Исследование и разработка цифровых рентгенопреобразующих систем для исследования легких

Рентгенодиагностическая техника, в настоящее время, как и прежде, является доминирующей в диагностике заболевний человеческого организма. Несмотря на бурное развитие новых видов интроскопии (KPT, МРТ, УЗ, ИКдиагностика, эндоскопия) до сих пор более 60% диагнозов, устанавливается или подтверждается с помощью рентгенологических исследований. При этом более 80% 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.

К моменту начала настоящей работы в этой области техники все традиционные методы снижения лучевой нагрузки были практически исчерпаны: во всех методах диагностики (исключая флюорографию) был почти достигнут принципиальный физический предел снижения дозы, определяемый квантовыми флюктуациями рентгеновского излучения.

Новый подход, заключающийся в переходе от аналоговых к дискретным компьютерным средствам формирования рентгеновских изображений, позволяет в ряде случаев преодолеть, или точнее отодвинуть этот предел при существенном повышении диагностических возможностей. А при замене пленочной флюорографии при профилактических исследованиях легких на цифровую появляется возможность приблизиться к физическому пределу.

В восьмидесятых годах в нашей стране были сделаны попытки построить первые цифровые рентгенодиагностические системы [1,2,3], которые, однако, не выходили за рамки компьютерных автоматизированных рабочих мест, обеспечивающих апостериорную цифровую обработку или запоминание рентгеновских изображений [4], полученных в аналоговой форме на обычных рентгеновских аппаратах. Единственной законченной разработкой, выполненной специально для цифровой рентгенографии, являлась сканирующая рентгеновская установка для цифровой рентгенографии МЦРУ «Сибирь», созданная ИЯФ им. Будкера в Сибирском филиале АН СССР, с оригинальной линейкой ксеноновых детекторов [5]. При значительном снижении дозы и расширении динамического диапазона эта система в принципе не способна была обеспечить пространственного разрешения выше 0,9 мм и обеспечивала лишь ограниченное применение.

За рубежом были созданы цифровые системы для субтракционной ангиографии, для цифровой рентгенографии с использованием «стимулированных» люминофоров и селеновых барабанов [6], для импульсного «цифрового» просвечивания. К этому же времени, или несколько раньше Нудельманом (США) были разработаны некоторые общие теоретические аспекты перехода к цифровым системам формирования медицинских изображений [7,8,9]. Принципы, разработанные Нудельманом, были основаны на использовании все тех же традиционных УРИ и стандартных телевизионных систем с видиконами и изоконами в качестве телевизионных трубок.

Между тем, в последние годы бурно развиваются новые типы одно и двумерных детекторов излучения, основанных на использовании т.н. приборов с зарядовой связью — ПЗС-линеек и ПЗС-матриц, обладающих рядом принципиальных особенностей.

Наиболее актуальной для России в настоящее время является замена малоинформативной высокодозной пленочной флюорографии легких на малодозовые цифровые исследования. Эта задача особенно важна в связи с угрожающим ростом туберкулеза. В свете этого требуют нового осмысления методы измерения характеристик цифровых изображений, дозовых и радиационных параметров РДА.

Для создания отечественных флюорографических рентгеновских аппаратов с цифровой регистрацией изображения необходимо решить следующие задачи:

— провести анализ возможностей современных средств цифрового детектирования рентгеновских изображений и сформулировать требования к детекторам для получения медицинских изображений в цифровой форме для профилактических исследований грудной клетки;

— исследовать градационные, динамические и пространственные характеристики цифровых медицинских изображений с целью определения необходимых характеристик рентгеновских аппаратов для цифровой рентгенографии ;

— исследовать количественные характеристики рассеянного рентгеновского излучения от различных медицинских объектов и разработать компьютерные программы для компенсации его вредного влияния;

— исследо'вать зависимость минимальной необходимой дозы облучения от заданных параметров цифрового рентгеновского изображения;

— разработать принципы построения рентгенодиагностических комплексов для цифровой рентгенографии;

— провести медицинские исследования разработанных комплексов и разработать рекомендации по их применению.

Научно-практическая значимость работы заключается в том, что ее результаты нашли применение в разработанных НПЦ МР совместно с ЗАО «Амико» двух малодозовых цифровых флюорографах «ФМЦ-Хе-125″ и „ФМПЦ-81−125″, в созданном ЗАО „Амико“ и филиалом электротехнического института (г.Истра) среднечастотного рентгеновского питающего устройства УРП-СЧ -.“ Амико», а также в разработке ЗАО «Амико» аппарата — приставки для цифровой флюорографии АПЦФ-01 -" Амико" .

Работа состоит из четырех глав, введения, заключения, библиографии и приложений с актами внедрения. По работе опубликовано 8 статей. Результаты доложены на трех Всейроссийских симпозиумах, разработанные в рамках работы изделия демонстрировались на семи международных выставках: в Дюссельдорфе, 1997,1998 годах, в Софии в 1998 г, в Москве (Здравоохранение^, Медтехника-98, Медицина для Вас, 1997), в С. Петербурге (Больни-ца-98).

Выводы к главе 4.

1. Проведенные исследования позволили провести расчет основных элементов и разработать ряд цифровых рентгенодиагностических аппаратов для исследования легких: малодозового цифрового флюорографа на основе ксеноновой многопроволочной камеры ФМЦ-Хе-125 малодозового цифрового флюорографа ФМПЦ-8М25, аппарата-приставки для цифровой флюорографии АПЦФ-01-" Амико". Все аппараты рекомендованы МЗ РФ к применению.

2. Все аппараты обеспечивают динамический диапазон на уровне 100, контрастную чувствительность 1−1,5% и снижение дозы облучения по сравнению с пленочной флюорографией в 15−30 крат.

3. По результатам работы создано среднечастотное питающее устройство для цифровых рентгеновских аппаратов УРП-СЧ-30. «Амико», обеспечивающее пульсации анодного напряжения на уровне 4% и дополнительное снижение дозы облучения за счет малых пульсаций напряжения на трубке на 20−40%.

4. Разработан пакет прикладных программ для автоматизированного рабочего места рентгенолога (АРМ-рентгенолога) на базе персонального компьютера Pentium и стандартного принтера Jet-6 HP, обеспечивающий эффективную обработку цифровых рентгеновских изображений и экономичную регистрацию изображений «Аккорд» .

5. В процессе медицинской апробации разработанных устройств подтверждено соответствие требованиям технического задания, созданы и проверены таблицы экспозиций для различных видов рентгенологического исследования грудной клетки.

Заключение

.

Проведенный комплекс работ по существу представляет собой научное обоснование основных принципов построения цифровых рентгенопреобразующих систем предназначенных, в частности, для исследования грудной клетки.

В результате исследований установлено:

1. Принятый в рентгенодиагностике ряд частных характеристик изображения в случае цифровых преобразований должен быть пересмотрен. В процессе исследований показано, что некоторые параметры теряют смысл (яркость, плотность почернения, размер выходного поля), некоторые требуют новых методов и средств контроля (пространственное разрешение, динамический диапазон).

В процессе работы такие методики и средства были разработаны. Ряд параметров введен для характеристики цифровых систем: матрица разложения, число уровней квантования, шум считывания, квантовая эффективность.

Построен типовой ряд частных характеристик цифровых рентгенопреобразующих систем. С помощью разработанных методов и средств проведено экспериментальное исследование параметров изображения некоторых цифровых рентгенографических систем. Показано, что наилучшими параметрами по динамическому диапазону и квантовой эффективности обладают системы с ксеноновыми рентгеночувствительными линейками (ФМЦ-Хе-125). По чувствительности к ним приближаются фото диодные линейные матрицы на кристаллическом кремнии, работающие в комбинации с редкоземельными люминесцентными экранами (ФМПЦ-8ь125, АПЦФ-01-" Амико"). Весьма перспективно также с позиций простоты и надежности применение малошумящих ПЗС матриц с большим (>20 мкм) размером пиксела в режиме медленного считывания (I mix, Medira, Ренекс-Флюоро).

2. С помощью метода цифрового рентгеновского сканирования проведено экспериментальное исследование скорости перемещения внутренних органов грудной клетки. Показано, например, что скорость перемещения стенки сердца перпендикулярно направлению рентгеновского луча достигает 60 мм/с, скорость движения края легкого составляет 8−10 мм /с. Проведенные исследования позволили сформулировать основные требования к системам цифрового преобразования рентгенодиагностических изображений.

3. Проведено исследование методов снижения дозовой нагрузки при цифровых методах преобразования информации за счет выбора рациональных соотношений параметров геометрии съемки. Установлены количественные зависимости дозовой нагрузки от контрастной чувствительности метода и пространственного разрешения системы и определен физический предел уменьшения экспозиционной дозы для фиксированного качества изображения.

В процессе исследования установлено, в частности, что применение пленочных флюорографических камер с пониженной чувствительностью (РК-70, РК-100, КФ-70, Trophy) вступает в противоречие с требованиями НРБ-96 по допустимому уровню дозовой нагрузки на пациента при профилактических исследованиях и должно быть в максимально короткий срок заменено на более чувствительные методы, в частности, цифровые.

4. Исследованы условия формирования рабочего веерного пучка излучения для сканирующих цифровых систем, позволившие сформулировать рекомендации по выбору конструктивных параметров штативных устройств и коллиматоров. В частности, показано, что для этих целей рационально применение в рентгеновских излучателях рентгеновских трубок с малым углом скоса анода (5−7°).

5. В процессе исследования определены условия рационального выбора параметров цифровых систем на основе оптики переноса и малошумящих ПЗС структур, из которых наиболее существенным является условия передачи светового потока на детектор, создаваемого входными рентгеновскими квантами без увеличения рентгеновского квантового шума, выполнение которого достигается при использовании высокоэффективных редкоземельных входных экранов и малошумящих ПЗС-структур в режиме медленного считывания и оптики переноса с относительным отверстием на уровне 0,8.

6. Исследованы способы уменьшения влияния рассеянного излучения на ухудшение контрастной чувствительности изображения, один из которых состоит в вычитании пространственного распределения рассеянного излучения по полю изображения, усредненного по плоскости в диаметре порядка 100−150 мм. Разработан пакет прикладных программ для реализации предложенного способа и проведено его экспериментальное исследование на АРМ-" Аккорд", показавшее, что с его помощью может быть достигнута контрастная чувствительность 1,0%.

7. Комплекс проведенных исследований дает обоснование для выбора параметров и расчета основных элементов цифровых рентгенодиагностических комплексов для исследования грудной клетки.

В процессе настоящей работы проведены разработки трех сканирующих малодозовых цифровых флюорографов: ксенонового ФМЦ-Хе-125, фотодиодного 'кремниевого ФМПЦ-8ь125, аппарата-приставки АПЦФ-01-" Амико", обеспечивающих высокое качество профилактической диагностики легких при снижении лучевой нагрузки на пациента в 10−30 раз по сравнению с традиционной пленочной флюорографии.

Помимо социального и диагностического эффектов цифровая флюорография обладает еще и чисто экономическим эффектом: окупаемость аппаратуры составляет 1,5−2 года за счет экономии расходных фотоматериалов и исключения фотолаборатории и помещений для пленочного архива.

8. В рамках настоящей работы создано также многофункциональное среднечастотное рентгеновское питающее устройство УРП-СЧ-30-" Амико" для комплектации цифровых флюорографов. Максимальный уровень пульсаций анодного напряжения в условиях цифровой флюорографии не превышает 4%, что позволяет снизить уровень дозовой нагрузки на пациента дополнительно на 20−30% по сравнению с шестивентильным трехфазным питающим устройством.

9. Все разработанные в рамках настоящей работы аппараты прошли технические и медицинские испытания и рекомендованы МЗ РФ к применению. В процессе испытаний подтверждено соответствие основных технических характеристик заданным, проведены измерения дозовых нагрузок на пациента, уточнены таблицы экспозиций при исследовании различных органов и систем человеческого организма.