Устройство для высокоскоростной высокочувствительной регистрации рентгенографических изображений с дискриминацией вторичного рассеянного излучения
DEVICE FOR HIGH-SPEED HIGH-SENSITIVITY REGISTRATION OF X-RAY IMAGES WITH DISCRIMINATION OF SECONDARY SCATTERED RADIATION

Изобретение относится к рентгенотехнике и может быть использовано в медицинских рентгеновских установках и томографах с высокими пространственным разрешением, чувствительностью и скоростью сканирования.
В настоящее время можно выделить три основных способа получения рентгенографического изображения для анализа:
1. Преобразование рентгеновского изображения в оптическое в двумерных сцинтилляционных экранах с последующим переносом последнего через оптику переноса на фоточувствительную поверхность (ПЗС матрица, ЭОП, массив фотодиодов и т.д.). При этом источник излучения, рентгенографируемый объект и экран, как правило, неподвижны друг относительно друга.
2. Преобразователи сканирующего типа, представляющие собой одномерные линейки фотодиодов или ФЭУ с нанесенным на внешнюю поверхность слоем рентгеночувствительного сцинтиллятора, перемещающиеся вдоль направления сканирования и строящие последовательно друг за другом набор одномерных срезов изображения, при этом рентгенографирование может быть осуществлено плоским веерным или плоскопараллельным пучком. При этом необходимо осуществлять движение объектов друг относительно друга: либо объекта вдоль направления сканирования, либо приемника и источника относительно неподвижного объекта. Последний вариант используют при рентгенографировании в медицинских КТ аппаратах.
3. Регистраторы прямого преобразования на основе внутреннего фотоэффекта в полупроводниковой матричной структуре. В этом случае при взаимодействии рентгеновского кванта с материалом вещества образуются электронно-дырочные пары, которые затем разделяются в объеме полупроводника электрическим полем и затем считываются зарядовыми преобразователями. Детекторы могут использоваться, как и в предыдущих случаях, как одномерные, так и двумерные.
К достоинствам двумерных сцинтилляционных регистраторов следует отнести простоту, удобство и дешевизну эксплуатации: на визуализирующем устройстве сразу отображается рентгенографическая проекция объекта. К их недостаткам следует отнести чрезмерно высокую избыточную дозу излучения, необходимую для получения рентгенограммы, невысокое пространственное разрешение, невысокую скорость съемки вследствие инерционности люминофора.
К достоинствам регистраторов сканирующего типа следует отнести возможность получения трехмерных томографических изображений, восстанавливаемых по двумерным срезам, получаемых в процессе рентгенографирования узким пучком. К их недостаткам следует отнести сложность, громоздкость и дороговизну, отсутствие мобильности и необходимость использовать специальные ресурсоемкие алгоритмы для восстановления томограмм. По суммарным дозовым нагрузкам сканирующие системы, несмотря на меньшее сечение пучка, не уступают сцинтилляционным регистраторам.
Поскольку квантовая эффективность внутреннего фотоэффекта может достигать почти 100%, современные технологии выращивания полупроводниковых материалов позволяют получать структуры высокого качества с невысоким шумом считывания и ввиду отсутствия промежуточной ступени преобразования «рентгеновский квант-фотон», регистраторы на основе внутреннего фотоэффекта обладают высокой чувствительностью к рентгеновскому излучению и высоким пространственным разрешением. К их недостаткам относится чрезвычайно высокая цена, ограниченность срока службы за счет накопления радиационно-индуцированных дефектов в полупроводниковой структуре, невысокие скорости вывода данных и малые размеры чувствительной области.
Способом получения рентгенографических изображений высокой разрешающей способности, высокой чувствительности, с высокими скоростями вывода данных при малых массо-габаритных характеристиках регистратора, позволяющих создать переносной томограф (Joseph Ladislas Wiza. MicroChannel plate detectors. Nuclear instruments and methods 162 (1979) 587-601), является использование поочередно стробируемого стека микроканальных пластин, выходное электронное изображение с которых высвечивается на скоростном люминесцентном экране, передающееся на скоростной матричный детектор через волоконно-оптический фокон.
Известно свойство микроканальных пластин (МКП) преобразовывать рентгеновское излучение в поток электронов для использования в качестве высокочувствительных рентгеновских счетчиков с быстродействием на уровне порядка единиц наносекунд.
Однако, указанные детекторы конструктивно построены по схеме с одиночным металлическим анодом и непригодны для получения рентгенографических изображений.
Известен (Frederic Ze, Otto L. Landen, Perry M. Bell, Robert E. Turner, Teresa Tutt, Sharon S. Alvarez, and Robert L. Costa. Investigation of quantum efficiencies in multilayered photocathodes for microchannel plate applications. Review of Scientific Instruments 70, 659 (1999).) способ повышения чувствительности микроканальных пластин к мягкому рентгеновскому излучению путем нанесения на входную поверхность микроканальных пластин рентгеночувствительного слоя.
Недостатком такого решения является снижение разрешающей способности за счет размазывания электронного пакета в латеральной плоскости падения потока излучения.
Известно (RU, патент 2370789, опубл. 20.10.2009) устройство для регистрации γ-излучения, использующее для регистрации рентгеновского излучения микроканальные пластины, однако устройство является однокоординатным, то есть, не предназначено для получения двумерных изображений без движения устройства вдоль объекта.
Известно (RU, патент 78955, опубл. 10.12.2008) устройство для формирования и регистрации рентгеновского изображения.
Устройство содержит проекционную оптическую систему, сцинтилляционный экран и ЭОП с фотокатодом. Использование схемы с последовательным преобразованием «рентгеновский квант-сцинтилляционный экран-видимый свет-оптическая система-фотокатод-МКП-экран» приводит к низкой конверсионной эффективности устройства, что снижает ее динамический диапазон регистрации и требует повышения дозовой нагрузки от источника излучения для его увеличения.
Известно (RU, патент 81810, опубл. 27.03.2009) устройство для формирования и регистрации рентгеновского изображения, в котором для сочленения фоточувствительной матрицы и экрана ЭОП используется фокон, однако, формирование рентгеновского изображения осуществляется на сцинтилляционном экране и далее с помощью проекционной системы проецируется на фото катод ЭОП, при этом также снижается конверсионная эффективность регистрации.
Известен (RU патент 88164, опубл. 27.10.2009) микроканальный преобразователь рентгеновского излучения, в котором применена микроканальная пластина, каналы которой заполнены люминофором. Недостатком такого преобразователя является также сниженная конверсионная эффективность за счет применения люминофора - преобразователя рентгеновского излучения в видимое.
Известно устройство (RU, патент 83623, опубл. 10.06.2009) для формирования и регистрации рентгеновского изображения, в котором для регистрации рентгеновского излучения применен метод регистрации рентгеновского излучения без усилителей яркости на основе ЭОП и без проекционной оптической системы и применено паркетирование меньших по размеру матриц в матрицу большего размера путем наращивания их числа. Недостатком устройства является постепенная деградация чувствительности матриц вследствие накопления в них радиационных дефектов и, как следствие снижение динамического диапазона и чувствительности.
Известное устройство принято в качестве ближайшего аналога.
Техническая проблема, решаемая использованием разработанного устройства, состоит в усовершенствовании средств регистрации рентгеновского излучения.
Технический результат, достигаемый при реализации разработанного устройства, состоит в повышении чувствительности до предельно возможной, устранение паразитного фона рассеянного рентгеновского излучения, повышение разрешающей способности и площади регистрации, увеличение динамического диапазона, повышение ресурса и долговечности работы устройства, и, как следствие, снижение дозовой нагрузки на пациента.
Для достижения указанного технического результата предложено использовать разработанное устройство для высокоскоростной высокочувствительной регистрации рентгенографических изображений с дискриминацией вторичного рассеянного и проходящего излучения. Оно содержит корпус, в котором расположены оптический матричный сенсор для получения изображений на базе прибора с зарядовой связью или на базе КМОП структуры, платы контроллеров, выполненные с возможностью считывания сигнала с сенсора и синхронно со считыванием изображения с матрицы по внешней команде запускать высоковольтные генераторы импульсов питания микроканальных пластин, фокон, меньший торец которого расположен на указанном сенсоре, а на большем торце размещен флуоресцентный экран из люминофора с быстрым спадом послесвечения, генератор импульсов, низковольтный источник питания, выполняющий функцию питания цифровую часть устройства, и высоковольтный источник импульсного питания, имеющий более одного независимых друг от друга идентичных выходов, генерирующих высоковольтные импульсы с задержкой друг относительно друга, причем число выходов равно числу используемых микроканальных пластин, внутренний вакуумированный корпус, в котором выполнено окно из материала с малым поглощением рентгеновского излучения для прохождения рентгеновского излучения, под указанным окном расположена шевронная сборка из микроканальных пластин, при этом внутри вакуумированного корпуса расположен указанный флуоресцентный экран, при этом каждая микроканальная пластина шевронной сборки выполнена с независимым подключением к выходу генератора импульсов, причем генератор выполнен с возможностью производства последовательно сдвинутых по времени друг относительно друга импульсов, при этом задержка и длительность импульсов выбраны исходя из времени прохождения электронной лавины вторичных электронов в каналах микроканальной пластины.
Окно во внутреннем вакуумированном корпусе может быть выполнено из бериллия.
Оптический матричный сенсор может быть выполнен на базе прибора с зарядовой связью или на базе КМОП структуры.
Для получения высокой чувствительности к входному рентгеновскому потоку вплоть до предельного, когда на выходном изображении будет регистрироваться каждый рентгеновский квант, в изобретении предложено использовать многошевронную сборку из микроканальных пластин (МКП), которые включены последовательно друг с другом, причем ориентация каналов микроканальных пластин выполнена так, что выходной торец предыдущего канала расположен над входным торцом последующего канала (фиг. 1). Питание каждой МКП осуществляют раздельно и импульсно с задержкой между каждой МКП, равной времени пролета вдоль канала облака вторично эмитированных с ее поверхности электронов (фиг. 2).
Принцип работы устройства поясняет фиг. 1. Рентгеновский квант входного изображения 1 взаимодействует со стенкой канала МКП 2, либо поглощается в объеме стенки 3, вызывая внутренний фотоэффект. На торец 5 первой МКП может быть нанесен слой рентгеночувствительного фотоэмиссионного материала, например, CsI, CsBr, CuI и другие. При поглощении рентгеновского кванта образуется электрон, выходящий в канал МКП 4. На электроды торцов МКП 6 и 7, выведенных наружу, подают разность потенциалов, ускоряющая выбитый электрон (сплошные стрелки). При движении в канале электрон при каждом последующем соударении выбивает из стенки канала следующую порцию электронов. Таким образом, возникает эффект лавинного размножения зарядов в каналах. Электронная лавина из каждого канала, проходя каждый канал, образованный каждой МКП, на выходе из последнего торца 10 последней МКП попадает на быстровысвечивающий рентгенофлуоресцентный экран 11, нанесенный на поверхность большого диаметра фокона 12, после чего полученное оптическое изображение рентгенографируемого объекта поступает на сочлененную контактно с малым торцом фокона ПЗС либо КМОП матрицу 13, передающую полученное изображение в компьютер. Люминофор с быстрым временем затухания, например, Р-11, позволяет осуществлять скоростную съемку со скоростью считывания 1000 кадров в секунду и более. Фокон изготавливают из материала с высоким содержанием свинца и, кроме функции передачи изображения с большой площади на меньшую площадь матрицы, также играет роль защиты пикселов матрицы от воздействия прямопрошедшего и рассеянного рентгеновского излучения. Для утоньшения каждой МКП необходимо увеличить содержание в ее составе тяжелых элементов с высокой атомной массой. Наиболее пригодным для этой цели является оксид свинца, массовая доля которого в МКП должна составлять не менее 50%.
При первичном взаимодействии кванта с материалом МКП возникает вторичное рентгеновское излучение, вызывающее в соседних каналах МКП нежелательную эмиссию электронов с их стенок (штрихпунктирные стрелки). Данный эффект при малой толщине МКП несущественней, поскольку рассеянное излучение быстро поглощается материалом МКП между соседними каналами, а направление рассеяния в основном носит фронтальный характер в небольшом телесном угле по направлению распространения излучения. Таким образом, наибольший вклад рассеянного излучения в шум МКП вносят вторичные рентгеновские кванты, попадающие в нижележащие МКП. Для существенного снижения влияния вторичных квантов и рассеянного излучения каждый промежуток торцов соседних МКП питается импульсно с задержкой между ними. Поскольку скорость движения электронного облака в канале существенно меньше скорости света, с которой распространяется фотон, то отсутствие потенциала в канале МКП, когда электронная лавина до него еще не дошла, а квант при этом уже поглотился и эмитировал электрон, создаст отсутствие ускоряющего поля в канале и, как следствие, отсутствие эффекта лавинного размножения, уменьшая, таким образом, паразитную фоновую засветку, повышая чувствительность и динамический диапазон регистрации. Схему импульсного питания многошевронной сборки МКП иллюстрирует фиг. 2. По оси абсцисс отложено относительное время, а по оси ординат - время подачи отпирающего МКП электрического импульса для каждого промежутка, соответствующего фиг. 1.
Для перекрытия больших площадей регистрации представленный на фиг. 1 регистратор сочленяется с аналогичным, как показано на фиг. 3.