Медицинская рентгенотехника вступает в XXI век
Вместе с окончанием XX века заканчивается эра классической медицинской рентгенотехники. Уход в прошлое традиционной рентгенотехники и появление новых технических средств происходит на наших глазах. Революционное появление рентгеновской компьютерной томографии в 70-80-х годах этого столетия создало мощные предпосылки для широкого внедрения компьютерных технологий в рентгеновскую диагностику.
В промышленно развитых странах доступность высококвалифицированного рентгенологического обследования воспринимается как нормальная составляющая жизни. Однако, в мировом масштабе – это роскошь. Около половины населения мира в настоящее время живет в условиях отсутствия рентгенологических служб. Поэтому говорить о быстром отмирании существующей рентгенотехники преждевременно. Учитывая дороговизну новой техники, замена существующих технических средств на прогрессивные будет происходить не революционным, а эволюционным путем в течение нескольких десятилетий. Для высокоразвитых стран анализ отношения эффективность/стоимость показывает целесообразность использования высокотехнологических методик, в то время как для трех четвертей населения мира существует другая проблема – как получить минимально необходимое рентгеновское обследование (обычные рентгеновские снимки).
Великий немецкий поэт Г. Гейне как-то сказал: "Каждый век, приобретая новые идеи, приобретает новые глаза". Грядущий век от века уходящего в области технических средств для рентгенологии приобретает две основополагающие идеи: неизбежность перехода на цифровые технологии, подход к рентгенодиагностическому аппарату, как к единой системе преобразования информации. В свете этих идей попробуем дать некоторые прогнозы на "новые рентгеновские глаза" в XXI веке. Учитывая вредное влияние рентгеновского излучения на организм человека, первое, что необходимо сделать, это оценить дальнейшие возможности снижения лучевых нагрузок.
Главный резерв – в снижении мощности дозы на входе приемника, заключается в подавлении вторичного излучения. Отсеивающие растры не могут решить эту проблему полностью, так как с уменьшением прозрачности растра для вторичного излучения падает так же прозрачность растра для полезного излучения. Возможные пути решения этой проблемы заключаются в сканировании просвечиваемого объекта узким рентгеновским пучком (линейный веерный луч, одноэлементный бегущий луч), а также в построении приемников, которые работают в режиме счета фотонов, когда появляется возможность сортировать отклики приемника на полезные и паразитные, используя разницу в энергиях первичных и вторичных квантов, что достаточно проблематично при использовании тормозного спектра излучения. С этой целью интересно также исследовать возможности цифровой обработки сигнала изображения.
Другой путь снижения лучевой нагрузки на пациента заключается в увеличении жесткости до уровня, при котором экспозиционная доза за пациентом меньше входной в 30-60 раз. При приближении квантовой эффективности приемника к единице и полном подавлении рассеянного излучения мощность дозы на входе пациента (при сохранении неизменной мощности дозы на входе приемника) теоретически можно уменьшить от 6 до 7 раз. Обменные операции между пространственной, временной и градационной разрешающими способностями, которые можно реализовать на цифровых снимках, исходя из вида исследования, позволяют в ряде случаев еще больше сократить экспозиционную дозу на приемнике. Следовательно, вывод о том, что в последние годы практически достигнут принципиальный предел снижения дозы, следует относить только к приемникам с квантовой эффективностью более 0,8, и его не следует распространять на всю рентгеновскую систему.
Для систем XXI века еще существует принципиальная возможность снизить дозу, по крайней мере, в несколько раз. В течение почти всего XX века рентгеновская диагностика базировалась на рентгеновских экранах и пленках. Сейчас эти традиционные приемники рентгеновских изображений уходят в прошлое. Так же, как и люминесцентные экраны – вследствие очень низкой квантовой эффективности системы "экран-глаз" и, как следствие, низкой контрастной чувствительности и разрешающей способности.
По этим причинам в развитых странах рентгеноскопия с использованием экранов запрещена законом, и они повсеместно заменены УРИ. В России такая замена технически также подготовлена. В нашей стране выпускаются серийно для первого рабочего места рентгенодиагностических комплексов серия усилителей типа УРИ-612 с рабочими полями 220, 290 и 360 мм (НИПК "Электрон").
Фотопленка в сочетании с усиливающими экранами в течение целого столетия играла доминирующую роль в медицинской рентгенотехнике. Но она неизбежно уйдет в прошлое не только из-за дефицита и дороговизны серебра. В XXI столетии цифровые приемники заменят ее по целому ряду причин. Уже у современных цифровых приемников квантовая эффективность в несколько раз больше (0,5-0,8 против 0,2). Динамический диапазон пленок хоть и превышает в несколько раз диапазон телевизионных передающих трубок: видиконов и плумбиконов, однако существенно ограничивает возможности исследования медицинских сюжетов. Поскольку динамический диапазон в цифровых системах в несколько раз выше пленочного, в цифровых изображениях почти все промахи неправильного экспонирования могут быть исправлены обработкой изображения. Необходимость в фотолаборатории с сопутствующим ей оборудованием и расходными материалами и пожаробезопасном помещении для хранения пленок дополняют недостатки традиционной рентгенотехники. Широкое распространение пленки было обусловлено ее высокой разрешающей способностью и относительно невысокой стоимостью. Но по мере развития цифрового рентгенотелевидения ее роль в диагностическом процессе неизбежно ослабевает. Ссылка на необходимость иметь высококачественную твердую копию также скоро станет малоубедительной, поскольку развитие цифровых архивов и информационных сетей, позволит автоматически вызвать из архива любой снимок и воспроизвести его на высококачественном мониторе.
Таким образом, пленка утрачивает функции "эталона". Уже сейчас есть системы, по качеству изображения превышающие снимки на пленку с усиливающими экранами, но они доступны только элитным клиникам. Три главных фактора: низкая производительность, трудоемкость и экологически нечистая технология, сыграют свою роль и со временем пленка будет полностью вытеснена цифровыми системами преобразования изображений. Это УРИ с большими рабочими полями и телевизионными системами высокого разрешения на ПЗС матрицах, экраны с памятью, видеоинформация, с которых снимается с помощью лазерного луча, и, прежде всего плоские цифровые панели (Solid state silicon panels). Они имеют более высокие квантовую эффективность (0,4-0,8) и динамический диапазон (более 1000) при сравнимой с пленкой разрешающей способности (более 2,5 мм -1). Плоские панели имеют ряд преимуществ перед УРИ на рентгеновских электронно-оптических преобразователях (РЭОПах). На них совершенно не воздействует магнитное поле, создающее в РЭОПах геометрические искажения. Очень большой динамический диапазон плоских панелей означает, что не может быть недоэкспонирования или переэкспонирования, т.е. изображение практически будет содержать информацию обо всех элементах изображения, как в "черном", такие "белом". Отпадает необходимость в дорогостоящей оптике и высоковольтном блоке питания (25-30 кВ), они имеют меньшие габариты и вес, срок службы существенно выше. У РЭОПов толстое переднее стекло уменьшает квантовую эффективность и снижает контраст изображения.
Уже создан целый ряд плоских детекторов. Основанная на аморфном кремнии рентгеновская визуализация уже показала значительное улучшение качества изображения по сравнению с пленкой. В России в последние годы уже создан ряд сканирующих цифровых рентгенографических систем, использующих линейки твердотельных или газовых (ксеноновых) детекторов, стоимость, технология и обеспечение устойчивой повторяемости свойств являются последними барьерами на пути продвижения этих изделий на массовый рынок.
Следует отметить, что в России, несмотря на драматический развал экономики и науки в последние годы продолжается разработка новых рентгенодиагностических аппаратов и устройств. Достаточно сказать, что за последние два года Комитетом по новой технике МЗ РФ рекомендованы к применению 7 типов различных рентгеновских цифровых комплексов, созданных отечественными производителями. Примером этому могут служить сканирующие малодозовые цифровые флюорографы, разработки Научно-практического центра медицинской радиологии ДЗ Москвы ФМЦ-Хе-125 и ФМЦ-Si-125 с ксеноновым и полупроводниковым детекторами, а также разработанный ЗАО "Амико" апппарат-приставка для цифровой флюорографии АПЦФ-01 "Амико". Прослеживается тенденция замены рентгеновских кабинетов с традиционными тремя рабочими местами на рентгеновские кабинеты с телеуправляемыми и полипозиционными столами с цифровыми приемниками, выполняющими функции всех трех рабочих мест. Сочетание трех рабочих мест в одном обеспечивает большую экономичность и эксплуатационную гибкость. Эта тенденция получит развитие после разработки плоских цифровых приемников, позволяющих снимать информацию, как в режиме рентгенографии, так и в режиме рентгеноскопии. Сейчас такие полипозиционные столы оборудуются цифровыми преобразователями с большими рабочими полями усилителей рентгеновских изображений (РЭОПов).
Примером может служить новый отечественный телеуправляемый комплекс, созданный в 1999 году фирмой "Амико", Телемедикс-Р. Наряду с универсальными многофункциональными рентгеновскими аппаратами все шире начинают применяться узкоспециализированные цифровые системы (маммографические, зубные, костные), которые оптимизированы под решение конкретных задач. Эта тенденция будет развиваться и дальше. Медицинская рентгеновская техника получает все большее распространение не только как средство диагностики, но и как средство рентгеновского контроля при проведении терапевтических и хирургических процедур (интервенционная рентгенология, литотрипсия, лапаротомия и внутрисосудистая хирургия под рентгеновским контролем).
Современные достижения медицины существенно расширяют диапазон применения рентгеноскопии, которая ранее использовалась, главным образом, для функциональных исследований. Эти новые направления медицины развиваются по экспоненциальной зависимости, в таких же темпах развивается рентгеновская техника для их реализации. Во всем мире с этой целью все более широко используются рентгеновские аппараты с многопозиционными арочными (т.н."С-arm") штативами, оборудованные УРИ с цифровой памятью. Хирургические рентгеновские аппараты этого класса выпускаются более чем 10 зарубежными и тремя отечественными фирмами.
Примером отечественного аппарата этого класса является многопрофильный хирургический рентгеновский аппарат с цифровой памятью типа РТС-612, выпускаемый НИПК "Электрон". Этот аппарат имеет широкий диапазон клинического применения на рабочих местах, где осуществляются инструментальное вмешательство, позиционирование и хирургия под рентгеновским контролем. Хорошо известно, что любое теневое рентгеновское изображение содержит информацию о всех органах, пронизываемых первичным пучком, и плохо согласовано со свойствами зрительного анализатора. Поэтому, после преобразования изображения в видеосигнал, появляется возможность его обработки по трем направлениям. Это коррекция аппаратурных искажений, препарирование, связанное с выделением интересующих рентгенолога и подавлением несущественных для данного исследования структур, и, наконец, согласования наблюдаемого рентгенологом изображения (по яркости, контрасту, детальности, динамическому диапазону и т.д.) с возможностями зрительного анализатора. Например, пространственно-частотный спектр просвечиваемых структур на мониторе должен соответствовать полосе пропускания зрительного анализатора, а увеличение изображения не должно превышать размера, при котором элемент (пиксел) изображения виден под утлом более 3'.
Наибольший потенциал в этом отношении несут цифровые методы. Их значение для получения высокоинформативных изображений не только до конца не исследовано, но даже не в полной мере осознано. Цифровая обработка таит в себе возможности не только корректировки, препарирования и согласования со зрительным анализатором изображения, но и позволяет восстанавливать из разноракурсных проекций объемные изображения исследуемых органов и систем организма. Непреодолимым пока барьером на этом пути стоит проблема "затенения", что существенно снижает диагностическую ценность "объемных" (многоракурсных) изображений, получаемых в настоящее время. Проблема успешно решается методами компьютерной томографии, рассмотрение которой выходит за рамки настоящей работы. Следует сказать лишь, что ее развитие в XXI веке будет продолжаться весьма интенсивно.
Появление плоских цифровых детекторов существенно изменит конструкцию таких систем. Появилась и широко развивается новая индустрия рентгенологических средств, связанная с объединением рентгеновской аппаратуры в информационные сети с цифровыми архивами. Как и другая техника для лучевой диагностики, рентгеновская аппаратура должна использовать единые международные стандарты обмена данными, что содействует созданию единого информационного пространства и единой базы данных диагностической информации ЛПУ. На этом пути необходимо решить следующие задачи: оснастить рентгеновскую аппаратуру цифровым интерфейсом, обеспечить совместимость форматов изображений и операционных систем, разработать различные беспроводные технологии передачи рентгеновских изображений на большие расстояния.
В настоящее время широко развивается телерентгенология, при этом число телемедицинских проектов для рентгенологии превышает 20% от общего числа проектов.
Попытка прогнозирования неизбежно связана с риском ошибки. Авторы, занимающиеся медицинской рентгенотехникой около 40 лет, берут на себя смелость на некоторый полет фантазии, который, в ряде случаев, может быть носит научно-фантастический характер.
Вот наши прогнозы:
произойдет интеграция рентгеновской техники в единую систему лучевой диагностики, обеспечивающей совмещение изображений и единый архив, отпадет необходимость в физическом транспорте снимков, твердая копия (рентгенограмма) уйдет в прошлое. Проблемы расходов на пленку, фотолаборатории, хранилища пленок должны исчезнуть.
Большие массивы рентгеновских изображений будут храниться в роботизированных архивно-библиотечных системах стандартизованного формата. Сейчас снимки и выводимые на экраны изображения сосуществуют с явным количественным превосходством первых. В случае полностью разработанных систем архивирования изображения и связи (PACS) диагностика будет проводиться по изображениям на экранах, а не по снимкам и твердым копиям.
Получат широкое распространение экспертные системы и системы автоматического отбора патологий с помощью компьютера. Рентгенологи будут ставить диагноз на рабочих станциях с техникой быстрого просмотра и возможностями количественных оценок.
Сканирование во многих рентгенотелевизионных системах будет перенесено в область формирования рентгеновского изображения. Это самый эффективный путь борьбы с рассеянным излучением. В приемнике это сканирование будет сочетаться со счетом фотонов.
Будет полностью освоена цифровая технология диагностики технического состояния рентгенотехники и управления режимами работы аппаратуры.
Цифровые детекторы заменят УРИ с РЭОПами. Будут решены некоторые задачи диагностики с применением монохроматического рентгеновского излучения с вытекающими возможностями количественного анализа плотностей, элементного состава и т.п.
Таким образом, на пороге XXI века развитие рентгенотехники следует рассматривать не как конечную веху эволюции, а как переход ее на качественно новый уровень, подготовленный новейшими технологиями в области рентгеновского аппаратостроения, цифрового телевидения и компьютерной техники. Ясно, что медицинская рентгенотехника еще очень далека от потенциально достижимого предела и, спустя столетие, с момента своего появления, фактически находится в начале пути цифрового рентгенотелевидения.