УНИВЕРСАЛЬНЫЙ ТЕСТ-ОБЪЕКТ ДЛЯ КОНТРОЛЯ ПОСТОЯНСТВА ПАРАМЕТРОВ И ХАРАКТЕРИСТИК РЕНТГЕНОВСКИХ КОМПЬЮТЕРНЫХ ТОМОГРАФОВ
UNIVERSAL TEST-OBJECT FOR MONITORING OF X-RAY AND COMPUTER CT SCANNERS PARAMETRES AND CHARACTERISTICS CONSTANCY

Изобретение относится к рентгенодиагностической аппаратуре и предназначено для контроля постоянства параметров и характеристик рентгеновских компьютерных томографов (РКТ), таких как среднее число компьютерных томографических единиц, уровень шума, однородность поля, толщина выделяемого слоя, высококонтрастное пространственное разрешение и функция передачи модуляции.
В рентгенодиагностике компьютеры начали применяться с создания в 1972 году реконструкционного вычислительного томографа для исследования поперечных срезов головного мозга. В настоящее время такие устройства используются для исследования практически всех органов и систем организма человека.
Для проверки качества компьютерных томографов используют специальные тест-объекты (фантомы). Они содержат в слое однородного материала определенной толщины набор геометрических тел разных размеров: цилиндр, шар, и т.п., отличающихся по плотности от окружающего материала.
Используя единую методику измерений основных параметров РКТ с помощью тест-объекта, можно, например, оценить качество изображения и провести сравнение между собой различных томографов по их диагностическим возможностям.
Из уровня техники известен (тест-объект) фантом для компьютерной томографии, содержащий объемный корпус из оргстекла, заполненный водой и снабженный съемными вставками, выполненными с возможностью установки в его полости (Э.Г. Чикирдин и др. Техническая энциклопедия рентгенолога. М., «МНПИ», 1996, с.411).
Известен тест-объект (фантом) для контроля эксплуатационных параметров и характеристик рентгеновских компьютерных томографов, содержащий объемный корпус, заполненный водой и снабженный вставками (см. Рентгеновские диагностические аппараты. В 2-х томах. Том 2. Под ред. Н.Н.Блинова, Б.И.Леонова. М., ВНИИИМТ, НПО «Экран», 2001, стр.104-106, рис.9.5).
www.dose.ru/catalog/medicine/2_1-CT.shtml
Наиболее близким к предлагаемому изобретению (ближайший аналог) является комбинированный СТ-фантом (СТ-фантомы, ЗАО НПП «Доза», 2002, , найдено в Интеренет 25.10.2007), выполненный в виде корпуса из оргстекла в форме полого цилиндра, расположенного на подставках горизонтально, внутренняя полость которого разделена перегородкой на секции, одна из которых заполнена водой, а в другой размещены вставки, имеющие группы отверстий различного диаметра и вольфрамовую проволоку, установленную параллельно продольной оси симметрии цилиндра корпуса.
Анализ существующих аппаратно-программных средств контроля РКТ и нормативной документации, посвященной системам "quality assurance" РКТ, позволяет сделать заключение, что аппаратное обеспечение испытаний существенно отстает от интенсивного развития самой аппаратуры РКТ.
В частности особенности оценки трехмерных (3D) изображений, которые реализуются во всех выпускаемых в настоящее время РКТ, до настоящего времени не нашли отражения в конструкциях тест-объектов для испытания РКТ.
Необходимость анализа 3D изображений, полученных с помощью спиральных и мультидетекторных РКТ, диктует ряд дополнительных требований к устройствам и приспособлениям для контроля, а именно:
если применяемые ранее тест-объекты представляли собой, как правило, однослойные секции водно-пластмассовых дисков с различными геометрическими включениями, то для современных РКТ более пригодны протяженные конструкции, которые должны позволить за одно исследование (в крайним случае, за два-три) определить соответствующие параметры РКТ, например, толщину выделяемого слоя, высококонтрастное пространственное разрешение и функцию передачи модуляции на всех сечениях одновременно.
Кроме того, для обеспечения безопасной (с точки зрения лучевой нагрузки на пациентов) и эффективной (с точки зрения необходимого диагностического качества формируемых изображений) эксплуатации рентгеновских компьютерных томографов (РКТ) необходим периодический контроль их параметров и характеристик в условиях работы отделения лучевой диагностики.
В настоящее время возникла острая необходимость создания тест-объекта для периодического контроля параметров и характеристик рентгеновских компьютерных томографов.
В число таких контролируемых параметров и характеристик входят:
- среднее число компьютерных томографических единиц (число КТ единиц);
- уровень шума;
- однородность поля;
- высококонтрастное пространственное разрешение и функция передачи модуляции;
- толщина выделяемого слоя;
- доза (показатель дозы компьютерного томографа).
Техническая задача изобретения - расширение технических возможностей тест-объекта для обеспечения качества получаемых диагностических изображений в процессе контроля постоянства параметров и характеристик рентгеновских компьютерных томографов в условиях эксплуатации.
Техническая задача достигается тем, что в универсальном тест-объекте для контроля постоянства параметров и характеристик рентгеновских компьютерных томографов, содержащем корпус из оргстекла в форме полого цилиндра, расположенного на подставках горизонтально, внутренняя полость которого разделена перегородкой на секции, одна из которых заполнена водой, а в другой размещены вставки, имеющие группы отверстий различного диаметра и вольфрамовую проволоку, установленную параллельно продольной оси симметрии цилиндра корпуса, одна из вставок выполнена в форме сплошного цилиндра из оргстекла, в который параллельно оси симметрии цилиндра вставки, со смещением относительно нее вверх по вертикали, вплавлена вольфрамовая проволока, одним основанием цилиндр вставки жестко закреплен на перегородке со смещением его продольной оси симметрии вверх по вертикали относительно продольной оси симметрии цилиндра корпуса, а вольфрамовая проволока расположена на расстоянии 20-30 мм от продольной оси симметрии цилиндра корпуса, на другом основании цилиндра вставки жестко закреплен держатель, свободное основание которого скошено под углом 60°-70° относительно продольной оси симметрии цилиндра корпуса, и на нем установлена другая вставка, выполненная в виде съемной плоской алюминиевой пластины прямоугольной формы толщиной 0,5-1,0 мм, содержащей группы сквозных отверстий диаметром 0,5; 0,7; 1,0; 1,5 и 2,0 мм, которые выполнены по всей ее поверхности, на внешней боковой поверхности цилиндра корпуса нанесены метки, три из которых выполнены в виде отрезков прямой линии, совмещенных с образующей цилиндра корпуса по всей его длине и размещенных, соответственно, один в верхней части цилиндра корпуса, а два других по его бокам во взаимно перпендикулярных продольных плоскостях симметрии цилиндра корпуса, другие две метки выполнены по всей длине окружности цилиндра корпуса и расположены, соответственно, одна в середине секции корпуса, заполненной водой, а другая - во второй секции корпуса непосредственно над серединой цилиндра вставки, на корпусе имеются, со стороны секции заполненной водой, жестко закрепленная крышка, а со стороны секции со вставками - съемная крышка.
Предлагаемое изобретение поясняется чертежами, где на фиг.1 показан общий вид тест-объекта; на фиг.2 - вид А и вид В, на фиг.3 - конструкция съемной вставки, на фиг.4 - расположение меток на корпусе тест-объекта.
Универсальный тест-объект содержит объемный корпус 1 из оргстекла. Во избежание артефактов на реконструированном изображении корпус 1 выполнен в форме полого цилиндра, расположенного горизонтально (с горизонтальным расположением продольной оси симметрии). Внутренняя полость цилиндра разделена перегородкой 2 на две секции 3 и 4. Со стороны секции 3 на корпусе 1 жестко закреплена крышка 5 с отверстием 6, которое предназначено для того, чтобы заполнять секцию 3 дистиллированной водой. Для обеспечения герметичности секции 3 в отверстие 6 вкручивают винт 7. Заполненную дистиллированной водой секцию 3 используют для контроля среднего числа КТ единиц, уровня шума и однородности поля (в режиме работы РКТ «голова»). Со стороны секции 4 к цилиндру корпуса 1 присоединяют кольцо 8, к которому при помощи винтов прикручивают съемную крышку 9. Для обеспечения устойчивого положения тест-объект снабжен подставками (ножками) 10, причем к крышке 5 присоединяют одну подставку (ножку), а к крышке 9 - две (благодаря этому обеспечивается горизонтальное положение секции 3, что необходимо для полного заполнения ее водой). На Фиг.2 показаны виды тест-объекта со стороны секций 3 и 4 соответственно.
Секция 4 представляет собой полый цилиндр, в котором в воздушной среде размещены вставка 11 и съемная вставка 12, позволяющие контролировать толщину выделяемого слоя, высококонтрастное пространственное разрешение в диапазоне частот 2,5-10 пар линий/см и функцию передачи модуляции (в режимах работы «голова» и «тело»). Вставка 11 выполнена в форме сплошного цилиндра из оргстекла, который расположен горизонтально и одним основанием жестко закреплен на перегородке 2. В цилиндр вставки 11 параллельно оси его симметрии, со смещением относительно нее вверх по вертикали, вплавлена вольфрамовая проволока 13, расположенная на расстоянии 20-30 мм от продольной оси симметрии цилиндра корпуса. Такое смещение вольфрамовой проволоки 13 относительно продольной оси симметрии цилиндра корпуса обусловлено тем, что ось симметрии цилиндра вставки 11 смещена вверх по вертикали относительно оси симметрии цилиндра корпуса 1 (оси симметрии тест-объекта) на расстояние 10-15 мм. Вольфрамовая проволока 13 смещена относительно оси симметрии цилиндра вставки по вертикали на расстояние 10-15 мм. В результате суммарное смещение вольфрамовой проволоки 13 относительно оси симметрии цилиндра корпуса 1 тест-объекта составляет 20-30 мм (оптимальное расстояние смещения составляет 25 мм). Смещение вольфрамовой проволоки 13 относительно оси симметрии тест-объекта необходимо для того, чтобы избежать кольцевых артефактов, которые могут быть на реконструированном изображении этой части тест-объекта. Сама вставка 11 также может быть выполнена в виде наборного цилиндра, состоящего из дисков, выполненных из оргстекла.
На другом основании цилиндра вставки 11 жестко закреплен держатель 14 для установки съемной вставки 12. Держатель 14 может быть выполнен как в форме цилиндра, так и в форме параллелепипеда. Свободное основание держателя 14 скошено под углом 60°-70° относительно продольной оси симметрии тест-объекта. Съемную вставку 12 крепят на свободном основании держателя 14 с помощью винтов. Съемная вставка 12 выполнена в виде алюминиевой пластины (см фиг.3) толщиной 0,5-1,0 мм, которая содержит группы сквозных отверстий 15 диаметром 0,5; 0,7; 1,0; 1,5 и 2,0, которые выполнены по всей ее поверхности. Угол наклона пластины 12 при ее закреплении имеет значение для оценки толщины выделяемого слоя. Для оценки высококонтрастного пространственного разрешения пластина имеет несколько групп отверстий различного диаметра. Данный параметр оценивается по числу групп отверстий, различаемых глазом наблюдателя на изображении.
Для обеспечения точного позиционирования тест-объекта внутри апертуры гентри при испытаниях на постоянство параметров тест-объект снабжен метками 16, 17, 18, 19 и 20 (см. фиг.4), которые нанесены на внешней боковой поверхности цилиндра корпуса 1. Каждая из меток 16 и 17 выполнена по всей длине окружности цилиндра корпуса 1, т.е. представляет собой направляющую цилиндра в форме окружности и служит для точного позицирования тест объекта по глубине апертуры гентри. Метка 16 расположена посередине секции 3 корпуса 1 и предназначена для выбора одного и того же среза при испытаниях на постоянство среднего числа КТ единиц, уровня шума и однородности поля. Расстояние от крышки 5 до метки может быть, например, 45-50 мм. Метка 17 расположена по периметру секции 4, непосредственно над цилиндрической вставкой 11 и предназначена для выбора одного и того же среза при испытаниях на постоянство функции передачи модуляции. Метку 17 наносят над серединой вставки 11 на расстоянии от перегородки 2, например, 25-30 мм.
Метки 18 и 20 предназначены для точного позиционирования тест-объекта по вертикали, а метка 19 для центрирования по горизонтали. Каждая из меток 18, 19 и 20 представляет собой отрезок прямой линии, совмещенный с образующей цилиндра корпуса 1 по всей его длине. Метки 18, 19 и 20 размещены соответственно одна (метка 19) в верхней части корпуса 1, две другие (метки 18 и 20) по бокам и расположены вдоль корпуса во взаимно перпендикулярных продольных плоскостях симметрии корпуса 1, т.е. положение меток 18, 19 и 20 на внешней боковой поверхности цилиндра корпуса соответствует положению часовой стрелки в области 9, 12 и 3 часа на циферблате.
Предлагаемое устройство функционирует следующим образом.
Основными параметрами, проверяемыми при проведении контроля качества изображения рентгеновского компьютерного томографа, являются: среднее число КТ единиц, уровень шума, однородность поля изображения, а также высококонтрастное пространственное разрешение и толщина выделяемого слоя. Также при проведении испытаний проводят оценку частотно-контрастной характеристики (функции передачи модуляции) рентгеновского компьютерного томографа.
Предлагаемая конструкция тест-объекта позволяет контролировать все перечисленные выше параметры.
При проведении испытаний РКТ секцию 3 тест-объекта заполняют водой. После этого тест-объект устанавливают на деке стола для пациента внутри апертуры гентри так, чтобы метки 18, 19 и 20, выполненные по всей длине образующей корпуса 1 тест-объекта, совместились с лазерными лучами. Источники лазерного излучения расположены внутри апертуры гентри; лучи выходят через специальные окошки в апертуре и необходимы для центрации и выбора области сканирования. Метка 19 обеспечивает центрацию тест-объекта по горизонтали, а метки 18 и 20 по вертикали (совмещение меток 18 и 20 с лазерными лучами обеспечивается опусканием или подъемом стола для пациента). После того, как тест-объект установлен по горизонтали и вертикали, выбирают нужную вставку (перемещая деку стола для пациента) и производят сканирование.
Для контроля среднего числа КТ единиц, уровня шума и однородности поля используют секцию 3 тест-объекта 1, заполненную дистиллированной водой. Метка 16, выполненная посередине секции 3, должна быть совмещена с лазерным лучом для обеспечения испытаний на постоянство параметров.
Для контроля толщины выделяемого слоя и высококонтрастного пространственного разрешения используют съемную вставку 12, расположенную в секции 4. Выполнив сканирование тест-объекта, получают томографическое изображение наклонной алюминиевой пластины. Далее, используя специальное программное обеспечение, по полученным томографическим изображениям тест-объекта рассчитывают толщину выделяемого слоя рентгеновского томографического изображения. Высококонтрастное пространственное разрешение рентгеновской томографической системы оценивают по числу групп отверстий различного диаметра различаемых наблюдателем.
Для контроля функции передачи модуляции используют вольфрамовую проволоку 13, запаянную в вставку 11 секции 4. Метка 17, выполненная по периметру секции 4, должна быть совмещена с лазерным лучом для обеспечения испытаний на постоянство параметров.
С помощью вставки 13 моделируется «реакция» томографической системы на δ-функцию, роль которой выполняют вольфрамовые проволоки. По полученным изображениям проволок этой вставки оценивают функцию передачи модуляции (MTF). Используя специальное программное обеспечение, по полученному томографическому изображению вольфрамовой проволоки рассчитывают функцию передачи модуляции рентгеновской томографической системы.
Предлагаемое изобретение имеет существенные преимущества по сравнению с ранее известными системами контроля: возможность контроля постоянства параметров и характеристик рентгеновских компьютерных томографов при достаточно простой конструкции самого устройства контроля (тест-объекта). Поскольку все вставки тест-объекта имеют протяженную длину, существует возможность оценки всех параметров и характеристик мультидетекторных РКТ для каждого слоя в отдельности, а также качество реконструкции при получении 3D изображений.
Таким образом, предлагаемое изобретение содержит совокупность признаков, необходимых и достаточных для решения поставленной технической задачи, а именно расширение технических возможностей тест-объекта для обеспечения качества получаемых диагностических изображений в процессе контроля постоянства параметров и характеристик рентгеновских компьютерных томографов в условиях эксплуатации.