Перспективы развития цифровой рентгенотехники

20.04.2017

Перспективы развития цифровой рентгенотехники

В настоящее время с помощью рентгеновского излучения, несмотря на его вредное действие, получают около 80% всех визуализируемых изображений и его потенциальные возможности далеко не исчерпаны.

В медицинской интроскопии, которая использует все возможные виды физических полей для получения изображений
внутреннего строения человека, рентгенотехника по-прежнему занимает первое место. В настоящее время с помощью рентгеновского излучения, несмотря на его вредное действие, получают около 80% всех визуализируемых изображений и его потенциальные возможности далеко не исчерпаны. Однако вместе с окончанием XX века заканчивается эра классической медицинской рентгено-техники.

Постепенно уходят в прошлое:

1. Три рабочих места рентгенолога.Поворотный стол штатив для рентгенологии и прицельных снимков, вертикальная стойка снимков и стол снимков, оснащенный приставкой для продольной томографии, заменяются теле-управляемыми и полипозиционными столами, выполняющими функции всех трех рабочих мест.

2.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 300 кГц, что позволяет формировать постоянное высокое напряжение на рентгеновской трубке с малыми пульсациями.

3.Таблицы экспозиций со сложной «автоматикой по органам». Многократное расширение динамического диапазона цифровых детекторов позволит значительно упростить выбор режимов рентгенологического исследования.

4.Экран для просвечивания и пленка для рентгенографии.Эти приемники рентгеновских изображений, господствовавшие в
рентгенотехнике целое столетие, повсеместно заменяются твердотельными усилителями и преобразователями рентгеновских изображении (УРИ) и беспленочными приемниками получения цифровых рентгенограмм.

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

На пороге XXI века развитие рентгенотехники перешло на качественно новый уровень, подготовленный новейшими техноло-
гиями в области рентгеновского аппаратостроения, цифрового телевидения и компьютерной техники.

Цифровые технологии интенсивно внедряются практически во все разделы рентгенотехники. На их базе сформировался подход к рентгеновскому аппарату как к единой системе преобразования информации.

Среди российских фирм наибольших успехов в области цифровой рентгенотехники добилось ЗАО «НИПК «Электрон» (Санкт-
Петербург) (6, 7). Ниже на примерах разработок этой фирмы рассмотрены полученные результаты и дан прогноз дальнейшего развития цифровых технических средств для радиологии.

В настоящее время первое, а значит, главное, рабочее место рентгенолога (поворотный стол-штатив для рентгеноскопии и
прицельных снимков) немыслимо без цифрового усилителя рентгеновского изображения (УРИ).

Однако в медицинских учреждениях России находится в эксплуатации огромный парк рентгенодиагностических комплексов
(РДК) без УРИ пли с УРИ устаревших и отслуживших свой срок моделей.

Для решения технической стороны этой проблемы ЗАО«НИПК «Электрон» (Санкт-Петербург) разработало ряд УРИ серии УРИ-612-«ОКО» на 9, 12 и 16 дюймовых рентгеновских электронно-оптических преобразователях (РЭО-Пах). Ряд насчитывает
несколько десятков модификаций УРИ-612-«ОКО» (рис. 1) и имеет следующие функциональные и потребительские возможности.

Рис. 1. Усилитель рентгеновского изображения серии УРИ-612-«ОКО» в составе рентгеновского аппарата.

Усилители серии УРИ-612-«ОКО» могут быть установлены на все типы поворотных столов-штативов как отечественного, так и
импортного производства. На поворотные столы-штативы с жест кими экранно-снимочными устройствами (ЭСУ) УРИ-612-«ОКО» устанавливаются без потолочного уравновешивателя. В этом отношении модификации УРИ-612-«ОКО» отличаются типом фланца стыковки с ЭСУ и наличием или отсутствием потолочного уравновешивателя. Уже имеется опыт работы УРИ-612-»ОКО» в составе рентгенодиагностических комплексов РДК 50/6, Медикс-Р,Телемедикс-Р, РУМ-20, РЕНЕКС, DMT-80K, EDP-750, UNDISTAT,VIROMATIC 56, TELESTATIX, TUR 800 и целого ряда других. Два идентичных пульта усилителей, дублирующих друг друга, позволяют устанавливать УРИ-612-«ОКО» как на обычные поворотные столы-штативы, так и на телеуправляемые.

По функциональным возможностям серия УРИ-612-«ОКО»делится на два класса. К первому классу относятся усилители

Ко второму классу относятся усилители УРИ-612П, в которых, кроме режима рентгеноскопии, предусмотрен режим цифровой рентгенографии, в целом ряде случаев заменяющий прицельные снимки на пленку. Для осуществления второго режима УРИ-612-«ОКО» комплектуются аппаратно-программным комплексом «Эльф», который позволяет записать изображение в память компьютера и, при необходимости, получить его твердую копию. Необходимо отметить, что класс УРИ-612П с аппаратно-программным комплексом «Эльф» является наиболее перспективным. «Эльф» позволяет внедрить на первое рабочее место РДК беспленочную технологию получения прицельных рентгеновских снимков, которая имеет целый ряд преимуществ перед пленочной технологией. Цифровые УРИ-612П резко сокращают эксплуатационные расходы за счет отказа от пленки, фотореактивов, фото-лаборатории и пленочного архива. В несколько раз увеличивается пропускная способность первого рабочего места и производительность рентгенологов, уменьшается трудоемкость получения рентгеновских снимков, так как цифровые рентгеновские снимки получаются в считанные секунды даже после компьютерной коррекции, препарирования и согласования качества снимка со свойствами зрения.

Рис. 2. Цифровая камера в составе флюорографа

Технические параметры и характеристики УРИ-612-«ОКО» и УРИ-612П, входящие в рассматриваемый ряд, во многом зависят
от типа используемого рентгеновского электронно-оптического препредусматривает использование РЭОПов Московского электро-лампового завода РЭП-1 (двухпольный с номинальным диаметром 230 мм); фирмы Thomson (Франция) с номинальными диаметрами 230, 320 и 400 мм и числом рабочих полей от 1 до 4; фирмы Tesp (Чехия) с номинальным диаметром 270 мм с двумя рабочими полями.

В УРИ-612-«ОКО» используются три модификации цифровых телевизионных систем. Телевизионными системами на полу-
дюймовых ПЗС-матрицах с числом пикселов 776 x 582 оснащаются УРИ-612-«ОКО» на РЭОПах с номинальным диаметром 230 мм.

Эти системы имеют малошумящий усилительный тракт с регулируемым цифровым шумоподавителем. Подавление шума на изображении на 6 дБ происходит без смазывания движущихся органов. Степень подавления шума для неподвижных и малоподвижных органов может быть увеличена с пульта усилителя. В телевизионных системах предусмотрена компенсация неравномерности чувствительности УРИ по полю изображения, а также компенсация геометрических искажений и пятен РЭОПа.

С пульта УРИ можно изменять полярность изображения (позитив-негатив), осуществлять инверсии изображения (вверх-вниз,
влево-вправо), задавать уровень шумоподавления в зависимости от подвижности просвечиваемых органов.

Телевизионные системы на ПЗС-матрицах с числом пикселов 1024 х 1024 предназначены для УРИ-612-«ОКО» высокого
разрешения, например, для ангиографических комплексов или УРИ-612-«ОКО» с большими рабочими полями — 290 мм в диаметре и более.

Телевизионные системы сверхвысокого разрешения (2048 х 2048 и 3072 х 2048 пикселов) используются в УРИ-612-«ОКО» для поворотных столов-штативов, которые могут комплектоваться стандартными ЭСУ для прицельных снимков на пленку.

Разрешающая способность УРИ-612-«ОКО» с этими телевизионными системами позволяет полностью заменить пленочную рентгенографию на цифровую. При рентгеноскопии УРИ-612-«ОКО» работают в импульсном режиме (пульс-флюоро) с максимальной частотой смены кадров 25 кадров в секунду.

Использование в УРИ-612-«ОКО» цифровых телевизионных камер позволяет снизить лучевые нагрузки до 10 раз, улучшить качество изображений и резко сократить эксплуатационные расходы.

Все УРИ-612-«ОКО» оборудованы системами стабилизации мощности дозы во входной плоскости РЭОПа, что автоматически
оптимизирует качество изображения. Уровень установленной мощности дозы отображается на экране монитора. Система стабилизации легко адаптируется под конкретные типы питающих устройств.

Таблица 1

Технические параметры и характеристики некоторых модификаций УРИ-612-«ОКО», которые зависят от типа используемого РЭОПа

Весь ряд УРИ-612-«ОКО» рассчитан на питание от однофазной сети переменного тока напряжением 220 В с частотой 50 Гц.УРИ-612-«ОКО» различают пороговый контраст не более 2% и имеют динамический диапазон не менее 50 раз.

Все нормируемые стандартом на УРИ (ГОСТ 26141-84) параметры УРИ-612-«ОКО» находятся на уровне лучших зарубежных
аналогов. Все УРИ-612-«ОКО» могут работать в импульсном режиме, если на такой режим рассчитано рентгеновское питающее устройство.

Таким образом, можно констатировать, что техническая сторона проблемы переоснащения парка рентгенодиагностических
комплексов цифровыми усилителями рентгеновских изображений ЗАО «НИПК «Электрон» решена. Использование ряда усилителей серии УРИ-612-«ОКО» в РДК будет содействовать внедрению в медицинскую практику современных технологий рентгенологических исследований. УРИ-612-«ОКО» позволяют: снизить лучевые нагрузки на пациента и обслуживающий персонал в десятки раз;улучшить качество рентгеновских изображений и, как следствие,качество диагностики; сократить эксплуатационные расходы за счет отказа от пленки, фотолаборатории и пленочного архива; увеличить производительность рентгеновских кабинетов и уменьшить трудоемкость получения рентгеновских снимков.

Переход на беспленочные технологии на втором (стол снимков) и третьем (стойка снимков) рабочих местах рентгенолога и в
флюорографии потребовал разработки цифровых рентгеновских приемников отдельных кадров. В этом направлении работает много фирм [1, 6, 7]. ЗАО «НИПК «Электрон» пошло по пути разработки рентгеновского цифрового приемника, в котором используется метод съемки изображения с рентгеновского экрана, но не на пленку, а на ПЗС-матрицу. Впервые на эффективность такого метода регистрации рентгенограмм с использованием телевизионных преобразователей свет-сигнал было указано в работе [1]. Первая камера этого класса (КФЦ-«Электрон») предназначалась, главным образом, для флюорографии (рис. 2).

Цифровая камера КФЦ-«Электрон» формирует видимое изображение на рентгеновском экране, передает его с помощью свето-сильного объектива на фотоприемник (ПЗС-матрицу) и преобразует видеосигнал с матрицы в цифровой сигнал. Камера включает также датчик сигнала автоматического контроля экспозиции.

Цифровой сигнал камеры поступает на АРМ лаборанта и записывается в оперативную память. АРМ лаборанта реализует предварительную обработку видеосигнала: компенсацию фона и неравномерности сигнала по полю изображения, подавление шумов, подбор параметров яркости, контраста и др. С помощью АРМ лаборанта осуществляются ввод данных о пациенте, задание экспозиции, контроль качества полученного изображения и пересылка полученного изображения в АРМ рентгенолога.

АРМ рентгенолога обеспечивает анализ (дешифрирование) изображения на мониторе, его коррекцию, препарирование и согласование с параметрами зрения. Обработанное изображение архивируется и при необходимости производится его распечатка. Здесь же осущест вляется составление рентгенологического заключения.

Применение двух автоматизированных рабочих мест (АРМ лаборанта и АРМ рентгенолога) позволяет одновременно вести
прием пациентов и дешифровку ранее полученных снимков.

Цифровая камера КФЦ-«Электрон» — это малодозовая высокопроизводительная система регистации рентгеновских изображений, основанная на цифровой технологии:

Размер рабочего поля, мм 390 x 390

Пространственная разрешающая способность,пар линии/мм 2.5

Число элементов изображения 2048 x 2048

Контрастная чувствительность, % 1

Градационная разрешающая способность,уровней серого 4096

Динамический диапазон, раз, не менее 150

Производительность, снимков/ч 60

Экспозиционная доза на снимок(в плоскости приемника), мР, не более 1

Использование камеры КФЦ-«Электрон» обеспечивает все преимущества современной цифровой рентгенографии перед тра-
диционной пленочной технологией. Это в первую очередь мгновенное получение цифровых рентгенограмм, экономия времени врача и пациента, достаточно высокая разрешающая способность,цифровая обработка изображения, возможность ведения цифрового архива снимков и включения в сеть телерентгенологии.

Наконец, немаловажный экономический фактор — отказ от дорогостоящей рентгеновской пленки, химикатов, проявочного и просмотрового оборудования, фотолаборатории.

Отметим, что цифровая камера КФЦ-«Электрон» позволяет на современном технологическом уровне возродить массовую
профилактическую флюорографию и в ряде случаев заменить традиционную рентгенографию на вертикальной стоике и столе снимков рентгенодиагностических комплексов.

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 (РЭОП). 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 исполь-
зовалась 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 «С-агт») штативами, оборудованные УРИ с цифровой памятью. Хирургические рентгеновские аппараты этого класса выпускаются более чем 10 фирмами. В России многопрофильный хирургический рентгеновский аппарат типа РТС-612 выпускает ЗАО «НИПК «Электрон» — (рис. 3). Этот аппарат широко применяется в клинической практике на тех рабочих местах, где осуществляется инструментальное вмешательство, позиционирование и хирургия под рентгеновским контролем.

Рис. 3. Хирургический рентгеновский аппарат РТС-612

Чтобы в полной мере удовлетворить потребности хирургии под рентгеновским контролем в аппаратах серии РТС-612 был реа-
лизован целый ряд специальных требований.

Для удобства работы медицинского персонала, проводящего операцию, штатив аппарата выполнен в виде дуги, охватывающей операционное поле. На дуге располагаются источник рентгеновского излучения и УРИ с телевизионной камерой.

Чтобы осуществить просвечивание оперируемого органа в нужной проекции без помехи хирургу, штатив имеет пять степеней
свободы: горизонтальное и вертикальное перемещения, орбитальное движение, поворот по вертикали на 180° вокруг горизонтальной оси, поворот по горизонтали на сектор до 10° вокруг вертикальной оси.

С целью снижения лучевой нагрузки на пациента и персонал в аппарате предусмотрен импульсный режим работы рентгеновской трубки с запоминанием изображения в цифровой памяти в период между импульсами. По сравнению с непрерывным просвечиванием,выигрыш в лучевой нагрузке пропорционален скважности импульсов рентгеновского излучения и может составлять десятки раз.

Для получения высокой четкости в режиме рентгеноскопии,при значительном удалении операционного поля от УРИ, в аппа-
рате используется двухфокусная рентгеновская трубка с малым фокусным пятом 0,6 х 0,6 мм. При съемках рентгенограмм на пленку фокус трубки переключается на размер 1,6 х 1,6 мм.

Вес и габариты аппарата минимизированы, что позволяет его легко передвигать по операционной одной медсестре.

На пульте управления РТС сосредоточены кнопки и информационные табло, обеспечивающие централизованное переключе-
ние режимов и полную информацию о работе всей системы. Включение рентгеновского излучения производится с пульта управления или ножной педалью.

В настоящее время в рентгенооперационных России установлено несколько десятков аппаратов серии РТС-612. Под их рентгеновским контролем выполняются травматологические, ортопедические и лапароскопические операции, рентгено-эндоваскулярные и внутрисосудистые вмешательства. Под непрерывным или периодическим рентгеновским контролем этих аппаратов осуществляется имплантация регуляторов ритма сердца в кардиохирургии,дробление камней в почках человека с помощью ударных волн в урологии, стабилизация осколков и поиск (извлечение) инородных тел в хирургии несчастных случаев и ряд других хирургических вмешательств. Области их применения непрерывно расширяются.

С ангиографической приставкой они позволяют успешно осуществлять даже цифровую субтракционную ангиографию.

Опыт эксплуатации РТС-612 показал, что на их основе можно создавать рентгенохирургические комплексы, удовлетворяющие требованиям практического здравоохранения в области травматологии,ортопедии, кардиохирургии, эндоскопии, урологии и других областях, где осуществляется рентгеновский контроль во время операции. Особое значение приобретают создаваемые на базе РТС-612 рентгенохирургические комплексы для внедрения в медицинскую практику технологий интервенционной рентгенологии.

Поэтому после преобразования изображения в видеосигнал, появляется возможность его обработки по трем направ-
лениям. Это коррекция аппаратурных искажений,несущественных для данного исследования структур; и, наконец, согласования наблюдаемого рентгенологом изображения(по яркости, контрасту, детальности, динамическому диапазону и
т. д.) с возможностями зрительного анализатора. Например, пространственно-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 разно-ракурсных проекций объемные изображения исследуемых органов и систем организма. Непреодолимым пока барьером на этом пути стоит проблема «затенения», что существенно снижает диагностическую ценность «объемных» (много-ракурсных) изображений, получаемых в настоящее время.

Появилась и широко развивается новая индустрия рентгенологических средств, связанная с объединением рентгеновской аппаратуры в информационные сети с цифровыми архивами. Как и 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 ЛПУ.

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.

Идеальный рентгеновский преобразователь должен детектировать каждый падающий на него информативный квант и давать
информацию без ошибок и искажений о его пространственном положении, энергии и времени поступления. Кроме того, идеальный преобразователь должен иметь достаточный для неискаженного детектирования динамический диапазон.

Во-первых, первичное рентгеновское изображение зашумлено рассеянным излучением от объекта, которое тоже детектируется и создает мешающий сигнал. Во-вторых, не все падающие на преобразователь рентгеновские кванты детектируются (обнаруживаются).

В-третьих, в отсутствие входного изображения система формирует изображение, порожденное собственными шумами.

В-четвертых, в современных системах пространственная разрешающая способность ограничивается не сечением взаимодействия рентгеновского излучения с веществом исследуемого объекта, а аппаратной функцией системы. В-пятых, точность регистрации времени поступления квантов ограничена инерционностью систем. Наконец, в-шестых,энергия (спектр) рентгеновских изображений одноканальными системами не дифференцируется.

Только с развитием цифровой рентгенотехники начала просматриваться возможность приближения к идеальной системе.

В свете отмеченных выше требований к идеальной системе можно прогнозировать следующие пути их реализации:

1. Самый эффективный путь борьбы с рассеянным излучением — это перенести сканирование из телевизионного преобразователя свет-сигнал в область формирования рентгеновского изображения, т. е. путь создания системы бегущего рентгеновского луча [1, 2, 3].

2. Чтобы увеличить квантовую эффективность системы до 100%, необходимо эффективно поглотить в приемнике каждый
   рентгеновский фотон, несущий полезную информацию. Наиболее легко это реализовать в одноэлементных (однопиксельных) приемниках, размеры которых не ограничивают пространственную разрешающую способность [2].

3. Собственные шумы системы можно отделить от полезного сигнала в системах счета фотонов с высоким предварительным усилением, когда пики сигнала существенно превышают единичные шумовые флуктуации [7].

4. Исключить влияние аппаратных функций системы на пространственную и временную разрешающие способности возможно также в системах счета фотонов, путем цифровой регистрации центра пространственного и временного откликов на единичные рентгеновские фотоны.

5. Оценка энергии рентгеновских фотонов, формирующих изображение, возможна только в многоканальных (спектрозо-
   нальных) системах [1].

Таким образом, на пороге  21 века, развитие медицинской рентгенотехники следует рассматривать не как конечную  веху эволюции, а как ее переход на новый цифровой уровень.

Литература

1. Блинов Н. Н., Жуков Е. М., Козловский Э. Б., Мазуров А. И. - М Энергоиздат, 1982.

2. Блинов Н. Н., Мазуров А. И. Медицинская рентгенотехника на пороге XXI века // Медицинская техника. - 1999. - № 5. - С. 3 -6.

3. Блинов Н. Н., Мазуров А. И. Современная роль рентгеновской техники в медицинской интроскопии // Медицинская техника. - 1998. -№ 6. -С. 3-5.

4. Иванов С. А., Комяк Н. И., Мазуров А. И. Рентгенотелевизионные методы исследования микроструктур. - М.: Машиностроение, 1983.

5. Мазуров А. И. Зрение роботов. - М.: Знание, 1991.

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

Теги: цифровая рентгенология, рентгенолог, пленки, приемники, анализаторы, хирургия
234567 Начало активности (дата): 20.04.2017 18:36:00
234567 Кем создан (ID): 645
234567 Ключевые слова:  цифровая рентгенология, рентгенолог, пленки, приемники, анализаторы
12354567899