Медицинская рентгенотехника на пороге XXI века

11.04.2017

Медицинская рентгенотехника на пороге XXI века

Вместе с окончанием XX века заканчивается эра классической медицинской рентгенотехники.

Постепенно уходят в прошлое:

Три рабочих места рентгенолога для рутинной рентгенологии.
Поворотный стол-штатив для рентгеноскопии и прицельных снимков, вертикальная стойка снимков и стол снимков, оснащенный приставкой для продольной томографии, заменяются телеуправляемыми и полипозиционными столами, выполняющими функции всех трех рабочих мест.
Традиционные рентгеновские питающие устройства, выпрямляющие повышенное с помощью трансформаторов напряжение сети.Им на смену приходят более экономичные, малогабаритные генераторы, выпрямляющие преобразованные напряжения с частотой от нескольких до 150 кГц, что позволяет формировать постоянное высокое напряжение на рентгеновской трубке с малыми пульсациями.
Таблицы экспозиций со сложной «автоматикой по органам». Многократное расширение динамического диапазона цифровых детекторов позволит значительно упростить выбор режимов рентгенологического исследования.

После массовой замены пленочной рентгенографии на цифровую практически погибнет индустрия, выпускающая рентгеновские пленки, проявочные машины, усиливающие экраны, негатоскопы, сушильные шкафы и ряд другой техники, сопутствующей пленочной рентгенографии.

Этот уход в прошлое традиционной рентгенотехники и появление новых технических средств происходят на наших глазах.

Революционное появление рентгеновской компьютерной томографии в 70-80-х годах этого столетия создало мощные предпосылки для широкого внедрения компьютерных технологий в рентгеновскую диагностику. В промышленно развитых странах доступность высококвалифицированного рентгенологического обследования воспринимается как нормальная составляющая жизни.

Однако в мировом масштабе — это роскошь. Около половины населения мира в настоящее время живет в условиях отсутствия рентгенологических служб.

Поэтому говорить о быстром отмирании существующей рентгенотехники преждевременно. Учитывая дороговизну новой техники, замена существующих технических средств на прогрессивные будет происходить не революционным, а эволюционным путем в течение нескольких десятилетий.

Для высокоразвитых стран анализ отношения эффективность:стоимость показывает целесообразность использования высокотехнологических методик, в то время как для 3/4 населения мира существует другая проблема — как получить минимально необходимое рентгеновское обследование (обычные рентгеновские снимки).

Великий немецкий поэт Г. Гейне как-то сказал: «Каждый век, приобретая новые идеи, приобретает новые глаза». Грядущий век от века уходящего в области технических средств для рентгенологии приобретает две основополагающие идеи:

В свете этих идей попробуем дать некоторые прогнозы на «новые рентгеновские глаза» в XXI веке.

Учитывая вредное влияние рентгеновского излучения на организм человека, первое, что необходимо сделать, это оценить
дальнейшие возможности снижения лучевых нагрузок.

Потенциальные возможности снижения лучевых нагрузок по сравнению с существующей аппаратурой можно определить, анализируя соотношение для дозы, которая требуется на входе приемника для получения изображения заданного качества:

_P=²y: (i+b)/AsK ²p ’

где y_n — пороговое соотношение сигнал:шум; b — коэффициент,равный отношению интенсивности рассеянного излучения к интенсивности излучения, не изменившего направление при прохождении через пациента (так называемый фактор накопления); А —пересчетный коэффициент, квант/мм²/мкР; s — площадь детали;К — контраст детали; р — квантовая эффективность системы.

Как видно из соотношения (1), дозу на входе приемника можно приблизить к теоретическому пределу, если полностью отфильтровать рассеянное излучение (b = 0) и применить приемник с квантовой эффективностью р = 1, т. е. теоретический предел снижения дозы составляет ¹+-^b раз. Например, по сравнению с системой с квантовой эффективностью р = 0,5 и b = 4 имеется потенциальная возможность снизить мощность дозы в 10 раз.

Главный резерв в снижении дозы на входе приемника заключается в подавлении вторичного излучения. Отсеивающие растры не могут решить эту проблему полностью, так как с уменьшением прозрачности растра для вторичного излучения падает также прозрачность растра для полезного излучения (первичного пучка).

Возможные пути решения этой проблемы заключаются в сканировании просвечиваемого объекта узким рентгеновским пучком
(линейный веерный луч, одноэлементный бегущий луч), а также в построении приемников, которые работают в режиме счета фотонов, когда появляется возможность сортировать отклики приемника на полезные и паразитные, используя разницу в энергиях первичных и вторичных квантов, что достаточно проблематично при использовании тормозного спектра излучения. С этой целью интересно также исследовать возможности цифровой обработки сигнала изображения [2].

Другой путь снижения лучевой нагрузки на пациента заключается в увеличении жесткости излучения, при котором экспози-ционная доза за пациентом меньше входной в 30—60 раз, что соот ветствует эффективному коэффициенту линейного ослабления:

(3,5-4):Х

где X — толщина пациента. В то же время для системы с квантовой эффективностью р = 1 и с подавленным рассеянным излучением

(b = 0) оптимальной жесткости соответствует

Таким образом, при приближении квантовой эффективности приемника к единице и полном подавлении рассеянного излучения мощность дозы на входе пациента (при сохранении неизменной мощности дозы на входе приемника) теоретически можно будет уменьшить от 6 до 7 раз. Обменные операции между пространственной, временной и градационной разрешающими способностями, которые можно реализовать на цифровых снимках, исходя из вида исследования, позволяют в ряде случаев еще сократить экспозиционную дозу на приемнике. Следовательно, вывод о том, что в последние годы практически достигнут принципиальный предел снижения дозы, следует относить только к приемникам с квантовой эффективностью более 0,8 и его не следует распространять на всю рентгеновскую систему. Для систем XXI века еще существует принципиальная возможность снизить дозу по крайней мере в несколько раз.

В течение почти всего XX века рентгеновская диагностика базировалась на рентгеновских экранах и пленках. Сейчас эти традиционные приемники рентгеновских изображений уходят в прошлое; люминесцентные экраны — из-за очень низкой квантовой эффективности системы экран-глаз (р » 0,025) и как следствие низкой контрастной чувствительности и разрешающей способности.

По этим причинам в развитых странах рентгеноскопия с использованием экранов запрещена законом, и они повсеместно заменены УРИ.

В России такая замена технически также подготовлена.

В России выпускается серийно для первого рабочего места рентгенодиагностических комплексов серия усилителей типа УРИ-
612-«ОКО» с рабочими полями 220, 290 и 360 мм [4].

Фотопленка в сочетании с усиливающими экранами в течение целого столетия играла доминирующую роль в медицинской рентгенотехнике. Но она неизбежно уйдет в прошлое не только из-за дефицита и дороговизны серебра. В XXI столетии цифровые приемники заменят ее по целому ряду причин. Уже у современных цифровых приемников квантовая эффективность в несколько раз больше (0,5—0,8 против 0,2). Динамический диапазон пленок хоть и превышает в несколько раз диапазон телевизионных передающих трубок — видиконов и плумбиконов, однако существенно ограничивает возможности исследования медицинских сюжетов. Поскольку динамический диапазон в цифровых системах в несколько раз выше пленочного, в цифровых изображениях почти все промахи неправильного экспонирования могут быть исправлены обра- боткой изображения. Необходимость в фотолаборатории с сопутствующим ей оборудованием и расходными материалами и пожаробезопасном помещении для хранения пленок дополняет недостатки традиционной рентгенотехники. Широкое распространение пленки было обусловлено ее высокой разрешающей способностью и относительно невысокой стоимостью.

Но по мере развития цифрового рентгенотелевидения ее роль в диагностическом процессе неизбежно ослабевает.

Ссылка на необходимость иметь высококачественную твердую копию также скоро станет малоубедительной, поскольку раз-
витие цифровых архивов и информационных сетей позволит автоматически вызвать из архива любой снимок и воспроизвести его на высококачественном мониторе.

Таким образом, пленка утрачивает функции «эталона». Уже сейчас есть системы, по качеству изображения превышающие
снимки на пленку с усиливающими экранами, но они доступны только элитным клиникам.

Три главных фактора — низкая производительность, трудоемкость и экологически нечистая технология сыграют свою роль и со временем пленка будет полностью вытеснена цифровыми системами преобразования изображений. Это УРИ с большими рабочими полями и телевизионными системами высокого разрешения на ПЗС-матрицах, экраны с памятью, видео-информация с которых снимается с помощью лазерного луча, и, прежде всего плоские цифровые панели (solid state silicon panels). Они имеют более высокие квантовую эффективность (0,4—0,8) и динамический диапазон(более 1000) при сравнимой с пленкой разрешающей способностью (более 2,5 мм^-1) [6].

Плоские панели имеют ряд преимуществ перед УРИ на рентгеновских электронно-оптических преобразователях (РЭОП). На них совершенно не воздействует магнитное поле, создающее в РЭОП геометрические искажения. Очень большой динамический диапазон плоских панелей означает, что не может быть недоэкспонирования или переэкспонирования, т. е. изображение практически будет содержать информацию обо всех элементах изображения как в «черном», так и в «белом».

Отпадает необходимость в дорогостоящей оптике и высоковольтном блоке питания (25—30 кВ), они имеют меньшие габариты и массу, срок службы существенно выше.

У РЭОП толстое переднее стекло уменьшает квантовую эффективность и снижает контраст изображения.

В России в последние 2 года создан ряд сканирующих цифровых рентгенографических систем, использующих линейки твердотельных или газовых (ксеноновых) детекторов [1, 3, 5].

Стоимость, технология и обеспечение устойчивой повторяемости свойств являются последними барьерами на пути продвиже-
ния этих изделий на массовый рынок.

Прослеживается тенденция замены рентгеновских кабинетов с традиционными тремя рабочими местами на рентгеновские ка-
бинеты с телеуправляемыми и полипозиционными столами с цифровыми приемниками, выполняющими функции всех трех рабочих мест. Сочетание трех рабочих мест в одном обеспечивает большую экономичность и эксплуатационную гибкость. Эта тенденция получит развитие после разработки плоских цифровых приемников,позволяющих снимать информацию в режиме, как рентгенографии, так и рентгеноскопии. Сейчас такие полипозиционные столы оборудуются цифровыми преобразователями с большими рабочими полями усилителей рентгеновских изображений. Однако их пространственная разрешающая способность не во всех случаях применения является достаточной.

Наряду с универсальными многофункциональными рентгеновскими аппаратами все шире начинают применяться узкоспе-
циализированные цифровые системы (маммографические, зубные,костные), которые оптимизированы под решение конкретных задач. Эта тенденция будет развиваться и дальше.

Медицинская рентгеновская техника получает все большее распространение не только как средство диагностики, но и как
средство рентгеновского контроля при проведении терапевтических и хирургических процедур (интервенционная рентгенология,литотрипсия, лапаротомия и внутрисосудистая хирургия под рентгеновским контролем).

Современные достижения медицины существенно расширяют диапазон применения рентгеноскопии, которая ранее использовалась главным образом для функциональных исследований.

Эти новые направления медицины развиваются по экспоненциальной зависимости; в таких же темпах развивается рентгенов-
ская техника для их реализации. Во всем мире с этой целью используются рентгеновские аппараты с многопозиционными арочными (так называемыми «C-arm») штативами, оборудованные УРИ с цифровой памятью. Хирургические рентгеновские аппараты этого класса выпускаются более чем 10 зарубежными фирмами(«Phillips», «Siemens» и др.). В России многопрофильный хирургический рентгеновский аппарат типа РТС-612 выпускает «НИПК «Электрон» [5]. Этот аппарат широко применяется в клинической практике на тех рабочих местах, где осуществляются инструментальное вмешательство, позиционирование и хирургия под рентгеновским контролем.

Хорошо известно, что любое теневое рентгеновское изображение содержит информацию о всех органах, пронизываемых первичным пучком, и плохо согласовано со свойствами зрительного анализатора. Поэтому после преобразования изображения в видеосигнал появляется возможность его обработки по трем направлениям. Это коррекция аппаратурных искажений; препарирование, связанное с выделением интересующих рентгенолога областей и подавлением несущественных для данного исследования структур; и, наконец, согласование наблюдаемого рентгенологом изображения (по яркости, контрасту, детальности, динамическому диапазону и т. д.) с возможностями зрительного анализатора. Например, пространст-
венно-частотный спектр просвечиваемых структур на мониторе должен соответствовать полосе пропускания зрительного анализатора, а увеличение изображения не должно превышать размера, при котором элемент (пиксел) изображения виден под углом более 3'.

Наибольший потенциал в этом отношении несут цифровые методы.

Их значение для получения высокоинформативных изображений не только до конца не исследовано, но даже не в полной мере осознано.

Цифровая обработка таит в себе возможности не только корректировки, препарирования и согласования со зрительным анализатором изображения, но и позволяет восстанавливать из разноракурсных проекций объемные изображения исследуемых органов и систем организма. Непреодолимым пока барьером на этом пути стоит проблема «затенения», что существенно снижает диагностическую ценность «объемных» (многоракурсных) изображений, получаемых в настоящее время. Проблема успешно решается методами компьютерной томографии, рассмотрение которой выходит за рамки настоящей работы. Следует сказать лишь, что ее развитие в XXI веке будет продолжаться весьма интенсивно. Появление плоских цифровых детекторов существенно изменит конструкцию таких систем.

Появилась и широко развивается новая индустрия рентгенологических средств, связанная с объединением рентгеновской ап-
паратуры в информационные сети с цифровыми архивами. Как другая техника для лучевой диагностики, рентгеновская аппаратура должна использовать единые международные стандарты обмена данными, что содействует созданию единого информационного пространства и единой базы данных диагностической информации.

На этом пути необходимо решить следующие задачи:

оснастить рентгеновскую аппаратуру цифровым интерфейсом;
обеспечить совместимость форматов изображений и операционных систем;
разработать различные беспроводные технологии передачи рентгеновских изображений на большие расстояния.

В настоящее время широко развивается телерентгенология,при этом число телемедицинских проектов для рентгенологии превышает 20% от общего числа проектов.

Попытка прогнозирования неизбежно связана с риском ошибки. Авторы, занимающиеся медицинской рентгенотехникой
около 40 лет, берут на себя смелость на некоторый полет фантазии,который в ряде случаев, может быть, носит научно-фантастический характер. Вот наши прогнозы:

Произойдет интеграция рентгеновской техники в единую систему лучевой диагностики, обеспечивающей совмещение изображений и единый архив.
Отпадет необходимость в физическом транспорте снимков,твердая копия (рентгенограмма) уйдет в прошлое. Проблемы расходов на пленку, фотолаборатории, хранилища пленок должны исчезнуть.
Большие массивы рентгеновских изображений будут храниться в роботизированных архивно-библиотечных системах стандартизированного формата. Сейчас снимки и выводимые на экраны изображения сосуществуют с явным количественным превосходством первых. В случае полностью разработанных систем архивирования изображений
и связи (PACS) диагностика будет проводиться по изображениям на экранах, а не по снимкам и твердым копиям.
Получат широкое распространение экспертные системы и системы автоматического отбора патологий с помощью компьютера.
Рентгенологи будут ставить диагноз на рабочих станциях с техникой быстрого просмотра и возможностями количественных оценок.
Сканирование во многих рентгенотелевизионных системах будет перенесено в область формирования рентгеновского изображения. Это самый эффективный путь борьбы с рассеянным излучением. В приемнике это сканирование будет сочетаться со счетом фотонов.
Будет полностью освоена цифровая технология диагностики технического состояния рентгенотехники

Таким образом, на пороге XXI века развитие рентгенотехники следует рассматривать не как конечную веху эволюции, а как переход ее на качественно новый уровень, подготовленный новейшими технологиями в области рентгеновского аппаратостроения, цифрового телевидения и компьютерной техники. Медицинская рентгенотехника еще очень далека от потенциально достижимого предела, и спустя столетие с момента своего появления фактически находится в начале пути цифрового рентгенотелевидения.

Литература

Бердяков Г. И., Кокуев А. Н., Ртищева Г. М. // Мед. техника. - 1998. -№ 5. - С. 15-18.
Блинов Н. Н., Мазуров А. И. // Мед. техника. - N° 6. - С. 3-5.
Блинов Н. Н., Варшавский Ю. В., Зеликман М. И. // Компьютер.технол. в мед. - 1998. - № 3. - С. 19-22.
Вейп Ю. А., Мазуров А. И., Элинсон М. Б. // Мед. техника. - 1998. -№ 6. - С. 8-10.
Там же. С. 10-13.
Материал фирмы GE Amorphous Silicon.
Flat-panel X-ray Detector for radiography. Pixium 4600. Материал фирмы TR1XELL

MEDICAL X-RAY EQUIPMENT ON THE EVE OF THE 21ST CENTURY

N. N. Blinov, A. I. Mazurov

Summary. The authors, specialists in medical X-ray engineering, have been engaged in it for about 40 years, forecast that this medical engineering field will be under development and regard its development as transition to a qualitative new level prepared by latest technologies in X-ray apparatus making, digital television, and computed technology rather than an ultimate landmark of evolution.

// Медицинская техника. - 1999. - № 5. - С. 3-6.

Теги: рентген, стол снимков, стойка снимков, рентгенолог, генераторы, лучевая нагрузка, доза
234567 Начало активности (дата): 11.04.2017 14:39:00
234567 Кем создан (ID): 645
234567 Ключевые слова: рентген, стол снимков, стойка снимков, рентгенолог, генераторы, лучевая нагрузка
12354567899

Медицинская рентгенотехника на пороге XXI века

Медицинская рентгенотехника на пороге XXI века

Похожие статьи