СПОСОБ КОНТРОЛЯ И ОЦЕНКИ РАБОТОСПОСОБНОСТИ ОСНОВНЫХ УЗЛОВ ЦИФРОВОГО РЕНТГЕНОВСКОГО АППАРАТА И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ
METHOD FOR CONTROL AND EVALUATION OF OPERABILITY OF MAIN UNITS OF DIGITAL X-RAY APPARATUS AND DEVICE FOR ITS IMPLEMENTATION

Изобретение относится к рентгенотехнике и может быть использовано для рутинного контроля и оценки правильности функционирования цифровых рентгеновских аппаратов и их основных узлов, а именно, рентгеновского питающего устройства с излучателем и цифрового приемника рентгеновского изображения.
Рутинный контроль наряду с инсталляционными и периодическими испытаниями является важным звеном в процедуре обеспечения качества рентгеновского оборудования.
Основная задача рутинных испытаний заключается в том, чтобы в процессе простой проверки при использовании максимально простого тестового оборудования в кратчайшие сроки получить однозначный ответ о техническом состоянии аппарата до начала приема пациентов.
Данные испытания, как правило, осуществляются силами медицинского персонала (рентгенолаборантом) с определенной периодичностью (идеальный вариант - ежедневно). В случае, если по результатам контроля делается вывод о неработоспособности какого-либо узла аппарата, все исследования на этом аппарате прекращаются до тех пор, пока не будут проведены сервисные работы с устранением выявленных неисправностей.
В настоящее время в лечебно-профилактических учреждениях (ЛПУ) Российской Федерации рутинный контроль цифровых рентгенодиагностических аппаратов практически не проводится. Отсутствуют простые аппаратно-программные средства, которые позволили бы нетехническому специалисту (рентгенолаборанту) осуществлять данные проверки. Предусмотренные в большинстве современных серийно выпускаемых аппаратов системы автотестирования отдельных узлов, к сожалению, не гарантируют стабильность выходных параметров устройства в целом (например, не отслеживается изменение интенсивности рентгеновского потока из-за износа рентгеновской трубки).
Таким образом, разработка способа и устройства рутинного (ежедневного) контроля работоспособности цифровых рентгеновских аппаратов представляется актуальной.
Из уровня техники известно «Устройство для контроля высокого напряжения в рентгеновских аппаратах» (РФ, патент №2038705, публ. 27.06.1995 г.).
Устройство используют в рентгенотехнике для контроля правильности функционирования рентгеновских аппаратов по высокому напряжению. Задача изобретения: создание простой и эффективной системы контроля высокого напряжения в рентгеновских аппаратах при радиационных измерениях путем фиксации калибровки устройства.
Известен «Способ измерения анодного напряжения на рентгеновской трубке» (РФ, патент №2286654, публ. 27.10.2006 г.).
Способ используют для измерения анодного напряжения на рентгеновской трубке и предназначен он для применения в рентгеновских визуализирующих системах, в частности, в рентгеновских устройствах для медицинской диагностики.
Известна «Координатная метка для рентгенографии» (РФ, патент №2206267, публ. 20.06.2003 г.).
Техническое решение относится к устройствам для определения технических характеристик рентгенодиагностических аппаратов, и предназначено для выявления механической нерезкости изображения. При использовании изобретения обеспечивается возможность выявления механической нерезкости изображения, возникающей в результате вибрации рентгеновского штатива.
Известен «Тест-объект» (РФ, патент №2181984, публ. 10.05.2002 г.).
Изобретение относится к рентгенотехнике и обеспечивает возможность исследования геометрической нерезкости изображения по всей толщине объекта рентгенографии.
Однако, известные технические решения являются достаточно сложными в эксплуатации, более того, они не предназначены для одновременного контроля и оценки работоспособности рентгеновского питающего устройства с излучателем и цифрового приемника рентгеновских аппаратов, что в настоящий момент является весьма актуальным.
Эти известные технические решения являются аналогами заявленному техническому решению.
Из уровня техники не выявлено наиболее близкого аналога к предлагаемому способу и устройству рутинного (ежедневного) контроля и оценки работоспособности цифровых рентгеновских аппаратов и их основных узлов.
Предложенное техническое решение предполагает оценку работоспособности двух основных узлов цифрового рентгеновского аппарата, а именно: рентгеновского питающего устройства с излучателем, а также цифрового приемника рентгеновского изображения.
Для рентгеновской части осуществляется контроль значений анодного напряжения и количества электричества, для приемника - коэффициента передачи и уровня внутренних шумов.
Достигаемым при использовании предлагаемого изобретения техническим результатом является получение в процессе простой проверки при использовании максимально простого тестового оборудования в кратчайшие сроки однозначного ответа о техническом состоянии рентгеновского аппарата до начала приема пациентов.
Технический результат достигается тем, что в предлагаемом способе контроль и оценку работоспособности основных узлов цифрового рентгеновского аппарата, а именно, рентгеновского питающего устройства с излучателем и цифрового приемника, осуществляют посредством анализа цифрового изображения тест-объекта, для чего тест-объект размещают в середине входной плоскости цифрового приемника, осуществляют его экспозицию с параметрами съемки, соответствующими анодному напряжению и количеству электричества при клиническом использовании аппарата, регистрируют изображение, на этом изображении в зависимости от оцениваемого параметра выбирают области интереса, соответствующие различным функциональным элементам конструкции тест-объекта, затем математически с использованием программного обеспечения рассчитывают средние значения уровней яркости в выбранных областях изображения, а также отношение средних значений уровней яркости в различных областях, по которому, используя калибровочную кривую, оценивают анодное напряжение, при этом при оценке количества электричества, а также коэффициента передачи и уровня внутренних шумов цифрового приемника используют рассчитанное значение анодного напряжения, соответствующую калибровочную кривую, величину отношения сигнал/шум и дисперсию шума, полученные расчетным путем для выбранных областей зарегистрированного изображения.
Устройство (тест-объект), реализующее предлагаемый способ представляет собой алюминиевую подложку квадратной формы толщиной 2 мм, на поверхности которой жестко закреплены шесть функциональных элементов в виде пластин разной толщины и геометрической формы, предназначенных для определения параметров, используемых при расчете величин для оценки и контроля работоспособности основных узлов рентгеновского аппарата, при этом четыре пластины из шести имеют квадратную форму, одна из них выполнена из свинца и имеет толщину 3-4 мм, а три другие выполнены из алюминия и имеют толщины соответственно 1 мм, 3 мм и 5 мм, причем две пластины из шести имеют прямоугольную форму, одна выполнена из нержавеющей стали и имеет толщину 1 мм, другая выполнена из алюминия и имеет толщину 18 мм, прямоугольная пластина из нержавеющей стали закреплена на прямоугольной пластине из алюминия, на подложке в середине каждой из сторон квадрата выполнены метки, предназначенные для позиционирования тест-объекта на поверхности цифрового приемника.
Оценка и контроль основных узлов цифрового рентгеновского аппарата производится посредством анализа цифрового изображения тест-объекта, зарегистрированного при часто используемых параметрах съемки (например, при анодном напряжении 70 кВ, количестве электричества 100 мАс, фокусном расстоянии порядка 1 м для аппаратов общего назначения и 28 кВ и 20 мАс для маммографов).
Предлагаемый способ контроля и оценки работоспособности основных узлов цифрового рентгеновского аппарата и устройство его реализующее (тест-объект) поясняются чертежом, где на фиг. 1 показан общий вид устройства.
Тест-объект выполнен в виде подложки 1, на которой жестко закреплены шесть функциональных элементов 2, 3, 4, 5, 6 и 7. Подложка 1 имеет форму квадрата, выполнена из алюминия и имеет толщину 2 мм. Функциональные элементы 2, 3, 4 и 5 выполнены в виде пластин квадратной формы. Функциональный элемент 2 выполнен из свинца и имеет толщину 3-4 мм, функциональные элементы 3, 4 и 5 выполнены из алюминия и имеют толщины 5 мм, 3 мм и 1 мм соответственно. Функциональные элементы 6 и 7 выполнены в виде платин прямоугольной формы. Функциональный элемент 6 выполнен из нержавеющей стали и имеет толщину 1 мм, функциональный элемент 7 выполнен из алюминия и имеет толщину 18 мм. Функциональный элемент 6 жестко закреплен на поверхности функционального элемента 7. На подложке 1 посередине каждой из четырех сторон квадрата выполнены метки 8, предназначенные для позиционирования тест-объекта на цифровом приемнике.
Подложка тест-объекта имеет внешние размеры 180 мм × 180 мм. Таким образом, данный тест-объект может быть свободно размещен на поверхности всех серийно выпускаемых цифровых приемников, применяемых для аппаратов общего назначения и маммографов (минимальный размер цифрового маммографического приемника составляет 18 см × 24 см).
Все элементы тест-объекта изготавливаются в виде пластин определенной толщины для того, чтобы при прохождении рентгеновского потока через эти элементы излучение в пределах элементов ослаблялось одинаково. Подложка и функциональные элементы тест-объекта выполняются из различных материалов, чтобы обеспечить необходимое ослабление рентгеновского излучения за этими элементами, не прибегая к увеличению габаритных размеров конструкции. В качестве материалов элементов конструкции используются: алюминий, нержавеющая сталь и свинец. Несложно показать, что поток рентгеновских квантов с эффективной энергией порядка 50 кэВ (обеспечивается заданием анодного напряжения 70 кВ и установкой дополнительного фильтра на выходе излучателя порядка 20 мм алюминия) ослабляется 1 мм свинца приблизительно так же, как 6 мм нержавеющей стали или 94 мм алюминия.
Для аппаратов общего назначения (опорное значение анодного напряжения составляет порядка 70 кВ) для получения квазимоноэнергетичного рентгеновского потока (что необходимо для обеспечения воспроизводимости результатов расчета параметров), как правило, используют дополнительный фильтр из алюминия толщиной порядка 20 мм. В связи с этим, суммарная толщина элементов 1 и 7 составляет 20 мм. Толщина пластины, выполненной из нержавеющей стали 6, составляет 1 мм. Этого вполне достаточно, чтобы обеспечить существенное поглощение рентгеновского излучения за комбинацией элементов 6-7-1 по сравнению с 7-1, что необходимо для обеспечения требуемой точности оценки анодного напряжения.
В маммографических аппаратах (опорное значение анодного напряжения составляет порядка 28 кВ) рентгеновское излучение значительно более «мягкое» по сравнению с аппаратами общего назначения. Поэтому для обеспечения квазимоноэнергетичного рентгеновского потока, как правило, используется алюминиевый фильтр, толщина которого составляет около 2 мм (подложка 1). В случае с маммографическими аппаратами для существенного ослабления рентгеновского излучения достаточно алюминиевой пластины толщиной 1-5 мм алюминия. Поскольку в настоящее время для серийно выпускаемых маммографов используется достаточно большое количество комбинаций материалов анода рентгеновской трубки и выходного фильтра излучателя (например, Mo/Mo, Mo/Rh, Rh/Rh, W/Rh, W/Al и т.д.), то в конструкции тест-объекта предусмотрены функциональные элементы 3, 4, 5 (отличающиеся по толщине).
Толщина свинцовой пластины 2 должна быть такой, чтобы обеспечивать полное поглощение входного рентгеновского потока, формируемого в аппаратах общего назначения (при этом, для цифровых маммографов данное условие будет выполняться автоматически). Установлено, что свинцовой пластины толщиной 3-4 мм вполне достаточно, чтобы полностью поглотить рентгеновский поток с эффективной энергией порядка 50 кэВ.
Предлагаемый способ реализуется с помощью тест-объекта следующим образом.
Для оценки значений анодного напряжения и количества электричества рентгеновского питающего устройства с излучателем, а также коэффициента передачи и уровня внутренних шумов цифрового приемника рентгеновского изображения аппаратов общего назначения и маммографов необходимо разместить тест-объект в середине входной плоскости цифрового приемника.
Позиционирование тест-объекта осуществляется с помощью специальных меток 8, расположенных посредине каждой из сторон подложки 1 тест-объекта.
Как правило, на цифровом приемнике имеется разметка в виде горизонтальной и вертикальной линий, проходящих через центр приемника и середины боковых сторон приемника.
Таким образом, совмещая метки 8 тест-объекта с линиями на поверхности приемника, можно обеспечить его позиционирование.
После установки тест-объекта осуществляют экспозицию, причем параметры съемки (анодное напряжение и количество электричества) должны соответствовать принятым для клинического использования аппарата.
На основе зарегистрированного изображения тест-объекта в областях интереса, соответствующих отдельным элементам его конструкции математически (с использованием программного обеспечения) рассчитывают следующие параметры: средние уровни яркостей и их отношения, дисперсии яркостей, а также отношения сигнал-шум (далее - рассчитываемые параметры).
Для аппаратов общего назначения рассчитываемые параметры оценивают за следующими элементами конструкции тест-объекта: за свинцовой пластиной 2 квадратной формы толщиной 3-4 мм и алюминиевой подложкой 1 толщиной 2 мм; за алюминиевой пластиной прямоугольной формы 7 толщиной 18 мм и алюминиевой подложкой 1 толщиной 2 мм; за прямоугольной пластиной 6 из нержавеющей стали толщиной 1 мм, алюминиевой пластиной 7 прямоугольной формы толщиной 18 мм и алюминиевой подложкой 1 толщиной 2 мм.
Для цифровых маммографов рассчитываемые параметры оценивают за следующими элементами конструкции тест-объекта: за свинцовой пластиной 2 квадратной формы толщиной 3-4 мм и алюминиевой подложкой 1 толщиной 2 мм; за алюминиевыми пластинами 3, 4, 5 квадратной формы толщинами 5, 3, 1 мм соответственно и алюминиевой подложкой 1 толщиной 2 мм; за алюминиевой подложкой 1 толщиной 2 мм.
Оценка анодного напряжения для аппаратов общего назначения осуществляется следующим образом.
с-ал-п
ал-п
ал-п
c-ал-п
a
С помощью зарегистрированного изображения тест-объекта математически (с использованием программного обеспечения) рассчитывают следующие параметры: определяют средние значения уровней яркостей в выбранной области исследования за пластиной из нержавеющей стали 6, алюминиевой пластиной 7 и подложкой 1 - S, а также за алюминиевой пластиной 7 и подложкой 1 - S. Отношение этих двух значений S/S будет зависеть только от величины анодного напряжения рентгеновского излучателя (U).
ал-п
c-ал-п
a
ал-п
c-ал-п
a
Таким образом, если предварительно выполнена калибровка рентгеновского аппарата с шагом примерно 2 кВ, т.е. получена зависимость S/S от U в диапазоне напряжений примерно ±10 кВ относительно опорного значения, то, рассчитывая отношение S/S и используя калибровочную кривую, можно оценить U.
ал-п
п
п
ал-п
a
п
ал-п
a
Оценка анодного напряжения для маммографов осуществляется следующим образом. С помощью зарегистрированного изображения тест-объекта математически (с использованием специализированного программного обеспечения) определяют средние значения уровней яркостей в выбранной области интереса за одной из алюминиевых пластин 3, 4 или 5 (толщиной 5, 3 или 1 мм) и подложкой 1 - S, а также только за подложкой 1 - S. Выбор толщины алюминиевой пластины (1, 3 или 5 мм) определяется комбинацией материалов анода рентгеновской трубки и выходного фильтра излучателя каждого отдельного маммографа. Отношение S/S зависит только от величины анодного напряжения U. Таким образом, зная отношение S/S и имея предварительно полученную с шагом примерно 1 кВ калибровочную кривую в диапазоне напряжений примерно ±5 кВ относительно опорного значения, можно оценить U.
a
a
Оценка количества электричества (мАс) для аппаратов общего назначения осуществляется с использованием рассчитанного значения анодного напряжения (U), квадрата отношения сигнал/шум  полученного с использованием зарегистрированного изображения (за функциональными элементами тест-объекта, включающими нержавеющую сталь 6, алюминиевую пластину 7 и подложку 1), а также полученной при калибровке аппарата зависимости нормированного на величину мАс квадрата отношения сигнал/шум  от U. Отношение сигнал/шум оценивается как результат деления среднего значения уровня яркости в выбранной области изображения тест-объекта к среднеквадратическому отклонению значения яркости в этой же области.
Для маммографического аппарата квадрат отношения сигнал/шум  определяется за функциональными элементами конструкции тест-объекта, включающими алюминиевую пластину 3, 4 или 5 (толщиной 5, 3 или 1 мм) и подложку 1.
a
Таким образом, зная U, с помощью калибровочной кривой оценивают  Далее значение количества электричества рассчитывается как результат деления  на
с-ал-п
Оценка коэффициента передачи цифрового приемника (G) для аппаратов общего назначения определяется как результат деления среднего уровня яркости (S) на квадрат отношения сигнал/шум
ал-п
Для маммографа - как результат деления S на
2
Оценка уровня внутренних шумов цифрового приемника (σ) для аппаратов общего назначения и маммографов осуществляется путем расчета дисперсии значений яркости в области изображения тест-объекта за функциональными элементами конструкции, включающими свинцовую пластину 2 и алюминиевую подложку 1.
Предлагаемое техническое решение «Способ контроля и оценки работоспособности основных узлов цифрового рентгеновского аппарата» реализуют следующим образом:
Пример.
Рассмотрим контроль анодного напряжения, количества электричества, а также коэффициента передачи и внутренних шумов цифрового приемника для следующего аппарата: рентгеновский комплекс Definium 6000 с плоскопанельным цифровым приемником па основе аморфного кремния, производства компании GE Healthcare (США).
ал-п
c-ал-п
ал-п
c-ал-п
a
1. Предварительно проводится процедура калибровки рентгеновского аппарата, а именно: в центральной части приемника устанавливается (с использованием соответствующих меток) тест-объект; задается необходимое фокусное расстояние (например, 1 м); далее регистрируется серия изображений этого тест-объекта при значениях анодного напряжения в диапазоне примерно ±10 кВ относительно опорного значения (70 кВ) с шагом 2 кВ и неизменным значением количества электричества 100 мАс; для каждого зарегистрированного изображения математически рассчитывается отношение S/S, а также нормированное на величину мАс значение квадрата отношения си шал/шум  В таблицах 1 и 2 представлены результаты калибровки (зависимости отношения S/S, а также  от U).
a
c-ал-п
-2
2
2
2
Для изображения, полученного при опорном значении U=70 кВ, дополнительно оценивают коэффициент передачи цифрового приемника (G), как результат деления среднего уровня яркости (S) на квадрат отношения сигнал/шум  т.е. G=472,32/5622,32=8,4⋅10, а также дисперсию внутренних шумов цифрового приемника (σ): σ=6,5. Полученные оценки G и σ используют в качестве базовых (опорных) при проведении рутинного (ежедневного) контроля.
ал-п
c-ал-п
ал-п
c-ал-п
2
-2
2
2. При проведении рутинного (ежедневного) контроля рентгенолаборант воспроизводит позиционирование тест-объекта и геометрию съемки (установку фокусного расстояния), как при калибровке аппарата. Далее на консоли оператора задаются опорные значения анодного напряжения (70 кВ) и количества электричества (100 мАс) и осуществляется экспозиция. С использованием зарегистрированного изображения оцениваются: отношение S/S,  G и σ. Пусть, например, отношение S/S равно 2,06;  G=473,56/5845,56=8,1⋅10 (отклонение от опорного значения, полученного при калибровке, менее 4%); σ=6,7 (отклонение от опорного значения, полученного при калибровке, менее 4%). Используя данные, представленные в таблице 1, получаем, что фактическая величина анодного напряжения рентгеновского аппарата составляет 72 кВ (т.е. наблюдается отклонение от опорного значения на величину не более 3%). Используя данные, представленные в таблице 2 и рассчитанное значение анодного напряжения (72 кВ), получаем, что величина мАс составляет 98,1 (отклонение от опорного значения менее 2%).
3. Задавая допустимые значения отклонения того или иного параметра от опорного значения, можно осуществлять оценку работоспособности основных узлов рентгеновского аппарата (рентгеновского питающего устройства с излучателем, а также цифрового приемника). Пусть, например, максимально допустимое отклонение результата оценки анодного напряжения от опорного значения составляет 10%. Тогда полученное при рутинном контроле отклонение рассчитанного значения анодного напряжения от опорного значения более чем на 10% будет говорить о неисправности рентгеновского питающего устройства.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Представленный способ контроля и оценки работоспособности основных узлов цифрового рентгеновского аппарата и устройство для его осуществления позволяют производить эффективный рутинный контроль цифрового рентгеновского оборудования до начала приема пациентов силами медицинского персонала. Время, необходимое на проведение тестирования, не превышает 5-10 минут.