ПРИЕМНИК РЕНТГЕНОВСКОГО ИЗЛУЧЕНИЯ ДЛЯ РЕНТГЕНОДИАГНОСТИЧЕСКИХ АППАРАТОВ

Область техники
Полезная модель относится к конструкции приемников рентгеновского излучения, которые используют преимущественно в составе рентгенодиагностических аппаратов:
для ангиографических исследований с использованием рентгеноконтрастных веществ,
для отслеживания положения диагностических или хирургических инструментов, вводимых в трубчатые органы (в частности, кровеносные сосуды, трахею и бронхи, пищевод и т.д.),
для многократной рентгенографии внутренних органов (легких, сердца, желудка и др.),
для беспленочной рентгенографии в травматологии и
для беспленочной флюорографии при массовых обследованиях населения.
Кроме того, такие приемники могут быть использованы в рентгеновских аппаратах для дефектоскопии технических объектов и таможенного контроля багажа пассажиров и штучных грузов.
Уровень техники
Типовая структура приемников рентгеновского излучения на базе рентгенооптического преобразователя и по меньшей мере двух аналоговых оптоэлектронных преобразователей (в частности, TV-камер), которые жестко закреплены на общем основании таким образом, что их оптические входы обращены в сторону указанного преобразователя, поля зрения частично перекрываются, а совокупное поле зрения перекрывает площадь преобразователя, ныне хорошо известна (см. WO 98/11722).
В таких приемниках электрические выходы всех TV-камер подключены через АЦП к внешнему многоканальному корректору геометрических искажений, который синтезирует из фрагментарных видеосигналов целостные выходные видеосигналы. Они имеют тем большую разрешающую способность, чем больше TV-камер использовано в приемнике, и практически не содержат искажений, которые обусловлены неизбежными различиями в геометрической форме и размерах полей зрения отдельных TV-камер и также неизбежными погрешностями в монтаже этих камер.
Многолетний опыт производства и применения таких приемников показал, что:
в сравнении с обычной флюорографией лучевая нагрузка на организм пациентов при однократном обследовании сокращается, как правило, в 20 и более раз,
целостные выходные видеосигналы можно получать с частотой не менее 25 кадров в секунду, что достаточно для ангиографических исследований,
облегчается защита медперсонала от рентгеновского излучения, ибо дисплеи для показа изображений на основе целостных выходных видеосигналов могут быть расположены на безопасном удалении от рентгеновской аппаратуры,
указанные видеосигналы удобно записывать и хранить на цифровых машиночитаемых носителях информации для ведения историй болезней и многократного просмотра, и
цифровые видеозаписи можно преобразовать в изображения на рентгеновской пленке с помощью доступного на рынке «Устройства для печатания мультиформатных изображений на светочувствительной пленке» (RU 22249 U1).
Однако тот же практический опыт показал, что на качество изображений на основе целостных выходных видеосигналов влияют оптические, рентгеновские и электромагнитные помехи.
Оптические помехи обусловлены подсветкой TV-камер от внешних источников света, паразитными световыми потоками между TV-камерами и рентгенооптическим преобразователем и соседними TV-камерами и искажениями световых потоков в оптических каналах TV-камер.
Рентгеновские помехи обусловлены воздействием на TV-камеры не преобразованного в видимый свет рентгеновского излучения, мощность которого в лучших случаях оказывается не меньше 30% (но может достигать 70%) исходной величины.
Электромагнитные помехи обусловлены внешними случайными электромагнитными импульсами и/или взаимодействием электромагнитных полей, генерируемых вокруг отдельных проводников в цепях передачи аналоговых видеосигналов от электрических выходов TV-камер на входы корректора геометрических искажений.
Некоторые из этих недостатков удалось исключить или, по меньшей мере, заметно ослабить усовершенствованием конструкции и монтажных схем приемников рентгеновского излучения. Так, согласно US 6,002,743:
размещение основных частей приемника в корпусе из рентгенопрозрачного, но непроницаемого для видимого света материала исключило подсветку оптоэлектронных преобразователей (в частности, TV-камер) от внешних источников света, а
установка цельной пластины из рентгенонепрозрачного светопроницаемого свинцового стекла между рентгенооптическим преобразователем и оптическими входами TV-камер ослабило остаточное рентгеновское излучение.
Специалисту понятно, что такая пластина тем эффективнее защищает TV-камеры от остаточного рентгеновского излучения, чем больше ее толщина.
Однако эта же пластина легко пропускает паразитные световые потоки между всеми TV-камерами и рентгенооптическим преобразователем и между соседними TV-камерами. Это приводит к дополнительным искажениям световых потоков в оптических каналах TV-камер.
Действительно, яркость части потока рентгеновского излучения, которая прошла через пациента или иное препятствие, неоднородна сама по себе и, что особенно важно, существенно отличается от яркости остальной части указанного потока. Поэтому фрагменты видимого изображения на рентгенооптическом преобразователе имеют разную яркость, и наиболее яркие фрагменты порождают интенсивное ламбертовское излучение света в широких телесных углах. Соответствующие световые потоки свободно распространяются по случайным направлениям в пластине свинцового стекла и лишь частично попадают на оптические входы TV-камер, которые расположены точно напротив упомянутых ярких фрагментов. Другие же части этих световых потоков вызывают паразитную засветку соседних TV-камер и, многократно отражаясь от линз объективов TV-камер и распространяясь внутри указанной пластины или проходя сквозь нее, попадают:
на оптические входы произвольных TV-камер приемника, создавая в каждом диагностическом сеансе случайный набор оптических помех, и
на относительно темные зоны рентгенооптического преобразователя, создавая случайную засветку, соизмеримую с яркостью этих зон.
Эти нежелательные эффекты особенно заметны, если угол падения лучей света от рентгенооптического преобразователя на поверхности линз объективов соответствующих TV-камер превышает угол полного внутреннего отражения в свинцовом стекле. Мало того, в таких случаях вторичное отражение приводит к поляризации света.
Из US 6,370,225 известен более совершенный приемник рентгеновского излучения, имеющий:
(а) светонепроницаемый корпус, одна из стенок которого рентгенопрозрачна, и
(б) последовательно закрепленные за этой стенкой:
рентгенооптический преобразователь,
поляризационный фильтр,
фильтр остаточного рентгеновского излучения в виде пластины свинцового стекла,
блок, содержащий по меньшей мере два объектива, и
фотоприемник, содержащий по меньшей мере два оптоэлектронных преобразователя (в частности, в виде TV-камер) с развязанными электрическими выходами для подключения к системе обработки фрагментарных видеосигналов и их «сшивания» в целостный выходной видеосигнал.
Кроме того, известный приемник характеризуется тем, что:
пластина свинцового стекла со стороны, которая обращена к объективам, разделена глухими перпендикулярно пересекающимися пазами на секции, количество которых равно количеству оптоэлектронных преобразователей в фотоприемнике,
эти пазы имеют глубину примерно от 0,25 до 0,35 толщины пластины свинцового стекла и заполнены светонепроницаемым материалом, а
каждый объектив имеет одну входную линзу, которая примыкает к поверхности пластины свинцового стекла, три разделенные воздушными промежутками промежуточные линзы и одну выходную линзу, которая примыкает к поверхности фотоприемника.
К сожалению, в приемнике рентгеновского излучения согласно US 6,370,225 задача повышения качества выходного изображения решается по частям и недостаточно эффективно, а надежность заметно снижена. Действительно:
поляризационный фильтр лишь ослабляет поляризованную компоненту света, отраженного от свинцового стекла, но не влияет на остальной световой поток,
многолинзовые оптические системы объективов, в которых линзы разделены воздушными промежутками, порождают нерегулярные отражения практически не поляризованного света на рентгенооптический преобразователь, а
затемненные пазы ослабляют, но не исключают паразитную засветку соседних оптоэлектронных преобразователей вследствие свободного распространения света в не надрезанной части пластины свинцового стекла.
Поэтому целостные видеосигналы обычно искажают диагностическую картину. Кроме того, упомянутые пазы снижают до неприемлемого уровня не только механическую прочность пластины хрупкого свинцового стекла, но и надежность приемника в целом.
Наиболее совершенный приемник рентгеновского излучения для рентгенодиагностических аппаратов известен из RU 2284089. Он имеет:
(а) светонепроницаемый корпус, одна из стенок которого рентгенопрозрачна,
(б) последовательно закрепленные за этой стенкой:
рентгенооптический преобразователь,
дополнительную свето- и рентгенонепроницаемую перегородку со сквозными отверстиями, на которой со стороны, обращенной к рентгенооптическому преобразователю, установлены бленды,
фильтр остаточного рентгеновского излучения в виде шайб из рентгенонепроницаемого светопрозрачного материала, которые жестко закреплены вслед за блендами в сквозных отверстиях указанной дополнительной перегородки,
блок объективов, каждый из которых содержит по меньшей мере две последовательно установленные линзы для фокусировки соответствующей этому объективу части светового потока,
фотоприемник, содержащий расположенные вслед за объективами оптоэлектронные преобразователи с частично перекрывающимися полями зрения и развязанными электрическими выходами для подключения к средствам обработки фрагментарных видеосигналов,
(в) внешний по отношению к светонепроницаемому корпусу электронный блок для аналого-цифрового преобразования фрагментарных видеосигналов, коррекции геометрических искажений и «сшивания» откорректированных фрагментарных видеосигналов в целостные цифровые видеосигналы, который связан многожильным кабелем с электрическими выходами оптоэлектронных преобразователей фотоприемника, и
(г) также внешний по отношению к светонепроницаемому корпусу персональный компьютер (далее ПК), который оснащен дисплеем для демонстрации изображений на основе целостных цифровых видеосигналов, их записи на подходящие цифровые носители и иной обработки диагностической информации, который подключен на выход указанного электронного блока.
При этом длина «А» каждой бленды и расстояние «D» от передней по ходу рентгеновских лучей поверхности указанного рентгенооптического преобразователя до плоскости передних по ходу света торцов объективов связаны соотношением A/D=(0,50…0,95), выбор которого был экспериментально обоснован так, как описано в RU 2284089. Далее там же было указано, что электрические выходы оптоэлектронных преобразователей имеют вид разъемов, которые через ответные разъемы гибкого многожильного кабеля подключены к источнику электроэнергии и к упомянутому внешнему электронному блоку.
Использование дополнительной свето- и рентгенонепроницаемой перегородки, бленд с указанным соотношением A/D и фильтра остаточного рентгеновского излучения в виде указанных шайб, которые жестко закреплены в сквозных отверстиях перегородки,
во-первых, резко сократило паразитную засветку соседних оптоэлектронных преобразователей, ибо шайбы из свинцового стекла оптически изолированы одна от другой в указанной перегородке, а свет, отраженный от деталей оптических каналов на поверхность рентгенооптического преобразователя и обратно, большей частью возвращается через бленды в исходные каналы, и,
во-вторых, повысило эксплуатационную надежность приемника, ибо рентгеновская нагрузка на оптоэлектронные преобразователи ограничена лишь незначительной частью не преобразованного в свет рентгеновского излучения, которое может пройти через шайбы указанного фильтра, а возможность чисто механического разрушения этого фильтра практически исключена.
Однако подключение внешнего электронного блока со встроенными АЦП, корректором геометрических искажений и средством «сшивания» откорректированных фрагментарных видеосигналов в целостные цифровые видеосигналы к фотоприемнику требует существенных аппаратурных затрат. Действительно, каждая жила многожильного кабеля, которая рассчитана на передачу отдельного аналогового фрагментарного видеосигнала, имеет коаксиальную конструкцию и содержит центральный проводник, слой изоляции и собственную металлическую оплетку. В зависимости от конструкции штативов рентгеновского диагностического комплекса, который оснащен известным приемником рентгеновского излучения, длина дорогого и трудоемкого в изготовлении многожильного кабеля, соединяющего электрические выходы оптоэлектронных преобразователей с внешним электронным блоком, может быть от 3-х до 6-и метров.
Естественно, что при таких размерах многожильного кабеля даже общая для всех жил внешняя металлическая оплетка не исключает влияние генерируемых рентгеновскими аппаратами и иными внешними источниками электромагнитных помех на чувствительные к ним аналоговые фрагментарные видеосигналы и, в итоге, на качество «сшитых» цифровых видеосигналов. Краткое изложение сущности полезной модели
В основу полезной модели положена задача усовершенствованием взаимосвязи между оптоэлектронными преобразователями фотоприемника и персональным компьютером создать такой приемник рентгеновского излучения, который существенно снижал бы аппаратурные затраты и влияние электромагнитных помех на качество «сшитых» цифровых видеосигналов.
Поставленная задача решена тем, что в приемнике рентгеновского излучения для рентгенодиагностических аппаратов, имеющем:
(а) светонепроницаемый корпус, одна из стенок которого рентгенопрозрачна;
(б) последовательно закрепленные за этой стенкой рентгенооптический преобразователь, дополнительную свето- и рентгенонепроницаемую перегородку со сквозными отверстиями, на которой со стороны, обращенной к рентгенооптическому преобразователю, установлены бленды, фильтр остаточного рентгеновского излучения в виде шайб из рентгенонепроницаемого светопрозрачного материала, которые жестко закреплены вслед за блендами в сквозных отверстиях указанной дополнительной перегородки, блок объективов, каждый из которых содержит по меньшей мере две последовательно установленные линзы для фокусировки соответствующей этому объективу части светового потока, и фотоприемник, содержащий расположенные вслед за объективами оптоэлектронные преобразователи с частично перекрывающимися полями зрения и развязанными электрическими выходами для подключения к средствам обработки фрагментарных видеосигналов;
(в) электронный блок для аналого-цифрового преобразования фрагментарных видеосигналов и их подготовки к дальнейшей обработке, который связан многожильным кабелем с электрическими выходами оптоэлектронных преобразователей фотоприемника; и
(г) внешний по отношению к светонепроницаемому корпусу ПК, который подключен на выход указанного электронного блока и оснащен дисплеем, средствами записи и иной обработки диагностической информации;
согласно изобретательскому замыслу
светонепроницаемый корпус снабжен карманом, который ограничен по меньшей мере рентгенонепроницаемой стенкой, указанный электронный блок размещен в указанном кармане, а ПК оснащен программными средствами коррекции геометрических искажений и «сшивания» откорректированных фрагментарных видеосигналов в целостные цифровые видеосигналы и подключен к указанному электронному блоку через цифровой интерфейс.
Это существенно снижает аппаратурные затраты и повышает качество «сшитых» цифровых видеосигналов. Действительно, для соединения фотоприемника с расположенным внутри светонепроницаемого корпуса электронным блоком достаточно иметь короткий многожильный кабель, который существенно менее подвержен влиянию электромагнитных помех, а цифровые фрагментарные видеосигналы, передаваемые через цифровой интерфейс, заметно менее чувствительны к электромагнитным помехам.
Следующее отличие состоит в том, что цифровой интерфейс выбран из группы, состоящей из USB, Ethernet и CameraLink. Эти интерфейсы общедоступны на рынке.
Краткое описание чертежей
Далее сущность полезной модели поясняется подробным описанием усовершенствованного приемника рентгеновского излучения со ссылками на прилагаемые чертежи, где изображены на:
фиг.1 - приемник рентгеновского излучения в разрезе плоскостью, включающей геометрические оси одного из вертикальных рядов объективов и оптоэлектронных преобразователей;
фиг.2 - монтажная схема связи оптоэлектронных преобразователей с электронным блоком и ПК (с условно удаленными задней торцевой и одной боковой стенками корпуса приемника).
Наилучшие варианты воплощения полезной модели
Предложенный приемник рентгеновского излучения в наиболее простой форме аппаратной реализации имеет (см. фиг.1):
(а) светонепроницаемый корпус 1, одна из торцевых стенок 2 которого изготовлена из рентгенопрозрачного материала (например, из гетинакса или углепластика) а прочие стенки могут быть цельнометаллическими или иметь экранирующее металлическое покрытие;
(б) последовательно закрепленные за указанной торцевой стенкой 2:
рентгенооптический преобразователь 3, изготовленный на основе солей редкоземельных элементов (например, оксисульфида гадолиния) или йодида цезия и примыкающий к рентгенопрозрачной торцевой стенке 2 корпуса 1,
предпочтительно сменные бленды 4, которые установлены в корпусе 1 так, чтобы «поля зрения» упомянутых далее оптоэлектронных преобразователей частично перекрывались, и длина «А» которых выбрана с учетом расстояния «D» от передней по ходу рентгеновских лучей поверхности преобразователя 3 до плоскости передних по ходу света торцов упомянутых далее объективов согласно соотношению A/D=(0,50-0,95), а предпочтительно (0,50-0,90);
дополнительную свето- и рентгенонепроницаемую перегородку 5, которая жестко закреплена в корпусе 1, служит опорой для бленд 4 и других указанных далее частей оптических каналов и имеет сквозные отверстия, перекрытые шайбами 6 из рентгенонепроницаемого светопрозрачного материала типа свинцового стекла, которые в совокупности служат основным фильтром остаточного рентгеновского излучения,
объективы 7, количество и расположение которых соответствует количеству и расположению указанных далее оптоэлектронных преобразователей и каждый из которых имеет по меньшей мере две разделенные воздушным промежутком линзы 8 для фокусировки частей изображения на оптоэлектронных преобразователях и, как правило, три (входную, промежуточную и выходную) диафрагмы 9 для ограничения светового потока,
фотоприемник в виде набора оптоэлектронных преобразователей 10, каждый из которых закреплен на собственной опоре в юстировочном устройстве 11 для установки на оптической оси соответствующего объектива 7 (эти преобразователи могут быть в виде TV-камер, приборов с зарядовой связью, матриц на основе комплементарных МОП-структур и иных функционально аналогичных элементов с частично перекрывающимися полями зрения и развязанными электрическими выходами);
(в) электронный блок 12 для аналого-цифрового преобразования (далее АЦП) фрагментарных видеосигналов и их подготовки к дальнейшей обработке, который многожильным кабелем 13 через разъемы 14 связан с электрическими выходами оптоэлектронных преобразователей 10 и расположен в ограниченном по меньшей мере рентгенонепроницаемой стенкой 15 кармане внутри светонепроницаемого корпуса 1 (см. фиг.2); и
(г) внешний по отношению к светонепроницаемому корпусу 1 персональный компьютер (далее ПК) 16 (см. вновь фиг.1), который через цифровой интерфейс, например кабель USB, 17 подключен к выходу электронного блока 12 и оснащен не показанными особо дисплеем и средствами записи и иной обработки диагностической информации. В этот ПК 16 инсталлированы программные средства коррекции геометрических искажений и «сшивания» откорректированных фрагментарных видеосигналов в целостные цифровые видеосигналы.
Специалисту понятно, что оптоэлектронные преобразователи 10 и ПК 16 подключены к подходящим источникам электропитания, которые на чертежах условно не показаны. Аналогично, условно не показано заземление многожильного кабеля 13.
Перегородка 5 и рентгенонепроницаемая стенка 15 обычно состоят из не показанных особо двух пластин, а именно: поглотителя остаточного рентгеновского излучения (в частности, свинца) и опоры из прочного жесткого материала типа дюралюминия, стали, или армированного полимера.
Боковые стенки корпуса 1, бленды 4 с внутренней стороны и диафрагмы 9 с обеих сторон обычно имеют черное матовое покрытие 18, а поверхности шайб 6 (т.е. основного фильтра остаточного рентгеновского излучения) и линз 8 обычно имеют просветляющие покрытия 19.
Работает описанный приемник рентгеновского излучения следующим образом.
При сборке или в ходе технического обслуживания оптоэлектронные преобразователи 10 с помощью котировочных устройств 11 (см. фиг.1) устанавливают в выходных плоскостях объективов 7 таким образом, чтобы центры светочувствительных поверхностей преобразователей 10 соответствовали фокусам объективов 7, расположенных напротив определенных частей поверхности рентгенооптического преобразователя 3. Для облегчения юстировки могут быть использованы известные калибровочные тест-объекты (пространственные миры), как это, например, указано в WO 98/11722.
Юстированный приемник устанавливают в устройство для рентгеновской диагностики (или дефектоскопии, или досмотра) таким образом, чтобы объект исследования мог находиться в зазоре между выходом рентгеновского излучателя и рентгенопрозрачной стенкой 2 светонепроницаемого корпуса 1. Тогда при каждом включении излучателя поток рентгеновских лучей будет действовать на рентгенооптический преобразователь 3, который служит Ламбертовским источником света и генерирует световой поток, дифференцированный по яркости вследствие взаимодействия с объектом диагностики (или дефектоскопии, или досмотра).
Бленды 4 разделяют этот поток на отдельные световые пучки, которые через шайбы 6 из фильтрующего остаточное рентгеновское излучение свинцового стекла и объективы 7 попадают на светочувствительные поверхности оптоэлектронных преобразователей 10. Они формируют аналоговые электрические сигналы, которые соответствуют частично перекрывающимся фрагментам изображения, сформированного на рентгенооптическом преобразователе 3. Эти фрагментарные аналоговые сигналы через разъемы 14 и гибкий многожильный кабель 13 поступают в электронный блок 12, который преобразует их в цифровую форму внутри корпуса 1. При этом перегородка 5 и рентгенонепроницаемая стенка 15 надежно защищают короткий многожильный кабель 13 и электронный блок 12 от рентгеновских и внешних электромагнитных помех.
Далее фрагментарные цифровые видеосигналы через цифровой интерфейс 17 поступают в ПК 16, который корректирует геометрические искажения и «сшивает» откорректированные фрагменты в целостные цифровые видеосигналы для последующей демонстрации изображений на мониторе и/или для записи на подходящих цифровых носителях информации.
Некоторые дополнительные особенности работы предложенного приемника состоят в следующем. Свето- и рентгенонепроницаемая перегородка 5 практически полностью поглощает ту часть остаточного рентгеновского излучения, которая не попадает на шайбы 6 из свинцового стекла, и полностью исключает перетоки света между указанными шайбами 6. Бленды 4 резко сокращают паразитную засветку соседних каналов светом, отраженным от объективов 7 и/или оптоэлектронных преобразователей 10 на рентгенооптический преобразователь 3 и обратно. Диафрагмы 9 дополнительно подавляют случайные оптические помехи (особенно в виде света, отраженного от поверхности оптоэлектронных преобразователей 10). Той же цели (но применительно к любым световым помехам) служат черные матовые покрытия 18 боковых стенок корпуса 1, бленд 4 с внутренней стороны и диафрагм 9 с обеих сторон. И, наконец, просветляющие покрытия 19 практически на порядок снижают отражательную способность поверхностей шайб 6 и линз 8.
Промышленная применимость
Приемник рентгеновского излучения может быть изготовлен в разных конфигурациях на доступной современной элементной базе, включая TV-камеры, ПЗС, фотодиодные или CMOS-матрицы и т.п. оптоэлектронные преобразователи и произвольные цифровые интерфейсы, и широко использован для оснащения преимущественно медицинских рентгенодиагностических аппаратов.