Эволюция приемников рентгеновских изображений

24.04.2017

Эволюция приемников рентгеновских изображений

Развитие компьютерных технологий и цифрового телевидения оказывает огромное влияние на эволюцию приемников рентгеновских изображений. Уже в настоящее время ставится под сомнение долговременное господство в рентгенотехнике классических приемников.

Развитие компьютерных технологий и цифрового телевидения оказывает огромное влияние на эволюцию приемников рентгеновских изображений.

Уже в настоящее время ставится под сомнение долговременное господство в рентгенотехнике классических приемников: пленки с усиливающими экранами в рентгенографии и усилителей рентгеновского изображения (УРИ) на базе рентгеновских электронно-оптических преобразователей (РЭО-Пов) в рентгеноскопии. В связи с этим поставлена задача проанализировать развитие рентгеновских приемников за прошедшее столетие и дать прогноз на приемники ближайшего будущего.

Процесс эволюции приемников можно проследить, комментируя диаграмму, которая изображена на рис. 1.

Как видно, в течение всего ХХ столетия приемники для рентгеноскопии и рентгенографии развивались независимо и только на пороге ХХ1 века наметилась тенденция к их интеграции.

Рис. 1. Диаграмма эволюции приемников рентгеновских изображений

Приемники для рентгеноскопии.

На начальном этапе развития рентгенотехники динамические изображения наблюдались рентгенологом на флюоресцирующем экране в затемненном рентгеновском кабинете. Метод визуализации рентгеновского изображения с помощью флюоресцентного экрана крайне несовершенен. Учитывая вредное влияние рентгеновских лучей на человеческий организм, просвечивание стараются осуществлять при мощностях дозы в плоскости экрана не более 200 мкР/с, что обеспечивает яркость лучших рентгеновских экранов не выше 10^-2 кд/м². При столь низких яркостях контрастная чувствительность и пространственная разрешающая способность зрения ограничены и рентгенолог не способен извлечь из рентгеновского изображения на экране всю информацию, которая в нем содержится. Например, при мощности дозы 200 мкР/с рентгенолог не может различить на рентгеновском экране при полной темновой адаптации детали площадью 1 мм² с контрастом менее 30%.

Это обусловлено низкой квантовой эффективностью системы экран-глаз из-за необратимых потерь светового потока при переносе изображения с экрана на фоточувствительную поверхность сетчатки глаза. Этот вывод относится также к любой электронной рентгеноскопической системе, которая собирает с экрана на фоточувствительную поверхность приемника не больше фотонов, чем глаз. Даже если представить, что экран всю падающую на него энергию рентгеновских лучей превращает в свет, то и тогда яркость экрана не увеличится более чем в 30 раз. Оптимальная для визуального восприятия яркость изображения, когда зрение не ограничивает квантовую эффективность приемника, должна быть не менее 100—150 кд/м², поэтому усилители яркости рентгеновских изображений являются принципиально необходимыми.

Попытки заменить рентгеновский экран для рентгеноскопии на УРИ начались в начале 50-х годов. С тех пор был опробован целый рад схем построения УРИ [1]. Первый УРИ «Люмикон» (США) был построен по принципу съемки изображения на передающую телевизионную трубку с рентгеновского экрана. В дальнейшем по этой схеме были созданы УРИ в Великобритании (фирма «Маркони») и СССР (Всесоюзный научно-исследовательский институт телевидения). Их характеризуют большие потери в оптическом узле.

Несколько уменьшить эти потери удалось в УРИ с электронно-оптическим преобразователем, установленным между экраном и передающей телевизионной трубкой. УРИ этого класса «Делкаликс» (Нидерланды) и «Вега 320М» (СССР) некоторое время использовались в медицинской практике, но только с появлением РЭОПов была решена проблема низкодозовой рентгеноскопии.

РЭОП объединил в одном электровакуумном приборе рентгеновский экран и усилитель света и тем самым свел к минимуму потери фотонов при переносе изображения с рентгеновского экрана на фоточувствительную поверхность усилителя света.

Схема с РЭОП оказалась удачной. УРИ с РЭОП вытесняли из медицинской практики все другие типы УРИ, которые не смогли сравняться с ними по квантовой эффективности и, следовательно,чувствительности. В УРИ с РЭОП при правильном выборе оптики и телевизионной камеры квантовая эффективность ограничивается только неполным поглощением рентгеновского измерения во входном экране РЭОП. Например, в серии усилителей УРИ-612-«ОКО»квантовая эффективность составляет от 0,5 до 0,7 в зависимости от режима просвечивания.

С разработкой в 80-х годах цифровых запоминающих устройств и устройств ввода изображений в компьютер и вывода их на монитор на УРИ наряду с рентгеноскопией стали возможными прицельная цифровая рентгенография и режим стоп-кадра в процессе рентгеноскопии, позволяющий сократить время обучения пациента. Такие УРИ стали называться цифровыми (3-й этап в соответствии с диаграммой на рис. 1) Таким образом, УРИ с РЭОП частично взяли на себя функции рентгенографических приемников. В России цифровые УРИ с матрицей 1024 х 1024 на РЭОП 12,14 и 16 дюймов разработаны ЗАО «НИПК «Электрон» для комплексов телеуправляемых рентгенодиагностических КРТ-«Электрон».

Но вследствие ограниченного рабочего поля и динамического диапазона цифровые УРИ на РЭОП, разработанные для рентгеноскопии, не решают полностью проблем рентгенографии.

Приемники для рентгенографии. 

Первыми приемниками изображения в рентгенографии были стеклянные пластинки, покрытые галоидами серебра [4]. Позднее появилась фотопленка, способная воспринимать рентгеновское излучение.

Чувствительность пленки крайне низкая. Только 1—2% излучения, формирующего теневое изображение, поглощается пленкой.

Поэтому в настоящее время прямое экспонирование пленки практически полностью заменено совокупностью пленки с усиливающими экранами. При этом квантовая эффективность возрастает в десятки раз. Прямое экспонирование сохранено только в тех областях рентгенологии (дентальная, офтальмологическая и т. д.), где требуется визуализация очень тонких структур.

Профилактическим методом рентгенографии является флюорография, когда приемником рентгеновского изображения служит экран, с которого изображение фотографируется на малоформатную пленку (70 х 70 и 100 х 100 мм).

Квантовая эффективность метода не превышает 0,04, поэтому в высоко развитых странах этот тип приемников не применяется и заменен на прямую рентгенографию с усиливающими экранами с квантовой эффективностью не ниже 0,15.

Перечисленные приемники пленочной рентгенографии имеют ряд существенных недостатков: большие эксплуатационные расходы; использование фотопроцесса, не обеспечивающего экологическую чистоту; низкая квантовая эффективность; узкий динамический диапазон и ряд других. Главным же недостатком пленочных приемников является их несовместимость с современными цифровыми технологиями, что обуславливает ее неэргономичность. Пленочная технология требует содержания пленочного архива. Согласно мировой статистике, до 20% рентгенограмм теряется при хранении в пленочных архивах или их трудно быстро востребовать. Рентгенологи привязаны к процессу проявления пленки, который требует временных затрат. Рентгеновские пленки трудно тиражировать и передавать на расстояние. Брак, обусловленный узким динамическим диапазоном.

По статистике, брак составляет не менее 15%.

Учитывая недостатки рентгенографии на пленке, ряд фирм в области рентгенотехники с начала 70-х годов начали проводить исследования по поиску цифрового приемника рентгеновских изображений, который мог бы заменить пленку. Эти исследования не закончены и в настоящее время разработкой цифровых приемников занимается более 30 фирм. Как уже отмечалось, УРИ на РЭОП частично решают проблему цифровой рентгенографии, но технические параметры большинства современных УРИ на РЭОП не согласованы с требованиями цифровой рентгенографии. Дело в том, что эти УРИ разрабатывались для нужд рентгеноскопии, главное требование которой, учитывая длительность просвечивания, — максимальное снижение лучевой нагрузки на пациента при получении удовлетворительного качества изображения движущихся органов.

При разработке приемников для цифровой рентгенографии нужен другой подход. А именно, в цифровой рентгенографии необходимо получить высококачественное изображение неподвижного органа (не хуже качества рентгенограммы) по возможности при дозах на один кадр, не превышающих дозы на один снимок в рентгенографии. Таким образом, высокочувствительные приемники для рентгеноскопии и приемники высокого качества изображения для рентгенографии образуют совершенно разные классы аппаратуры. Поэтому критическому пересмотру должны быть подвергнуты все ранее упоминавшиеся типы УРИ: с РЭОП, с усилителем яркости, непосредственной съемки с рентгеновского экрана и др.

То, что плохо для одних целей, может оказаться оптимальным для других. Поэтому разработки ведутся в целом ряде направлений [3].

Это различные варианты матричных приемников, сочетающих технологию цезий-йодного экрана с матрицей кремниевых фотодиодов (aSi:H), находящейся в непосредственном контакте с экраном. В этих приемниках потери фотонов сведены к возможному минимуму, что потенциально позволяет достичь квантовой эффективности, равной эффективному коэффициенту поглощения рентгеновских квантов в экране.

Другой разновидностью плоских приемников являются матрицы тонкопленочных полевых транзисторов, покрытых аморфным селеном. Цифровой приемник на селеновом детекторе имеет высокое качество изображения, так как в нем отсутствует многоступенчатый процесс преобразования рентгеновского изображения в видеосигнал. Здесь имеются только две ступени: рентгеновские кванты преобразуются в потенциальный рельеф, электрических зарядов.

Для сравнения укажем, что в УРИ на РЭОП таких ступеней пять: рентгеновские кванты экраном преобразуются в световые фотоны, фотоны фото-катодом — в электроны, электроны — в фотоны на выходном экране РЭОП, фотоны — в электроны в ПЗС-матрице, и, наконец, электроны считываются из пикселов ПЗС-матрицы в виде видео-сигнала. По этим двум технологиям созданы промышленные образцы приемников фирмами «TRIXELL» (Франция), «dpiX» и «Varian medical systems» (США), «SHIMADZU» (Япония) и др.

Если не считать цифровые УРИ на РЭОП, то одними из первых появились цифровые приемники с запоминающим фотостимулируемым рентгеновским экраном, которые в настоящее время широко используются в зарубежных клиниках.

Лидирующее положение по выпуску этих приемников занимают фирмы «Fuji Medical» (Япония), «Kodak» (США), «Agfa» (Бельгия).

Функционально приемник состоит из 2-х основных частей: кассеты с экраном, на котором запоминаются рентгеновское изображение во время экспозиции, и считывающего лазерного устройства. Главным достоинством этого приемника является возможность получения снимка на любом рентгеновском аппарате, на котором можно сделать снимок на пленку в кассете. Одно считывающее устройство может обслуживать несколько снимочных мест.

В России в настоящее время разработаны цифровые приемники по трем технологиям: на экранах с ПЗС-матрицами, на линейках детекторов и на РЭОП с ПЗС-матрицами. С их описанием можно ознакомиться в работах [2, 3].

Все указанные технологии цифровых приемников продолжают развиваться, и какая из них победит в конкурентной борьбе, подобно тому, как это произошло с УРИ для рентгеноскопии, покажет будущее. Немаловажную роль в этой борьбе окажет возможность реализации в одном приемнике функции рентгенографии и рентгеноскопии (в соответствии с рисунком 4-й этап эволюции), т. е. возможность разработки универсального цифрового приемника.

Универсальные цифровые приемники. Целый ряд рентгенологических методик требует проведения как рентгеноскопии, так и рентгенографии. К таким методикам относятся все виды процедур интервенционной рентгенологии и проведение операций под рентгеновским контролем, а также выполнение прицельных снимков.

Для этих методик необходим универсальный приемник.

Естественно, в таких рентгеновских аппаратах удобнее иметь один универсальный приемник, так как при этом аппарат получается более компактным, дешевым, надежным и эргономичным.

В настоящее время универсальные приемники строят на базе РЭОП, которые являются представителями вакуумной электроники со всеми ее недостатками добавляемыми к указанным выше недостаткам РЭОП. Во-первых, это полная несовместимость с современной микроэлектроникой: большие габариты и масса, высоковольтное питание до 30 кВ, необходимость экранировки от магнитного поля Земли. Во-вторых, вакуум накладывает целый ряд ограничений на условия эксплуатации: необходимость обезгаживания после длительного перерыва в работе; сильные удары могут разбить колбу; ограниченный срок службы. В-третьих, сторонние электромагнитные поля из-за невозможности полной экранировки воздействуют на электронную оптику РЭОП и искажают изображение. Наконец, из-за сложности, разнородности и гибридности конструкции, а также трудоемкости монтажно-сборочных работ РЭОП всегда останутся достаточно дорогими приборами с ограниченной долговечностью. Их стоимость резко возрастает с увеличением размера рабочего поля.

Поэтому многие фирмы работают над созданием безвакуумных универсальных приемников. Чтобы эти приемники полностью заменили пленочную технологию и УРИ на РЭОП, необходимо решить целый ряд задач.

По дозам во входной плоскости приемник должен работать в диапазоне от 0,5 мкР до 2 мР на кадр, т. е. его динамический диапазон должен быть не менее 4000 раз.

При необходимости рабочее поле приемника должно быть не менее 400 х 400 мм. Если поставить задачу идентификации в изображении деталей размером в 1 мм², то пространственная разрешающая способность приемника должна быть не менее 3200 х 3200 пикселов на поле 400 х 400 мм. Временная разрешающая способность приемника в режиме рентгеноскопии должна быть не менее 15—30 кадров в секунду.

Уже начали появляться цифровые приемники на плоских панелях, работающие как в режиме рентгенографии, так и рентгеноскопии, но они имеют рабочие поля до 230 х 230 мм. При большом рабочем поле основная трудность заключается в обеспечении временной разрешающей способности до 30 кадров в секунду.

Плоские панели более высокотехнологичны, но у приемников экраноптика-ПЗС есть ряд преимуществ перед плоскими детекторами. Они легко адаптируются под конкретные применения путем замены компонентов (экрана, оптики, твердотельных фотоприемников). Таким способом возможен обмен чувствительности на разрешающую способность и т. п. Если в плоских детекторах повреждение отдельных элементов матрицы приводит к необходимости замены всего дорогостоящего детектора, то в системе экран-оптика-ПЗС-матрица возможна замена ремонтопригодных компонентов. Кроме того, система может быть легко модернизирована при разработке более совершенных экрана, оптики или ПЗС-матрицы. В плоских детекторах от 15 до 30% поверхности входного поля заняты не светочувствительными элементами, что снижает их чувствительность. В них также не полностью решена проблема защиты электронных компонентов от деградации под действием рентгеновского излучения, что приводит к сокращению срока службы детектора. Наконец, плоские детекторы всегда останутся дорогими изделиями, так как они изготавливаются по уникальным технологиям.

Исходя из этого, ЗАО «НИПК Электрон» выбрало более простую технологию — экран-оптика-ПЗС. Уже освоен серийный выпуск двух цифровых приемников для рентгенографии — КФЦ-«Электрон» и КРЦ-1, которыми оснащаются цифровые аппараты ФЦ-01-«Электрон», СВЦ-«ОКО» и АРЦ-01-«ОКО». Дальнейшие работы проводятся в направлении увеличения квантовой эффективности и временной разрешающей способности цифровых приемников этого класса. По этому же пути идут фирмы «Apelem»(Франция), «Swissray» (Швейцария).

Литература

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

2. КантерБ. М. // Мед. техника. - 1998. - № 5. - С. 10-13.

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

4. Пициутиелло Р., Куллинан Дж. Введение в медицинскую рентгенографию. - Нью-Йорк: Компания Истман Кодак, 1993.

Теги: РЭОП
234567 Начало активности (дата): 24.04.2017 04:44:00
234567 Кем создан (ID): 645
234567 Ключевые слова:  рентгеновские изображения, приемники, рентгеноскопия, экран
12354567899