БЛОК ДЕТЕКТИРОВАНИЯ СИСТЕМЫ ФОРМИРОВАНИЯ ИЗОБРАЖЕНИЯ ДЛЯ РАДИОЛОГИЧЕСКОГО КОМПЛЕКСА

Настоящая полезная модель относится к устройствам детектирования рентгеновского изображения и может найти применение в медицине, например, для использования в ангиографических комплексах, маммографии, флюороскопии, в интервенционной радиологии и т.д., а также в промышленных рентгеновских установках для выполнения неразрушающего контроля качества материалов.
Техническое решение относится к рентгеновской аппаратуре и может быть использовано при создании средств исследования в области радиологии.
В медицинских исследованиях для диагностики и лечения различных патологий внутренних органов широко используются радиологические комплексы, которые позволяют производить разные типы исследований: рентгенографию, рентгеноскопию, линейную томографию и томосинтез, флюорографию, маммографию и т.д. Для каждого типа исследований существует определенный набор данных, задаваемых перед проведением исследования. К таким заранее задаваемым параметрам относиться, например, доза облучения, зависящая от структуры, плотности органа, подлежащего исследованию; тип исследования и другие. Однако вне зависимости от этих данных одной из основных задач при выполнении исследований является задача установки и поддержания оптимальных параметров экспозиции и снижения лучевой нагрузки на исследуемый объект при сохранении качества изображения.
При проведении рентгеновского исследования в большинстве случаев требуется исследовать структуру определенной области объекта. Для исследования и отображения внутренней структуры объекта с помощью рентгеновского источника генерируют рентгеновское излучение и направляют его на объект исследования. Пройдя через объект, излучение падает на блок детектирования, который преобразует его в электрический сигнал, обрабатываемый далее системой формирования рентгеновского изображения, входящей в состав рентгеновского комплекса. Часть информации из входного рентгеновского излучения система преобразует в электрические сигналы изображения, выполняет их калибровку и обработку, формирует видеосигналы для дальнейшей визуализации или передачи в системы хранения и архивации. Другую часть сигналов система преобразует в электрические управляющие сигналы, предназначенные для формирования воздействия на другие блоки системы и на внешнее оборудование комплекса.
В качестве наиболее близкого аналога, совокупность признаков которого наиболее близкая к совокупности существенных признаков полезной модели, принято известное из уровня техники решение по патенту US №7313224 (опубл. 25.12.2007), где реализуется задача разработки системы формирования изображения для рентгеновского комплекса, одним из основных конструктивных элементов которой является блок детектирования. Блок детектирования работает в составе рентгеновского комплекса, включающего соединенный с рентгеновским питающим устройством рентгеновский источник, который излучает рентгеновские лучи. Пройдя через объект исследования, лучи попадают на блок детектирования, преобразующий фотоны с низкой энергией в свет, и матрица фотодетекторов преобразует световые сигналы в электрические. Полученный на выходе блока видеосигнал изображения направляют в блок обработки, который включает схему для накопления, обработки и усиления видеосигнала изображения. Блок управления, входящий в состав системы визуализации и обеспечивающий посредством интерфейса связь с панелью пользователя, управляет работой блока детектирования и всей системы. Блок управления использует данные предварительного (Preshot) изображения от блока детектирования, полученного в результате воздействия на объект небольшой дозы рентгеновского излучения. Данные о количестве, местоположении и размере областей интереса на предварительном изображении определяются на основе заранее заданной анатомии/вида или автоматически вычисляются из данных изображения, созданных в блоке детектирования. Эти данные используются для управления рентгеновским источником и получения в области интереса оптимального количества излучения. Для управления рентгеновским источником предлагается использование интегрированного модульного устройства, реализованного на основе ионизационной камеры и размещаемого между источником и блоком детектирования. Такое устройство, будучи установленным перед блоком детектирования, является элементом, ухудшающим качество сигнала. В результате включения конструктивных элементов ионизационной камеры в тракт распространения рентгеновского луча происходит поглощение рентгеновского излучения, участвующего в формировании полезного сигнала, что негативно влияет на качество получаемого в дальнейшем изображения. Конструктивные элементы имеют разные спектральные рентгеновские свойства, что приводит к появлению дополнительных артефактов на изображении. Недостатком является также жесткое задание зон интереса с ограниченной возможностью их изменения.
Задачей настоящей полезной модели является разработка блока детектирования системы формирования изображения для радиологического комплекса, лишенного недостатков известных устройств данного назначения.
Техническим результатом предлагаемого технического решения является, обеспечение высокого качества изображения за счет повышения информативности сигнала на выходе блока детектирования, возможность в режиме реального времени, управлять параметрами съемки без дополнительной лучевой нагрузки на объект исследования и при этом обеспечивать высокое качество изображения, а также возможность интегрирования предлагаемого блока детектирования в любой рентгеновский комплекс и использования его для выполнения любого типа исследования.
Для решения поставленной задачи с достижением указанного технического результата блок детектирования системы формирования изображения для радиологического комплекса, содержащего источник рентгеновского излучения, характеризуется тем, что блок снабжен детектором рентгеновского излучения, выполненным с возможностью приема указанного излучения, прошедшего через объект исследования. Первый выход детектора рентгеновского излучения, который является первым выходом блока детектирования, выполнен с возможностью получения, по меньшей мере, одного установочного параметра, определяющего параметры изображения. Второй выход указанного детектора является вторым выходом блока детектирования. Блок детектирования содержит связанные с детектором рентгеновского излучения блок синхронизации, обеспечивающий формирование сигналов синхронизации работы детектора и упомянутого комплекса, и блок формирования дополнительного сигнала для рентгеновского источника. Блок формирования дополнительного сигнала выполнен с возможностью обеспечения неразрушающего считывания информации с указанного детектора и с возможностью получения, по меньшей мере, одного установочного параметра, определяющего параметры изображения.
Помимо этого, в блоке детектирования получение, по меньшей мере, одного установочного параметра, определяющего параметры изображения, обеспечено посредством блока управления системы формирования изображения указанного комплекса.
В качестве варианта, в блоке детектирования детектор рентгеновского излучения выполнен на основе сенсоров, изготовленных с использованием технологии комплементарных структур металл-оксид-полупроводник (КМОП), с использованием тонкопленочных транзисторов или ПЗС-матриц.
Использование в системе формирования рентгеновского изображения блока формирования дополнительного сигнала, выполненного с возможностью обеспечения неразрушающего считывания информации с детектора рентгеновского излучения, позволяет исключить из тракта распространения рентгеновского излучения интегрированное модульное устройство, которое в известных рентгеновских комплексах размещают между источником излучения и блоком детектирования, и передать его функции (автоматический контроль экспозиции) блоку формирования дополнительного сигнала. Это позволило значительно повысить информативность и качество изображения.
Предлагаемое техническое решение рассмотрено на примере рентгенодиагностического комплекса и поясняется фиг., на которой приведена функциональная блок-схема, иллюстрирующая общее описание комплекса, включающего систему формирования изображения с блоком детектирования. На фиг. позициями обозначены:
1 - рентгеновский излучатель
2 - рентгеновское питающее устройство (далее - РПУ)
3 - блок детектирования
4 - детектор рентгеновского излучения
5 - блок формирования дополнительного сигнала
6 - блок калибровок
7 - блок обработки изображения
8 - блок визуализации
9 - блок управления
10 - блок интеграции с оборудованием комплекса
11 - блок интеграции с внешними системами
12 - блок записи, архивации и хранения видеоданных изображения
13 - блок формирования сигнала обратной связи
14 - оборудование рентгеновского комплекса
15 - внешние системы
16 - монитор(ы)
17 - блок синхронизации
18 - линия связи.
Рентгеновский диагностический комплекс содержит рентгеновский излучатель 1, соединенный с РПУ 2. Через размещаемый по ходу рентгеновских лучей объект исследования, излучатель 1 связан оптически с детектором 4 рентгеновского излучения. Детектор 4, в свою очередь, через блок 5 формирования дополнительного сигнала и блок 13 формирования обратной связи соединен с РПУ 2. Второй выход детектора 4, который является выходом блока детектирования 3, подключен к последовательно соединенным блокам: блоку калибровок 6, блоку 7 обработки изображения и блоку визуализации 8, причем каждый блок из указанной последовательности, а также детектор 4 посредством линии связи 18 соединены с блоком управления 9. Блок 7 соединен с блоком 12 записи, архивации и хранения изображений, который связан с блоком 11 интеграции с внешними системами. Детектор 4 через блок синхронизации 17, а РПУ 2 напрямую соединены с блоком 10 интеграции с оборудованием 14 рентгеновского комплекса, при этом блок 10 так же, как и блоки 11 и 12 с помощью линии связи 18 подключены к блоку управления 9.
Детектор 4 для примера реализации полезной модели выполнен на основе сенсоров, изготовленных с использованием технологии комплементарных структур металл-оксид-полупроводник (КМОП), однако он может быть реализован с использованием тонкопленочных транзисторов или ПЗС-матриц.
В основе функционирования блока 5 формирования дополнительного сигнала лежит решение, защищенное патентом US №7659516, что позволяет применять указанный блок в качестве устройства, выполняющего функции рентгеноэкспонометра с использованием пикселей с неразрушающим считыванием: блок позволяет производить считывание таких пикселей в заданной области интереса. Работа такого устройства основана на том, что считывание информации с данных пикселей производиться в течение экспозиции много чаще, чем длительность самой экспозиции, что приводит к формированию дополнительной информации, которая используется в канале обратной связи (блок 13 - см. далее), и во время проведения исследования поддерживает значение установочного параметра, по существу, постоянным. Информация с блока 5 поступает на блок 13 формирования сигнала обратной связи и предназначена для регулирования параметров РПУ. При применении данного устройства в системе формирования изображения значения яркости пикселей привязывается к дозе излучения при калибровке системы - на этапе задания установочных параметров с помощью блока управления 9, и далее, при штатной работе, система использует эту информацию для управления дозой излучения.
Блоки 6-13 являются функциональными блоками для выполнения различных операций, в частности, операций, связанных с обработкой изображения, и для специалистов в данной области техники очевидно, что эти блоки могут быть реализованы в аппаратных и/или программных средствах.
Блок калибровок 6 считывает видеоданные из блока детектирования 3 и осуществляет предварительную обработку (пре-процессинг) видеоданных изображения, позволяющую компенсировать особенности конструкции детектора и используемых в нем активных элементов, с целью получения изображения, отражающего состояние объекта на момент съемки, а также особенности пространственного расположения блока детектирования в рентгеновском комплексе.
Блок 7 обработки изображения для повышения качества изображения выполняет обработку видеоданных, прошедших пре-процессинговую обработку, и приводит изображение к виду, пригодному для отображения (например, блок выполняет коррекцию частотных, амплитудных, шумовых и т.п. характеристик). Обработка видеоданных изображения может подразумевать, в частности, использование специализированных пакетов обработки данных, получение или измерение параметров объекта исследования и т.д.
Блок визуализации 8 позволяет осуществлять вывод изображения на монитор(ы) 16 с заданными параметрами отображаемого изображения.
Блок управления 9, который, в общем случае, может содержать соответствующий процессор и интерфейс для управления и приема сигналов от блоков системы и комплекса в целом, обеспечивает как управление блоками, входящими в систему формирования изображений, так и управление оборудованием 14, входящим в комплекс, осуществляет взаимодействие между блоками, координирует работу блоков системы и всего комплекса. Блок позволяет обрабатывать квитированные и диагностические сообщения.
Блок 10 интеграции с оборудованием - устройство, позволяющее осуществлять на физическом и логическом уровне увязку системы формирования изображений с оборудованием, входящим в комплекс (например, оборудование (блок 14) для ангиографического комплекса это - стол, штатив, коллиматор, дозиметр, инжектор, дистанционный пульт управления и т.д.). Для обеспечения связи блок 10 оснащен достаточным количеством интерфейсов для подключения оборудования (например, интерфейс «сухие контакты», цифровые интерфейсы: Ethernet, CAN (CANopen), RS232, RS485, RS422 и т.п.)
Блок 11 интеграции с внешними системами позволяет осуществлять передачу записанных или архивированных данных в информационные системы в соответствующем формате (например, внешние системы (блок 15) для медицинских учреждений - это RIS - рентгенологическая информационная система, HIS - больничная информационная системы, формат данных для передачи DICOM).
Блок 12 записи, архивации и хранения изображения выполняет запись видеоданных изображения на носитель и считывание видеоданных с носителя, хранение и архивирование видеоданных изображения в требуемом формате.
Блок 13 формирования сигнала обратной связи обеспечивает выработку сигнал обратной связи на РПУ для корректировки настройки РПУ с целью поддержания требуемой дозы излучения, либо прекращения экспозиции. При этом для формирования сигнала обратной связи используется информация с блока 5 формирования дополнительного сигнала (например - сигнал стабилизации яркости - для режима скопии в ангиографических комплексах, сигнал остановки экспозиции - для режима графии в ангиографических комплексах и т.п.).
Блок синхронизации 17 обеспечивает на физическом и логическом уровне формирование сигналов синхронизации детектора 4 с оборудованием системы: формирование сигнала готовности блока детектирования 3 к накоплению видеоданных, обработка сигнала начала экспозиции и, как следствие, начало накопления информации в блоке детектирования.
В частном случае медицинского применения предлагаемое устройство в составе комплекса функционирует следующим образом.
На предварительном этапе, при подготовке к проведению исследования, оператор через блок управления 9 формирует запрос на получение снимка (либо серии снимков), для чего задает установочные параметры:
- для системы формирования изображений:
- параметры съемки - на детектор 4,
- размер, расположение и форма области интереса - на блок 5 формирования дополнительного сигнала,
- состав и параметры функций для предварительной обработки видеоданных изображения - на блок калибровок 6,
- состав и параметры функций обработки видеоданных изображения, прошедших пре-процессинговую обработку в блоке 6 - на блок 7 обработки изображения,
- параметры записи/хранения - на блок 12 записи, архивации и хранения изображения;
- для рентгеновского комплекса, например, для ангиографического комплекса:
- параметры для установки шторок коллиматора,
- уставки генератора для режимов съемки: скопия, серийная графия или одиночный снимок,
- установка/считывание положения стола,
- установка/считывание положения штатива и т.д.
После выбора параметров проведения съемки оператор через блок управления 9 формирует запрос готовности РПУ 2 и запрос готовности на блок детектирования 3.
Получив состояние готовности от РПУ 2 и детектора 4, блок 10 интеграции с оборудованием формирует соответствующую схему включения РПУ (например - режим скопия или графия для ангиографического комплекса) и обеспечивает синхронную работу блока 3 и РПУ для получение снимков (например, накопление данных в блоке 3 идет в момент подачи высокого напряжения на рентгеновский излучатель 1, считывание - в момент, когда высокое напряжение снято с рентгеновского излучателя). Считывание данных для формирования сигнала обратной связи обеспечивается в течение экспозиции. Формирование сигнала обратной связи, в зависимости от режима работы комплекса, может осуществляться как в течение экспозиции, так и по окончании экспозиции с предсказанием параметров генератора на следующий кадр.
Полученные видеоданные изображения с блока 3 отправляются в блок калибровок 6, где к ним применяется процедура предварительной обработки. После предварительной обработки видеоданные поступают на блок 7 обработки изображения, где для их обработки могут быть применены специализированные пакеты обработки данных (например, используемые в медицине кардиопакет, сосудистый пакет и т.п.). Если установочные параметры для данного блока не были заданы, видеоданные направляют на блок 8 визуализации, откуда они поступают на монитор(ы) 16 и на блок 12 записи, архивации и хранения видеоданных изображения, где сохраняются на носитель. Сохраненные видеоданные изображения также могут быть обработаны специализированными пакетами, для чего загружаются в блок 7. Результаты обработки выводятся на монитор(ы) 16. Параметры обработки устанавливают с помощью блока управления 9. Сохраненные изображения по команде от блока 9 дополнительно могут быть переданы в блок 11 интеграции с внешними системами для передачи данных в информационные системы.
За счет наличия канала обратной связи, выполненного в виде цепочки: блок формирования дополнительного сигнала - блок формирования сигнала обратной связи - рентгеновское питающее устройство - рентгеновский излучатель - блок детектирования - реализована возможность по сигналу управления от блока управления выполнять автоматическую поддержку постоянного значения заранее заданного параметра, например, дозы излучения, обеспечивая не превышение заданного заранее значения дозы в расчете на одно изображение.
Таким образом, предлагаемое устройство позволяет (с минимальными конструктивными изменениями и минимальными изменениями программной части) с минимальными трудовыми и временными затратами встраивать его в любой рентгеновский комплекс, обеспечивая при этом высокое качество изображения определенной области исследуемого объекта. Включение в систему формирования изображения рентгеновского комплекса предложенного блока детектирования позволяет реализовывать возможность в режиме реального времени без дополнительной нагрузки на пациента отслеживать текущие параметры съемки, управлять рентгеновским питающим устройством (величиной тока и напряжения), автоматически регулируя параметры экспозиции на основе заранее заданных анатомических параметров. Разработанное устройство детектирования может быть применено в любом рентгеновском комплексе, предназначенном для широкой области применения.
Следует отметить, что описание полезной модели и чертеж приведены только в качестве примера и не ограничивают возможные модификации полезной модели в рамках предложенной формулы.