Возможности и ограничения микрофокусной рентгенографии в медицине

Лучевая диагностика

УДК 616-073.75:681.32

А. И. Мазуров, канд. техн. наук,

НИПК «Электрон»;

Н. Н. Потрахов, д-р техн. наук,

Санкт-Петербургский государственный электротехнический университет «ЛЭТИ»

Возможности и ограничения микрофокусной рентгенографии в медицине

Ключевые слова: рентгенотехника, медицинская рентгенотехника, микрофокусная рентгенография

Рассмотрены технические возможности микрофокусной рентгенографии с геометрическим увеличением просвечиваемого объекта. Указаны параметры и характеристики, которые ограничивают области ее применения в медицинской диагностике. Названы разделы рентгенологии, где микрофокусная рентгенография имеет преимущества перед контактной съемкой — как в части повышения информативности снимков, так и в части снижения радиационной нагрузки на пациента

Введение

Микрофокусная рентгенография с увеличением занимает промежуточное положение между классической (контактной) рентгенографией и рентгеновской микроскопией. Как любая техническая дисциплина, находящаяся на стыке двух других, микрофокусная рентгенография имеет свои возможности, ограничения и области применения. Например, если при контактной съемке фокусное пятно рентгеновской трубки относительно мало влияет на пространственную разрешающую способность аппарата (особенно для тонких объектов и больших расстояний «рентгеновский источник — детектор») и основное влияние оказывает разрешение детектора, то в рентгеновской микроскопии размер фокуса играет главную роль в разрешении микроструктур.

Вероятно, в микрофокусной рентгенографии результирующее разрешение будет определяться обоими факторами приблизительно равнозначно.

Другие параметры и характеристики будут также занимать промежуточное положение между контактной съемкой и микроскопией. Для медицинской диагностики наибольший интерес представляет сравнение микрофокусной рентгенографии с контактной съемкой. Этому сравнению и посвящена настоящая статья.

Идеальный аппарат

Под идеальным будем понимать аппарат, который имеет точечный размер фокуса рентгеновской трубки, и приемник, параметры которого ограничиваются фотонным шумом. В этом случае минимальный размер обнаруживаемой детали определяется по формуле А. Роуза (A. Rose) [1]:

I =

Кт04АД

где — пороговое отношение сигнал/шум; К — контраст детали; т$ — оптимальное геометрическое увеличение;^ — пересчетный коэффициент, зависящий от энергетического спектра рентгеновских фотонов;Д — доза на входе детектора.

Из соотношения (1) следует, что размер обнаруживаемой детали обратно пропорционален ее увеличению. Например, если исследуемый объект передавать с увеличением т$ = 2 , то в изображении будут обнаруживаться детали размерами, в 2 раза меньшими по сравнению с контактной съемкой.

Соотношение (1) можно переписать в виде

д

Ат% (1К )2

Из соотношения (2) следует, что доза, требуемая в плоскости идеального детектора для обнаружения квадратной детали размером I с контрастом К, обратно пропорциональна квадрату увеличения. Поэтому при одинаковом качестве изображения на снимке с увеличением фон будет значительно светлее, чем при контактной съемке, что подтверждает практика микрофокусной рентгенографии. Таким образом, рентгенография с увеличением имеет большие возможности как по увеличению пространственного разрешения, так и по снижению дозы в плоскости приемника.

№ 4(Ю)/2010 |

биотехносфера

Лучевая диагностика

Реальный микрофокусный аппарат

Возможности. Реальные микрофокусные аппараты имеют конечные размеры фокусного пятна рентгеновской трубки ^ и ограниченную пространственную разрешающую способность приемника Яп. При съемке исследуемый объект может двигаться со скоростью V. В этих случаях оценить выигрыш в пространственной разрешающей способности аппарата при съемке с увеличением можно по соотношению [2]

т

д/1 + (Щ - 1)2 )2 + т% )2

,

где tэ — время экспозиции.

Увеличение разрешающей способности будем вычислять по отношению к разрешающей способности при контактной съемке, когда = 1. Тогда для подвижного объекта выигрыш

Л

В,

Ш(

л/1 + (Щ - !)2 ? + Щ )2

а для неподвижного

Лд =

т

+ (щ -1)2(/Дп )2 '

,

На рис. 1 представлены построенные по соотношению (5) зависимости выигрыша в разрешающей способности от увеличения объекта при различных значениях произведений fRn.

Из рис. 1 следует, что в реальных системах в отличие от идеальной имеет место оптимальное увеличение, при котором пространственное разрешение микрофокусного аппарата максимально. Пространственное разрешение оптимально при увеличении объекта

2 3 4 5 6 7

Рис. 1

Зависимость выигрыша в разрешающей способности от увеличения объекта т0

)2 +1

№ )2

При оптимальном увеличении разрешающая способность микрофокусного аппарата

-\1ли - ^пл/

т„

Из кривых рис. 1 также видно, что микрофокусные аппараты имеют большую глубину резкости, их разрешающая способность больше разрешения детектора Rп не только при оптимальном увеличении, а по всем слоям просвечиваемого объекта. Это объясняет тот экспериментально установленный факт, что на снимках микрофокусных аппаратов наблюдается больше мелких деталей, чем на контактных снимках аппаратов с большими фокусными пятнами, т. е. возрастает количество обнаруживаемых деталей в единице объема исследуемых органов.

Из соотношения (5) можно определить диапазон увеличений, при которых для неподвижных объектов разрешающая способность аппарата будет равна (на краях диапазона) или превышать (в остальном диапазоне) разрешающую способность прием-

ника:

т(Щ > Щ) =

(Щ У

(РЩ) -1

Ниже представлен этот диапазон для различных значений fRп:

/Х----

т.....

1-1,06

4

1-1,13

2

1-5,00

1 1-

Таким образом, при fRп < 1 для неподвижных объектов глубина резкости аппарата не ограничивается.

Микрофокусные аппараты с геометрическим увеличением могут работать в режиме линейного фазового контраста [3]. В этом случае на изображение в проходящих лучах накладывается изображение в лучах, отраженных границами раздела сред с разными показателями преломления (рис. 2). Эти изображения интерферируют, что обуславливает эффект подчеркивания границ. В ряде случаев линейный фазовый контраст увеличивает диагностическую информативность изображения. Например, в маммографии обнаруживаются более мелкие микрокаль-цинаты. Для получения фазового контраста необходимо соблюсти два условия. Чтобы произошла интерференция изображений, они должны быть пространственно когерентны. Кроме того, необходимо обеспечить увеличение, когда фазовый контраст максимален. При контактной съемке линейный фазовый контраст не возникает, а при чрезмерных увеличениях оконтуриваемые детали деградируют и теряют сходство с оригиналом.

Микрофокусные источники рентгеновских аппаратов имеют небольшие габаритные размеры,

биотехносфера

I № 4С10)/20Ю

Лучевая диагностика

Рентгеновский источник

Фронт волны до объекта

R,

Фронт волны после объекта

R о

Детектор изображения

4

Фазовый контраст

Контраст поглощения

Рис. 2 | Принцип съемки с получением линейного фазового контраста

массу и потребляют существенно меньше электроэнергии.

Ограничения. Главной проблемой, ограничивающей область применения микрофокусной рентгенографии, является малая мощность существующих рентгеновских трубок. Поэтому основной путь в расширении области применения микрофокусной рентгенографии состоит в увеличении интенсивности рентгеновского излучения в плоскости детектора. Существует целый ряд возможностей достижения этого результата: разработка более мощных трубок с вынесенным массивным анодом, а также вращающимися композиционными анодами; создание принципиально новых конструкций трубок (плазменных, лазерных, с анодом из жидкого металла [3]); увеличение анодного напряжения свыше 150 кВ [4]; уменьшение расстояния «фокус трубки — детектор» (фокусного расстояния).

Отметим, что минимально возможное фокусное расстояние F ограничивается соотношением

F =

Zm,

0

где Z — толщина просвечиваемого объекта; — оптимальное геометрическое увеличение; А — масштабные искажения.

Как рекомендует В. В. Дмоховский [5], масштабные искажения не должны превышать 25 %.

Область возможного применения микрофокусных аппаратов ограничивается также максимально возможными размерами и толщиной просвечиваемых органов. С их помощью для многих органов нельзя делать обзорные снимки, которые, например, для передачи всей грудной клетки должны иметь размеры 430x430 мм.

Как указывает А. Ю. Васильев [6], «микрофокусная рентгенография с прямым увеличением является прицельной рентгенографией и должна

а) nR 1

0,9 0,8 0,7 0,6 0,5 0,4 0,3 0,2 0,1

0

б) nR 1

0,9 0,8 0,7 0,6 0,5 0,4 0,3 0,2 0,1

-

- • v - S

V = 1 9 лш/сч.

0,02 0,04 0,06 0,08 0,1 t

-

v = 5 мм/с

.. v= 10 л

0,02

0,04

0,06

0,08

0,1 t

Рис. 3

разрешающей способности аппарата при увеличении времени экспозиции: а — Rn = 3,5, т = 5; б — R = 10, т = 2

ппт ' п ' ппт

№ 4(Ю)/2010~|'

биотехносфера

Лучевая диагностика

23

использоваться как дополнение к стандартным съемкам».

Максимально допустимую толщину исследуемых органов можно вычислить из соотношения (9) при заданном фокусном расстоянии Р и оптимальном увеличении

Поскольку движение просвечиваемых органов пациента подавляет высокочастотный спектр пространственных частот изображения, при движении разрешение мелких структур всегда ухудшается. Особенно критична к подвижности исследуемых органов микрофокусная рентгенография.

Используя соотношения (3), (6), (7), можно вычислить разрешающую способность аппарата ^^ для подвижного органа при его оптимальном увеличении:

щ = , ^ ^ = , ,

VI + Щ тот. V1 + (

где — разрешающая способность аппарата для неподвижного объекта.

На рис. 3 показаны зависимости снижения разрешающей способности аппарата при увеличении времени экспозиции.

Расчеты показали, что подвижность объектов сводит на нет выигрыш в разрешении от геометрического увеличения при выдержках более 50 мс. К сожалению, возможности использования коротких выдержек ограничиваются мощностью излучателей. Поэтому применение микрофокусной рентгенографии ограничивается исследованием неподвижных и малоподвижных органов.

Области применения

Несмотря на отмеченные ограничения, микрофокусные аппараты находят широкое применение в целом ряде областей медицинской рентгенологии и круг их применения непрерывно расширяется.

Микрофокусная рентгенография активно внедряется в исследования опорно-двигательного аппарата [6]. Здесь ее возможности трудно переоценить, так как травматизм занимает третье место в общей заболеваемости населения, а на долю рентгенографии при заболеваниях опорно-двигательного аппарата приходится 63,4 % всех интроскопи-ческих исследований [6].

Создан ряд микрофокусных аппаратов для стоматологии и челюстно-лицевой хирургии [4].

Маммографы всех ведущих фирм в области рентгеновского аппаратостроения снабжены приставками для прицельной съемки с увеличением около 2 крат. Для прицельной съемки используется малый фокус трубок размером не более 0,1 мм.

По мнению авторов, микрофокусные аппараты могут найти применение в детской рентгенологии, главным образом для детей младшего возраста, в ветеринарии и фармакологии при испытаниях лекарств на животных. Круг их применения будет расширяться по мере увеличения мощности рентгеновских источников.

Дальнейшее расширение диагностических возможностей и соответственно областей применения микрофокусной рентгенографии может быть связано с использованием линейного фазового контраста.

Заключение

Методика рентгенографии с геометрическим увеличением до 10 раз имеет хорошие перспективы развития. Высокий информационный индекс и низкий радиационный фон, малые габаритные размеры, масса и потребляемая мощность обеспечивают возможность применения микрофокусной рентгенологии не только в рентгеновских отделениях, но и в незащищенных от радиации помещениях (палатах, стоматологических кабинетах и др.), а также в нестационарных и полевых условиях. Но основное ее назначение — прицельная рентгенография неподвижных и малоподвижных органов в аппаратах различных классов.

I Л и т е р а т у р а |

1. Роуз А. Зрение человека и электронное зрение. М.: Мир, 1977.

2. Блинов Н. Н., Мазуров А. И. Разрешающая способность систем воспроизведения рентгеновских изображений // Мед. техника. 2000. № 5. С. 12-15.

3. Shu-Ang zhou, Anders Brahme Development of phase-contrast X-ray imaging techniques and potential medical applications // Physica Medica. 2008. N 24. P 129-148.

4. Потрахов Н. Н. Микрофокусная рентгенография в стоматологии и челюстно-лицевой хирургии. СПб.: ИПЦ ГЭТУ, 2006.

5. Дмоховский В. В. Основы рентгенотехники. М.: Медгиз, 1960.

6. Васильев А. Ю. Рентгенография с прямым многократным увеличением в клинической практике. М.: Логос, 1998.

биотехносфера

I № 4(10)/200