Оптимизации параметров излучения рентгеновской трубки для целей медицинской диагностики

Открытое немецким физиком У.Рентгеном в 1895 г. рентгеновское излучение находит широкое применение в самых различных областях науки, техники и медицины. Рентгеновское излучение это электромагнитное излучение с волны l от 0.01 нм до 10 нм. Кванты рентгеновского излучения локализованы в области, имеющей размер длины волны, сравнимой с размерами атомов вещества. Поэтому кванты рентгеновского излучения могут проходить через вещество, практически не рассеиваясь на его атомах. На Рис.2. показан упрощенный процесс прохождения рентгеновских квантов с различной длиной волны через вещество. Как показано на рисунке, кванты с большей длиной волны будут испытывать большее число столкновений с атомами вещества, в то время как кванты с малой длиной волны или с большей энергией могут проходить через вещество, практически не рассеиваясь на атомах. Затухание интенсивности рентгеновского потока в среде описывается экспоненциальным законом и зависит как от энергии рентгеновского кванта, так и от электронной плотности среды (величины заряда атомов вещества).

Высокая проникающая способность рентгеновского излучения позволяет получать информацию о внутреннем строении и состоянии вещества и живых организмов. Это широко используется для целей медицинской диагностики и лечения. На Рис.1 в качестве примера представлено рентгенографическое изображение пяточной кости человека.

Методы получения рентгеновского излучения для медицинских целей.

Наиболее простым и достаточно удобным способом получения рентгеновского излучения для медицинских целей является использование рентгеновских трубок. Схематически такая трубка показана на рисунке 3. Трубка состоит из накального катода и анода, которые расположены в вакуумном объеме. Между этими электродами прикладывается высокое напряжение от единиц до сотен киловольт.

Электроны, эмитированные с горячего катода, ускоряются анодным напряжением и попадают на анод. В результате взаимодействия с материалом анода генерируется рентгеновское излучение.

В процессе взаимодействия ускоренных электронов с атомами материала анода испускается два типа рентгеновских квантов. Схема процессов формирования рентгеновского излучения показана.

Один тип испускаемых квантов это кванты характеристического излучения с энергиями, определяемыми энергетическими уровнями атомов анода. Они излучаются в результате взаимодействия ускоренных электронов с электронами атомной оболочки (Рис 4 (а)). Другой тип это кванты тормозного излучения, излучаются в результате взаимодействия падающих электронов с потенциалом ядра атома (Рис 4 (б)). Спектр тормозного излучения является непрерывным.

Суммарный спектр, испускаемый трубкой, является суммой характеристического и тормозного излучения. На Рис. 5 сплошной линией схематически показан спектр (распределение по энергиям квантов падающих в одну секунду на площадку 1 мм², находящуюся на расстоянии 1 м) рентгеновской трубки с W анодом при ускоряющем напряжении 120 кВ и током 1 мА. Спектр расcчитан с учетом поглощения в материале анода, выходном окне и в Al фильтре. Пунктиром на рисунке показано поведение спектра без учета поглощения в материале анода и материале окна.

Спектр излучения рентгеновской трубки зависит как от ускоряющего анодного напряжения, так и от тока проходящего через трубку. На рис. 6 приведены расчетные спектры от рентгеновской трубки с анодом из вольфрама (W) при различных ускоряющих напряжениях. Из представленного рисунка видно, что с увеличением ускоряющего напряжения возрастает интенсивность спектра и энергия рентгеновских квантов. Максимум спектра сдвигается в область высоких энергий. При напряжениях на трубке превышающих порог возбуждения характеристических линий W (67, 65 кэВ) На спектре появляются пики характеристических линий.  

Взаимодействие рентгеновского излучения с веществом.

При рентгенографических исследованиях через вещество пропускают рентгеновские кванты и регистрируют изображение прошедшего через объект излучения. При этом кванты могут взаимодействовать с веществом различными способами (Рис 8.). При достаточно низкой энергии рентгеновских квантов основной процесс, определяющий взаимодействие, это процесс фотоэлектрического поглощения.

При фотоэлектрическом поглощении происходит поглощение падающего кванта электроном атомной оболочки и образование свободного электрона с энергией, сравнимой с энергией поглощенного кванта. Более точное описание процесса представлено в монографии [3].

Кроме этого, при прохождении рентгеновского излучения через вещество может наблюдаться процессы, когда выброшенный из атома электрон получает лишь часть энергии падающего кванта и называется электроном отдачи. Остальная энергия излучается в виде кванта с меньшей энергией, чем у падающего кванта. Такое рассеяние называется Комптоновским. Направление излучения возникшего рентгеновского кванта произвольно. Комптоновское рассеяние имеет место на внешних слабосвязанных электронах атома, либо на электронах легких атомов.[3]

Поскольку Комптон-эффект существенен для легких атомов, из которых в основном состоит человек, то при рентгенографических исследованиях Комптоновское рассеяние составляет значительную часть излучения, прошедшего через тело пациента и приводит к размыванию изображения исследуемого объекта. Для уменьшения этого эффекта в медицинских исследованиях используют отсеивающий растр (Рис.10). Но при этом в несколько раз теряется интенсивность прошедшего через объект излучения, и приходится увеличивать дозу облучения пациента.

Значительное уменьшение влияния Комптоновского рассеяния достигается с использованием сканирующих методов рентгенографии. В этом случае объект облучается узким пучком рентгеновского излучения, ширина которого во много раз меньше исследуемых особенностей объекта. В результате влияние Комптоновского рассеяния от соседних областей на исследуемую область объекта становится несущественным, поскольку эти области попросту не облучаются в момент регистрации.

Тем не менее, несмотря на очевидные преимущества сканирующего метода, существует проблема, связанная с ограниченной мощностью рентгеновского излучения, определяемой трубкой. При уменьшении размера приемника до 100 мкм и времени сканирования до 5 секунд на приемную площадку, расположенную на расстоянии 1 метр от фокуса трубки, попадает недостаточное количество рентгеновских квантов для получения качественного изображения.

Из диаграммы видно, что в случае использования однострочного детектора c размером пикселя 100х100 мкм2 мы сможем регистрировать только объекты, создающие более 10% контраста поглощения зондирующего излучения. То есть, с уменьшением размеров детектора уменьшается его контрастная чувствительность.

Результаты, приведенные на рис.11 говорят о том, что невозможно создать однострочный детектор рентгеновского излучения, соответствующий пространственному разрешению 5 пар линий на мм и контрастной чувствительностью 1% в связи с ограниченными возможностями рентгеновской трубки по генерации рентгеновских квантов.

Для достижения этой цели необходимо увеличивать количество строк детектора в сотни раз. В патенте фирмы МЕДТЕХ [7] описывается ВЗН-метод сканирования, при котором вместо одной строки применяется матрица из необходимого числа строк. ВЗН-метод успешно реализован в рентгеновских аппаратах КАРС производства фирмы «МЕДТЕХ» г. Новосибирск.

 Статистический характер взаимодействия рентгеновского излучения с веществом.

Поскольку каждое событие рождения и поглощения рентгеновских квантов происходит независимо друг от друга, эти процессы описываются статистикой Пуассона. Так вероятность рождения n квантов с энергией Е за определенный интервал времени определяется распределением Пуассона:

где N0 – среднее число квантов с энергией E, рождающихся за определенный интервал времени. При этом, будет стандартным отклонением от среднего числа квантов. Т.е если N0 будет средним уровнем регистрируемого сигнала, то  будет являться шумом, определяемым самой природой рентгеновских квантов. Качество информации, получаемой из регистрируемого сигнала, определяется отношением сигнал-шум. Так для источника с энергией квантов Е отношение сигнал-шум равно:

Как видно из рисунка минимальным отношением сигнал-шум при котором еще можно достоверно различить особенности регистрируемого объекта является 1.0

Следует отметить, что формула (2), описывающая отношение сигнал-шум справедлива только для источника, у которого все кванты имеют одинаковую энергию. Но на практике, в частности в медицинских целях применяют источники (рентгеновские трубки) у которых имеется широкий спектр излучения. В этом случае для определения суммарного по спектру отношения сигнал-шум необходимо применять следующее отношение:

 Оптимизация энергии рентгеновских квантов для рентгенографических исследованиях различных частей тела.

Очевидным путем улучшения качества рентгеновского изображения является увеличение проходящих через объект квантов. Но такое не всегда возможно, особенно в медицинских исследованиях, когда объектом исследования является живой человек. Поэтому важно знать какие параметры рентгеновского излучения и как влияют на качество получаемой рентгенографической информации кроме количества рентгеновских квантов.

Учитывая, что ткани человека в основном состоят из воды, проведем расчет влияния энергии рентгеновских квантов на качество изображения при регистрации изображения “фантома” 10 см воды с 1% изменением плотности. Схема приведена на рисунке 13, аналогична рассмотреной в [5].

Имеется слой воды толщиной 10 см,  в этом слое имеется полость размером 1х1х1 мм. Количество квантов проходящих через эту область – N₂, и количество квантов проходящих через всю толщину водяного слоя – N₁ будут немного отличаться, за счет поглощения в различных по толщине слоях воды.  Это отличие и будет полезным регистрируемым сигналом, а шум будет определяться общим потоком прошедших через слой квантов.

По схеме представленной на рис.13 произведены расчеты зависимости отношения сигнал-шум (SNR) и поглощенной дозы в зависимости от энергии рентгеновских квантов. В расчетах предполагалось фиксированная плотность потока квантов по спектру.

Представленные на рис.14 данные демонстрируют, что с повышением энергии квантов происходит рост отношения сигнал-шум. При превышении энергии квантов более 35 кэВ отношение сигнал-шум практически не меняется, а эквивалентная поглощенная доза продолжает расти.

Таким образом, существует оптимальное для данного типа исследований значение энергии квантов, при котором достигается наилучшее качество при минимальной дозе. На Рис.14 видно, что для “фантома” 10 см воды (модель органов грудной клетки) значение оптимальной для рентгенографических исследований энергии рентгеновских квантов составляет порядка 35 кэВ. Для квантов с меньшими энергиями нет возможности достижения приемлемого качества (вследствие высокого поглощения). Кванты больших энергий не приводят к заметному улучшению качества изображения, а приводят только к возрастанию дозы облучения пациентов.

Для определения оптимальной энергии рентгеновских квантов, при которой достигается заданное качество рентгенографического изображения при заданной поглощенной дозе, проведены расчеты энергетических зависимостей отношения сигнал-шум при регистрации 1% контраста плотности для различной толщины слоя воды: 10, 20, 30 см. При этом поглощенная доза для квантов с каждой энергией задавалась на уровне 1 мЗв.

Представленные на рисунке кривые демонстрируют, что для получения качественной информации при различных типах рентгенографических исследований существует оптимальная область энергий рентгеновских квантов. Дальнейшее увеличение энергии квантов приводит к снижению качества получаемой рентгенографической информации.

Так для флюорографических исследований легких (“фантом” – слой воды 10 см) при регистрации 1% контраста плотности оптимальные энергии квантов находятся в районе 35 кэВ. Максимум спектра рентгеновской трубки, соответствующий этой энергии квантов, будет наблюдаться при ускоряющем напряжении на трубке 70 кВ.

Представленные выше результаты являются наглядной демонстрацией необходимости использования оптимальных параметров рентгеновских источников для достижения максимального качества рентгенографических исследований.

Существует еще один вопрос, касающийся получения качественных изображений. Этот вопрос относится к величине дозы излучения, поглощенной в пациенте при регистрации изображения с заданным отношением сигнал-шум.

При использовании реальной трубки суммарное по спектру отношение сигнал-шум рассчитывается по формуле (3). Расчет регистрации 1% контраста плотности проводился по схеме, показанной на Рис. 13. Суммарное по всему спектру отношение сигнал-шум SNR » 1 достигается путем варьирования тока трубки при заданном, ускоряющем напряжении: 75 кВ для 10 см воды и 100 кВ для 20 см воды. После чего, определив параметры трубки и зная параметры сканирования можно определить поглощенную в пациенте дозу излучения. Расчеты, проведенные для сканирующего метода регистрации изображения с контрастом плотности 1% и суммарным отношением сигнал-шум SNR » 1 (минимальное качество), дают следующие результаты:

1) при регистрации фронтальной проекции легких человека поглощенная доза составляет 6.3 мкЗв;

2) при регистрации боковой проекции 20 мкЗв.

Таким образом, существует некоторая минимальная доза облучения, необходимая для получения изображения с заданным качеством.

Как было показано выше, кванты с энергиями меньше 20-25 кэВ не позволяют получать качественную информацию. На рисунке 15. представлены спектры рентгеновской трубки с W анодом и ускоряющем напряжении 75 кВ, рассчитанные до и после прохождения слоя воды толщиной 10 см (“фантом” для рентгенографических исследований фронтальной проекции легких человека)

Из представленных спектров видно, что при прохождении через пациента кванты с энергией менее 30 кэВ полностью поглощаются. Они увеличивают радиационную нагрузку на пациента и не принимают участия в формировании полезного изображения. Для уменьшения количества квантов с малыми энергиями в спектре необходимо применять различные рентгеновские фильтры.

Рис. 17. Спектры рентгеновского излучения трубки с W анодом при ускоряющем напряжении 75 кВ до и после прохождения через 2 мм Al фильтр, 400 и 300 мкм Ti фильтр, и после прохождения 10 см воды (“фантом” прямой проекции легких человека)

Точная оценка данных, приведенных на Рис. 17, показывает, что использование Ti-фильтра толщиной 400 мкм вместо стандартного Al- фильтра 2 мм позволяет уменьшить поглощенную дозу в пациенте при флюорографическом обследовании легких на 6-10%. Применение Ti фильтра толщиной 300 мкм позволяет полностью заменить Al- фильтр, но в тоже время возрастает поток квантов с энергиями » 35-50 кэВ на 5%, что позволит получить более качественное изображение.

Представленные выше результаты являются наглядной демонстрацией необходимости выбора оптимальных параметров источника рентгеновского излучения (рентгеновской трубки). К важным параметрам можно отнести ускоряющее напряжение, так как оно определяет среднюю энергию рентгеновских квантов. Кроме этого необходимо использовать специальные рентгеновские фильтры, позволяющие снизить радиационную нагрузку на пациента и улучшить качество изображения.

На основании вышеприведенных данных можно сделать вывод, что для улучшения качества рентгенографических изображений необходимо:

1. Увеличить число рентгеновских квантов проходящих через исследуемый объект.

В таблице 1 представлены способы увеличения числа рентгеновских квантов и их недостатки.

Таблица 1.

Преодоление некоторых недостатков возможно путем оптимизация энергетического состава спектра рентгеновской рубки за счет применения оптимальных параметров (прежде всего ускоряющего напряжения и тока) для заданного типа исследований. Кроме этого, необходимо применение специальных рентгеновских фильтров, выделяющих из спектра область с оптимальной энергией квантов.

2. Применять высокоэффективные детекторы, обеспечивающие регистрацию каждого рентгеновского кванта, прошедшего через объект исследования.

3. Применять специальные методы зондирования, снижающие уровень Комптоновского излучения в регистрируемом сигнале, такие например, как метод сканирующей рентгенографии.

Выводы.

При проведении рентгенографических исследований необходимо учитывать, что:

- существует область спектра рентгеновского излучения (с малыми энергиями квантов), которая не участвует в формировании изображения. Кванты из этой области спектра полностью поглощаются в пациенте и приводят к неэффективному и неоправданному увеличению поглощенной дозы;

- имеется оптимальное значение энергии рентгеновских квантов, после которого дальнейшее увеличение энергии квантов приводит к снижению качества получаемой рентгенографической информации и увеличению дозы облучения;

- существует минимальная доза облучения, необходимая для получения изображения с заданным качеством.

Для улучшения качества рентгенографического изображения и уменьшения дозы, получаемой пациентами при проведении рентгенографических исследований, необходимо:

1) использовать высокоэффективные детекторы, способные регистрировать каждый рентгеновский квант, прошедший через пациента, независимо от его энергии;

2) применять специальные методы зондирования, такие как метод сканирующей рентгенографии (ВЗН-метод);

3) оптимизировать энергетический состав рентгеновского спектра путем выбора оптимальных параметров питания рентгеновской трубки для заданного типа исследований, а также путем применения специальных рентгеновских фильтров, выделяющих из рентгеновского спектра область с оптимальной энергией квантов.