Цифровой рентгенографический аппарат с линейным и угловым сканированием АРСЦ-02-«Н».
Сканирующие рентгенографические аппараты открывают большие возможности по повышению информативности получаемых рентгеновских изображений и снижению лучевой нагрузки на пациентов и медицинский персонал. Общеизвестно, что снижение лучевой нагрузки достигается за счет резкого снижения регистрации рассеян-ного рентгеновского излучения (РИ) и использования высокоэффективных многострочных линейных приемников с большим динамическим диапазоном регистрации РИ. В настоящее время актуальным становится вопрос выбора режимов исследований различных органов, которые гарантировали бы получение цифровых снимков с необходимой диагностической информативностью при минимальной дозовой нагрузке пациентов. В аппарате АРСЦ-02-«Н» этот вопрос решался с учетом практического опыта, накопленного в ходе теоретических и экспериментальных исследований, проводимых в ОАО «Институт прикладной физики», и новых возможностей, которые появились при использовании твёрдотельных полупроводниковых приемников РИ.
АРСЦ-02-«Н» является цифровым сканирующим рентгенографическим аппаратом общего назначения, позволяющим проводить исследования всех основных анатомических органов пациентов, включая проведение исследования в травматологии и ортопедии. В ходе его создания были решены две наиболее сложные проблемы: разработан двухстрочный линейный рентгеновский приемник с 4096 приемными каналами и телеуправляемый стол-штатив поворотный. Сложность конструктивного исполнение столаштатива заключалась в том, что аппарат должен был обеспечивать высокую точность взаимного расположения узкого веерообразного пучка РИ и многоканального (МК) приемника, как в процессе сканирования, так и при любом угловом положении его опорной стенки. Общий вид аппарата приведен на рисунке 1.
МК приёмник РИ для сканирующего аппарата был создан на основе блоков рентгеновских детекторов /1/ и составлен из 16-ти твёрдотельных полупроводников фоточувствительных модулей. Небольшие габариты и малая масса приемника позволили хорошо вписать его в конструкцию разработанного универсального стола-штатива. Для обеспечения сохранности юстировки веерного пучка РИ с линейной апертурой приемника, консоль в разработанном столе-штативе жестко закреплена на каретке его продольного хода, а рентгеновский излучатель и приемник установлены на противоположных плечах маятникового рычага. Механизм линейного перемещения консоли позволяет подводить сканирующую систему к началу выбранной зоны и последующему сканированию ее веерным пучком рентгеновского излучения. При этом, само сканирование пациентов может проводиться как за счет механизма перемещения каретки (линейное сканирование), так и за счет механизма поворота маятникового рычага (угловое сканирование) /2/.
В пленочных аппаратах вопросу выбора экспозиции всегда уделялось большое внимание, что связано с малой фотографической широтой рентгеновских пленок. Для этих аппаратов составлены специальные таблицы выбора экспозиций, в которых указаны все толщины объектов исследований для «стандартного» человека (масса тела 75 кг, рост 175 см) и экспозиционные для них числа. При отклонении толщины исследуемого органа от «нормальной» в режим просвечивания вводятся соответствующие поправки, рассчитываемые тем или иным способом /3/.
Цифровой аппарат АРСЦ-02-«Н» имеет большой ( 500) динамический диапазон регистрации РИ, что практически исключает получение бракованных снимков из-за неправильного выбора режима съёмки. Однако при этом вполне возможно превышение дозы облучения пациента над уровнем, который необходим для получения качественной рентгенограммы. Первоначально для него так же была составлена таблица выбора режимов для «стандартного» пациента. При отклонении толщины объектов от «нормальной», рентгенолаборант должен был вводить поправки, руководствуясь собственным практическим опытом. При этом нельзя было исключить субъективных оценок и погрешностей в выборе режимов. При разработке автоматической системы выбора режимов исследований для аппарата АРСЦ-02-«Н» была сделана попытка увязать отклонения толщины объектов исследований от аналогичной толщины «стандартного» пациента с другим более обобщенным параметром, который мог бы достаточно просто вводиться в персональный компьютер (ПК). В качестве такого обобщенного параметра был принят массогабаритный параметр (МГП) пациента, который рассчитывался как отношение массы пациента к его росту. Путем взвешивания пациентов и обмера их областей исследования был набран статистический материал достаточный для построения оценочной зависимости размеров основных областей диагностики пациентов от МГП. Для примера на рисунке 2 приведены графики зависимости размеров прямой и боковой проекций грудной клетки от МГП для пациентов в возрасте от 5 до 70 лет. На них явно просматривается закономерность возрастания размеров проекций с ростом значений МГП и диапазон их разброса.
Все исследования по выбору режимов проводились с использованием тканеэквивалентного материала, в качестве которого был принят плексиглас. Толщины плексигласа, эквивалентные по ослабляющим свойствам исследуемым областям, определялись по результатам проведения плановых рентгенодиагностических исследований пациентов. Для этого, по заархивированным рентгенограммам, измерялись ослабления РИ в исследуемых областях пациентов и в аналогичных режимах просвечивался плексигласовый клин. Затем определялись толщины ступеней плексигласа, которые вносили ослабления РИ, равные ослаблению в измеряемых областях диагностики. Полученные экспериментальные значения толщины тканеэквивалентного материала основных областей диагностики пациентов от МГП вводились в ПК.
Для иллюстрации на рисунке 3 приведены графики зависимости толщины плексигласа от МГП, ослабляющие свойства которого соответствуют усредненным параметрам в прямой и боковой проекциях грудной клетки пациентов, представленных на графиках рисунке 2. Затем, были сняты зависимости контрастной чувствительности аппарата за плексигласовыми барьерами толщиной от 8 до 300 мм в диа-пазоне анодного напряжения от 40 кВ до 120 кВ (через 10 кВ) и анодных токов 5, 10, 20 и 30 мА.
Для иллюстрации на рисунке 4 приведены графики зависимости контрастной чувствительности аппарата АРСЦ-2-«Н» для одного значения анодного напряжения. Контраст измерялся по плексигласовым тестам толщиной 1,0 и 2,0 мм диаметром 15 мм, а затем, по измеренным значениям отношения сигнала к шуму (С/Ш) и среднеквадратичному отклонению сигнала в области теневого изображения теста, рассчитывался пороговый контраст исходя из условия обнаружения его с вероятностью близкой к 100%. При расчетах порогового контраста отношение сигнала к шуму одного элемента изображения принималось равным 1,0. При этом, как известно, вероятность его обнаружения Pоб. 68 %. Тест диаметром 15 мм содержал до 4,4 тыс. элементов изображений. При этом было сделано допущение, что для распознавания формы теста необходимо обнаружить не менее 1,0 тысячи его элементов, т.е. накладывалось условие обнаружения каждого четвертого элемента. Вероятность обнаружения теста при этих условиях определялась из соотношения /4/
Pоб(Т) = 1- (1- Pоб)n =1- (1- 0,68)4 ~ 0,99.
В ходе проведения исследования неоднократно подтверждалась высокая вероятность обнаружения теста с принятым отношением С/Ш. На рисунке 5 приведены графики зависимости контрастной чувствительности аппарата от толщины плексигласа для всего диапазона анодных напряжений с дискретностью 10 кВ при токах 10 мА и двух значений тока для 120 кВ.
По разработанной методике выбор режимов съемки осуществлялся в следующей последовательности. После ввода в ПК данных по массе, росту и области диагностики пациента автоматически определялся МГП и макси-мальная толщина плексигласа, соответствующая по ослаблению РИ заданной области. Так, при МГП равным 0,4 максимальная толщина тканеэквивалентного материала при диагностике грудной клетки в прямой проекции (см. рисунок 3) составляет 11 см. Предварительно заданное значение воспроизводимого контраста и полученная толщина тканеэквивалентного материала однозначно определяет необходимый режим съемки. В данном случае для воспроизведения неоднородностей с контрастом не хуже 2,5 % режим работы аппарата автоматически устанавливается равным 60 кВ, 10 мА (см. рисунок 5). Для воспроизведения контраста равного 5 % - 50 кВ, 10 мА.
Условия задания режимов съемки могут быть разнообразными. Так для получения рентгенограмм органов грудной клетки, черепа и конечностей режимы выбирались из условия воспроизведения в области диагностики неоднородностей контрастностью не хуже 2,5 %. При этом во всех режимах соблюдалось условие h 4. Где - линейный коэффициент ослабления РИ в заданном режиме при максимальной толщине плексигласа h, соответствующей выбранной области диагностики. При выборе режимов диагностики поясничного отдела и таза «тучных» пациентов от этого условия приходилось отступать, что объясняется большим ослаблением РИ в данных областях диагностики. Воспроизводимый контраст для этих областей задавался равным или менее 5%.
Программное обеспечение аппарата АРСЦ-02-«Н» предоставляет рентгенолаборанту возможность корректировать предложенный режим съемки, если такая необходимость возникнет, например, при наличии гипса в диагностируемой области. Если перед съемкой не были внесены данные пациента по его массе и росту, то программа предложит режим съемки для «нормального» пациента, который так же может быть скорректирован рентгенолаборантом.
Разработанная система автоматического выбора экспозиций в ходе практической проверки обеспечивало воспроизведение высококачественных рентгенограмм при минимальной дозовой нагрузке пациентов. Так, радиационные измерения, проведенные ФГУЗ «Центр гигиены и эпидемиологии» г. Новосибирска, показали, что средняя эффективная доза облучения взрослого пациента при диагностике его грудной клетки с помощью аппарата АРСЦ-02-«Н» составляет 6,2 мкЗв.
Основные технические параметры аппарата:
разрешающая способность, пар линий/мм 3,0;
пороговая контрастная чувствительность при дозе в
плоскости приемника 0,4 мР, % 1,0;
динамический диапазон, не менее 500;
автоматический учет индивидуальных доз есть;
автоматический выбор экспозиций есть;
время сканирования при производстве снимка размером 390 400 мм, с 6.
Аппарат оснащён современными ПК для автоматизированных рабочих мест рентгенолаборанта и врача-рентгенолога. Специализированный жидкокристаллический монитор с диагональю 24”, обладающий высокой яркостью (500 кд/м2) и широким контрастом (1000:1), позволяет врачу-рентгенологу эффективно производить описание цифровых рентгенограмм. Входящий в комплект поставки гибридный графический принтер SONY UP-990AD обеспечивает высококачественную распечатку цифровых рентгенограмм на прозрачной плёнке. Программное обеспечение аппарата предоставляет врачу-рентгенологу широкие возможности по обработке полученных цифровых рентгенограмм, их архивированию, передаче по компьютерным сетям. При необходимости аппарат может быть встроен в существующую локальную сеть медицинского учреждения.