Анализ цифровых сканирующих рентгенографических аппаратов и аппаратов с камерами на основе ПЗС-матриц

Нам регулярно приходится отвечать на простой вопрос наших клиентов: «Почему сканирующие аппараты хуже матричных?». На такой же простой встречный вопрос «А почему Вы решили, что они хуже?» следует обескураживающий ответ: «Так утверждают Ваши конкуренты», которые щедро делятся с ними этой незамысловатой идеей за отсутствием яблок, в смысле, сканирующих аппаратов.

Наша организация производит цифровое рентгеновское оборудование [1], как сканирующего типа, так и с камерами на основе ПЗС-матриц, причем поставляет его ежегодно в большом количестве и делает все возможное, чтобы оно было лучшим. У нас нет нужды хвалить одно и ругать другое только для того, чтобы продать то единственное, что у нас есть. Очевидно, что у каждого типа оборудования есть свои достоинства и свои недостатки, область применения, где оно будет более уместно и область, где оно будет менее полезно. Мы расскажем о своем понимании этого вопроса и, чтобы не попасть в положение раздающих идеи вместо яблок, будем опираться на конкретные характеристики аппаратов, производимых нами, добавив при этом без ложной скромности, что они — одни из лучших в своих категориях [2].

В сканирующих аппаратах [3] линейный детектор размером около 50 см состоит из нескольких тысяч активных элементов, каждый из которых имеет размер около 0,2x0,2 мм². Детектор жестко связан с щелевой диафрагмой штангой, которая делает во время снимка вращательное движение вокруг фокусного пятна рентгеновской трубки. За 5 секунд сканирования с детектора многократно считывается информация. В нашем случае количество считанных столбцов равно количеству элементов в линейке. Скорость накопления и получения информации с одной строки составляет около 0,002 секунды. Накопленный массив данных отображается на экране монитора в виде изображения [4].

В аппаратах с цифровыми камерами ПЗС имеет около 2000x2000 активных элементов, каждый размером, примерно, 0,015x0,015 мм². Общий размер ПЗС (30x30 мм²) существенно меньше размера исследуемой области (400x400 мм²), поэтому необходимо уменьшить изображение исследуемой области до размеров ПЗС. Для этого рентгеновские лучи, прошедшие через пациента, переизлучают на люминисцентном экране в видимую область и далее с помощью объектива уменьшают до нужных размеров, проецируя полученное на экране изображение на ПЗС. Снимок длится около 0,05 секунды, как и в привычном пленочном аппарате и, по окончании, информация считывается с ПЗС и отображается на экране монитора [5].

Достоинства и недостатки

Будем сравнивать наши флюорографы: сканирующего типа ПроСкан-2000® и ПроМатрикс-4000 с камерой на основе ПЗС-матрицы, поскольку они имеют, примерно, одинаковое пространственное разрешение.

Огромным достоинством сканирующего метода является отсутствие рассеянного в теле пациента излучения, поскольку оно не попадает на детектор и не ухудшает сигнал. Благодаря этому удается получить высокую контрастную чувствительность при низких дозах. Так, в Про-Скан-2000® контрастная чувствительность 1% достигается при 100 мкР, а 0,5% при 250 мкР. Для камеры с ПЗС контрастная чувствительность 1% видна только при 1000 мкР. Это связано в том числе и с рассеянным излучением в пациенте, которое детектор не может отделить от реального и которое существенно ухудшает изображение, несмотря на наличие отсеивающего растра. Получить 0,5% контрастной чувствительности при разумных в медицине дозах нам не удалось. Разница в дозе в 10 раз между этими двумя методами более чем существенна, особенно принимая во внимание тот факт, что нормальной практикой в ЛПУ является работа при еще больших дозах на аппаратах с ПЗС — до 2000 мкР, в то время, как на ПроСкан-2000® настройки остаются теми же, что и при испытаниях.

Очевидно, что контрастная чувствительность является важнейшей характеристикой рентгенограммы и, учитывая разницу в дозе в 20 раз при реальной работе, сканирующие системы здесь имеют большое преимущество.

Основным минусом сканирующего метода, о котором упоминают все оппоненты, является большое время выполнения снимка по сравнению с аппаратом на ПЗС — 5 секунд. Но на что оно влияет? Может быть на пропускную способность кабинета? Нет, пациент готовится к снимку минуты, и это время является основным. Может быть есть пациенты, которые не могут задержать дыхание на 5 секунд? Оказалось, что на сканирующем аппарате вообще не нужно его задерживать, в отличие от аппарата с камерой. Поскольку снимок одного столбца выполняется в сканирующем аппарате в несколько десятков раз быстрее, чем на аппарате с камерой, снимок всегда остается резким. Именно, поэтому ни один из нескольких сотен опрошенных нами рентгенологов, не отметил большое время выполнения снимка по сравнению с пленочными или цифровыми камерными аппаратами, как минус данного типа аппарата. И именно поэтому качество снимка на сканирующем аппарате всегда остается максимально высоким, вне зависимости от того, задерживает ли пациент дыхание или дышит, в отличие от аппарата с ПЗС, для которого это также критично, как и для пленочного.

Был вопрос также связанный с 5 секундами сканирования: изображение в нем «сшивается» из большого количества последовательно набранных изображений за 5 секунд сканирования. Это абсолютно верно. Мы исходим здесь из предположения, что за 5 секунд обследования легкие не успевают претерпеть существенные изменения и полученная информация остается актуальной к окончанию съемки. При этом, кстати, нужно понимать, что хотя информация в камерах с ПЗС накапливается быстрее, потом там происходит похожий процесс построчного считывания, который занимает те же 5 секунд. А если говорить о «сшивке», то уместно вспомнить, что рентгеновские изображения в аппаратах с ПЗС претерпевают существенную математическую обработку, в результате которой на них появляются новые виртуальные точки, с присвоением им вычисленных значений сигналов. Это — вынужденная и необходимая процедура, поскольку необработанное изображение имеет серьезные пространственные искажения вдали от оси объектива и нуждается в коррекции. Только в отличие от камер с ПЗС, как раз относительно длительное время выполнения снимка в сканирующих аппаратах позволяет наблюдать кимографический эффект изображения сердца и крупных сосудов, что, очевидно, повышает их диагностическую ценность [6].

Иногда спрашивают о надежности сканирующей механики. Сейчас есть хорошая статистика: у нас работают свыше 250 сканирующих флюорографов, причем первый начал работать около 5 лет назад, и на сегодняшний день не было ни одного случая поломки сканирующего механизма [7].

Часто просят сравнить эти два метода по пространственному разрешению. Чтобы оценить возможности детектора достаточно поделить количество активных пикселей на размер зоны просмотра, например, в ПроСкан-2000® детектор, имеющий 1800 активных элементов, просматривает изображение размером 390 мм. Это значит, что на 1 мм изображения приходится 1800/390=4,6 пикселя, поделив которые на 2, мы получим пространственное разрешение 2,3 пар линий на мм. Реальное разрешение аппарата 2,2 пар линий на мм. Аналогично можно оценить и камеру с ПЗС. 2048 элементов на 390 мм дадут нам 2048/390=5,2 пикселей на мм или 2,6 пар линий на мм. Для увеличения пространственного разрешения сканирующих систем нужно либо уменьшать размер пикселя и увеличивать их количество при том же размере детектора, либо увеличивать количество пикселей в детекторе, с увеличением его размера и относить его на большее расстояние от плоскости просмотра. Как в первом, так и во втором случае есть перспективы, и появление приборов с более высоким пространственным разрешением очевидно.

В случае камер с ПЗС-матрицами, характеристики объектива и переизлучающего экрана будут сдерживающими факторами в улучшении характеристик всего прибора, поскольку достижение пространственного разрешения в 5 пар линий на мм является очень серьезной задачей, не говоря о более высоких цифрах. При этом, очевидно, останется проблема высокой дозовой нагрузки, которую можно пытаться решить за счет деления области экрана на части и просмотра каждой из них своим объективом с ПЗС-матрицей, что потребует «сшивки» кадров. В принципе, таких полей может быть больше 4, хотя существует мнение, что корректно «сшить» такое изображение невозможно. Кроме того, очевидно, что у такого устройства могут быть проблемы со стабильностью характеристик во времени.

Именно поэтому в цифровых маммографах, где требуется разрешение не менее 10 пар линий на мм, используются сканирующие детекторы, а не системы, использующие объектив-экран.

Исходя из вышесказанного, мы считаем, что сканирующие системы являются лучшим выбором для любых рентгенографических исследований. Плюсом здесь будут отличные контрастные характеристики снимка при сверхнизких дозах и высокое пространственное разрешение.

Удачной областью применения камер с ПЗС, мы полагаем, будет модернизация пленочных аппаратов до цифровых, линейная томография и рентгеноскопические исследования.

Эти принципы являются основополагающими при выборе детекторов для нашего оборудования. Так, сканирующие флюорографы ПроСкан-2000® и ПроСкан-7000® имеют как стационарное исполнение, так и для установки их в подвижные кабинеты. Камеры с ПЗС матрицами Феникс-4000® используются для модернизации пленочных флюорографов, а также для комплектации флюорографа ПроМатрикс-4000®, причем, похоже только для того, чтобы не выглядеть людьми без яблок, поскольку еще ни один наш клиент не приобрел такой аппарат, после сравнения его с ПроСкан-2000®, не говоря уже о ПроСкан-7000®.

Наш новый рентгенографический аппарат ПроГраф-4000® в стационарном и подвижном варианте оснащен цифровой рентгенографической камерой [8], чтобы при необходимости иметь возможность выполнять и рентгеноскопические исследования.

В случае чисто рентгенографического аппарата с высоким пространственным и контрастным разрешением при низких дозах облучения пациента планируется комплектовать его сканирующим приспособлением.

Таблица 1. Рекомендуемые области применения рассмотренных типов цифровых рентгеновских аппаратов.