Безопасная цифровая рентгенография на основе сканирующей технологии получения изображений

Основной принцип получения рентгеновского изображения состоит в том, что информационное содержание объекта формируется на рентгеновской пленке или флуоресцентном экране точками, плотность которых отражает степень поглощения объектом рентгеновского излучения. Вместе с тем, существует ряд технических, экономических и эргономических причин, вызывающих необходимость поиска новых средств визуализации рентгеновских изображений, поэтому в современной рентгенологии активно выдвигается принцип цифровой рентгенографии, который обеспечивает беспленочное получение изображений. Рентгенодиагностическая техника является доминирующей в диагностике заболеваний человеческого организма, поэтому основной задачей развития современной медицинской рентгенотехники остается проблема максимально возможного снижения дозы облучения при сохранении, а по возможности и при увеличении диагностической информации. Переход от аналоговых к дискретным компьютерным средствам формирования рентгеновских изображений позволяет в ряде случаев максимально снизить дозу облучения до предельного при данном пространственном разрешении значения при существенном повышении диагностических возможностей.

Технология получения двухмерного цифрового рентгеновского изображения по методу послойного сканирования пациента узким веерообразным пучком с использованием линейки многоканальной ионизационной камеры (МИК) в качестве преобразователя рентгеновского излучения получило широкое распространение, не только в России, но и за рубежом (Китай, Корея, Япония). В результате такого просвечивания во входной плоскости линейки многоканальной ионизационной камеры регистрируется одномерное рентгеновское изображение. 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. 1) обеспечивает изображение непрозрачного края объекта более резким, т.е. делает снимок более четким. Входное окно МИК работает как отсеивающая решётка, исключающая регистрацию рассеянного излучения.

В МИК исключено дополнительное преобразование энергии Y-кванта в свет и только потом – в заряд, а это уменьшает потери и повышает выходной сигнал на один Y-квант в несколько раз, по сравнению с полупроводниковым детектором на фотодиодах. На рис. 1 наглядно показано преимущество газового детектора, в котором полностью регистрируется падающее излучение, и нет оптической взаимосвязи между каналами. Накопленный заряд в каждой ячейки МИК, пропорциональный интенсивности излучения, прошедшего через исследуемый объект за время регистрации одной строки изображения, преобразуется в электрический сигнал и путем последовательного преобразования 14-ти битным АЦП в цифровой вид.

В отличие от других детекторов (Таб. 1) шумы МИК практически ограничены статистикой, т.к. собственный шум эквивалентен σ=3Y, что в сочетании с полным использованием всего излучения, прошедшего через приемник, и высокой эффективностью ионизационной камеры (~70%) позволяет работать при предельно низких дозах. Так, снимок грудной клетки можно получать при дозе облучения 0,005 мЗв, что эквивалентно одному часу полета на высоте 10 км.

Для уменьшения геометрической нерезкости системы и повышения четкости изображений от дыхательных движений пациента, происходящих в момент выполнения снимка, используется только малый фокус рентгеновской трубки. Динамическая нерезкость снимка от пульсаций аорты, сердца и крупных сосудов уменьшена за счет малой экспозиции строки (0,0025 с). Полное время сканирования для получения снимка 400х400 мм – 5 с. При такой экспозиции строки обеспечивается динамическая нерезкость не более 0,2 мм края подвижного органа, двигающегося со скоростью до 80 мм/с. Движения контуров таких органов, как сердце, диафрагма и др., регистрируются с помощью методики рентгенологических исследований – рентгено-кимографии. Для реализации такой методики исследования можно рекомендовать скорость перемещения линейного детектора сканирующих систем: для обзорной рентгенограммы легких – 2÷5 с; для кимографического исследования легких – 20÷30 с; для кимографического исследования сердца – 10 с. Отображение кимографических зубцов на цифровой рентгенограмме грудной полости зависит от линейного размера сердечных дуг, образующих контуры средостения в прямой проекции, положения продольной оси сердца и глубины и частоты сердечных сокращений.

Сканирующий метод, примененный в аппарате ФМЦ-НП-О с новой рентгенооптической схемой, полностью избавляет нас от серьезных проблем проекционной рентгенографии (не только пленочных, но и цифровых двухмерных систем): во-первых – от рассеянного излучения, во-вторых – от взаимовлияния между соседними элементами по направлению сканирования. Это одна из важных характеристик цифрового приемника рентгеновского излучения, определяющих качество цифрового изображения и возможность выделения малоконтрастных деталей исследуемого объекта. Контрастная разрешающая способность аппарата с новой рентгенооптической схемой равна 0,5% при дозе в плоскости приёмника 0,15 мР (0,0015 мЗв).
Другой особенностью сканирующей системы является широкий динамический диапазон (в рентгенографии – широта фотографическая) – параметр, определяющий способность системы одновременно регистрировать детали на фоне объекта с сильным и слабым поглощением в максимально возможном перепаде доз. Это обусловлено низким шумом детектора (Рис. 2) с одной стороны, высокой чувствительностью газового приемника излучения с другой стороны, а также отсутствием в приемнике МИК элементов, которые могут войти в режим насыщения и ограничить полезный сигнал. Отсюда процент брака при работе на аппарате ФМЦ-НП-О в сравнении с традиционной пленочной рентгенографией из-за ошибок в выборе экспозиции ничтожно мал, т.к. 5% контраст можно уверенно различить без искажений в прямом пучке рентгеновского излучения и ослабленном в 500 раз. Поэтому число уровней квантования в системе (монитора) всегда выбирают заведомо больше ожидаемого динамического диапазона, чтобы не ухудшать дискретностью квантования градационных характеристик системы.

Известной особенностью традиционной рентгенографии является геометрические искажения исследуемых органов по двум координатам. При этом наибольшему увеличению подвергаются участки тела и органы, более отдаленные от кассеты с пленкой. В нашем случае размер теневого изображения мало зависит от положения объекта, поскольку нет проекционных искажений по вертикали из-за линейного метода сканирования, а большое расстояние от фокуса до приемника (1350 мм) делает незначительными геометрические искажения по горизонтали. Поэтому сканирующая технология получения изображений позволяет повысить качество рентгенограммы гиперстеника по сравнению с обычными двух-координатными системами.

О применении цифровой рентгенографии для исследования других анатомических областей помимо грудной полости нет единого мнения, но возможность сканирующих систем получать снимки большей длины (например, протяженные снимки нижних конечностей или грудопоясничного отдела позвоночника) оказалась весьма актуальной для ортопедической практики. Количественная оценка изучаемых органов с высокой точностью путем измерения размеров и углов на полученном изображении, позволяет нам активно применить не только стандартные методы обследования, но и использовать довольно оригинальные, которые не могут быть реализованы в условиях традиционных технологий (цифровая рентгенопельвиометрия, рентгеноантропометрия).

Фактор низких доз облучения составит конкуренцию исследованиям на УЗИ и расширит обследуемые категории населения (дети, беременные женщины), а в сочетании с легкодоступным компьютерным архивом позволит наблюдать течение заболевания в динамике, практически с любой необходимой периодичностью. Результат исследований, отображенный на экране монитора, позволяет провести не только анализ полученного изображения, но и его математическую обработку, что значительно повышает диагностическую информативность исследования.

По заключению фтизиатров и рентгенологов лучевые обследования на ФМЦ-НП-О снижают дозу облучения пациента в сравнении с пленочной флюорографией не менее чем в 50 раз, а массовая профилактическая флюорография населения позволит осуществить раннее обнаружение легочной патологии на начальной стадии процесса. Высокое качество цифровой рентгенографии и большая информативность позволяет выполнять диагностические функции без проведения контрольных снимков на пленке, поэтому неспецифические воспалительные изменения диагностируются на поликлиническом этапе. Таким образом, применение в медицинских учреждениях цифровой рентгенографии на основе сканирующей технологии повысит качество работы служб лучевой диагностики, сократит затраты на расходные материалы и позволит существенно снизить коллективную дозу облучения населения.

Таблица 1. Сравнительные характеристики существующих детекторов для цифровой рентгенографии

*для интраоральной съемки,  **для маммографии.