Пути снижения лучевых нагрузок в рентгендиагносике

12.04.2017

Пути снижения лучевых нагрузок в рентгендиагносике

Общеизвестно вредное воздействие рентгеновского излучения на организм человека. Оно является причиной гибели клеток, по-
явления раковых клеток и повреждения генетического аппарата.

Общеизвестно вредное воздействие рентгеновского излучения на организм человека. Оно является причиной гибели клеток, появления раковых клеток и повреждения генетического аппарата.

Однако человечество не отказалось от использования рентгеновского излучения в диагностических целях, так как вред, наносимый исследованиями, неизмеримо меньше той пользы, которую приносит рентгенодиагностика. В настоящее время на долю рентгенодиагностики приходится не менее 50% от всех методов интроскопических исследований организма человека.

Для сведения риска, связанного с рентгенологическими исследованиями, к минимуму принимаются все возможные меры для снижения лучевых нагрузок на пациента и обслуживающий персонал. Совершенствование с этой целью классической рентгенотехники, которая основана на аналоговых технологиях (рентгеновской пленке и аналоговых усилителях рентгеновских изображений) близко к теоретическому пределу [1].

С внедрением в рентгенологическую практику цифровых технологий [2, 3] появились новые возможности уменьшения лучевых нагрузок. Эти возможности связаны с более высокими квантовой эффективностью и динамическим диапазоном, автоматическим микропроцессорным управлением всеми звеньями цифровой системы формирования и визуализации рентгеновского изображения,а также с цифровым запоминанием и обработкой сигнала изображения.

Проанализируем возможности снижения облучения, связанные с каждым функциональным узлом цифрового рентгеновского
аппарата  в отдельности.

Анализ будем проводить, используя соотношения, которые определяют экспозиционную дозу на входе водного фантома в зависимости от его толщины и параметров аппарата для случая обнаружения малоконтрастной детали при цифровой рентгенографии(один снимок) и рентгеноскопии (непрерывное просвечивание).

Для случая рентгенографии соотношение имеет вид:

Д =2Y² „ (1 + 5)/АAx-Ay• Az²а?_эф -h

Здесь Д_г — доза на входе фантома (мкР) за время снимка, ¥_п —пороговое отношение сигнал/шум, определяющее вероятность обнаружения малоконтрастной детали; 5 — отношение величины вторичного (рассеянного) излучения к первичному (проходящему через фантом без отклонения) в плоскости приемника изображения;

А — пересчетный коэффициент, зависящий от энергетического спектра рентгеновских квантов (например, для монохроматического излучения со слоем половинного ослабления 7 мм Al A = 200 квант/мм²/мкР); Ax, Ay, Az — ширина, высота и толщина обнаруживаемой детали соответственно; а_эф — эффективный линейный коэффициент ослабления рентгеновского излучения в воде; h —квантовая эффективность приемника изображения; e — основание натурального логарифма; z — толщина фантома.

Для случая рентгеноскопии доза увеличится на произведение числа информативных кадров п в секунду и время просвечивания t:

Д_с = Дг'п-t. (2)

Радиационный эффект определяется произведением дозы на облучаемую площадь объекта S.

Э = Д-S. (3)

Как видно из соотношений (1), (2) и (3) для снижения лучевой нагрузки имеются следующие пути.

1. Подавление рассеянного излучения.

Если полностью исключить в изображении рассеянное излучение, то доза уменьшится в (1 + 5) раз. Известно, что при просве-
чивании рентгеновским пучком одновременно всей площади исследуемого органа рассеянное излучение в зависимости от жесткости рентгеновского излучения, площади и толщины объекта может от двух до десяти раз превосходить полезное излучение, формирующее изображение [4]. Поэтому в цифровой рентгенотехнике подавление рассеянного излучения является одной из основных задач. Наиболее радикальным способом подавления рассеянного излучения является просвечивание объекта бегущим рентгеновским пучком, позволяющим уменьшить 5 до теоретического предела (5 = 0).

Однако до настоящего времени этот принцип построения цифровых рентгеновских аппаратов не нашел практического применения из-за трудностей, связанных с формированием самого бегущего рентгеновского луча [1]. Разработаны рентгеновские аппараты, которые просвечивают объект тонким веерообразным рентгеновским пучком, который механически сканируется по кадру изображения. В этом случае рассеянное излучение снижается во столько раз, во сколько площадь «веера» меньше всей сканируемой площади объекта. Этот класс аппаратов находит ограниченное применение из-за ряда технологических трудностей (низка пространственная разрешающая способность линеек детекторов,большое время сканирования, пониженная надежность из-за необходимости перемещения ряда функциональных узлов и др.) Эти трудности не носят принципиального характера и в будущем могут быть преодолены.

Наиболее широкое распространение для борьбы с рассеянным излучением получили свинцовые растры. Их устанавливают за объектом перед приемником изображения. При установке растра перед приемниками с использованием пленки дозу на снимок приходится не уменьшать, а увеличивать. Дело в том, что пленка имеет узкий динамический диапазон. Рассеянное излучение занимает часть этого диапазона, увеличивая плотность проявленной пленки и создавая паразитный фон, который сильно снижает контраст изображения. Растр, подавляя главным образом рассеянное излучение, увеличивает контраст, но при этом, для сохранения оптимального почернения, доза на входе растра должна быть увеличена в 1/_Xt раз. Здесь параметр Xt определяет прозрачность растра для общего потока рентгеновского излучения. Он равен отношению суммарной интенсивности излучения на приемнике при наличии растра к суммарной интенсивности излучения без растра. Цифровые системы имеют, как правило, очень широкий динамический диапазон. Поэтому для них уровень экспозиции не так критичен,
как для пленки. Этот уровень должен быть достаточен для того,чтобы собственные шумы приемника не оказывали существенного влияния на качество изображения. Рассеянное же излучение вносит в систему шум непосредственно на входе приемника, существенно снижая отношение сигнал/шум в изображении. Поэтому в цифровых системах роль растра, который подавляет рассеянное излучение, сводится к повышению отношения сигнал/шум на входе приемника, что весьма существенно. За растром отношение вторичного излучения к первичному уменьшается в Е раз, где Е — избирательность растра, равная отношению прозрачности растра для первичного рентгеновского излучения к прозрачности растра для рассеянного излучения. Следовательно, в цифровых системах растр необходимо выбирать по максимальной избирательности, что позволит на столько же раз снизить дозу, если собственные шумы приемника пренебрежимо малы.

Отметим, что в правильно сконструированных цифровых приемниках это условие выполняется.

2. Увеличение квантовой эффективности приемников изображения.

Как следует из соотношения (1) дозовая нагрузка на пациента обратно пропорциональна квантовой эффективности приемника изображения. В аналоговых усилителях рентгеновского изображения (УРИ) уже достигли квантовой эффективности п = 0,65, т. е.65% от теоретического предела, который равен 1. Но в пленочной рентгенографии, на долю которой приходится более 90% всех рентгенологических исследований, даже при использовании самых эффективных усиливающих экранов квантовая эффективность вряд ли может превысить 0,3, что обусловлено низкой квантовой эффективностью пленки (среднее значение равно 0,01) [3].

Цифровые приемники, производимые разными фирмами, имеют квантовую эффективность от 0,1 до 0,7. Но здесь не существует принципиальных ограничений на увеличение п до величин близких к теоретическому пределу. Таким образом, по мере увеличения квантовой эффективности цифровых приемников будут снижаться лучевые нагрузка на пациента.

3. Оптимизация качества рентгеновского излучения.

Правильный выбор качества, т. е. жесткости или эффективной длины волны рентгеновского излучения существенно влияет как на информативность изображения, так и на экспозиционную дозу.

В соответствии с (1) качество рентгеновского излучения характеризует линейный коэффициент ослабления а_эф. Из соотношения (1)можно выделить множитель, который является функцией а_э4,:

^В=аэФ*exp ^ф

(^DaW J )

Как видно из формулы (4) для каждой толщины объекта существует эффективный линейный коэффициент ослабления, при
котором экспозиционная доза минимальна. Если предположить,что деталь толщиной Az должна обнаруживаться на любой толщине объекта в пределах от 0 до z с одинаковой вероятностью, то формулу (4) можно переписать используя соотношение о числе воспроизводимых градаций толщины объекта m = z/Az:

В=a.*zexp ^,ф*m

Беря производную функции (5) и приравнивая ее к 0, полу-чим, что минимум функции (5) существует при а_эф = 2/z.

К тому же выводу можно придти, определив максимум отношения сигнал/шум на обнаруживаемой детали толщиной Az при
максимальной толщине объекта Z [1]. Таким образом, оптимальным является излучение с линейным коэффициентом ослабления а_эф = 2\z. В аналоговых рентгеновских аппаратах как правило выбирается более мягкое излучение, что соответствует а_э4^ ~ 3,5—4 [1].

При этом требуемая экспозиционная доза увеличивается почти в 2 раза. Выбор более мягкого излучения в пленочной рентгенографии вызван желанием увеличить контраст изображения и снизить рассеянное излучение, которое увеличивается с повышением а_эф. Для цифровых систем контраст изображения, не изменяя а_эф, можно повысить в телевизионном видеотракте, а увеличение рассеянного излучения компенсируется выбором растра с максимально возможной избирательностью. Для пленочной рентгенографии выбор таких растров сдерживается необходимостью непомерного увели-
чения экспозиции.

Требуемое качество излучения, определяемое ах, в зависимости от толщины объекта задается напряжением на рентгеновской трубке, материалом и толщиной фильтра. От напряжения зависит спектр излучения, а фильтр убирает низкоэнергетическую компоненту спектра, которая не несет полезной диагностической информации, поскольку практически полностью поглощается в теле пациента. В общей рентгенологии, где используются напряжения от 40 кВ до 150 кВ, обычно применяются фильтры из А1 (Z = 13) или Cu (Z = 29). В цифровых аппаратах, в которых формируется более жесткое излучение, чем в пленочных аппаратах, все большее применение находят фильтры из меди. Это связано с тем, что в них
ослабление происходит в большей степени за счет поглощения, а не рассеяния, чем в фильтрах из алюминия.

Наиболее жесткий спектр формируется при подаче на анод рентгеновской трубки постоянного напряжения, поэтому в цифро-
вых аппаратах используются рентгеновские питающие устройства с преобразователем частоты сети до частот от 6 кГц до 300 кГц, при которых пульсации выпрямленного напряжения не превышают двух процентов. Задача предварительного фильтра — сделать излучение при выбранном напряжении практически однородным.

К сожалению эта задача не имеет однозначного решения.

Дело в том, что одному а_эф могут соответствует различные спектральные составы рентгеновского излучения. Одному и тому
же а_эф может соответствовать сильно фильтрованное излучение при более высоком U_a. Поэтому задача выбора анодного напряжения и степени фильтрации решается на основе экспериментальных данных.

4. Сокращение избыточности качества изображения.

В рентгенологии всегда имеется необходимость установления оптимального соотношения между уровнем предполагаемого риска от рентгеновского излучения и ожидаемым выигрышем за счет лучшей диагностики. Эта оптимизация достигается ограничением качества изображения на уровне достаточности с целью минимизации экспозиционной дозы. В цифровых аппаратах это приобретает особо важное значение, так как в них имеется возможность адаптивного изменения пространственной, временной и градационной разрешающих способностей аппарата в зависимости от детальности, подвижности и контраста изображения исследуемого органа.

Если обратиться к соотношениям (1) и (2), то эти изменения касаются параметров Ax, Ay, определяющих пространственную
разрешающую способность, параметра Az, от которого зависит число различимых градаций плотности объекта (m = z\Az) и, наконец, числа информативных кадров n, которые передаются в рентгеноскопии в единицу времени.

В организме человека патология может развиваться в любом направлении (X, Y, Z), поэтому желательно, чтобы разрешающие
способности аппарата были одинаковыми во всех направлениях, то есть, должно выполняться равенство Ax = Ay = Az. В этом случае снижение требований к размерам разрешаемого объема в 2 раза позволяет снизить дозу, как следует из соотношения (1), в 16 раз.

В цифровых аппаратах эта операция может реализовываться адаптивно в зависимости от требуемого разрешения.

Аналоговые аппараты не имеют такой возможности.

Регулировать частоту информативных кадров в зависимости от подвижности исследуемых органов стало возможным, когда
появилась кадровая память. Кадровая память позволяет генерировать в промежутках между информативными недостающие кадры для преодоления критической частоты слияния мельканий. Для исследования в рентгеноскопическом режиме неподвижного органа достаточно одного информативного кадра, который повторяется с частотой более критической частоты слияния мельканий в течение всего времени исследования. Частота информативных кадров при исследовании подвижных органов должна выбираться в соответствии с теоремой отсчетов (теоремой Котельникова). Как показали исследования зрительного анализатора [5], частота информативных кадров для обеспечения слитности движения может не превышать 15 кадров в секунду, если недостающие кадры для обеспечения критической частоты воспроизводятся из памяти.

В цифровых рентгеновских аппаратах используются «псевдодинамические»режимы исследования с частотой повторения кадров от 1 до 15.

Только в случае исследования быстропротекающих процессов, когда для диагностики важны все фазы движения, например в кардиологии, частоту информативных кадров не понижают, а повышают до 60 в секунду и более, и воспроизводят изображение в замедленном ритме.

5. Облучаемая площадь.

Как следует из соотношения (3), радиационный эффект прямо пропорционален облучаемой площади исследуемого объекта.

Для ограничения этой площади необходимым минимумом в аппаратах предусмотрены диафрагмы. К сожалению, большинство эксплуатируемых в клиниках поворотных столов-штативов не оборудованы ирисовыми диафрагмами, формирующими круглое рабочее поле в соответствии с рабочим полем УРИ. Поэтому пациенты получают на 27,3% большую лучевую нагрузку. В современных цифровых аппаратах с микропроцессорным управлением это несоответствие устранено и диафрагма автоматически устанавливается строго в соответствии с используемым рабочим полем УРИ.

Из приведенного выше рассмотрения путей снижения лучевых нагрузок можно дать следующие рекомендации по построению
цифровых рентгеновских аппаратов.

1. Рентгеновское питающее устройство аппарата должно быть построено по схеме с преобразованием частоты питающей сети,что обеспечивает практически постоянное высокое напряжение на аноде рентгеновской трубки и, следовательно, оптимальный спектр излучения.

2. Питающее устройство совместно с излучателем и фильтром должно формировать короткие (до 1 мс) импульсы высокого напряжения переменной скважности и частоты.

3. Наиболее перспективны рентгеновские трубки с сеточным управлением, формирующие импульсы излучения с практически прямоугольными фронтами, что обеспечивает постоянный спектр рентгеновского излучения.

4. В зависимости от толщины исследуемого объекта должна быть предусмотрена автоматическая смена фильтра, отсекающего мягкое излучение.

5. Диафрагма аппарата должна формировать пучок рентгеновских лучей строго в соответствии с рабочим полем приемника
   изображения. При переключении рабочих полей диафрагма должна автоматически устанавливаться на выбранное поле.

6. Избирательность растров должна быть максимально возможной при заданной частоте растра.

7. Видеопроцессор аппаратов должен работать в адаптивном режиме, согласованном с параметрами рентгеновского изображения по пространственной, временной и градационной разрешающим способностям.

Дополнительно необходимо напомнить, что при рентгенологических исследованиях должны неукоснительно соблюдаться тре-
бования радиационной безопасности, регламентированные нормативными документами [6].

Выполнение перечисленных рекомендаций при разработке и эксплуатации цифровых рентгеновских аппаратов сократит лучевые нагрузки на все группы населения не менее, чем в 10 раз.

С учетом рассмотренных требований ЗАО «НИПК «Электрон» разработаны рентгенодиагностический телеуправляемый
комплекс КРЦ «Электрон», цифровой флюорограф ФЦ-01-«Электрон» и цифровой рентгенографический аппарат АРЦ-«ОКО».

Правильное сочетание в этих аппаратах рассмотренных факторов позволяет проводить исследования с малыми дозовыми нагрузками.

Литература

1. Блинов Н. Н., Жуков Е. М., Козловский Э. Б., Мазуров А. И. Телевизионные методы обработки рентгеновских и гамма-изображений. - М Энергоиздат, 1982.

2. Игнатьев Н. К. Дискретизация и ее приложения. - М.: Связь,

1980.

1. Мазуров А. И., Данилов В. А. Цифровое рентгенотелевидение. - М.:
   Знание, 1990.

2. Нормы радиационной безопасности (НРБ-99). - М., 1999.

3. Основы рентгенодиагностической техники / Под ред. Н. Н. Блинова. - М.: Медицина, 2002.

4. Пиццутиелло Р., Куллинан Дж. Введение в медицинскую рентгенографию. - Нью-Йорк: Кодак, 1996.

// Вестник Северо-Западного регионального отделения Академии медико-технических наук / ОАО «НПП «Радар ММС» / Под общ. ред. Анцева Г. В. - СПб., 2003. - Вып. 7. - С. 96-101.

Теги: лучевая нагрузка, видеопроцессор, диафрагма аппарата, раствор, облучаемая площадь, квантовая эффективность, рассеяное излучение
234567 Начало активности (дата): 12.04.2017 11:32:00
234567 Кем создан (ID): 645
234567 Ключевые слова:  лучевая нагрузка, видеопроцессор, диафрагма аппарата, раствор, облучаемая площадь, квантовая эффективность
12354567899