048 х 2048, что для рентгенограммы составляет приведенный размер пиксела 0,2 мм х 0,2 мм, количество квантов в соответствии с (4-17) на пиксел при входной дозе 1 мР составит:
Таким образом, в соответствии с (4-19) минимально возможный уровень экспозиционной дозы в плоскости входного экрана, обеспечивающий контрастную чувствительность 1 % при размере пиксела, приведенном к входному экрану должен соответствовать 1 мР. Это значение изменяется при изменении матрицы разложения и предела контрастной чувствительности.
В таблице 4-2 приведены рассчитанные нами минимально возможные уровни доз, обеспечивающие различные параметры изображения.
Приведенные в таблице 4-2 значения экспозиционных доз в плоскости входного экрана и эффективных эквивалентных доз облучения пациента рассчитаны в предположении, что каждый пиксель обеспечивает контрастную чувствительность, указанную в табл. 4-2. Как следует из определений и методик, приведенных в п,4.1., контрастная чувствительность оценивается зрительным анализатором оператора по нескольким пикселям, захватывающим площадь тест-объекта (рис.4-1).
По этой причине величины, приведенные в табл. 4-2, могут отличаться от реальных значений в меньшую сторону не некоторый коэффициент, определяемый свойствами5 зрительного анализатора. При расчете предполагалось, что все рентгеновские кванты регистрируются детекторами, что в действительности трудно достижимо. По этой причине данные таблицы 4-2 могут отличаться в худшую сторону.
Кроме того, контрастная чувствительность, помимо квантового шума может ограничиваться также аппаратным шумом системы преобразования, что также не принято во внимание при расчете необходимой дозы. Дополнительная погрешность вносится еще и тем допущением, что при расчете количества квантов (4-19) принято, что они обладают одной энергией 49 кэВ.Тем не менее, для сравнительного анализа подобный расчет вполне приемлем.
Полученные значения показывают, что использование в практике профилактических исследований грудной клетки флюорографических камер, создающих дозу в плоскости входного экрана выше 5 мкЗв, должно быть ограничено, а в ближайшем будущем запрещено. Проведенные нами исследования показали, что весьма близки к этому пределу отечественные камеры КФ-70, французские «Trophy», немецкие RK-70 и RK-100. Такие камеры, как новая отечественная КФ-400, Canon 100, Odelca 100, Odelca 70, допустимы к использованию, но даже их чувствительность чрезмерно велика.
