Цифровая рентгенология и методы получение изображения

Введение в цифровую рентгенологию

Сегодня основной принцип рентгенографии и флюороскопии заключается в формировании информационного содержания объекта исследования на плёнке или флуоресцирующем экране точками, оптическая плотность которых отображает степень поглощение объектом рентгеноаского воздействия. Из-за низкая квантовой эффективности плёнки получаются большие экспозиционные дозы, что приводит к радиационному облучению пациента.

Также, ограниченный динамический диапазон плёнки делает невозможным одновременном передавании на одном снимке как мягких, так и плотных тканей, а также усложняет выбор оптимальной экспозиции.

С экономической точки зрения расходы на фотохимический процесс и фотопроявляемую аппаратуру весьма возрасли и становятся сильным аргументом при переходе на более дешевые и эффективные способы регистрации рентгеновского изображения.

Еще одним минус экранно-плёнковой рентгенографии это трудности содержания плёночного архива.

Другим устаревшим способом формирования рентгеновского изображения это аналоговые электронно-оптические усиление. При этом снимок сначала получают на флюоресцирующем экране, а затем он проходит сквозь усилитель, где его яркость увеличивается в тысячи раз, и только после этого фиксируется приемной телевизионной камерой с последующим выведением на экран монитора и видеозапись.

Плюсом такой технологии это увеличение квантовой эффективности. И как следствие, уменьшение дозы облучения. Однако пространственно различительная способность данного изображения заметно уступает при рентгенографии.

Принцип формирования цифрового изображения на всех приборах следующий. Если на каждой единицы площади аналогового изображения рассчитать среднюю оптическую плотность и поставить ей соответствующие числовые значения, то получим изображение в виде цифровой матрицы.

Единицу площади цифрового изображения называют пикселем. Каждый пиксель имеет на матрице свой пространственные координаты. В памяти компьютера в двоичной системе численная содержится информация про оптическую плотность и координаты каждого пикселя.

Пространственно различительная способность обычной рентгенографии обусловливается свойствами плёнки, флюоресцирующих экранов и геометрической нерезкостью. В цифровом изображении все зависит от размеров пикселя, и матрицы детектора.

Кроме того в цифровых системах одновременно можно получать снимки мягких и твёрдых объектов с достаточно высокой различительной способностью и с большим количество градаций серой шкалы.

Пространственно различительная способность на практике определяется количеством пар линий, которые можно различить в 1 мм . Для рентгена граничной плёнке пространственно различительная способность наибольшая - 20 пар линий на мм. Для систем экрана - плёнка - 8 - 10 пар линий/мм. Для приборов с усилителем изображения (ЕОП, РЕОП) - 1 - 2 пари линий на мм. В цифровом изображении пространственно различительная способность в зависимости от детекторов и размеров пикселя составляет от 0.7 до 10-15 пар линий на мм.

Главным достоинством цифрового изображения это высокая контрастная чувствительность в широком диапазоне.

Существующие системы цифровой рентгенографии по принципу детектирования бывают шести основных типов:

Системы с очислением рентгеновского изображения, полученного с усилителей изображения
Цифровая рентгенография на запоминающих люминофорах.
Полупроводниковых детекторов
Цифровая рентгенография на основе многопроводной пропорциональной камеры
Цифровая рентгенография на основе многокамерной ионизационной технологии
Системы цифрового сканирования рентгенограмм для апостериорной обработки
Цифровая флюороскопия и рентгенография с экрана электронно-оптических преобразователей

В цифровой системе сигнал, который получают с видеокамеры, аналого-цифровым преобразователем трансформируется в набор цифровых данных и передаётся в накопительное устройство. Потом эти данные компьютер переводит в видимое изображение. Различительная способность указанной технологии ограничивается линией пропускания телевизионной системы, применяемой в усилителе изображения (ПРЗ). Другим недостатком таких систем это маленький размер рабочего поля ПРЗ. В наше время создано цифровые установки на основе ПРЗ для обследования органов грудной клетки. Как примером можно привести флюорограф ФСЦ - У01 (СП "Спектр АП" и ТОВ "ТАНА").

Цифровая люминесцентная рентгенография на запоминающих устройствах

Метод реализован на фиксации рентгеновского снимка экраном, покрытым специальным веществом. При съемке происходит запоминание информации люминофором в виде спрятанного изображения. Оно способно сохранятся до 6 часов. Применённые в приемнике рентгеновского изображения пластины после облучения последовательно, точка за точкой, сканируются специальным неоновым лазером, что стимулирует люминофор, а световой пучок, что возникает в процессе лазерного сканирования, трансформируется в цифровой сигнал. Интенсивность светового пучка, как и у обычных экранов, пропорциональна числу икс - фотонов, поглощенных запоминающим люминофором. Скрытое изображение, которого осталось на экране, стирается интенсивным засвечиванием видимым светом, после чего экран можно многоразово использовать далее.

Люминесцентные пластины - накопители выпускаются в стандартных форматах плёнки, вмещаются вместо обычных комплектов "плёнко-усилительный экран" в кассету и применяются в обычных рентгенодиагностических аппаратах. Люминесцентные пластины - накопители имеют намного большую экспозицию, чем общепринятые комбинации плёнка - экран.

Этим способом можно получить достаточно контрастные изображения даже при снижении экспозиционной дозы, нижней границей которой является уровень квантового шума. При этом обеспечивается емкость изображения до 8 бит/пиксель с пространственно различительной способностью от 2.5 пар линий на мм (при размере пикселя 0.2 мм) до 5 - 6 пар линий на мм (при 0.1 мм)

Примером рентгенодиагностического аппарата на основе фото стимулированной люминесценции может служить "Digiskan 2T Plus" ("Siemens"). При этом важно, что эту технологию можно применять, используя имеющийся морально устаревший парк аппаратов.

Цифровая полупроводимая рентгенография

Считается, что качество цифрового изображения можно существенно облегчить, применяя метод прямой регистрации рентгеновских лучей электронным детектором, который работает вместе с компьютером.

Цифровая полупроводниковая рентгенография включает рентгенографию: цифровую селеновую; цифровую на основе полноформатной матрице; цифровую на основе линейки детекторов.

Селеновая рентгенография

Основной частью такого прибора служит детектор в виде барабана, укрытого шаром аморфного селена. Под действием рентгеновских лучей на поверхности селенового покрытия возникает электрический заряд, размер которого зависит от энергии облучения. Дальше с помощью специальных преобразователей происходит считывание сигнала и формирование цифровой матрицы изображения. Селеновую рентгенографию пока используют только в системах для рентгенографии грудной клетки, например в установке "Thoravision" ("Philips").

Характерная для снимков грудной клетки высокая контрастность между легочными полями и позволяет при цифровой обработке сглаживается, не уменьшая при этом контрастности деталей изображения. Другое преимущество селенового детектора это соотношение сигнал-шум.

Цифровая рентгенография на основе полноформатной матрицы

Детектор матрицы состоит из специального сцинтиляционного экрана, прямо соединённого с комплексом фото диодов с помощью оптоволокна. Регистрация икс-лучей происходит за счёт конверсии сцинтиляционного покрытием в видимый свет. Уникальной особенностью матрицы является быстрое считывание информации - до 30 изображений в секунду, что обеспечивает её применение в рентгенографии и флюороскопии.

Из недостатков следует упамянуть о низкой радиационной стойкости матрицы, поскольку большинство полупроводников детекторов быстро уменьшают свои свойства под влиянием ионизирующего излучения, а также обеспечить равномерный порог регистрации квантов на всей поверхности.

Цифровая рентгенография на основе линейки детекторов

Трудности создания полноформатной матрицы с прямым детектированием икс-лучей, которая отвечала всем характеристикам в рентгенологии, простимулировали появление детекторов, которые работают по принципу сканирования.

В этих приборах детекторы размещены в виде линейки и являют собою счётчики, которые измеряют интенсивность гамма квантов. Сканирование осуществляется с помощью одновременного перемещения рентгеновского излучателя, колиматора и детектора в вертикальной плоскости. При этом исследуемая область сканируется плоским лучеподобным рентгеновским пучком.

В ряде приборов сканирование осуществляется за счёт перемещения излучателя, колиматора и детектора в заданном секторе. Лучи, которые проходят сквозь тело пациента, попадают на входное окно детектора. После обработки информации со всех рядков и кадров формируется цифровое изображение, которое отображает интенсивность рентгеноского излучения после прохождения сквозь ткани пациента.

Недостатком можно считать низкое время сканирования, которое составляет 5 - 10 секунд.

К аппаратам с полупроводниковыми линейными преобразователями относится ФМЦ - Si - 125 ("Амико", "Рентгенпром", Москва) и АПЦФ - 01 "Карс - Скан" ("Медрентекс", Москва).

МЦРУ Малодозовая цифровая рентгеновская установка. Описание принципов работы

Примером цифровая рентгенография на основе многопроводной пропорциональной камеры служит цифровая рентгенографическая установка МЦРУ сканирующего типа выпускаемая с 1999 по 2005 заводом "Научприбор" в городе Орле. Ее особенностью является многопроводная пропорциональная камера, заполненная смесью газов (ксенона и углекислый газ). На анод и катод камеры под высоким напряжением подаётся электрический заряд.

Под действием рентгена происходит ионизация газа и ионы, которые появились, влияют на анодные проволочки с помощью наведенного дополнительного заряда, величина которого дальше оценивается в режиме прямого подсчёта квантов.

Камера способна улавливать сигнал, который минимально преувеличивает порог чувствительности усилителей - дискриминаторов, благодаря чему фоновое облучение не фиксируется, тогда, как полезный сигнал увеличивается в тысячи раз пропорциональную величину ионизации.

Эти особенности выгодно отличают пропорциональную камеру то других типов детекторов и позволяет максимально уменьшить дозу радиации, необходимую для получения рентгеновского изображения, и обеспечить его наибольшим динамическим диапазоном. Установки МЦРУ являются и по сей день самыми малодозными рентген аппаратами в мире. К сожелению из-за банкротства некоторых оборонных электронных заводов и отсутствием в мире необходимых компонентов выпуск аппаратов с данным типом детектора прекращен.

Цифровая рентгенография на основе многокамерной технологии

Примерами таких систем служат цифровой усилитель рентгеновского изображения и цифровой мамограф АТ "Радмир" (Харьков) и малодозовые цифровые приёмники рентгеновского изображения АТ "Телеоптик" (Киев).

Принцип роботы этих устройств заключается в считывании рентгеновского изображения цифровыми камерами на основе ПЗЗ - матриц из люминесцентного экрана. Использование нескольких камер (от 4 до 36) позволяет повысить пространственно различительную способность. Изображения, полученные от каждой из камер при обработке компьютером "сшиваются" и формируют диагностическое изображение, которое отображается на экране монитора рабочей станции.

Преимущества цифровой рентгенографии

Преимуществом цифровой рентгенографии перед обычной экранно-плёночной неоспоримы: это лучшая видимость незначительных разницы в контрастности и более высокое качество изображений, что существенно позволило уменьшить лучевые нагрузки на пациентов. Компьютерная обработка изображения позволяет оптимизировать его качество. Изображения в цифровой форме можно простым и удобным способом анализировать и передавать на любые растояния.

Архив цифровых изображений намного сокращает площади помещения и исключает потерю изображений. Обычные плиточные рентгенограммы в результате природных процессов стареют, а в электронных форматах можно хранить вечно.