ОДНОПРОЕКЦИОННЫЙ СКАНИРУЮЩИЙ РЕНТГЕНОВСКИЙ АППАРАТ С ОСЦИЛЛИРУЮЩИМ ПО ЭНЕРГИИ ПУЧКОМ ПИРАМИДАЛЬНОЙ ФОРМЫ (ВАРИАНТЫ)
SINGLE-PROJECTION SCANNING X-RAY APPARATUS WITH ENERGY-OSCILLATING PYRAMIDAL-SHAPED BEAM (TWO VERSIONS)

Изобретение относится к области рентгенотехники и может быть использовано как в медицине, например, при обследовании грудной клетки человека с целью диагностики болезни легких или в двухэнергетической абсорбционной денситометрии при исследовании костной ткани человека, так и в области технического неразрушающего контроля в тех случаях, когда требуется разложение исследуемого объекта на две составляющие по типу вещества, например органика и металл.
Осциллирующий по энергии рентгеновский пучок уже используется в двухэнергетической абсорбционной денситометрии с конца 1980-х годов (см. Eric С.Mirsky and Thomas A. Einhorn, “Current Concepts Review. Bone Densitometry in Orthopaedic Practice” (Обзор текущих концепций. Костная денситометрия в ортопедической практике), The Journal of Bone and Joint Surgery, Incorporated, 1998).
На практике в основном реализуются три способа формирования рентгеновских изображений, полученных при разных энергиях рентгеновского излучения: 1) вариация энергетического спектра источника рентгеновского излучения за счет подачи на него варьируемого высокого напряжения; 2) фильтрация рентгеновского пучка различными материалами с различной толщиной (причем фильтр может устанавливаться как до исследуемого объекта, так и после него); 3) использование детекторов рентгеновского излучения, способных различать энергию, падающего на них излучения.
Наибольшее распространение получил 1-й способ получения осциллирующего по энергии рентгеновского пучка, поскольку он позволяет получить наибольшую разницу средних значений энергии излучения, что, в свою очередь, приводит к лучшему качеству двухкомпонентного разделения исследуемого объекта.
Осциллирующие по энергии рентгеновские пучки используются как в однопроекционных сканирующих аппаратах - костных денситометрах, так и в многопроекционных сканирующих аппаратах - компьютерных томографах.
Основная трудность получения быстро осциллирующего по энергии рентгеновского пучка, что необходимо для увеличения разрешающей способности рентгеновского изображения при заданной скорости сканирования либо для увеличения скорости сканирования при заданной разрешающей способности, заключается в инерционности электронных компонентов, обеспечивающих смену напряжения с высокого на низкое и обратно. По этой причине современные коммерческие двухэнергетические сканирующие денситометры и двухэнергетические компьютерные томографы обычно работают на частоте несколько сот Герц. Последние разработки (см. патент США 7529344 May 5, 2009, “Dual energy X-ray source” (Двухэнергетический рентгеновский источник), автор Boris Oreper) предполагают возможность перехода на более высокие (4-10 тысяч герц) частоты вариации напряжения.
В современных коммерческих однопроекционных двухэнергетических рентгеновских аппаратах реализовано, как правило, поступательное сканирование пациентов рентгеновским пучком «веерной» формы.
Время сканирования участка протяженностью порядка 40 см варьируется от 30 секунд (денситометры серии QDR 4500) до 10 секунд (денситометр Discovery С), при этом длительность подачи высокого и низкого напряжений на рентгеновский излучатель фиксирована.
Известен денситометрический аппарат по патенту США 6217214 April 17, 2001 “X-ray bone densitometry apparatus” (Рентгеновский костный денситометрический аппарат), авторы Richard Е.Cabral, Russell J.Gershman.
Известное устройство является двухэнергетическим однопроекционным сканером с линейным сканированием пациента. Осцилляция рентгеновского пучка по энергии обеспечивается осцилляцией по напряжению, подаваемому источником высоковольтного питания на рентгеновский излучатель.
Известное устройство содержит станину с установленным на ней столом-платформой для размещения на нем пациента (на спине). Под столом-платформой расположен рентгеновский излучатель с узлом формирования рентгеновского пучка «веерной» формы, над пациентом - линейный детектор рентгеновского излучения. На станине установлена каретка, осуществляющая по направляющим станины поступательное движение вдоль стола-платформы. На каретке установлен С-образный кронштейн, к которому жестко прикреплены рентгеновский излучатель, узел формирования рентгеновского пучка «веерной» формы и детектор излучения. Отдельно расположена рабочая станция, включающая источник осциллирующего по напряжению высоковольтного питания, электронику управления и контроля, персональный компьютер для считывания и обработки информации с детектора излучения.
С-образный кронштейн с помощью приводных механизмов может совершать два типа движения: поступательное вместе с кареткой вдоль стола-платформы и вращательное на 90 градусов вокруг стола-платформы для изменения угла облучения пациента - от положения снизу до положения сбоку. Стол-платформа по направляющим на станине может совершать только горизонтальное перемещение в направлении, поперечном направлению поступательного движения С-образного кронштейна вдоль стола-платформы. Плоскость «веерного» пучка при любой позиции С-образного кронштейна всегда ортогональна направлению поступательного перемещения С-образного кронштейна вдоль стола-платформы.
Управление работой устройства по патенту США 6217214 осуществляется оператором, находящимся в рабочей станции. Перед ним находится панель с множеством кнопок и тумблеров определенного назначения. Оператор видит пациента, лежащего на столе-платформе и его позицию по отношению к детектору излучения. Включением тумблера подачи стола-платформы он поправляет поперечное горизонтальное положение пациента по отношению к детектору. Включением другого тумблера поворачивает С-образный кронштейн до нужного угла облучения. Включением третьего тумблера перемещает С-образный кронштейн вдоль стола-платформы к зоне обследования пациента. Затем оператор задает с использованием клавиатуры персонального компьютера режим облучения (минимальное и максимальное значения осциллирующего напряжения, величину анодного тока в излучателе, интервал линейной подачи С-образного кронштейна) и заносит данные о пациенте (пол, дата рождения и др.). Все это дублируется на мониторе компьютера, оператор это видит. После этого оператор включает тумблер линейной подачи С-образного кронштейна для осуществления линейного сканирования зоны обследования. Реальная подача высокого напряжения на излучатель и отключение напряжения происходят автоматически по величине заданного интервала линейной подачи С-образного кронштейна. По окончании сканирования пациент покидает стол-платформу и оператор тумблерами возвращает С-образный кронштейн и стол-платформу в исходное состояние.
Основными недостатками известного устройства являются следующие.
- Пониженное качество рентгеновского изображения.
Рентгеновский излучатель (порядка 20-30 кг), узел формирования пучка (порядка 3-5 кг) и детектор (порядка 1 кг) закреплены на С-образном кронштейне, который установлен на каретке, перемещающейся при сканировании линейно, то есть при линейном перемещении вибрации подвержены три элемента: фокусное пятно излучателя, узел формирования пучка и детектор. Из опыта известно, что чем больше элементов, связанных с пучком, вибрирует при сканировании, тем хуже качество рентгеновского изображения.
- Получение пациентом избыточной дозы облучения.
Сканирование осуществляют рентгеновским пучком «веерной» формы.
Рентгеновские пучки «веерной» формы не обеспечивают условие получения пациентом минимальной дозы облучения, поскольку узкую «веерную» форму после щелевидного коллиматора имеет только первичное излучение от фокусного пятна источника излучения, но не вторичное (широкое) излучение, образующееся в материале выходного окна излучателя. Поэтому дополнительное облучение пациент получает от вторичного излучения.
- Длительное время сканирования.
Длительное время сканирования приемлемо только для проведения денситометрических исследований неподвижных частей тела. Обследование органов грудной клетки не представляется возможным. Время сканирования участка протяженностью порядка 40 см варьируется от 30 секунд (денситометры серии QDR 4500) до 10 секунд (денситометр Discovery С). Задержать дыхание на 10-30 с для рядового пациента весьма проблематично.
- Длительность подачи высокого и низкого напряжений на рентгеновский излучатель фиксированы.
Оператор не регулирует длительность подачи низкого и высокого напряжений. Он только задает величину максимального и минимального напряжения. Все это обусловлено тем, что известный денситометр имеет только одно функциональное назначение и может быть использован только при денситометрии костных тканей неподвижных частей скелета. Возможность осуществлять обследования иного назначения исключена.
- Громоздкость конструкции, большой вес подвижной части, осуществляющей линейное сканирование (каретка, установленный на ней С-образный кронштейн, плюс жестко связанные с кронштейном излучатель, узел формирования рентгеновского пучка и детектор).
Технической задачей изобретения является расширение функциональных возможностей устройства, повышение качества рентгеновских изображений, уменьшение дозы облучения, получаемой пациентом при сканировании, упрощение конструкции.
Техническая задача достигается следующим образом.
Вариант 1.
Однопроекционный сканирующий рентгеновский аппарат с осциллирующим по энергии пучком пирамидальной формы включает стационарно установленный рентгеновский излучатель, соединенный с источником высоковольтного питания, узел формирования рентгеновского пучка пирамидальной формы, детектор рентгеновского излучения, электронный блок управления, соединенный с источником высоковольтного питания, детектором рентгеновского излучения и компьютером, при этом узел формирования рентгеновского пучка пирамидальной формы и детектор рентгеновского излучения жестко закреплены на поворотном кронштейне, ось вращения которого проходит через центр действительного фокусного пятна рентгеновского излучателя, электронный блок управления выполнен с программным сопровождением, обеспечивающим в зависимости от поставленной задачи регулирование длительности подачи высокого и низкого напряжений на рентгеновский излучатель и порционный съем информации с детектора с заданным координатно-временным шагом.
Вариант 2.
Однопроекционный сканирующий рентгеновский аппарат с осциллирующим по энергии пучком пирамидальной формы включает стационарно установленный рентгеновский излучатель, соединенный с источником высоковольтного питания, узел формирования рентгеновского пучка пирамидальной формы, детектор рентгеновского излучения, электронный блок управления, соединенный с источником высоковольтного питания, детектором рентгеновского излучения и компьютером, при этом узел формирования рентгеновского пучка пирамидальной формы жестко закреплен на поворотном кронштейне, ось вращения которого проходит через центр действительного фокусного пятна рентгеновского излучателя, детектор рентгеновского излучения установлен автономно с возможностью линейного перемещения по направляющим, синхронизированного с вращательным движением поворотного кронштейна таким образом, чтобы при сканировании рентгеновский пучок пирамидальной формы постоянно облучал чувствительную часть детектора рентгеновского излучения, электронный блок управления выполнен с программным сопровождением, обеспечивающим в зависимости от поставленной задачи регулирование длительности подачи высокого и низкого напряжений на рентгеновский излучатель и порционный съем информации с детектора рентгеновского излучения с заданным координатно-временным шагом.
Вариант 2 целесообразно применять в тех случаях, когда исследуемый объект (не обязательно человек) требует большой пролетной базы между узлом формирования рентгеновского пучка и детектором рентгеновского излучения.
Предлагаемое устройство поясняется чертежом, где на фиг.1 представлена общая схема устройства (вариант 1), на фиг.2 - общая схема устройства (вариант 2).
Оба варианта предлагаемой конструкции содержат одинаковые функциональные конструктивные элементы, но различаются между собой вариантами монтажа и способа перемещения детектора рентгеновского излучения.
Каждый вариант устройства содержит стационарно установленный рентгеновский излучатель 1, узел 2 формирования рентгеновского пучка 3 пирамидальной формы, детектор рентгеновского излучения 4, поворотный кронштейн 5, ось вращения 6 которого проходит через центр действительного фокусного пятна (на чертеже не показано) рентгеновского излучателя 1, источник высоковольтного питания 7, электронный блок управления 8 и персональный компьютер 9.
Источник высоковольтного питания 7 подает осциллирующее по времени t напряжение U на рентгеновский излучатель 1, который, в свою очередь, дает осциллирующее по энергии E рентгеновское излучение 3.
Электронный блок управления 8 соединен с источником высоковольтного питания 7, детектором рентгеновского излучения 4 и компьютером 9.
Блок управления 8 снабжен специально разработанной программой, управляющей работой источника высоковольтного питания 7 и детектора рентгеновского излучения 4 таким образом, чтобы обеспечить по направлению перемещения детектора порционный съем информации с детектора с заданным координатно-временным шагом.
Персональный компьютер 9 предназначен для считывания и обработки информации с детектора излучения 4 и посылки в электронный блок управления 8 параметров режима подачи напряжения.
В этой схеме пациент стоит вертикально спиной к пучку 3 в кабине, расположенной между узлом формирования пучка 2 и детектором излучения 4 (на схеме пациент с кабиной не показаны).
Монтаж детектора рентгеновского излучения 4 и способ его перемещения реализуют следующим образом.
Вариант 1.
Детектор рентгеновского излучения 4 и узел 2 формирования рентгеновского пучка 3 пирамидальной формы жестко закреплены на кронштейне 5, который обеспечивает синхронное вращение узла 2 и детектора 4 вокруг оси 6, проходящей через центр действительного фокусного пятна рентгеновского излучателя 1.
Вариант 2.
Детектор рентгеновского излучения 4 установлен автономно с возможностью линейного перемещения по направляющим, узел 2 формирования рентгеновского пучка 3 пирамидальной формы жестко закреплен на кронштейне 5, линейное перемещение детектора 4 синхронизировано с вращательным движением кронштейна 5 вокруг оси 6, проходящей через центр действительного фокусного пятна рентгеновского излучателя 1, таким образом, чтобы при сканировании рентгеновский пучок 3 пирамидальной формы постоянно облучал чувствительную часть детектора рентгеновского излучения 4.
Предлагаемое устройство функционирует следующим образом. Оператор, сидящий в стороне за столом с панелью управления и персональным компьютером 9, просит пациента зайти в кабину и встать на подъемную платформу. Дверь кабины открыта и оператор видит пациента. Затем включением тумблера оператор поднимает платформу с пациентом до нужной высоты и включает другой тумблер автоматического закрытия двери кабины. С помощью клавиатуры компьютера 9 оператор заносит данные о пациенте и задает режим облучения: анодный ток в излучателе, максимальное и минимальное напряжения, величины которых зависят от плотности и толщины ткани обследуемых органов, и временные интервалы подачи высокого и низкого напряжений. Например, для обнаружения инородных тел в легких человека достаточно задать напряжения 100 и 50 кВ, для желудка, печени и почек желательно 120 и 60 кВ, для ключиц 140 и 70 кВ, для позвоночника 160 и 80 кВ. Длительность выбранных временных интервалов подачи высокого и низкого напряжений сказывается на качестве совокупных изображений мягкой и костной ткани, сформированных после сканирования для двух значений напряжения. Выбранные значения минимального и максимального напряжения сказываются на качестве покомпонентных изображений отдельно мягкой и отдельно костной ткани (либо инородных вкраплений в мягкую ткань), сформированных специально запрограммированным математическим аппаратом из двух исходных совокупных изображений.
В зависимости от цели обследования пациента (предлагаемое устройство является многофункциональным) оператор задает соответствующие исходные параметры, которые передаются в электронный блок управления 8. Электронным блоком управления 8 посредством программного обеспечения вырабатывается алгоритм управления, соответствующий заданным параметрам, и затем на основе исходных параметров инициируется режим подачи напряжения (значения низкого и высокого напряжений и длительность их временных интервалов подачи) от источника высоковольтного питания 7 на рентгеновский излучатель 1. Кроме этого, электронным блоком 8 на основе исходных параметров вырабатывается дискретность (порционность) считывания компьютером 9 информации с детектора излучения 4 с заданным координатно-временным шагом.
Длительность подачи низкого и высокого напряжений для различных целей обследования различна. Например, исследование болезней легких требует своего соотношения между длительностями подачи низкого и высокого напряжений; исследование более плотных тканей (желудок, сердце, печень, почки) - другое соотношение; исследование костных тканей скелета грудной клетки - третье.
Время сканирования не задается - оно всегда фиксировано. В изготовленном опытно-экспериментальном образце устройства это время составляет 6 секунд. Все задаваемые параметры дублируются на мониторе компьютера 9, оператор это видит.
Вариант 1.
Оператор просит пациента сделать вздох и затаить дыхание и нажимает кнопку производства рентгеновского снимка, что приводит к вращательному движению поворотного кронштейна 5, узла 2 формирования рентгеновского пучка 3 и детектора 4 вокруг оси 6, проходящей через центр действительного фокусного пятна излучателя 1.
Вариант 2.
Оператор просит пациента сделать вздох и затаить дыхание и нажимает кнопку производства рентгеновского снимка, что приводит к вращательному движению поворотного кронштейна 5 и узла 2 формирования рентгеновского пучка 3 вокруг оси 6, проходящей через центр действительного фокусного пятна излучателя 1, и линейному перемещению детектора 4 со скоростью, обеспечивающей при сканировании постоянное облучение рентгеновским пучком 3 чувствительной части детектора 4.
Реальная подача высокого напряжения на излучатель 1 и отключение напряжения происходят автоматически по углу поворота кронштейна 5. По окончании сканирования поворотный кронштейн 5 автоматически возвращается в исходное положение. Опускание платформы с пациентом и открывание двери кабины оператор производит включением соответствующих тумблеров.
Необходимо выделить особенности, отличающие предлагаемое устройство от известных, например, по патенту США №6217214.
С-образный кронштейн по патенту США установлен на подвижной каретке, перемещающейся линейно по станине. Поэтому подвижная часть, осуществляющая линейное сканирование, очень массивна, поскольку содержит каретку, С-образный кронштейн и жестко связанные с ним тяжелый рентгеновский излучатель, узел формирования пучка и детектор излучения.
В предлагаемом устройстве подвижная часть, осуществляющая вращательное сканирование, имеет существенно меньший вес, поскольку содержит только три элемента: кронштейн и жестко связанные с ним узел формирования пучка и детектор излучения (вариант 1), кронштейн и жестко связанный с ним узел формирования пучка (вариант 2).
Качество получаемого рентгеновского изображения связано с количеством элементов устройства, участвующих в генерации, формировании и приеме рентгеновского пучка, следующим образом: чем больше элементов подвержено механической вибрации при сканировании, тем хуже качество рентгеновского изображения. В устройстве по патенту США 6217214 и современных зарубежных денситометрах при линейном сканировании механической вибрации подвержены три элемента: рентгеновский излучатель (генератор пучка), узел формирования пучка и детектор рентгеновского излучения (приемник пучка).
В предлагаемом устройстве, в котором рентгеновский излучатель неподвижен, механической вибрации подвержены только два элемента: узел формирования пучка и детектор излучения.
Необходимо отметить, что чем меньше время сканирования, тем меньше вероятность непроизвольных движений пациента (в частности, обусловленных невозможностью задержать дыхание на время сканирования), приводящих к ухудшению качества рентгеновского изображения.
Малое время сканирования в предлагаемом устройстве (задержать дыхание на 6 секунд может практически каждый пациент) позволяет использовать предлагаемое устройство не только в денситометрических целях, но и дополнительно производить обследование (многофункциональность), например, грудной клетки человека с целью диагностики болезни легких, что не представляется возможным с использованием лучших зарубежных денситометров (задержать дыхание на 10-30 секунд для рядового пациента проблематично).
Использование в предлагаемом устройстве узла формирования пирамидального рентгеновского пучка соответствует минимально возможной дозе облучения пациента при обследовании за счет того, что в сформированном пучке и первичное, и вторичное излучение имеют одинаковую форму пирамиды, вершина которой находится в центре действительного фокусного пятна излучателя, а основание повторяет форму чувствительной части детектора излучения, поэтому доза облучения пациента от вторичного излучения ниже, чем при использовании «веерного» пучка с широким шельфом вторичного излучения.
Качество совокупных изображений мягкой и костной ткани человека, сформированных после сканирования для двух значений напряжения, определяется не только длительностью выбранных временных интервалов подачи низкого и высокого напряжений, но и субъективным фактором - визуальным восприятием изображения данным врачом-рентгенологом. Поэтому наряду с паспортными значениями длительности временных интервалов подачи напряжений, зависящими от цели обследования тех или иных органов грудной клетки, предусмотрена возможность регулировки длительности временных интервалов подачи низкого и высокого напряжений под субъективное восприятие изображения врачом-рентгенологом.
Таким образом, предлагаемое устройство имеет следующие преимущества.
1. Многофункциональное назначение устройства (возможность, кроме денситометрического обследования, проводить дополнительные обследования органов грудной клетки, например легких, почек, печени и т.д.).
2. Лучшее качество рентгеновского изображения, поскольку механической вибрации при вращательном сканировании подвержено меньшее количество конструктивных элементов.
3. Существенно меньшее время сканирования исследуемого объекта.
4. Минимально возможная доза облучения пациентов при обследовании.
5. Регулируемость длительности подачи высокого и низкого напряжений на рентгеновский излучатель.
6. Существенно меньший вес подвижной части, осуществляющей сканирование пациента.