Если у вас возникли сложности с курсовой, контрольной, дипломной, рефератом, отчетом по практике, научно-исследовательской и любой другой работой - мы готовы помочь.
Предоплата всего
Подписываем
19
ПРИБОРЫ БИОЛОГИЧЕСКОЙ ИНТРОСКОПИИ
Среди многообразия сфер применения интроскопии одним из наиболее важных следует считать медицинскую диагностику, причем в промышленно развитых странах приборы и системы интроскопической диагностики занимают одно из ведущих мест по масштабам их использования в медицинской практике.
Под интроскопией понимают визуальное наблюдение объектов, явлений и процессов в оптически непрозрачных телах и средах, а также в условиях плохой видимости (от лат.intro— внутри и греч.skopeo— смотреть). Всю информацию об интересующих исследователя объектах (с точки зрения интроскопических исследований) несут электромагнитные излучения, которые каждое мгновение пронизывают любую точку пространства. Современные средства интроскопии, освоившие очень малую часть диапазона электромагнитных излучений, расширяют человеческие возможности восприятия мира в сотни и тысячи раз.
Формирование интроскопических изображений
Для эффективного использования и грамотной эксплуатации широкого арсенала интроскопической техники необходимо достаточно глубоко понимать закономерности генерации электромагнитных излучений различных диапазонов, их распространения, отражения, преломления и поглощения в различных физических средах; физические, биофизические и биологические эффекты, возникающие при воздействии электромагнитных волн различной длины и интенсивности на живые биологические ткани, а также принципы построения разнообразной диагностической интроскопической аппаратуры.
Способность обнаружения дефектов или определенных структурных образований методами интроскопии определяется правилом Релея. Объект может быть обнаружен (в интроскопии применяют термин «визуализирован»), если он «просвечивается» излучением с длиной волны меньше его размера. В соответствии с этим правилом, с помощью длинных многометровых радиоволн устанавливают неровности поверхности земли и морского дна. С помощью дециметровых и сантиметровых волн производится радиолокация объектов (самолетов, кораблей и т.д.). Волны миллиметрового и субмиллиметрового диапазонов могут обеспечивать визуализацию органов человека и т.д.
После взаимодействия с объектом электромагнитные волны несут некоторое скрытое изображение, полученное в разных физических полях. Чтобы обеспечить их визуализацию, то есть сделать объект видимым человеческому глазу, применяют различные типы преобразований.
Современная медицинская интроскопия использует достаточно широкий спектр излучений (рис. 5.1): рентгеновское (с энергиями 10...100 кэВ), у-излучение искусственных радиоактивных изотопов (с энергиями 10...300 кэВ), инфракрасное излучение человеческого тела, оптический диапазон излучений, излучения радиочастотного диапазона, волны СВЧ-диапазона для реализации ядерного магнитного резонанса, высокочастотные звуковые колебания. Изучаются возможности использования для целей визуализации и корпускулярных излучений (электроны, нейтроны, протоны).
Рис. 5.1. Спектр излучения медицинской интроскопии
При всем многообразии интроскопических методов получения изображений их можно разбить на четыре основные группы:
4) регистрация рассеянного излучения (рис. 5.2,г). На ее принципах построены некоторые типы рентгеновских и ЯМР-томографов.
Рис. 5.2. Способы получения интроскопических изображений:
ИИ - источник излучения; Пр - приемник; О – объект
Во всех интроскопических системах производится многоступенчатое преобразование скрытых изображений для получения скрытых картин, которые может анализировать человеческий глаз. Тракты преобразователей излучения превращают скрытое в излучении изображение либо в оптическое излучение (на фотопленке или на фотобумаге, на флюоресцентном экране), либо в последовательность электрических сигналов, которые используются для формирования изображений в телевизионных или компьютерных системах.
Тепловизоры
Используемые в медицине тепловизоры позволяют визуально наблюдать пространственное распределение температуры, как на поверхности биообъекта, так и внутри него.
В тепловизорах (рис. 5.3) осуществляется сканирование объектов исследования узким оптическим лучом, сформированным системой «объект-приемник».
Рис. 5.3. Структурная схема тепловизора: 1 — приемная оптическая система; 2 — приемник излучения;3 — сканирующее устройство; 4 — усилитель; 5 - система развертки и синхронизации; 6 — электронно-лучевая трубка (ЭЛТ).
Узкий оптический пучок, с угловым размером 5, сканирует объект в поле зрения (углы а, Р) за время Т, которое называют временем кадра. Угол 8 называют мгновенным углом поля зрения. Информация о температуре объекта приемника излучения преображается в электрический сигнал, амплитуда которого пропорциональна величине температурного излучения. Этот сигнал усиливается и модулирует яркость луча ЭЛТ. Система развертки и синхронизации обеспечивает синхронное сканирование поверхности объекта наблюдения с разверткой луча на экране ЭЛТ, что позволяет сформировать изображение, подобное получаемому на экране телевизионного приемника.
Рассмотрим более подробно принцип работы тепловизора на примере отечественного прибора ИК-10П, одним из важнейших узлов которого является оптическая система (рис. 5.4). Она предназначена для того, чтобы собрать количество лучистой энергии от источника для образования изображения объектов с нужным качеством, а также должна способствовать выделению полезного сигнала на фоне сигналов от других излучателей. Требования к оптической системе определяются назначением всего прибора (дальность действия, рабочая длина волны, помехозащищенность и т.п.).
Рис. 5.4. Оптическая схема тепловизора ИК-10П: 1 — кулачок; 2 - двигатель кадровой развертки; 3, 15 - лампа; 4 — модулятор;5,13 — фотодиод; 6 - формирователь кадрового импульса; 7 - синхроимпульс кадра; 8 - сосуд Дьюара; 9 - предварительный усилитель; 10 - приемник; 11 - формирователь строчных импульсов; 12 - синхроимпульсы строчные; 14 - зеркало; 16 — вращающийся барабан; 17 - сферическое зеркало; 18 - фокусировочный двигатель.
Оптическая схема прибора состоит из сферического зеркала кадровой развертки, диафрагмы поля зрения, коллектива коллима-торных линз, зеркального барабана, фотоприемника и светофильтров (см. рис. 5.4). Для развертки изображения используется зеркально-линзовая система. Основной объектив выполнен в виде сферического зеркала с центральным отверстием, против которого на расстоянии, определенном из соображений минимальных энергетических потерь, располагается плоское зеркало — контротражатель, колебание которого относительно вертикальной оси позволяет осуществлять кадровую развертку изображения, а поступательное движение вдоль оси системы — фокусировку на объект.
Для сокращения энергетических потерь из-за виньетирования световых пучков в плоскости изображения зеркального объектива предусмотрено расположение линзового коллектора. Данную схему отличает высокая энергетическая эффективность за счет отсутствия преломляющих элементов большой толщины, а также технологичность изготовления, обусловленная максимальным использованием сферических зеркальных элементов.
Строчная развертка осуществляется с помощью зеркального барабана, работающего в параллельных пучках, что обусловливает минимальную величину аберраций. Коллимирование пучков, идущих от различных точек объекта, их фокусировка на приемнике выполняется специальными объективами, симметрично расположенными перед зеркальным барабаном, причем фокальная плоскость одного из них совпадает с плоскостью изображения основного зеркального объектива, а другого - с плоскостью диафрагмы приемника.
Конструктивно приемная камера выполнена из литого каркаса, в котором расположены основные узлы, необходимые для ее работы.
Узел переменной фокусировки состоит из привода с двигателем ДПМ-20-Н-14, имеющим редуктор, с помощью которого перемещается контротражатель, в результате чего изменяется фокусное расстояние.
Узел кадровой развертки обеспечивает качание зеркала 18 раз в секунду. В качестве двигателя используется гистерезисный двигатель Г-201. Качание зеркала с частотой 16-18 Гц обеспечивается за счет кулачка, расположенного на оси двигателя. В узле кадровой развертки предусмотрен блок синхронизации, выполненный в виде диска-модулятора (вращающегося от двигателя кадровой развертки), лампочки МН-13 и фотодиода.
Узел строчной развертки обеспечивает получение 1600 строк в секунду с помощью барабана с восемью гранями, вращающегося с частотой 12000 об/мин. С этой целью используется гистерезисный двигатель МГ-30-400 А. В узле предусматривается блок синхронизации, состоящий из лампочки, отражающего зеркала и фотодиода ФД-3. Поток света от лампочки падает на грань зеркального барабана, что соответствует началу строки; отраженный сигнал попадает на зеркало и фотодиод, с которого сигнал поступает на формирователь синхроимпульсов. Фотоприемник крепится на кронштейне, изолированном от строчной развертки и имеющем гостиро- ванные перемещения. Рядом с фотоприемником крепится предусилитель. Он располагается в кожухе. Коэффициент его усиления составляет 1500. Входное сопротивление на частоте 103 Гц составляет 1,2 МОм. Напряжение шумов при закороченном входе 2 мкВ.
На тыльной стороне оправы крепления большого зеркала располагаются формирователи строчных кадровых синхроимпульсов. Приемная камера и блок индикатора соединены между собой кабелем. Приемная камера имеет визир-дальномер для наведения ее на исследуемый объект и для фокусировки объектива.
Структурная схема электронной части тепловизора приведена на рис. 5.5.
Электронный сигнал с приемника ИК-излучения подается на предусилитель (ПрУ), входная цепь которого собрана на полевом транзисторе КП-302. Конструктивно предусилитель выполнен на печатной плате и расположен непосредственно у приемника ИК-излучения.
Усиленный электрический сигнал подается на промежуточный видеоусилитель (ПВУ) с регулируемым коэффициентом усиления и полосой, а затем одновременно подается на блок шкалы полутонов (БШП) и дискриминатор через электронный коммутатор. Сигналы с БШП, ГИП и ГИГ смешиваются оконечным видеоусилителем, который управляет модулятором электроно-лучевой трубки (ЭЛТ).
Рис. 5.5. Структурная схема электронной части прибора ИК-10 П: ПрУ-предварительный усилитель; ФКСИ и ФССИ-формиро- ватели кадровых и строчных синхроимпульсов; ДСР - двигатель строчной развертки; ПВУ и ОВУ- промежуточный и оконечный видеоусилители; БШ П - блок шкалы полутонов; Др - дискриминатор; П — преобразователь;ГИП и ГИГ — генераторы импульсов подсвета и гашения;
БП и БВН — блоки питания и высокого напряжения
Блок кадровой развертки (БКР) включает в себя узел задержки, узел защиты, формирования прямого хода, изменения обратного хода, усиления пилообразного тока, блок стабилизаторов.
Блок строчной развертки (БСР) состоит из таких же функциональных узлов, что и кадровая развертка.Тепловизор ИК-10П позволяет выделять на тепловом изображении объекта области одинаковых температур с помощью изотерм, высвечивающихся на кинескопе. В нижней части кадра формируется серая шкала, которая используется для измерения температуры. При этом яркость участков изображения объекта сравнивают с яркостью элементов шкалы, для которой при калибровке прибора определяют температурный перепад, соответствующий переходу от белого к черному.
В современных тепловизорах используются малогабаритные тепловизионные камеры с охлаждаемыми и неохлаждаемыми тепловыми датчиками, которые регистрируют ИК-из- лучение в диапазоне 3...14 мкм.
В качестве чувствительных элементов (приемников ИК-излучения) могут использоваться высокотемпературные сверхпроводящие (ВСТП) материалы, например, на основе соединения YBa2Cu307, наносимого в виде пленки толщиной около 0,1 мкм на подложку из материала SrTiOrВысокотемпературные сверхпроводниковые измерители мощности работают на болометрическом принципе, основанном на измерении сопротивления ВСТП-пленки при воздействии на нее теплового излучения измеряемой мощности. Считываемая с ВСТП-пленки информация передается в информационно-измерительную систему, в которой производится реконструкция тепловизионных изображений, формируются комментарии, производятся требуемые расчеты и т.д.
В качестве приемника ИК-излучения могут использоваться также кремниевые матрицы, выполняемые на диодах Шотки по КМОП-технологии с электронным сканированием. Для снижения уровня шумов тепловизионного приемника могут использоваться системы охлаждения, например, жидким азотом.
Рентгеновская диагностическая техника
Известно, что биологические ткани, имеющие различную плотность, обладают различной степенью поглощения рентгеновского излучения. Это свойство позволяет по интенсивности потока рентгеновского излучения, прошедшего через объект, судить о структуре исследуемого биообъекта.
Экранно-пленочные рентгенодиагностические системы относят к разряду классических. В состав таких систем входят рентгеновские трубки (рис. 5.6), излучающие рентгеновские лучи определенной интенсивности с фокусирующими приспособлениями, и приемники излучения, в которых формируется рентгеновское изображение на рентгеновской пленке, например РМ-В, и экране.
Разогретый катод (К) служит источником электронного потока, который разгоняется в сильном электрическом поле, приложенном между катодом и анодом (А) в вакуумной трубке. Электроны, долетевшие до анода, тормозятся им, в результате чего возникает высокочастотное электромагнитное излучение, называемое тормозным и имеющее непрерывный спектр до некоторой предельной частотыvb.
Для практики важной характеристикой рентгеновской трубки является полная интенсивность рентгеновского излучения, генерируемая при заданном напряжении Uна аноде:
X - длина волны, м; С, — некоторая константа, с2;i- анодный ток, А;
Z- атомный номер элемента, из которого изготовлен анод. (В некоторых типах трубок используется синусоидальное анодное напряжение, при котором энергетическая зависимость имеет резко выраженные пики.)
Для рентгенотехники используются длины волн от 10-5 до 10-1нм, анодные напряжения порядка 25...150 кВ с энергией у-квантов от 20 до 150 кэВ. Поглощаемые объектами дозы ионизирующего излучения определяются по формуле
D=dm/dw, (5.2)
где m- элемент массы, кг; w- плотность энергии, Дж/м3.
Конструктивно корпус (баллон) рентгеновской трубки изготовлен из термостойкого стекла. Иногда средняя часть трубки выполняется с применением металлов, что позволяет избежать электролиза стекла и частично снимать проблему теплоотвода. Кроме того, чтобы улучшить теплоотвод, среднюю часть делают с расширением, используют также схемы принудительного охлаждения с масляным теплоносителем. В качестве источников электронов обычно используется вольфрамовый катод с рабочей температурой около 2000°С. Для фокусировки электронного пучка катод помещается в никелевую капсулу. Угол скоса анода выбирается около 17 град по отношению к оси трубки. В качестве материала анода обычно используют вольфрам и молибден, иногда (для повышения эксплуатационных характеристик) с различными добавками. Для увеличения срока службы и улучшения теплоотвода в некоторых конструкциях трубок используют аноды специальной формы, слойные, вращающиеся аноды и т.д.
Важной характеристикой трубки является фокусное пятно, определяемое как часть анода и непосредственно взаимодействующее с пучком электронов. Эффективное фокусное пятно определяется как проекция действительного фокусного пятна на направление, перпендикулярное прямой, проходящей через центры фокусного пятна и выходного окна.
Простейшим приемником в рентгенодиагностике является рентгеновская пленка прямого изображения. Механизм формирования изображения здесь аналогичен механизму, используемому в фототехнике, и основан на взаимодействии квантов рентгеновских лучей с зернами бромного серебра.
Учитывая вредное влияние рентгеновских лучей на человеческий организм, просвечивание стараются осуществлять при мощностях дозы в плоскости экрана не более 200 мкР/с, что обеспечивает яркость лучших рентгеновских экранов не выше 10-2 кд/м2. При столь низких яркостях контрастная чувствительность и пространственная разрешающая способность зрения ограничены и рентгенолог не способен извлечь из рентгеновского изображения на экране всю информацию, которая на нем содержится. Например, при мощности дозы 200 мкР/с рентгенолог не может различить на рентгеновском экране при полной темновой адаптации детали площадью 1 мм2контрастом менее 30%. Это обусловлено низкой квантовой эффективностью системы «экран-глаз» из-за необратимых потерь светового потока при переносе изображения с экрана на фоточувствительную поверхность сетчатки глаза. Этот вывод относится также к любой электронной рентгеноскопической системе, которая собирает с экрана на фоточувствительную поверхность приемника не больше фотонов, чем глаз.
Для устранения этого недостатка используют электронно- оптические усилители рентгеновского изображения (УРИ), способные усиливать яркость изображения за счет ускорения электронов с помощью внешнего электрического поля (рис. 5.7).
В усилителях такого типа рентгеновское излучение (R0), прошедшее через объект, попадает через стекло вакуумной колбы на экран, который преобразует его в свет. Вплотную к этому экрану расположен слой фотокатода, из которого под действием света выбиваются электроны. Ускоренные электрическим полем электроны с помощью фокусирующих пластин направляются на выходной экран из катода люминофора, где превращаются в свет, во много раз усиленный по яркости. Усилители рентгеновского изображения позволяют не только усиливать яркость, но и снижать дозы излучения до некоторого порогового уровня, определяемого величиной квантового шума рентгеновского излучения. После усиления можно производить визуальный анализ изображения, регистрировать его на фотопленке, обрабатывать средствами видеотехники (видеокамеры, видеомониторы) и т.д.
С появлением цифровых запоминающих устройств и устройств ввода изображений в ПЭВМ началась разработка цифровых приемников рентгеновских изображений, совмещаемых с УРИ. Это различные варианты матричных приемников, сочетающих технологию цезий-йодного экрана с матрицей кремниевых фотодиодов (aSi:H), находящейся в непосредственном контакте с экраном. В этих приемниках потери фотонов сведены к возможному минимуму, что потенциально позволяет достичь квантовой эффективности, равной эффективному коэффициенту поглощения рентгеновских квантов в экране.
Другой разновидностью плоских приемников являются матрицы тонкопленочных полевых транзисторов, покрытых аморфным селеном. Цифровой приемник на селеновом детекторе имеет высокое качество изображения, так как в нем отсутствует многоступенчатый процесс преобразования рентгеновского изображения в видеосигнал. Здесь имеются только Две ступени: рентгеновские кванты преобразуются в потенциальный рельеф электрических зарядов, а потенциальный рельефв видеосигнал. Для сравнения укажем, что в УРИ на рентгеновских элекгрооптических преобразователях (РЭОП) таких ступеней пять: 1) рентгеновские кванты экраном преобразуются в световые фотоны; 2) фотоны фотокатодом - в электроны; 3) электроны — в фотоны на выходном экране РЭОП; 4) фотоны - в электроны в ПЗС-матрице и, наконец, 5) электроны считываются из пикселов ПЗС-матрицы в виде видеосигнала. По этим двум технологиям созданы промышленные образцы приемников фирмами«Trixell»(Франция),«dpiX»и «Varianmedicalsystems»(США),«Shimadzu»(Япония) и др.
В России разработаны цифровые приемники по трем технологиям: на экранах с ПЗС-матрицами, на линейках детекторов и на РЭОП с ПЗС-матрицами.
Использование цифровых приемников позволяет значительно снизить лучевую нагрузку на пациента, поскольку время включения рентгеновского луча в таких системах определяется временем захвата кадра изображения цифровыми элементами памяти, что делает эти аппараты практически безопасными.
Широкий динамический диапазон изображения позволяет надежно выявлять патологию как в мягких тканях, так и в костных структурах.
Возможность математической обработки изображения повышает диагностическую эффективность рентгенографии.
Обеспечивается возможность создания цифрового архива снимков (на магнитооптическом компакт-диске емкостью 640 Мб может храниться до 500 снимков).
Возможность дистанционной передачи цифрового изображения по линии связи повышает оперативность заочной консультации.
Экономичность цифровой рентгенографии (нет необходимости в использовании фотолабораторий, дорогостоящей фотопленки и химреактивов).
В настоящее время в медицинской практике используется несколько типов конструкций цифровых рентгенодиагностических аппаратов (ЦРА), которые различаются, прежде всего, типом детектора рентгеновского излучения (рис. 5.8).
Общими элементами в этих аппаратах являются рентгеновское питающее устройство (РПУ) (со средне- или высокочастотным высоковольтным генератором) с рентгеновским излучателем (РИ), содержащим рентгеновскую трубку, а также система цифровой обработки электрического сигнала, принимаемого детектором.
Оснащенный усилителем рентгеновского изображения (УРИ) ЦРА (см. рис. 5.8,а) включает рентгеновский электронно-оптический преобразователь (РЭОП), расположенный за объектом исследования (пациентом). Рентгеновский пучок, пройдя через тело пациента, несет в себе скрытое изображение внутренних органов. С помощью РЭОП это скрытое изображение визуализируется и через объектив (Об) проецируется на входное окно телевизионного прибора (ТП) (видикона или ССД-матрицы). Аналоговый телевизионный сигнал, пройдя черезаналогово-цифровой преобразователь (АЦП), фиксируется в виде цифровой матрицы изображения в запоминающем устройстве (ЗУ). Из оперативной памяти ЗУ цифровое изображение путем обратного преобразования через ЦАП выводится на экран телевизионного монитора (МТВ), а также с помощью ЭВМ может быть математически обработано и переведено в архив на длительное хранение.
Цифровые рентгенодиагностические аппараты, оснащенные УРИ, широко применяются в кардиологии, ангиологии, при хирургических операциях.
Описанная система отличается большой чувствительностью, так как практически все кванты рентгеновского излучения, прошедшие через входное окно РЭОП, преобразуются в электрический сигнал. Однако производство РЭОП с большим полем зрения (более 500 мм в диаметре), крайне необходимых для обследования легких, связано с технологическими трудностями, что приводит к значительному увеличению стоимости аппарата.
СП «Спектр» и ТОО «ТАНА» создали цифровой флюорограф ФСЦ-У-01 для обследования легких с РЭОП диаметром 12". Рентгенография производится в импульсном режиме при четырех различных положениях РЭОП относительно пациента. Для быстрого перемещения РЭОП используется специальная электромеханическая система. Полный цикл съемки не более 5 с. Полномасштабный цифровой снимок легких образуется путем «сшивки» четырех фрагментов с помощью специальной программы. Размер рабочего поля снимка составляет 3854385 мм, разрешающая способность 1,4 пар линий на миллиметр. Число элементов цифрового изображения 102441024. Пороговая контрастная чувствительность 0,5%. Средняя рабочая доза при четырех экспозициях (в плоскости приемника) 70 мкР.
В ЦРА, схема которого приведена на рис. 5.8,б, детектором рентгеновского излучения является запоминающий люминофор (3JIФ), который способен фиксировать скрытое рентгеновское изображение. В аппаратах, где изображение формируется центральным пучком, детектор с запоминающим люминофором выполнен в виде плоского экрана, а в аппаратах со сканирующим веерным пучком запоминающий люминофор наносится на поверхность цилиндра. После рентгеновского воздействия люминофор способен хранить скрытое изображение в течение 6 ч. Считывание скрытого изображения производится тонким лучом инфракрасного лазерного устройства (ЛУ).
Под действием лазера происходит освобождение накопленной в люминофоре энергии в виде вспышек света, интенсивность которых пропорциональна числу рентгеновских фотонов, поглощенных запоминающим слоем. Вспышки света улавливаются фотоэлектрическим умножителем (ФЭУ) и преобразуются в электрический сигнал, который, пройдя АЦП, формируется в цифровую матрицу, отражающую яркостные показатели каждого пиксела. После окончания считывания оставшееся изображение стирается путем облучения поверхности люминофора интенсивным видимым светом. После этой операции детектор может быть использован вновь для рентгенографии.
Если используется узкий пучок лазерного излучения (диаметром 0,05...0,20 мм) и компьютерная система с достаточно большим числом элементов изображения — пикселов (например, для грудной клетки порядка 2-107), то для большинства целей пространственная разрешающая способность оказывается вполне удовлетворительной. Таким образом, устраняются недостатки применявшихся до сих пор методов цифровой радиографии. В то же время люминесцентная цифровая радиография (ЛЦР) обладает рядом важных преимуществ и по сравнению с обычной (пленочной) рентгенографией: большим на несколько порядков динамическим диапазоном, меньшим, благодаря этому, риском получения недоброкачественного изображения из-за неправильного выбора экспозиции; отсутствием необходимости в использовании фотоматериалов с высоким содержанием серебра (в отличие от них экран является запоминающим элементом многоразового использования) и возможностью управлять параметрами изображения с помощью компьютера — усиливать контраст, производить гармонизацию и т.д. Крупноформатное изображение может быть получено этим методом при дозах, снижение которых лимитируется лишь квантовыми флуктуациями. Его можно передавать на значительное расстояние и архивировать в цифровой форме, благодаря чему появляется возможность создания единой, охватывающей рентгенодиагностику в целом, автоматизированной цифровой системы.
Наиболее специфическим элементом ЛЦР является запоминающий изображение экран, содержащий люминофор (кристаллофосфор), который обладает способностью к фотолюминесценции (ФСЛ). К кристаллофосфорам для запоминающих экранов предъявляются весьма жесткие требования. Они должны обладать: высоким энергетическим выходом ФСЛ при комнатной температуре для уменьшения флуктуаций световых фотонов; достаточно далеко расположенными друг от друга полосами излучения и стимуляции для обеспечения надежного спектрального разделения путем соответствующего выбора ФЭУ и светофильтров; быстрым затуханием, вызываемым лазером, вспышек света для обеспечения необходимой скорости считывания изображения и предотвращения наложения друг на друга сигналов от различных его участков; длительным сохранением запасенной энергии (малым федингом); линейной зависимостью интенсивности ФСЛ от дозы ионизирующего излучения, благодаря чему достигается большой динамический диапазон; эффективным поглощением рентгеновского излучения для сведения к минимуму квантового шума.
Для рентгеноскопии могут применяться различные типы люминесцентных и полупроводниковых преобразователей рентгеновского излучения. Люминесцентные преобразователи используют свойства люминофоров преобразовывать поглощенную энергию рентгеновского излучения непосредственно в видимый свет. В полупроводниковых преобразователях на фотопроводниковом слое рентгеновское изображение преобразуется в рельеф проводимости с последующим преобразованием в потенциальный рельеф и видимое изображение.
Люминесцентные рентгеновские преобразователи с длительным послесвечением на основе люминофоров ZnS(Си) и ZnS(Си, Со) имеют большой рабочий цикл, включающий подготовку экрана (термическое стирание сохранившегося от предыдущего цикла изображения), охлаждение и зарядку экрана в светонепроницаемую кассету, экспонирование и визуальный анализ изображения в темном помещении в течение 10-15 мин после экспонирования. Время цикла для люминесцентной рентгеноскопии алюминиевых сплавов толщиной 40 мм сравнимо с временем получения снимка на рентгеновской пленке.
Для преобразователей с послесвечением (толщина люминесцентного слоя, нанесенного на листовую алюминиевую подложку, 0,3-0,8 мм) получена разрешающая способность не меньше 3-6 пар линий на миллиметр.
Электролюминесцентные экраны на основе люминофора ZnCd(Си, Со) дают видимое изображение при одновременном воздействии рентгеновского излучения и электрического поля. Время, в течение которого происходит незначительная потеря контраста изображения после снятия рентгеновского облучения, не превышает 5-10 мин. Изображение строится путем снятия электрического поля. Яркость электролюминесцентных рентгеновских преобразователей достигает 10-15 кд/м2, однако изображение практически не передает полутонов.
Для термолюминесцентных преобразователей (ТЛП) цикл контроля состоит из рентгеновского экспонирования, проявления скрытого изображения путем нагрева с одновременным визуальным анализом изображения и подготовкой экрана к следующему циклу. ТЛП на основе люминофоров CaS04(Мn) и CdS04(Sm) нечувствительны к действию видимого света, скрытое изображение может сохраниться до проявления 15-20 сут. Качество изображения на ТЛП зависит от однородности теплового поля и скорости нагрева, а время контрастного изображения - от экспозиционной дозы и температуры. ТЛП со слоем люминофора CdS04(Mn) толщиной 0,3-0,5 мм, нанесенным на алюминиевые пластины, имеют разрешающую способность 3-4 пары линий на миллиметр. Контрастная чувствительность ТЛП по алюминиевому сплаву толщиной до 20 мм составляет 3-4% при дозе облучения на преобразователе до 100 Р.
Люминесцентные рентгеновские преобразователи со вспышечным люминофором имеют цикл контроля, аналогичный ТЛП, однако для стимуляции свечения требуют инфракрасного излучения. Существенными недостатками вспышечных люминофоров являются гигроскопичность и чувствительность к видимому свету.
Люминесцентные рентгеноскопические экраны имеют коэффициент радиационно-оптического преобразования до 120 кд с/(м2мР). Однако люминесцентные рентгеновские преобразователи не могут обеспечить оптимальную яркость изображений 100 кд/м2.
Рентгеновские электронно-оптические преобразователи являются электровакуумными приборами, внутри которых входной люминесцентный экран преобразует рентгеновское изображение в световое с последующим усилением яркости электронно-оптической системой. Коэффициент усиления яркости изображения достигает 3000. Промышленные образцы РЭОП имеют разрешающую способность в пределах 1,5.. .4,0 пар линий на миллиметр, контрастную чувствительность 3-5%, динамический диапазон до 40...50 и коэффициент радиационно- оптического преобразования 100...200 кд с/(м2мР). К недостаткам РЭОП следует отнести малую рабочую площадь (диаметр входного окна 100...230 мм), большие габариты и массу, нелинейность разрешающей способности от центра экрана к краям.
Полупроводниковые электролюминесцентные преобразователи (ПЭЛП) рентгеновского изображения представляют собой комбинацию фоторезистивного преобразователя с электролюминесцентным экраном, преобразующим потенциальный рельеф в оптическое изображение. Степень нелинейности зависимости яркости изображения от величины электрического поля определяется величиной приложенного напряжения. Поэтому ПЭЛП могут усиливать контраст рентгеновского изображения.
Рентгеновидиконы являются передающими телевизионными трубками с чувствительным к рентгеновскому излучению фотопроводящим слоем. Эффективность к рентгеновскому излучению для рентгеновидиконов составляет 2-4%. Выпускаемые промышленностью рентгеновидиконные трубки имеют диаметр 90... 150 мм, разрешающую способность в пределах 8...25 пар линий на миллиметр, контрастную чувствительность около 2-3% и динамический диапазон в пределах 5...20.
По разрешающей способности и контрастной чувствительности рентгеновидиконы существенно превосходят РЭОП, но уступают по площади рабочего поля, быстродействию и динамическому диапазону.
Рис. 5.9. Конструкция газоразрядно-люминесцентного преобразователя: 1 — прозрачный электрод (проводящий слой SnO2); 2 — стеклянная пластина; 3 - стеклянная рамка; 4 — газоразрядный объем; 5 — слой люминофора; 6 — непрозрачный электрод (слой алюминия); 7 — резистивный слой
Принцип преобразования рентгеновского изображения с одновременным усилением яркости реализуется также в газоразрядной-люминесцентных преобразователях (ГЛП). Рентгеновские ГЛП являются газонаполненными приборами и представляют собой две заключенные в диэлектрическую рамку стеклянные плоскопараллельные пластины с расположенными на них электродами, разделенные одна от другой газоразрядным промежутком, заполненным инертным газом (рис. 5.9). На внутренней поверхности одной из пластин нанесен слой люминофора (виллемитZn2SiO4:Mn).Другая пластина прозрачна для видимого излучения. На внешней поверхности непрозрачного электрода нанесен по периметру резистивный слой, понижающий напряженность электрического слоя по краям преобразователя. Величина газоразрядного промежутка составляет 5-7 мм.
Принцип работы ГЛП основан на образовании скрытого электронно-ионного изображения в результате ионизации рабочего газа рентгеновским излучением, при преобразовании электронно-ионного изображения в ультрафиолетовое с помощью газового разряда и ультрафиолетового в видимое с помощью люминофора.
Рабочее давление инертного газа (ксенона) в преобразователе близко к нормальному, что дает возможность разработки ГЛП с большой площадью. Плоскопараллельная конструкция преобразователя обеспечивает однородность параметров изображения по рабочему полю. Коэффициент газового усиления, а следовательно, коэффициент усиления изображения преобразователя достигает 107...108.
Схема ЦРА прямого детектирования рентгеновского излучения с использованием полномасштабной твердотельной матрицы (ПТМ), связанной с АЦП и далее с ПЭВМ, приведена на рис. 5.8,в. Такая конструкция ЦРА считается наиболее эффективной, так как в ней отсутствуют «лишние» промежуточные элементы, поглощающие и рассеивающие кванты рентгеновского сигнала, несущие полезную информацию о состоянии внутренних органов пациента. Детектор с полномасштабной матрицей регистрирует все кванты рентгеновского пучка, прошедшего через объект исследования.
Конструктивно полномасштабная матрица представляет собой двумерную поверхность прямоугольной формы, разбитую на элементарные участки (ячейки), каждая из которых имеет свой геометрический адрес, определяющий положение ячейки вдоль строки и столбца. От размера ячейки (пикселя) зависит разрешающая способность цифрового снимка. Количество квантов, поглощенных ячейками матрицы, определяет яркостные параметры изображения. Электронное изображение матрицы считывается и переносится в ЗУ, где формируется в виде цифровой матрицы.
В настоящее время производство полноформатных матриц (4004400 мм) на основе аморфного селена (Se) освоили несколько ведущих мировых фирм: «GeneralElectric», «Philips», «Trixell», «Canon», «Siemens», «Starling».Однако стоимость полноформатных матричных детекторов очень велика (примерно 250...450 тыс. долл.), что делает недоступными ЦРА с полномасштабными матрицами для практического здравоохранения России.
Технологические трудности создания полноформатной матрицы для прямого детектирования рентгеновского излучения и высокая себестоимость изделия обусловили появление ЦРА сканирующего типа. В этих аппаратах преобразователь рентгеновского излучения имеет форму линейки. Известно применение двух типов преобразователей: газоразрядного и полупроводникового.
Газоразрядный преобразователь представляет собой многопроволочную пропорциональную камеру, заполненную смесью газов (ксенон и углекислый газ). Проволочки (электроды) камеры находятся под высоким электрическим потенциалом. Под действием рентгеновского излучения происходит ионизация газовой среды, которая основана на столкновении и поглощении рентгеновских фотонов атомами ксенона. Этот процесс, называемый ударной ионизацией, вызывает лавинную ионизацию газа, в результате которой величина наведенного на проволочки электрического сигнала увеличивается до 3000 раз. Такое усиление сигнала позволяет считать поглощенные рентгеновские кванты буквально поштучно. Это чрезвычайно важно для медицины, так как в ЦРА с газоразрядным детектором дозовая нагрузка на пациента в 30-50 раз ниже, чем на традиционных пленочных флюорографах.
В полупроводниковом варианте преобразователь набран из кремниевых фотодиодов и сцинтилляторов (Cd2O2S, CdWO4). Фотодиоды поглощают фотоны видимого света, излучаемые сцинтилляторами под действием рентгеновских лучей. Электрический сигнал с выхода фотодиодов усиливается и подвергается электронной обработке.
В ЦРА, оснащенном линейкой-преобразователем, полное изображение внутренних органов получают путем сканирования исследуемой области узким веерным рентгеновским пучком при синхронном движении излучателя и линейки- преобразователя относительно неподвижного объекта съемки (см. рис. 5.8,г). Веерный пучок формируется двумя коллиматорами, имеющими окно в форме щели. Входной коллиматор (Клл1) формирует рентгеновский пучок, идущий к пациенту. Лучи, прошедшие через тело пациента, через выходной коллиматор (Клл2) попадают в окно линейки-преобразователя (ЛП). После электронной обработки электрического сигнала по всем строкам в ЛП формируется кадр, «сотканный» из отдельных строк.
ЦРА сканирующего типа с газоразрядной линейкой- преобразователем «Сибирь-Н» серийно выпускается ЗАО «Научприбор» (Орел). К ЦРА с полупроводниковой линей- кой-преобразователем относятся «ПроСкан-2000» («Рентген- пром», Истра, Московской обл.) и АПЦФ-01 «Карс-Скан» («Медрентех», Москва).
Существенным недостатком сканирующих аппаратов с веерным пучком является то, что в них рентгеновское питающее устройство и, соответственно, рентгеновская трубка эксплуатируются в режиме повышенной мощности, что отрицательно сказывается на продолжительности работы рентгеновской трубки, особенно при массовом обследовании населения, когда требуется обеспечить высокую пропускную способность рентгеновского кабинета (до 40 человек в час). Кроме этого, длительная экспозиция (от 5 до 8 с в зависимости от типа сканирующего аппарата) приводит к динамической нерезкости изображения при исследовании подвижных органов, в частности легких.
Схема ЦРА с оптоэлектронным преобразователем, содержащим входной люминесцентный экран (ВЛЭ), светосильный объектив (СОб) и ПЗС-матрицу, приведена на рис. 5.8, д. Впервые аппарат данной конструкции был разработан СП «Гелпик» (Москва). С 1998 г. начато серийное производство малодозового цифрового флюорографа «Ренекс-флюоро».
В качестве конкретного примера рассмотрим цифровой рентгенографический аппарат АРЦ-Ol-OKO(рис. 5.10). Он предназначен для проведения цифровой рентгенографии при положении пациента стоя, сидя или лежа на каталке с рентгенепрозрачной декой. На аппарате можно сделать свыше 100 стандартных проекций различных органов и систем. Аппарат обеспечивает получение цифровых рентгенограмм, начиная от рентгенограмм пальцев рук и ног и заканчивая боковыми рентгенограммами пояснично-крестцового отдела пациентов с избыточной массой тела.
Рис. 5.10.Структурная схема аппарата АРЦ-Ol-OKO: Дф - диафрагма; СК - стол-каталка; ИК — ионизационная камера;Р — растр; Э — экран; Мт — матрица; Пр — приемник;ПУ — пульт управления; Ш - штатив; ПРПУ — пульт РПУ;КС — компьютерная стойка; АРМ — автоматизированное рабочее место; МТВ - монитор телевизионный для процедурной
Рентгеновское питающее устройство аппарата (РПУ) выполнено по инверторной технологии с преобразованием напряжения частоты сети в килогерцовую область спектра, поэтому пульсации напряжения не превышают 5%. РПУ обеспечивает установки анодного напряжения рентгеновской трубки в пределах 40... 145 кВ с шагом 1 кВ. Установки количества электричества регулируются дискретно от 0,2 до 640 мА∙с (34 шага).
В излучателе используется двухфокусная рентгеновская трубка с размером фокусных пятен 0,6 и 1,2 мм и максимальным напряжением 150 кВ. Излучатель снабжен регулируемой диафрагмой, в которую встроен диск с фильтрами, устанавливаемыми как вручную, так и автоматически. Применение среднечастотного рентгеновского питающего устройства высокой мощности и быстродействия, а также рентгеновского излучателя с высокой теплоемкостью позволило снизить времена экспозиций до нескольких микросекунд. При таких экспозициях динамическая нерезкость снимка не возникает. Излучаемые трубкой рентгеновские лучи после диафрагмирования и фильтрации формируют за пациентом невидимое рентгеновское изображение, которое экраном цифровой рентгенографической камеры визуализируется. Это изображение светосильным проекционным объективом передается на ПЗС-матрицу сверхвысокого разрешения, которое преобразует изображение в видеосигнал. В камере используется растр с высокой избирательностью, что позволяет в значительной степени увеличить отношение сигнал/шум в плоскости экрана цифровой камеры при рентгенографии органов, создающих значительный фон рассеянного излучения. При просвечивании органов с низким рассеянием, когда отношение вторичного излучения к первичному меньше единицы, растр не эффективен. Поэтому имеется возможность оперативного съема растра. Система автоматического контроля экспозиции, построенная на базе ионизационной камеры, в сочетании с широким динамическим диапазоном цифровой камеры полностью исключает возможность получения бракованных цифровых снимков. Видеосигнал в камере оцифровывается и поступает на автоматизированное рабочее место лаборанта (АРМ1).
На АРМ1 оценивается качество снимка и производится запись его в цифровую память компьютерной стойки. Из памяти снимок может быть запрошен на АРМ2 врача-рентгенолога, где на мониторе происходит его анализ и интерпретация. Результаты исследования отображаются в рентгенологическом заключении, а снимок при необходимости может быть распечатан на принтере.
Для регистрации пациентов в состав аппарата включено рабочее место регистратора (АРМЗ), с которого осуществляется ввод данных о пациенте. Это рабочее место может устанавливаться в регистратуре на расстоянии до 60 м от рентгеновского кабинета (по кабелю) или подключаться к аппарату через локальную сеть.
Управление аппаратом осуществляется с АРМ лаборанта. Применение трех АРМ позволяет одновременно вести регистрацию пациентов в регистратуре, проводить съемку пациентов в рентгеновском кабинете и анализировать ранее полученные снимки на АРМ врача-рентгенолога. Конструктивно аппарат выполнен в виде 7 функционально законченных устройств: штатива с излучателем и цифровым приемником, каталки, рентгеновского питающего устройства, трех АРМ и компьютерной стойки (рис. 5.11).
Рис. 5.11. Конструктивная схема ЦРА типа АРЦ-Ol-OKO: 1 — вертикальная стойка; 2 - кронштейн; 3 - цифровая камера; 4 — рентгеновский излучатель с диафрагмой; 5, 6 — соответственно ручной и ножной пульты управления; 7 - ось крепления
Штатив аппарата состоит из вертикальной стойки 1, на которой закреплен кронштейн 2 с установленными на нем с противоположных сторон цифровой камерой 3 и рентгеновским излучателем с диафрагмой 4. Расстояние между фокусом рентгеновской трубки и рентгеновским экраном камеры (фокусное расстояние штатива) равно 120 см. Штатив снабжен ручным (5) и ножным (6) пультами управления, с помощью которых кронштейн перемещается вверх и вниз, а также поворачивается вокруг горизонтальной оси на 180 град. Аппарат позволяет делать снимки в косых проекциях. Для этого предусмотрен узел поворота камеры в диапазоне 45 град вокруг оси крепления 7.
Таким образом обеспечивается возможность на одном штативе проводить все виды исследований, характерные для стола снимков и вертикальной стойки снимков. В штативе используется уравновешенная конструкция вертикального перемещения кронштейна с помощью электродвигателя, что обеспечивает минимальное потребление энергии. Подвижные части штатива имеют ограничители и блокировки. Компьютерная стойка выполняет функции системного сервера, цифрового архива и коммутатора функциональных узлов аппарата.
Аппарат АРЦ-0l-OKOимеет следующие основные параметры и характеристики:
1. Максимальный размер рабочего поля составляет 3854385 мм. При снимках органов меньшего размера осуществляется диафрагмирование рабочего поля, которое контролируется световым центратором перед выполнением снимка.
2. Разрешающая способность аппарата 3,7 мм-1. В АРЦ- 0l-OKOпредусмотрена возможность адаптивного изменения пространственной разрешающей способности в зависимости от требуемой детальности исследуемого органа. Ограничение разрешающей способности на уровне достаточности минимизирует экспозиционную дозу.
3. В отличие от пленочной рентгенографии, где для получения снимка оптимальной плотности требуется фиксированная доза, аппарат может работать в широком диапазоне доз в плоскости приемника. Он перекрывает диапазон чувствительности рентгенодиагностических комплектов (от 50 до 400), чтосоответствует дозам в плоскости приемника от 2мР до 250мкР соответственно.
4. Аппарат не ограничивает контраст любого органа. Напротив, один снимок в ряде случаев может заменить несколько снимков (например, просмотр легких и средостения). В зависимости от дозы в плоскости приемника контрастная чувствительность аппарата изменяется от 0,5 до 2%. Геометрические искажения изображения не превышают 2%. Время получения изображения не превосходит 10 с.
5. Объем памяти базы данных аппарата позволяет сделать до 30 тыс. снимков, после чего они переносятся в долговременный архив, расположенный в компьютерной стойке. Объем памяти архива на дискахDVD-RWемкостью 4-8 Гб может наращиваться в течение всего срока службы аппарата.
6. Программное обеспечение аппарата имеет широкие функциональные возможности, например автоматическое управление экспозицией в зависимости от исследуемого органа. Установлены автоматические режимы рентгеновского питающего устройства для исследований черепа, грудной и брюшной полостей, позвоночника, нижних и верхних конечностей. На аппарате запрограммировано свыше 70 стандартных проекций в соответствии с Руководством по радиографической технике.
Основными техническими характеристиками ЦРА являются: анодное напряжение, кВ; анодный ток, мА; рабочее поле, мм; время получения снимка, с; время обработки изображения, с; контрастная чувствительность, %, пространственное размещение, линий/мм; геометрические искажения, %; доза в плоскости приемника, мР; тип приемника.
Анализ состояния рынка ЦРА и перспективных наработок показывает устойчивую тенденцию к оптимизации соотношений между качеством изображения, дозой излучения, временем получения снимка, величиной рабочего поля, потребляемой мощностью, габаритами и ценой.
Компьютерные томографы
Развитие методов рентгенографии и средств их реализации привело к возможности получения двумерных изображений различных сечений биообъектов, называемых томограммами. Соответственно, аппаратура для получения изображения выбранных сечений (срезов) получила название томографов. В зависимости от типов источников и приемников излучений различают следующие типы томографов: рентгеновские, ядерно-магниторезонансные, эмиссионные изотопные, ультразвуковые, биоимпедансные и т.д. Появление достаточно мощной вычислительной техники позволило, с одной стороны, повысить качество томографических изображений, производить их автоматическую обработку, архивацию и т.д., а с другой стороны, по системе отображений срезов объектов реконструировать их трехмерные изображения, включая и изображение патологических очагов на них, что в значительной мере позволяет улучшить диагностические возможности соответствующей аппаратуры.
Формирование томографических изображений. Обобщенные структуры рентгеновских компьютерных томографов
Исторически первые томографы использовали рентгеновский принцип получения изображений, и поэтому под томографией (от греч.tomo- слой иgraph— пишу) понимали методику рентгенологического исследования, с помощью которой можно получать изображение слоя, лежащего на определенной глубине исследуемого объекта. Обычно томографический рисунок получают, синхронно перемещая излучатель и рентгеновскую пленку в противоположных направлениях таким образом, чтобы тени органов, лежащих вне слоя, размывались при движении, а изображение слоя оставалось четким, но такое изображение сильно «портят» различные тени соседних слоев. Применение ЭВМ и специальных математических методов позволило по серии разноракурсных одномерных сигналов синтезировать достаточно четкие двумерные изображения. Рассмотрим принцип получения такого изображения поперечного сечения среза по серии разноракурсных одномерных сигналов на примере обнаружения полупрозрачного цилиндра в прозрачном сосуде с водой (рис. 5.12,а)