СКАНИРУЮЩИЙ МАЛОДОЗОВЫЙ РЕНТГЕНОГРАФИЧЕСКИЙ АППАРАТ

Изобретение относится к рентгенотехнике, а именно к рентгенографическим аппаратам и может быть использовано при создании цифровых сканирующих рентгенографических аппаратов медицинского и промышленного назначения.
До недавнего времени в медицинских и промышленных рентгенографических аппаратах для регистрации рентгеновского излучения (РИ) в основном использовались рентгеновские пленки с усиливающими экранами. Главными их недостатками являются большие эксплуатационные расходы, малый динамический диапазон регистрации РИ и несовместимость с современными цифровыми технологиями. В настоящее время быстро развиваются и интенсивно внедряются в практику аппараты с цифровыми приемниками РИ, созданными на основе использования различных технологий. Так, уже разработаны и начинают применяться рентгенографические плоские визуализирующие системы различных конфигураций (см. журнал Медтехника №5, 2004 г., с.34-37). Аппараты, оснащенные такими приемниками РИ, обладают высокими техническими параметрами, но являются очень дорогими изделиями и в них не полностью решена проблема радиационной защиты электронных компонентов, что ограничивает их срок службы. Все рентгенографические аппараты, изображения в которых воспроизводятся с помощью приемников с большими площадями приемных апертур, включая приемники, создаваемые по схеме - рентгеновский экран + оптика + матрица ПЗС, имеют пониженную контрастную чувствительность за счет сильного влияния рассеянного РИ.
В настоящее время интенсивно разрабатываются и внедряются в медицинскую практику сканирующие аппараты, в которых используются многоканальные линейные приемники РИ со щелевыми коллиматорами, что устраняет влияние рассеянного РИ на контрастную чувствительность изображений. Рентгеновские изображения в этих аппаратах получают в процессе механического сканирования объекта диагностики плоским веерным пучком РИ. Одним из лучших аппаратов этого типа является цифровой флюорограф ФМЦ, выпускаемый ЗАО «Научприбор», г.Орел (см. журнал Медтехника №3, 2005 г., с.34-37). Основной недостаток его заключается в том, что он регистрирует только малую часть потока РИ трубки, т.к. ионизационная камера, которая используется в качестве преобразователя РИ, содержит только одну строку, состоящую из 2048 ионизационных ячеек. Длина сроки ионизационной камеры ровна 410 мм, следовательно, горизонтальный размер одной ячейки обставляет 0.2 мм. Для получения качественного рентгеновского изображения (большого отношения сигнала к шуму) при такой малой приемной апертуре необходимо сильно увеличивать
исходный поток РИ, что приводит к повышенным нагрузкам рентгеновского излучателя и ограничению диагностических возможностей аппарата.
Для устранения этого недостатка сканирующего аппарата необходимо увеличить площадь приемной апертуры линейного многоканального приемника и одновременно сохранить его высокое пространственное разрешение.
Наиболее близким к заявляемому техническому решению является сканирующий рентгенографический аппарат, взятый в качестве прототипа, описанный в патенте US №6031892, Кл. А61В 6/00, 2000 г., содержащий механическую сканирующую систему, на которой последовательно расположены рентгеновский излучатель, щелевые коллиматоры и рентгеновский приемник, содержащий многострочные твердотельные линейные детекторы, установленные по ширине зоны сканирования.
В данном аппарате применены многострочные детекторы РИ с линейными приемными апертурами, что позволяет значительно повысить эффективность регистрации РИ, сохранить повышенную контрастность формируемых рентгеновских изображений и обеспечить их высокое пространственное разрешение. Эти многострочные детекторы РИ созданы на основе использования приборов с зарядовой связью (ПЗС) (или charge-coupled device - CCD), работа которых организована по методу временной задержки и накопления сигналов (ВЗН) (или Time Delay Integration-TDI). Сущность ВЗН метода заключается в том, что в процессе сканирования каждый фрагмент рентгеновского изображения последовательно регистрируется всеми строками приемника, а накопленные заряды суммируются в секциях хранения синхронно с перемещением спроецированного на фоточувствительные элементы рентгеновского изображения. В результате такой предварительной обработки выходные сигналы каждого элемента изображения возрастают прямо пропорционально количеству строк приемника. На базе ПЗС матриц ряд фирм уже разработали и внедрили в производство детекторы рентгеновских изображений, обладающие высокими техническими параметрами. Для увеличения линейных размеров приемных апертур приемников многострочные матрицы фоточувствительных элементов в таких детекторах составляют из отдельных чипов, которые последовательно плотно устанавливают на керамическую подложку. Известные детекторы содержат не более трех чипов и максимальный линейный размер их приемных апертур составляет не более 220 мм (например, детектор S8658 фирмы HAMAMATSU).
Основной недостаток аппаратов, использующих такие детекторы, заключается в том, что за счет неплотной стыковки полупроводниковых пластин, на которых сформированы ПЗС матрицы, в местах стыковки возникают зазоры, часто называемые «мертвыми зонами». Размеры этих зазоров могут достигать 350 мкм (см. детектор S8658 фирмы
HAMAMATSU), что совершенно не приемлемо, например, для медицинских аппаратов общего назначения. При сканировании объектов эти зазоры приводят к возникновению не контролируемых вертикальных зон шириной до 7 элементов изображения. Кроме того, эта проблема усугубляется при создании детектора, линейный размер приемной апертуры которого должен составлять 400 мм и более, что требуется, например, при создании медицинского рентгенографического аппарата.
В прототипе предложено два основных решения по устранению «мертвых зон», каждое из которых обладает своим недостатком.
Первое решение заключается в том, что волоконно-оптические пластины (ВОП) выполняются в виде фоконов, т.е. линейные размеры входных торцов ВОП превышают аналогичные размеры выходных торцов (см. фиг.26 прототипа). Изготовление фоконов с идентичными параметрами, которые обеспечивали бы передачу изображений без их заметных искажений, является сложной и дорогостоящей технологической задачей.
Второе решение - сенсоры размещаются по дуге окружности (см. фиг.27 прототипа). При размещении сенсоров по дуге окружности с радиусом равным фокусному расстоянию аппарата (не менее 100 см) угол наклона сенсоров относительно друг друга будет составлять не более 4 градусов. Это значит, что для обеспечения необходимого зазора не менее 1 мм между многострочными фоточувствительными матрицами (высота) ВОП должна порядка 20 мм. При такой толщине ВОП световой поток сцинтиллятора будет ослабляться ею не менее чем на 70%, что приведет к частичной потери его информативности. Кроме того, увеличится засветка соседних каналов и усложнится конструктивное исполнение детектора за счет увеличения массогабаритных параметров ВОП.
Технической задачей, решаемой настоящим техническим решением, является улучшение качества рентгенографических изображений путем устранения «мертвых зон» многострочных твердотельных линейных детекторов с сохранением их информативности.
Указанная задача в сканирующем малодозовом рентгенографическом аппарате, содержащем механическую сканирующую систему, на которой последовательно расположены рентгеновский излучатель, щелевые коллиматоры и рентгеновский приемник, включающий многострочные твердотельные линейные детекторы, установленные по ширине зоны сканирования, достигается тем, что многострочные твердотельные линейные детекторы рентгеновского приемника, установленные по ширине зоны сканирования, размещены в n параллельных рядах со сдвигом друг относительно друга в каждом ряду, при этом аппарат содержит не менее двух щелевых коллиматоров, разнесенных в пространстве по ходу пучка рентгеновского излучения, выполненных n-рядными, щели которых ориентированы
на фокус рентгеновского излучателя, а их проекции совмещены с приемными апертурами многострочных твердотельных линейных детекторов.
Для исключения «мертвых зон» в формируемых рентгенограммах, шаг размещения многострочных твердотельных линейных детекторов по ширине зоны сканирования выбирается равным или меньше продольных размеров их приемных апертур. При меньшем шаге концы приемных апертур многострочных твердотельных линейных детекторов одного ряда гарантированно перекрываются началами приемных апертур детекторов, расположенных в соседнем ряде. За счет этого объект в зоне перекрытия строк сканируется дважды. При считывании сигналы перекрывающих каналов суммируют, усредняют и воспроизводят одновременно со всеми строками на экране монитора. Таким образом, предложенное решение обеспечивает не только устранение «мертвых зон», но и повышает отношения сигнал/шум сигналов в этих зонах. Возможен и второй вариант, при котором сигналы перекрывающихся каналов просто исключаются программно из информационного массива рентгенограммы. В обоих случаях нарушение шага чередования строчных каналов не будет превышать 50% его размера. Например, если шаг размещения фоточувствительных элементов в линейной ПЗС матрице составляет 100 мкм, то в месте стыковки строк двух детекторов он может различаться максимум на 50 мкм, что вполне допустимо, т.к. не вносит видимых визуальных искажений рентгенограммы. Перекрывающиеся каналы детекторов первоначально определяются по тестовой рентгенограмме и их адреса заносятся в память компьютера для дальнейшего использования при формировании информационного массива рентгенограммы.
Для снижения дозовой нагрузки на пациента, по крайней мере, один n - рядный щелевой коллиматор размещен возле рентгеновского излучателя, а второй - над приемными апертурами многострочных твердотельных линейных детекторов.
Для формирования n - рядных веерных пучков РИ и совмещения их с апертурами детекторов, шаг размещения и размеры щелей n - рядных коллиматоров принимают прямо пропорциональными расстояниям коллиматоров от фокусного пятна рентгеновского излучателя, а проекции щелей n - рядных коллиматоров на многострочные твердотельные линейные детекторы пространственно совмещают с их приемными апертурами.
Практически в предлагаемом аппарате формируется n веерных пучков РИ, перекрывающихся по ширине зоны сканирования, каждый из которых регистрируется своим многострочным твердотельным линейным детектором, что позволяет устранить «мертвые зоны» на формируемых рентгенограммах и сохранить их информативность. Кроме того, пространственно разнесенные многострочные твердотельные детекторы небольших линейных размеров (30-70 мм) с индивидуальными щелевыми коллиматорами, лучше защищены от
рассеянного РИ, чем приемник с линейной апертурой 400 мм и более, регистрирующий широкий, освещающий всю ширину зоны сканирования, веерный пучок. Это позволяет повысить отношение сигнал/шум и дополнительно улучшить качество рентгенограмм.
Таким образом, предложенное техническое решение позволяет существенно повысить качество формируемых рентгенограмм при сохранении высокого пространственного разрешения, высокой контрастной чувствительности и высокой эффективности регистрации РИ и существенно уменьшить дозу облучения пациента.
На фиг.1А приведен фрагмент выполнения рентгеновского приемника, состоящего из двух рядом стоящих многострочных твердотельных линейных детекторов.
На фиг.1Б показан шаг продольного размещения двух рядом стоящих многострочных твердотельных детекторов и зона их перекрытия.
На фиг.1В показан фрагмент фоточувствительных элементов линейной ПЗС матрицы.
На фиг.2А, 2Б и 2В приведены различные варианты размещения многострочных твердотельных детекторов по ширине зоны сканирования.
На фиг.3 показаны составные элементы рентгеновского приемника.
На фиг.4 приведена рентгенооптическая схема сканирующего малодозового рентгенографического аппарата.
На фиг.5 приведен общий вид заявляемого сканирующего малодозового рентгенографического аппарата.
На фиг.1А показан фрагмент выполнения рентгеновского приемника, состоящего из двух многострочных твердотельных линейных детекторов 6, установленных с перекрытием их приемных апертур. Каждый детектор 6 содержит: сцинтиллятор 1, волоконно-оптическую пластину 2, ПЗС матрицу 3 и керамическую подложку 4. Детекторы устанавливаются на кросс плате 5. ПЗС матрицы 3 содержат фоточувствительные элементы (ф.ч.э.) 7, являющиеся приемниками световых сигналов сцинтиллятора (см. Фиг.1В). Установка многострочных твердотельных детекторов 6 на кросс плате 5 предусматривает выполнение следующих условий (см. фиг.1Б):
T≤t и Δt≥0
где Т - шаг размещения детекторов; t - линейный размер приемных апертур детекторов; Δt - зона перекрытия их приемных апертур.
На фиг.2А, 2Б и 2В приведены возможные варианты компоновки многорядного рентгеновского приемника, составленного из шести многострочных твердотельных детекторов 6 (вид со стороны излучателя) на кросс плате 5. На фиг.2А детекторы установлены в шести рядах (n=6). На фиг.2Б они размещены в двух колоннах по три ряда в каждой
(n=3). На фиг.2В детекторы установлены в двух рядах (n=2). Выбор варианта компоновки зависит от назначения аппарата, конструктивных особенностей детекторов, удобства монтажа и схемы их управления.
На фиг.3 представлен трехрядный рентгеновский приемник заявляемого аппарата, включающий дополнительно: защитную крышку 8 с трехрядным щелевым коллиматором 9; корпус приемника 10 с электрическим разъемом 11; электронную плату 12 управления ПЗС матрицами.
На фиг.4 приведена рентгенооптическая схема заявляемого сканирующего малодозового рентгенографического аппарата, содержащая механическую маятниковую сканирующую систему с приводом 13, на плече 14 которой размещен рентгеновский приемник 15 (представленный на фиг.3). На плече 16 маятникового рычага последовательно установлены рентгеновский излучатель 17, щелевой коллиматор 18 и двухрядный щелевой коллиматор 19. Щелевой коллиматор 18 формирует веерный пучок РИ 20, который освещает все щели двухрядного щелевого коллиматора 19. На выходе коллиматора 19 формируются n рядов (на фиг.4 их два) узких веерных пучков 21, каждый из которых проектируются на свой многострочный твердотельный детектор 6 рентгеновского приемника 15.
На фиг.5 приведен общий вид сканирующего малодозового рентгенографического аппарата. Он выполнен по патенту RU 2202953 и содержит телеуправляемый стол-штатив поворотный 22 с консолью 23 и пультом управления 24, рентгеновский излучатель 17, щелевой коллиматор 18 и n-рядный щелевой коллиматор 19, многострочный приемник РИ 15 и автоматизированное место (АРМ) 26 рентгенолога.
Заявляемый аппарат работает следующим образом. Пациента размещают на деки стола-штатива 22 и его консоль 23 с механической сканирующей системой с помощью пульта управления 24 подводят к выбранной области диагностики. С АРМ 26 оператор выдает команду на производство снимка. По этой команде включаются привод механической сканирующей системы 13 и рентгеновский излучатель 17 и рентгеновский приемник 15 перемещаются на заданный угол. В процессе поворота вся область исследования пациента сканируется узкими веерными пучками РИ 21. Рассеянное телом пациента РИ 27 отсекается вводным n - рядным щелевым коллиматором 9, а информационная часть РИ веерных пучков регистрируется многострочным приемником РИ 15. Оцифрованные сигналы с выхода рентгеновского приемника 15 поступают на вход АРМ 26, где их обрабатывают, формируют информационный массив рентгенограммы и воспроизводят на экране монитора известными способами.
Ниже приведен пример конкретной реализации заявленного технического решения.
Опытный образец сканирующего малодозового рентгенографического аппарата был выполнен на базе серийно выпускаемого аппарата АРСЦ-02-«Н» «ВЗОР» с фокусным расстоянием 1000 мм. Экспериментальный рентгеновский приемник был разработан на базе сенсоров S7199-01 фирмы HAMAMATSU. Рентгеночувствительная апертура каждого сенсора составляла 164×6 мм, а общий размер линейной апертуры приемника - 430 мм. Размер полномасштабной рентгенограммы равнялся 400×400 мм, а время ее формирования - 6 с. Основные результаты, полученные на опытном образце аппарата:
пространственное разрешение - 5 п.л./мм;
- «мертвая зона» в месте стыковки многострочных твердотельных детекторов - ≤50 мкм;
- контрастная чувствительность - 1%;
- динамический диапазон - 800.
По результатам радиационных измерений опытного образца заявляемого аппарата, проведенных Центром гигиены и эпидемиологии г.Новосибирска (Протокол №414-2007 от 20.08.2007), средняя эффективная доза облучения на органы грудной клетки составила 6.2 мкЗв. Согласно данным радиационно-гигиенической паспортизации за 2005 год доза облучения при обычной рентгенографии составила на одного человека по России 310 мкЗв.
Таким образом, показано, что предложенное техническое решение позволяет создавать малодозовые рентгенографические аппараты, обладающие повышенными диагностическими возможностями.