Цифровые технологии как основа технических средств современной рентгенологии

УДК 616-073.75:681.32

А. И. Мазуров, канд. техн. наук,

Научно-исследовательская производственная компания «Электрон»

Цифровые технологии как основа технических средств современной рентгенологии

Ключевые слова: рентгенотехника, цифровые технологии рентгеновских детекторов, усилители рентгеновских изображений, рентгенографические детекторы, универсальные рентгеновские приемники

аппараты для хирургии под рентгеновским контролем, ангиографы, рентгенографические комплексы на два рабочих места (стол снимков и стойку снимков) и базовую радиологическую систему;

3) разработать систему передачи и архивирования изображений (РАСй), с помощью которой объединить установленные в клиниках аппараты в единую информационную сеть.

Дальнейшее развитие рентгенологии на базе цифровой рентгенотехники в НИПК «Электрон» связано не только с новыми опытно-конструкторскими разработками, но и с созданием теоретических основ новой технической дисциплины — цифровой рентгенотехники.

На примере разработок НИПК «Электрон» показано, что в России налажено серийное производство цифровых систем для общей, профилактической и интервенционной рентгенологии, позволяющих работать на качественно новом уровне по беспленочной и безбумажной технологиям с созданием информационных радиологических систем различного масштаба. Начавшийся в России промышленный выпуск цифровой рентгеновской аппаратуры (только НИПК «Электрон» может производить более 1500 аппаратов в год) и ее дальнейшее развитие следует рассматривать как важный прорыв в области диагностической рентгенологии.

Введение

Воплощение концепции цифровой рентгенотехники в медицинскую практику позволяет улучшить качество диагностики, снизить лучевые нагрузки и на более совершенном уровне организовать рентгенологическую службу по беспленочной технологии с созданием цифровых архивов и информационных сетей различного уровня, включая телерадиологию.

Сегодня можно констатировать, что аналоговые рентгеновские аппараты уходят в прошлое. В развитых странах в год от 10 до 15 % пленочных аппаратов заменяется цифровыми. Эта же тенденция наблюдается в России, где по цифровым технологиям создают рентгеновские системы не менее 10 фирм [1-3]. В статье на примере разработок НИПК «Электрон» показано, что техническая база для такой замены в основном создана. При разработке цифровой рентгенотехники НИПК «Электрон» исходила из следующих задач:

1) создать парк цифровых детекторов (приемников) рентгеновских изображений для рентгенографии и рентгеноскопии различного уровня по качеству изображения, лучевым нагрузкам на пациента, потребительским свойствам и стоимости;

2) на базе разработанных цифровых приемников создать флюорографы, телеуправляемые рент-генодиагностические комплексы, передвижные

Цифровые аппараты на рентгеновских электронно-оптических преобразователях

Первыми были разработаны цифровые аппараты, в которых в качестве цифровых приемников использованы усилители рентгеновских изображений (УРИ) на базе рентгеновских электронно-оптических преобразователей (РЭОПов) и ПЗС-мат-риц. Для этого класса аппаратов были разработаны три группы исполнения УРИ: УРИ-612 (УРИ-0,4М), УРИ-1.0М и УРИ-4.0М, которые раз-

Рис. 1

Комплекс рентгенодиагностический телеуправляемый КРТ-»Электрон»

№ Ц7)/2010"|~

биотехносфера

личаются диаметром рентгеночувствительных полей РЭОПов (от 215 до 360 мм) и количеством активных пикселей ПЗС-матриц (580x760, 1000x1000, 2000x2000). Эти УРИ используются в телеуправляемых рентгенодиагностических комплексах КРТ «Электрон» (рис. 1), передвижных хирургических аппаратах РТС-612 (рис. 2) и ангиографах АКР-ОКО (рис. 3). Эти аппараты могут работать в режиме как рентгеноскопии, так и рентгенографии, поскольку используют динамические (универсальные) детекторы. Однако РЭОПы, основанные на вакуумной технологии, имеют целый ряд ограничений и недостатков: большие габаритные размеры и массу, высоковольтное питающее напряжение анода (до 30 кВ), необходимость экранировки от магнитных полей и обезгаживания после длительного перерыва в работе, ограниченный срок службы. Размер рабочего поля даже самого большого РЭОПа недостаточен для осуществления цифровой рентгенографии крупных органов. Поэтому на этих УРИ кроме рентгеноскопии возможна главным образом прицельная рентгенография, т. е. они не решают полностью задачу цифровой рентгенографии крупных органов человека. Технологию на РЭОПах следует считать актуальной до тех пор, пока не будут разработаны безвакуумные универсальные приемники с большими рабочими полями, удовлетворяющие потребностям как рентгеноскопии, так и рентгенографии.

Обобщенная функциональная схема цифрового УРИ на РЭОП представлена на рис. 4. Теневое рентгеновское изображение визуализируется на выходном экране РЭОПа в изображение высокой яркости. С помощью объектива это изображение передается на ПЗС-матрицу, которая преобразует его в видеосигнал. Видеосигнал после усиления поступает на аналогово-цифровой преобразователь (АЦП),

Рис. 3\ Ангиограф АКР-ОКО Объектив

К архиву

К РПУ

Монитор

Рис. 2

Передвижная рентгенодиагностическая установка РТС-612

Рис. 4\ Обобщенная функциональная схема цифрового УРИ

в котором он превращается в матрицу чисел, отображающих уровень сигнала в каждом пикселе. Эта матрица чисел запоминается в оперативном запоминающем устройстве (ОЗУ), с которого поступает в видеопроцессор для цифровой обработки. Обработанный цифровой сигнал изображения преобразуется в цифроаналоговом преобразователе (ЦАП) в аналоговый сигнал, который воспроизводится на мониторе. Цифровое изображение хранится в архиве, откуда оно может быть затребовано пользователями.

Цифровые аппараты на приемниках «экран — объектив — ПЗС-матрица»

Технология построения приемника, основанная на съемке изображения с рентгеновского экрана телевизионной камерой, использована в серии цифровых камер КРЦ для рентгенографии, которая включает 10 модификаций. В основу разработки камер положен принцип разделения по функциональным возможностям и стоимости.

По размерам рабочего поля камеры разделяются на три класса: 320x385, 395x395 и 430x430 мм; по нормированной дозе рентгеновского излучения на входе рабочего поля приемника, при которой обеспечивается контрастная чувствительность 1,5 % — на

пять классов: 4; 4,4; 5,3; 6,1 и 8,8 мкГр. Разрешающая способность камер находится в пределах от 2,5 до 5 мм"1. Динамический диапазон камер для всех исполнений составляет не менее 400 раз.

Такая номенклатура рентгенографических камер стала возможной благодаря использованию двух типов экранов (Gd202S и Csl), четырех типов светосильных широкоугольных объективов с размерами рабочих полей 24x24, 24x36, 36x36, 50x50 мм и числом пикселов 2048x2048, 2048x3072 и 4096x4096.

На основе этих приемников НИПК «Электрон» разработала цифровые рентгенографические аппараты различного назначения. Первая флюорографическая цифровая камера ЦФК-1 была внедрена во флюо-рог-раф ЦФ-01-«Электрон» (рис. 5). ЦФ-01-«Электрон» — это высокопроизводитель-ный аппарат для скрининга, основанный на экологически чистой цифровой технологии. Он позволил на современном технологическом уров-не возродить массовую профилактическую флюорографию. В ЛТУ России работает более 1000 этих флюорографов. Производительность флюорографа ограничивается не техническими характеристиками, а процедурой проведения массовых профилактических исследований и составляет не менее 60 обследований в час. По качеству изображения флюорограф пригоден не только для профилактических, но и для диагностических исследований органов грудной клетки.

Приемники на базе камеры серии КРЦ используются в цифровом рентгенографическом аппарате АРЦ-01-«0К0» (рис. 6) и в цифровом рентгенографическом аппарате на два рабочих места DIRA (рис. 7), а также в стойке снимков (рис. 8).

Перечисленные аппараты полностью решают проблему цифровой рентгенографии в общей рентгенологии за исключением палатных исследований и исследований в нестандартных условиях, так как камеры КРЦ имеют большие габаритные размеры и массу.

Рис. 6

Цифровой рентгенографический аппарат АРЦ-01-«ОКО»

Рис. 7

Цифровой рентгенографический аппарат на два рабочих места DIRA

№ 1(7)/2010 J

биотехносфера

Универсальные приемники для цифровых аппаратов

Как указывалось выше, приемники на РЭОПах могут работать как в статическом (рентгенография), так и динамическом (рентгеноскопия) режимах, т. е. являются универсальными. Но эта технология считается морально устаревшей, и большинство фирм ее не использует в новых разработках. В то же время потребность в универсальных приемниках огромна, что связано с необходимостью перехода полностью на цифровую технологию исследований при работе на телеуправляемых и хирургических аппаратах, а также системах для интервенционной рентгенологии. В процессе исследований на этих аппаратах переходят от рентгеноскопии к рентгенографии и обратно. При рентгеноскопии, в целях снижения лучевой нагрузки на пациента и уменьшения смаза подвижных органов используют просвечивание короткими импульсами рентгеновского излучения, частоту которых регулируют [4].

Работы по созданию безвакуумного универсального цифрового приемника в компании «Электрон» ведутся по двум технологиям: «экран — объектив — ПЗС-матрица» и динамических плоских панелей (рис. 9).

Уже серийно производятся универсальные приемники по технологии «экран — объектив — ПЗС-матрица» для телеуправляемых комплексов с рабочим полем 400x400 мм, который в динамическом режиме обеспечивает частоту 2-3 кадра/с (рис. 10) и разработан экспериментальный обра-

а)

V

Корпус

Рентгеновский экран

СМОБ-сенсор

Считывающая электроника

зец приемника с рабочим полем 430x430 мм с частотой до 60 кадров/с (рис. 9, а).

Создание универсального приемника по этой технологии стало возможным вследствие оптимизации коэффициентов преобразования всех звеньев, входящих в приемник. Выявлено, что основное влияние на уменьшение отношения сигнал/шум на выходе приемника оказывают потери сигнала в объективе. Снизить это влияние оказалось возможным благодаря увеличению масштаба передачи изображения с экрана на ПЗС-матрицу. Это было учтено при разработке экспериментальных образцов двух модификаций универсального приемника ДРЦ-430 и ДРЦ-300 с рабочими полями 430 и 300 мм соответственно и размерами фоточувствительной поверхности матрицы около 46x46 мм, содержащей 2880x2880 пикселов размером 16 мкм.

Приемники работают в импульсном режиме с переменной частотой кадров: до 10 кадров/с — при полной разрешающей способности, до 30 кадров/с — биннинг 2x2 и до 60 кадров/с — биннинг 3x3. Динамический диапазон приемников по входным дозам в любом режиме работы не менее 100 раз.

Разрешающая способность в режиме рентгенографии ДРЦ-430 составляет 3,5 мм"1, а ДРЦ-300 — 4,6 мм"1. Контрастная чувствительность в рентгенографическом режиме при дозах на кадр около 100 мкР не хуже 1,5 %.

Квантовая эффективность приемников в режиме рентгенографии при экспозиционной дозе 500 мкР на низких пространственных частотах менее 0,3 мм"1 — не менее 50 %, а в режиме рентгеноскопии при дозе 25 мкР — не менее 15 %. Универсальные приемники ДРЦ-430 и ДРЦ-300 свободны от большинства недостатков УРИ на РЭОПах и поэтому позволят их заменить в поворотных столах-штативах всех модификаций. Они предназначены также для цифровой рентгенографии на столах снимков и стойках снимков.

Рис.

Универсальные твердотельные приемники: а — «экран — объектив — ПЗС-матрица»; б — плоская

Рис. 10

Комплекс рентгеновский телеуправляемый с динамическим детектором

Из второго класса приемников разработаны экспериментальные образцы плоскопанельных детекторов с непрямым преобразованием (см. рис. 9, б). Эти детекторы состоят из экрана Csl игольчатого типа, К-МОП-сенсора и считывающей сигнал изображения электроники. Разработана базовая панель размерами 120x145 мм, которая методом сшивки позволяет создать приемники с рабочими полями от 135x235 до 350x430 мм. Размер пиксела базовой панели составляет 50 мкм. Квантовая эффективность приемников на пространственных частотах менее 0,1 мм-1 при дозе 2,3 мкГр (для рентгеновского излучения со слоем половинного ослабления 7 мм А1) более 0,6. Приемники могут работать с частотой до 100 кадров/с. Эти плоскопанельные приемники позволят создать цифровые рентгеновские аппараты различных классов (включая маммографы) на уровне лучших мировых образцов.

В основе разработок НИПК «Электрон» лежит принцип открытых систем, использующий наиболее распространенные стандарты обмена радиологической информацией: стандарт обмена текстовыми документами HL7 и изображениями DICOM 3.0.

Разработанная компанией система архивации и передачи изображений «Электрон mini-PACS» позволяет интегрировать все цифровые рентгеновские аппараты НИПК «Электрон» в больничную компьютерную сеть.

Главная проблема цифровой рентгенотехники

Дальнейшее развитие цифровой рентгенотехники связано не только с новыми конструкторскими разработками, но с созданием теоретических основ новой технической дисциплины — цифровой рентгенотехники. Дело в том, что в процессе разработки цифровых рентгеновских аппаратов выяснилось, что ряд утверждений классической (аналоговой) рентгенотехники требует пересмотра или иного толкования. Кроме того, в основы рентгенотехники необходимо включить целый ряд новых, ранее не существующих разделов, таких как цифровая обработка рентгенограмм, системы передачи и хранения цифровых изображений (PACS), телерадиология, системы интервенционной радиологии и др.

Цифровые технологии стимулировали разработку новых методик получения рентгенограмм: томо-синтез, энергетическая субтракция, фазовый контраст. Стало возможным создавать системы компьютерной поддержки (CAD), которые специальным маркером указывают на рентгенограммах рентгенологу места возможных патологий и даже системы автоматической постановки диагноза (CADx).

Огромная память и быстродействие современных компьютеров позволяют автоматически определять по равномерно засвеченному рентгеновскими лучами полю приемника, которые имитируют белый шум, без использования тест-объектов практически все параметры рентгеновского аппарата,

связанные с изображением (разрешающую способность, квантовую эффективность, отношение сигнал/шум, функцию передачи модуляции, амплитудную характеристику и др.) [3]. Такая оценка не требует экспертов и является объективной. Она более точная, так как не зависит от качества тестов и точности их установки перед приемником. Появляется возможность автоматической фиксации параметров и характеристик в памяти компьютера с возможностью их вывода на монитор или распечатки на принтере. При таком методе контроля обеспечиваются максимальная точность, минимальная трудоемкость и максимальная оперативность.

Если разработать пакет программ для оценки параметров аппаратов по белому шуму, то это даст возможность оперативно оценивать их состояние в условиях клиники.

Проведем ряд примеров, которые подтверждают необходимость корректировки ряда утверждений классической рентгенотехники.

Одной из важных проблем рентгенотехники является согласование параметров теневого рентгеновского изображения с информационными характеристиками приемника. Пленочные аппараты, в течение всего XX в. господствующие в рентгенотехнике, не могли обеспечить согласования детальности, контраста и подвижности входного рентгеновского изображения с пространственной, градационной и временной разрешающими способностями приемника. Низкая чувствительность пленочных аппаратов не позволяет использовать относительно маломощные рентгеновские трубки с фокусными пятнами менее 0,5 мм. Это приводит к тому, что разрешающая способность пленки (2025 мм"1) и даже рентгенографических комплектов «экран—пленка» (5-10 мм"1) оказывается избыточной по отношению к спектру пространственных частот входного изображения и фактически не используется. Динамический диапазон пленки (30 — 50) явно недостаточен для передачи контрастов рентгеновских изображений. При исследовании подвижных органов (рентгеноскопия) в аналоговых аппаратах отсутствует возможность согласования подвижности исследуемых органов с частотой кадров, которая соответствует принятому телевизионному стандарту и составляет 25-30 кадров/с. Это приводит к переоблучению пациента, так как малоподвижные органы можно передавать с меньшей частотой информативных кадров. Для цифровых систем согласование параметров входного изображения с характеристиками приемника возможно, так как они как минимум в 2-3 раза чувствительнее аналоговых, их динамический диапазон в несколько раз больше. Цифровая память позволяет реализовать режимы с замедленной частотой информативных кадров. Подробнее эти вопросы изложены в статьях [3]. Однако теоретическая база такого согласования проработана недостаточно.

Как известно, для подавления рассеянного излучения от объекта широко применяются свинцовые растры [2]. Подавляя паразитное рассеянное

№ 1(7)/2010"[

биотехносфера

излучение, они требуют в случае пленочного приемника увеличения экспозиции на пленку в несколько раз. С появлением цифровых приемников это положение классической рентгенотехники распространили на цифровые аппараты. Однако внимательное рассмотрение вопроса показывает, что это заблуждение [3]. Сохранятся ли растры в цифровых аппаратах или будут заменены «виртуальными растрами» (цифровой обработкой) остается вопросом. Но их роль должна измениться. Если в пленочных аппаратах их основное назначение состоит в увеличении контраста изображения, то в цифровых системах важно подавить уровень шумов, связанных с рассеянным излучением.

Проведенные НИПК «Электрон» разработки показывают, что цифровые рентгеновские системы не должны иметь строго заданных параметров дискретизации изображения. Они должны позволять производить обменные операции между качеством изображения и лучевыми нагрузками путем изменения параметров дискретизации в зависимости от характера исследования. В целях минимизации лучевой нагрузки Международная комиссия по радиационной защите (МКРЗ) создала известный свод принципов ALARA (As how As Reasonably Achievable), в соответствии с которым доза при диагностическом исследовании должна быть настолько мала, насколько это возможно при достаточном для постановки качестве изображения. Эффективное использование обменных операций требует детального изучения диагностических свойств рентгеновских изображений, что является самостоятельной сложной задачей.

Перечень проблемных задач, требующих создания теоретических основ цифровой рентгенотехники и радиологии, может быть продолжен. Уже сейчас начинает просматриваться общая траектория движения диагностической радиологии — видеть исследуемый орган, освобожденный от всех мешающих структур, а не его проекцию.

Заключение

1. Исходя из трех основополагающих принципов — более точная диагностика, наименьшее отрицательное воздействие на организм пациента,

минимальная стоимость исследования — НИПК «Электрон» разработала концепцию создания цифровых аппаратов для общей профилактической и интервенционной рентгенологии, которые позволят лечебно-профилактическим учреждениям любого уровня перейти на цифровые технологии.

2. Организация НИПК «Электрон» серийного производства цифровых рентгеновских аппаратов для флюорографии, общей рентгенологии, хирургии под рентгеновским контролем и интервенционной радиологии в количестве не менее 1500 аппаратов в год следует рассматривать как важный прорыв в области российской рентгенологии. Это позволяет улучшать качество диагностики и интервенционных процедур и на более совершенном уровне организовать рентгенологическую службу России.

3. Новое цифровое поколение рентгеновской аппаратуры требует пересмотра многих положений аналоговой рентгенотехники, порой более глубокого, чем это представляется на первый взгляд. Это касается всех звеньев, как систем визуализации (приемников изображений), так и систем его формирования, начиная от рентгеновского питающего устройства и заканчивая монитором. Для построения современных цифровых рентгеновских аппаратов необходим единый информационный подход, учитывающий все составляющие технических средств цифровой рентгенотехники.

4. Медицинская цифровая рентгенотехника еще очень далека от потенциально достижимого предела и спустя столетие с момента своего появления фактически находится в начале пути освоения возможностей цифровых технологий.

1. Зеликман М. И. Цифровые системы в медицинской рентгенодиагностике. М.: Медицина, 2007.

2. Основы рентгенодиагностической техники / Под ред. Н. Н. Б л и н о в а. М.: Медицина, 2002.

3. Увидеть невидимое: сб. науч. тр. / Под ред. А. И. М а-зуров а. СПб.: Книжный Дом, 2008.

4. Вейп Ю. А., Мазуров А. И. Универсальные цифровые приемники рентгеновских изображений // Мед. техника. 2009. № 5. С. 37-39.