Сканирующий метод получения рентгеновских изображений на цифровом аппарате «Сибирь-Н»

Последние десятилетия ознаменовались бурным развитием и внедрением в медицину цифровых рентгенологических систем. Отрадно отметить, что России принадлежат приоритеты в создании и совершенствовании этого класса медицинской техники. Рассмотрим сканирующий метод получения рентгеновских изображений на малодозной цифровой рентгенографической установке (МЦРУ) «Сибирь-Н». Это первая сканирующая система создана в ИЯФ СО РАН в 1984 г., где в качестве детектора использовалась многопроволочная пропорциональная камера (МПК). В дальнейшем установка претерпела немало изменений, направленных на повышение ее диагностических возможностей. Предлагаемая новая модификация является одной из последних разработок установки МЦРУ в области цифровой рентгенографии, только с другим приемником излучения - многоканальной ионизационной камерой (МИК) с высокой квантовой эффективностью. Переход на другой газовый детектор позволил увеличить число каналов на единицу площади в 2,25 раза, при этом оставить дозы облучения пациентов на прежнем уровне, благодаря применению нового детектора с вдвое высокой эффективностью. Идея, физические расчеты, конструкция, электроника считывания и программное обеспечение предложены и разработаны в ИЯФ, ионизационная камера – основной элемент детектора – доработана и освоена в производстве на ГНПП «Восток» (г. Новосибирск).

Сканирующий метод визуализации, в силу его конструктивных особенностей, предпочтителен по сравнению с традиционной пленочной или цифровой матричной технологией получения рентгеновских изображений по следующим причинам:

• исключение регистрации рассеянного излучения при формировании рентгеновского изображения;
• существенное снижение радиационной нагрузки на пациента в сравнении со стандартными показателями, что позволит обеспечить годовую эффективную дозу меньше 1,0 мЗв при проведении профилактических медицинских рентгенологических исследований, в том числе при проведении диспансеризации;
• возможность получения протяженных снимков, вплоть до снимка в полный рост;
• отсутствие геометрических искажений по линии сканирования;
• широкий динамический диапазон, отсюда процент брака в сравнении с традиционной пленочной рентгенографией из-за ошибок в выборе экспозиции ничтожно мал, так как 5% контраст можно уверенно различить без искажений в прямом пучке рентгеновского излучения и ослабленном в 500 раз.

Рассмотрим основные достоинства и недостатки цифровых двух координатных и сканирующих систем.

Из таблицы следует, что, несмотря на кажущуюся «естественность» двух координатного метода, его преимущество перед сканирующим методом получения рентгеновских изображений является весьма спорным.

Линейное сканирование вдоль пациента наиболее предпочтительно, т.к. органы грудной полости снимаются симметрично по времени, а для предотвращения динамической нерезкости и кимографического эффекта изображения сердца и крупных сосудов, съемку производят при напряжениях 90 кВ и выдержкой не более 0.005 секунд. Только при таких режимах очаговые изменения в прикорневых зонах получают четкое отображение на снимках, и не размываются из-за сокращений сердца. При сканировании поперек пациента снимок левой и правой половины грудной полости получают в разное время с интервалом до 5 с, что затруднит диагностику. Однако следует отметить, что стремление к получению приемлемой производительности при использовании метода послойного сканирования пациента узким веерообразным пучком рентгеновского излучения, как правило, требует уменьшения времени единичного измерения, а это влечет за собой снижение чувствительности метода и высокой нагрузки на рентгеновский генератор.

Рентгеновское излучение, пройдя через тело пациента, проникает через входное окно в пространство между электродами. Газ ионизуется, и образовавшиеся электроны и ионы дрейфуют к соответствующим электродам. После аналоговой обработки и оцифровки сигналов электроникой регистрации данные заносятся в специальную память, а затем переписываются в память компьютера.

В отличие от других детекторов, приемник МИК имеет крайне низкий собственный шум, который практически ограничен статистикой, что в сочетании с полным использованием прошедшего через пациента излучения и высокой эффективностью регистрации ~70%, позволяет получать рентгеновское изображение при предельно низких дозах. Плоское изображение формируется путём синхронного перемещения рентгеновского излучателя, коллиматора и МИК вдоль исследуемого объекта. При этом горизонтальная координата совпадает с номером ячейки МИК, а вертикальная – с числом шагов сканирования. Заполненный рабочим газом под давлением приемник МИК представляет собой абсолютно однородную линейку чувствительных ячеек без пропусков (мертвых зон), не требует программных «сшивок», а практически прямоугольная форма ячейки (канала регистрации) многоканального детектора (рис. 2) обеспечивает изображение непрозрачного края объекта более резким, т.е. делает снимок более четким. Входное окно МИК работает как отсеивающая решётка, исключающая регистрацию рассеянного излучения.

Диагностические характеристики цифровых изображений, полученные с помощью МЦРУ, превосходят по качеству не только пленочную флюорографию, но и полноформатную рентгенографию легких, т.к. качество восприятия снимка зависит не только от разрешающей способности, сколько от соотношения трех параметров: разрешающая способность, зернистость (шумы приемника излучения), динамический диапазон (передача большего количества полутонов-градаций оттенков серого). Основное преимущество метода регистрации с использованием указанного преобразователя рентгеновского излучения – это высокая контрастная чувствительность (0.5%), большой динамический диапазон (500) и низкие дозы облучения. Применение МЦРУ «Сибирь-Н» в медицинской практике позволил реализовать все преимущества цифровой рентгенографии при скрининговых исследованиях органов грудной полости с предельно малыми лучевыми нагрузками на пациента. При обсуждении вопроса о дозах облучения на МЦРУ и сравнения их с таковыми при обычной пленочной рентгенографии следует отметить, что поверхностная доза облучения пациента при щелевом сканирующем методе зависит от времени облучения произвольной неподвижной точки на поверхности тела, обращенной к рентгеновской трубке. Известно, что доза в 1 мкГр при длине волны фотона 0,24А (эквивалент энергии 49 кэВ и слою половинного ослабления 7 мм Al) соответствует 30000 фотон/мм². В канале регистрации 0,2х0,2 мм² соответственно 1200 фотонов. С учетом 60% эффективности регистрации – 720 фотонов. При наборе в канал регистрации 2500 фотонов для снимка грудной полости эквивалентная доза облучения пациента равна 2500/720*1,14=3,0 мкЗв.

Низкие дозы облучения позволяют применять МЦРУ в тех областях медицины, где стандартная рентгенодиагностика могла осуществляться только по жизненным показаниям. Первые испытания были проведены в Научном Центре акушерства, гинекологии и перинатологии (НЦАГиП) РАМН (г. Москва), где с 1984 года для рентгенопельвиметрии и прогнозирования исхода родов у женщин с анатомически узким тазом применяется МЦРУ «Сибирь-Н». За одно исследование (2 снимка: прямая и боковая проекции) пациентка получает дозу поверхностного облучения 64-67 мР вместо 2-3 Р, получаемых при пленочной рентгенографии. Снижение лучевой нагрузки на пациента в 40 раз расширило применение данной методики при обследовании беременных из группы высокого риска перинатальной патологии. Внедрение рентгенопельвиметрии с компьютерным моделированием родов позволило прогнозировать клинически узкий таз и снизить частоту кесарева сечения в связи с данной патологией почти в 12 раз. Такое улучшение показателей произошло в результате получения точных количественных данных цифровой рентгенопельвиметрии, т.к. на получаемом снимке незначительные искажения по горизонтали и полностью отсутствуют геометрические (проекционные) искажений по вертикали, и пространственное разрешение и контрастная чувствительность одинаковы по всему полю протяженного снимка (410 х до 1200 мм). А благодаря низким дозам облучения стало возможным проводить исследования современных форм узкого таза и так широко проводить разработки безопасных методов лучевой диагностики в акушерстве, неонатологии и гинекологии.  

Обследование с использованием традиционного метода сопровождается высокими лучевыми нагрузками и серьезными затратами времени и средств. Эти затраты связаны с достаточно сложным процессом фотохимического проявления и использованием дорогостоящих серебросодержащих материалов. Цифровая сканирующая рентгенография полностью исключает фотохимический процесс, именно тот этап получения рентгеновского изображения, во время которого возможны многие ошибки и погрешности, приводящие к значительному ухудшению качества изображения. Цифровая обработка рентгеновского изображения позволяет врачу при постановке диагноза опираться уже не только на свой опыт, но и на количественную и качественную информацию, которая дает возможность выявлять минимальные изменения в тканевой структуре и выполнять диагностику без проведения контрольных снимков на пленке.

Приведенные соображения с достаточной наглядностью демонстрируют прогрессивность внедрения аппаратов сканирующего типа в практику цифровой рентгенографии. Таким образом, изображения, полученные путем сканирования узко коллимированным лучом с прямым детектированием без промежуточного преобразования и практически полным исключением процесса регистрации рассеянного излучения в теле пациента, позволяет уменьшить лучевую нагрузку на пациента в десятки раз, а диагностическую эффективность исследования повысить в несколько раз, по сравнению с традиционной пленочной технологией. По заключению фтизиатров и рентгенологов лучевые исследования на МЦРУ «Сибирь-Н» достигают самого высокого уровня диагностической эффективности определений легочной патологий, при не менее чем 50-ти кратном снижении дозы облучения. Метод классической флюорографии подтвердил свою эффективность в распознавании туберкулеза органов дыхания, поэтому в настоящее время, используя технические возможности цифровой сканирующей рентгенографии, следует проводить флюорографический скрининг отдельных групп населения в регионах, неблагополучных по туберкулезной инфекции и исправить ситуацию с массовыми обследованиями населения.

Более подробное описание устройства МЦРУ «Сибирь-Н», сравнение ее с другими существующими системами для рентгенографии и опыт ее клинического применения можно найти в приведенной литературе.