Введение к работе
Актуальность работы
Охрана здоровья женщин является одним из важнейших аспектов жизни современного общества. Среди заболеваний женского населения, связанных со злокачественными опухолями, рак молочной железы (РМЖ) занимает лидирующее положение. Ежегодно в РФ выявляется около 50 тыс. новых случаев РМЖ. Рост выявляемое и смертности от РМЖ требуют совершенствования маммологической службы страны и решения задачи раннего распознавания заболевания.
Наиболее эффективным методом ранней диагностики РМЖ является маммографическое скрининговое обследование. Выявление РМЖ на ранних стадиях позволяет увеличить продолжительность жизни больных, снизить инвалидизацию, существенно сократить затраты на лечение и реабилитацию пациенток. Поэтому проведение маммографического скрининга среди женщин имеет высокую социальную значимость.
Основными требованиями при проведении скрининговых обследований являются минимизация дозовой нагрузки на пациента и обеспечение высокого качества получаемых снимков. Это связано с чувствительностью молочной железы к воздействию ионизирующего излучения и необходимостью выявления микрокальцинатов, являющихся рентгенологическими признаками заболевания. Цифровая рентгеновская маммография в наибольшей мере удовлетворяет требованиям маммографического скрининга. Одним из распространенных методов цифровой рентгеновской маммографии является линейное сканирование на цифровой детектор.
Рентгеновские маммографические аппараты (РМА) сканирующего типа, выпускаемые на территории РФ, полностью комплектуются рентгеновскими излучателями зарубежного производства. Поэтому в дальнейшем замена рентгеновских маммографических трубок (РМТ) связана с их закупкой у зарубежных производителей. Отсутствие производства отечественных РМТ приводит к значительному уменьшению технических возможностей разработчиков при конструировании новых РМА и определяет зависимость от зарубежных поставок. В 2011 году правительством РФ была принята федеральная целевая программа, приоритетной задачей которой является импортозамещение медицинской техники.
Таким образом, актуальной научной задачей является проведение широкого круга физических и технологических исследований с целью создания отечественной
рентгеновской маммографической трубки нового поколения, предназначенной для работы в рентгеновских маммографических аппаратах сканирующего типа. Цель работы
Целью диссертационной работы является разработка рентгеновской маммографической трубки нового поколения с улучшенными функциональными характеристиками, предназначенной для работы в цифровых рентгеновских маммографических аппаратах сканирующего типа. Для достижения поставленной цели сформулированы следующие основные задачи:
-
Проведение анализа технических решений и методов, используемых при конструировании рентгеновских диагностических трубок и их основных элементов. Определение базовой конструкции РМТ.
-
Формирование и обоснование требований к функциональным характеристикам базовой конструкции РМТ с учетом специфики свойств объекта маммографических обследований и особенностей работы РМА сканирующего типа.
-
Исследование и разработка элементов базовой конструкции РМТ, обладающих улучшенными характеристиками:
Исследование методов улучшения рабочих характеристик катода РМТ и разработка катодного узла, отвечающего заданным требованиям.
Исследование вибрационных характеристик и тепловых процессов в узле вращения РМТ. Разработка методов и средств обеспечения работоспособности узла вращения на частоте 9000 об/мин и улучшение теплового режима работы подшипников.
Исследование методов изготовления вращающихся анодов рентгеновских диагностических трубок и разработка конструкции композиционного анода с улучшенными характеристиками.
Исследование методов увеличения мощности дозы в рентгеновских трубках и разработка методов повышения эффективности мишени РМТ.
Исследование методов повышения надежности оболочек рентгеновских трубок в условиях увеличенной тепловой нагрузки.
Исследование методов создания и поддержания высокого вакуума в рабочем объеме оболочки РМТ и усовершенствование технологии её вакуумирования.
4. Разработка РМТ нового поколения для цифровых РМА сканирующего типа с
улучшенными функциональными характеристиками, полученными в результате
исследований.
Методы исследований
Для решения поставленных задач выполнен анализ и обобщение литературных данных в области создания рентгеновских диагностических трубок медицинского назначения. Теоретические исследования выполнены с применением методов математического анализа и моделирования, численных расчетов и обработки экспериментальных данных. Экспериментальные исследования выполнены на специально разработанных макетах и стендовом оборудовании. Основные научные положения, выносимые на защиту:
-
Разработанная РМТ нового поколения предназначена для работы в цифровых РМА сканирующего типа с выявлением микрокальцинатов на ранних стадиях образования и позволяет снизить дозовую нагрузку на пациента на 50 %.
-
Показано, что обработка короткоимпульсным лазерным излучением в жидких средах рабочей поверхности плоского эмиттера снижает его рабочую температуру на 200 С благодаря уменьшению работы выхода электрона с поверхности вольфрама.
-
Показано, что формирование микрорельефа на поверхности анода с размерами микронеровностей 100-200 нм методом обработки короткоимпульсным лазерным излучением в этаноле обеспечивает увеличение мощности дозы рентгеновского излучения на 18 %.
-
Применение плоских вольфрамовых поликристаллических эмиттеров, изготовленных методом лазерной вырезки из листа, позволяет уменьшить геометрические искажения фокусного пятна на 50 % и повысить ток эмиссии по сравнению со спиральными эмиттерами.
-
Применение, композиционного анода с титановым основанием позволяет уменьшить тепловой поток от анода к шейке вала подшипников при эксплуатации трубки на 20 %.
-
Полученные экспериментальные и расчетные данные доказывают возможность применения анода с титановым основанием в рентгеновских маммографических трубках для всего диапазона их эксплуатации.
Научная новизна
-
На основании проведенных исследований по улучшению функциональных характеристик рентгеновских трубок разработана РМТ нового поколения. Применение разработанной РМТ позволило увеличить ресурс, снизить дозовую нагрузку на пациента, повысить эффективность исследований, благодаря улучшению качества получаемых снимков.
-
В результате исследования методов модификации поверхности электродов рентгеновской трубки, разработана технология повышения их эффективности, основанная на формировании микрорельефа на рабочих поверхностях плоского
эмиттера и мишени анода методом обработки короткоимпульсным лазерным излучением в жидких средах.
-
Исследована зависимость мощности дозы рентгеновского излучения от параметров микрорельефа на рабочей поверхности анодного диска рентгеновской трубки. Установлено, что наличие упорядоченных микроструктур с размером 100 - 200 нм обеспечивает увеличение мощности дозы на 18 %.
-
Разработана технология изготовления плоского эмиттера методом лазерной вырезки, обеспечивающая отсутствие микродефектов на поверхности эмиттера.
-
Установлено, что использование плоского эмиттера, изготовленного методом лазерной вырезки из поликристаллического вольфрама, позволяет повысить ток эмиссии и уменьшить геометрические искажения фокусного пятна.
-
Показано, что применение композиционного анода с титановым основанием позволяет уменьшить температуру на шейке вала подшипников при эксплуатации трубки на 150 С.
-
Показана возможность использования геттерных свойств композиционного анода на основании титана в процессе производства и эксплуатации рентгеновской трубки.
Практическая значимость работы
-
На основании расчетных данных и экспериментальных исследований разработана конструкция катода, обеспечивающая точность позиционирования эмиттера в 0,01 мм. Повышена точность фокусировки катодом электронного пучка и обеспечена повторяемость размеров фокусного пятна.
-
Исследована и внедрена в производство технология изготовления композиционного медно-титанового ротора методом диффузионной сварки, что увеличило надежность узла вращения РМТ в условиях повышенной тепловой нагрузки.
-
Выработаны меры по уменьшению теплового потока от анода к узлу вращения и разработаны конструкции тепловых барьеров, обеспечившие снижение рабочей температуры подшипников на 30 %.
-
Разработана металлостеклянная оболочка РМТ с бериллиевым выходным окном. Увеличена прочность и надежность вакуумной оболочки РМТ.
-
Разработана технология вакуумирования металлостеклянной РМТ с композиционным анодом на основе титана. Обеспечено уменьшение давления остаточных газов в рабочем объеме РМТ на один порядок и повышена надежность её работы.
-
Разработана и внедрена в производство конструкция штенгельного узла для герметизации оболочки РМТ без нагрева, позволившая сократить продолжительность откачки и улучшить качество герметизации.
-
Разработана методика динамической балансировки роторов рентгеновских трубок с применением метода спектрального виброанализа и приведением ротора во вращение бесконтактным способом.
-
Разработана и внедрена в производство РМТ с улучшенными функциональными характеристиками для РМА сканирующего типа.
Апробация работы
Материалы диссертационной работы докладывались на VI Всероссийском национальном конгрессе лучевых диагностов и терапевтов «Радиология-2012», Москва; «Невский радиологический форум - 2013», Санкт-Петербург. Публикации
По теме диссертации опубликовано 8 печатных работ, из них 5 статей в рецензируемых научно-технических журналах, включенных в перечень ВАК, тезисы доклада на VI Всероссийском национальном конгрессе лучевых диагностов и терапевтов «Радиология-2012» и на «Невском радиологическом форуме-2013», 1 решение о выдаче патента РФ на полезную модель по заявке № 2013132406. Личное участие автора в указанных работах выразилось в определении цели, разработке методов исследования, проведении экспериментов, анализе и обобщении результатов, формулировании выводов. Реализация и внедрение результатов
Разработанные рентгеновская маммографическая трубка запущена в опытное производство на предприятии ЗАО «РЕНТГЕНПРОМ». Годовой объем аппаратов, комплектуемых данной трубкой, составляет 50 единиц в год. Структура и объем диссертации
Диссертация состоит из введения, шести глав, заключения, списка литературы, включающего 172 наименований, пяти приложений. Основная часть работы изложена на 146 страницах машинописного текста. Работа содержит 66 рисунков и 14 таблиц.
