автореферат диссертации по приборостроению, метрологии и информационно-измерительным приборам и системам, 05.11.10, диссертация на тему:Исследование и разработка методов микрофокусной рентгенографии в стоматологии и челюстно-лицевой хирургии

На правах рукописи /

Потрахов Николай Николаевич

□03450463

ИССЛЕДОВАНИЕ И РАЗРАБОТКА МЕТОДОВ МИКРОФОКУСНОЙ РЕНТГЕНОГРАФИИ В СТОМАТОЛОГИИ И ЧЕЛЮСТНО-ЛИЦЕВОЙ

ХИРУРГИИ

Специальность 05.11.10 «Приборы и методы для измерения ионизирующих излучений и рентгеновские приборы»

Автореферат диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук

? о о:;т ¿с:з

Санкт-Петербург - 2008

003450463

Работа выполнена в Санкт-Петербургском государственном электротехническом университете «ЛЭТИ» им. В.И. Ульянова (Ленина)

Официальные оппоненты:

доктор технических наук Черний А.Н. доктор технических наук Блинов H.H. (мл.) доктор технических наук, профессор Таубин М.Л.

Ведущая организация:

Научно-исследовательский институт интроскопии МНПО "СПЕКТР"

Защита диссертации состоится 26ноября 2008 года в // часов на заседании диссертационного совета Д 208.001.01 при Всероссийском научно-исследовательском и испытательном институте медицинской техники по адресу: 129301, Москва, ул. Касаткина, д. 3.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГУН ВНИИМТ Автореферат разослан 2008 года

Ученый секретарь диссертационного совета кандидат технических наук

Козловский Э.Б.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. Среди известных методов медицинской диагностики ведущее место занимает рентгенографический метод исследования. В свою очередь, одним из наиболее распространенных видов рентгенодиагностических исследований в медицине является дентальная диагностика. При этом роль рентгенологических обследований в современной стоматологии и челюстно-лицевой хирургии неуклонно растет. К традиционной задаче выявления заболеваний зубо-челюстной системы и уточнения их природы, все чаще добавляются показания к использованию рентгенологических методик при определении результатов консервативного и хирургического лечения, оценке течения патологических процессов и полноты выздоровления.

По данным Всемирной организации здравоохранения уже в 2000 году не менее 30% от общей эквивалентной дозы облучения человека, вызванной рентгенологическими обследованиями за время его жизни, для жителей развитых стран мира было обусловлено диагностированием различных заболеваний зубов и полости рта. Более трепа этой дозы связано с так называемыми панорамными исследованиями, применяемыми, например, при лечении такого распространенного заболевания, как пародонтоз.

Параллельно расширению объема рентгенологических исследований увеличивается частота воздействия рентгеновского излучения на население. Принятая ведущими отечественными и зарубежными клиниками методика диагностики в терапевтической стоматологии предполагает при первичном обращении пациента и его последующем лечении назначение, по меньшей мере, трех-четырех дентальных рентгеновских снимков. На основании вышесказанного актуальной задачей современной рентгенодиагностики является минимизация дозы облучения пациентов в ходе рентгенологических обследований при сохранении информативности получаемых рентгеновских изображений.

Развитию теории, а также ряда направлений рентгенотехники в нашей стране, включая разработку аппаратуры для медицинской диагностики, посвящены труды H.H. Блинова (ст.), H.H. Блинов (мл.), Ю.А. Быстрова, Э.И. Вайнберга, Ю.В. Варшавского, JI.B. Владимирова, В.Я. Голикова, М.И. Зеликмана, С.А. Иванова, С.И. Иванова, В.Н. Ингала, Ю.К. Иоффе, Б.М. Кантера, В.В. Клюева, Э.Б. Козловского, Б.И. Леонова, А.И. Мазурова, МЛ. Таубина, Р.В. Ставицкого, А.Н. Черния, Г.А. Щукина, B.JI. Ярославского и др. Опыт ведущих отечественных ученых и специалистов показывает, что наиболее эффективный путь решения указанной задачи - создание новых методик диагностирования и оригинальной аппаратуры для их реализации. Примером может служить разработка томографических методов диагностики (рентгеновской, позитронно-эмиссионной), фазо-контрастного метода получения рентгеновских изображений или методов рентгенографии на аппаратах с размером фокусного пятна менее 0,1 мм - микрофокусной рентгенографии.

Большой вклад в клинические исследования метода микрофокусной рентгенографии внесли известные российские специалисты А.Ю. Васильев, В.Н. Балин, Т.А. Гордее-ва, A.JI. Дударев, H.A. Карлова, А.К. Карпенко, А.П. Медведев, Г.В. Петкевич, Г.И. Про-хватилов, H.A. Рабухина, А.Б. Ушаков.

Результаты исследований показывают, что возможности, предоставляемые этим оригинальным методом диагностики позволяют существенно продвинуться по пути повышения диагностической значимости рентгенологического обследования.

Таким образом, проведение широкого круга физических, технологических, а также медицинских исследований с привлечением современных методов компьютерного анализа в области микрофокусной рентгенодиагностики является актуальной научной проблемой.

Целью диссертационной работы является теоретическое обоснование, исследование, разработка и внедрение в медицинскую диагностику перспективных методов микрофокусной рентгенографии, а также аппаратуры для их практической реализации.

Реализация поставленной цели достигается решением следующих задач:

- выявлением преимуществ и оценкой эффективности методов микрофокусной рентгенографии в стоматологии и челюстно-лицевой хирургии;

- созданием теоретического обоснования и разработкой критериев выбора физико-технических условий микрофокусной рентгенографии;

- разработкой аналитических моделей и методов определения экспозиционной и поглощенной доз при проведении рентгенодиагностических исследований с помощью микрофокусных рентгеновских аппаратов;

- разработкой объективных критериев оценки и сравнения качества микрофокусных рентгеновских изображений, а также изображений, полученных на традиционных рентгеновских аппаратах;

- разработкой способов микрофокусной рентгенодиагностики в стоматологии и челюстно-лицевой хирургии;

- разработкой, испытанием и внедрением в клиническую практику комплекта аппаратуры нового поколения, обеспечивающей повышение качества изображения и снижение дозы облучения пациентов при проведении рентгенологических обследований в стоматологии и челюстно-лицевой хирургии.

Научная новизна работы отражается в следующих результатах:

- экспериментально обнаружен, теоретически обоснован и количественно оценен эффект уменьшения дозы рентгеновского излучения при использовании для медицинской диагностики рентгеновских источников с фокусным пятном микронных размеров;

- обосновало и использовало при исследовании процесса формирования рентгеновского изображения с помощью микрофокусных источников излучения понятие «контрастно-частотная характеристика узла формирования рентгеновского изображения», а также получено аналитическое выражение для его описания;

- выявлена зависимость контрастно-частотной характеристики узла формирования рентгеновского изображения от напряжения и размеров фокусного пятна рентгеновской трубки, а также геометрической схемы съемки;

- разработан аналитический метод оценки экспозиционной дозы, а также эквивалентной дозы облучения пациентов при проведении рентгенологических обследований на основе расчетов полного спектра излучения рентгеновской трубки, включая тормозную и характеристическую составляющие;

- предложен и теоретически обоснован метод «жесткой» микрофокусной съемки в медицинской диагностике, подтвержденный патентом РФ;

- разработаны методы панорамной и прицельной микрофокусной рентгенографии для стоматологии и челюстно-лицевой хирургии, а также общей рентгенодиагностики, подтвержденные патентами РФ;

- разработаны таблицы экспозиций, обеспечивающих минимальный уровень облучения пациентов и обслуживающего персонала при микрофокусной рентгенографии в стоматологии, подтвержденные в процессе эксплуатации рентгенодиагностических аппаратов семейства «ПАРДУС»;

- разработан метод объективной экспресс-оценки диагностической значимости рентгеновских изображений, подтвержденный патентом РФ.

Методы исследования. Теоретические исследования выполнены с применением современных методов, использующих математический анализ и моделирование, дифференциальное и интегральное исчисление, численные расчеты и статистическую обработку. Для экспериментальных исследований использовались действующие образцы аппаратуры, созданной в непосредственно в процессе выполнения работы. Результаты теоретических и экспериментальных исследований согласуются с удовлетворительной точностью, что подтверждает обоснованность и достоверность научных положений и выводов, а также практических рекомендаций.

Практическая значимость работы определяется тем, что в ней решена имеющая важное социальное и хозяйственное значение крупная научно-техническая проблема -снижение дозы облучения пациентов при проведении рентгенологических обследований путем создания высокоинформативной малодозовой технологии медицинской рентгенодиагностики, включая разработку методов микрофокусной рентгенографии, аппаратуру для их реализации, а также методов оценки дозы облучения пациентов и качества получаемых рентгеновских изображений.

Внедрение результатов.

Результаты работы нашли применение:

- в лечебном процессе главного клинического госпиталя МВД России, Центрального военного клинического авиационного госпиталя, Главного военного клинического госпиталя МО РФ им. H.H. Бурденко, Военно-Медицинской Академии и некоторых других ведущих лечебных учреждений России, а также в учебном процессе кафедры лучевой диагностики МГМСУ на этапе последипломной подготовки врачей-рентгенологов и кафедры электронных приборов и устройств Санкт-Петербургского государственного электротехнического университета;

- в разработанных за десять лет деятельности ЗАО «ЭЛТЕХ-Мед» (ТЕХНОПАРК СПбГЭТУ), внедренных и выпускаемых в настоящее время серийно микрофокусных источниках рентгеновского излучения семейств РИ и РАП; рентгенодиагностических аппаратах семейства «ПАРДУС» для стоматологии, челюстно-лицевой хирургии, травматологии, педиатрии и других областей медицины, устройствах для визуализации дентальных рентгеновских изображений «РЕНТГЕНОВИДЕОГРАФ», универсальных рент-генотелевизионных микро- и острофокусных комплексах для цифровой рентгенографии семейств «НОРКА» и «КАЛАН».

В результате проведенных теоретических и экспериментальных исследований на защиту выносятся следующие научные положения:

1. Закономерности формирования медицинских рентгеновских изображений, позволяющие качественно объяснить и количественно оценить эффект снижения экспозиционной дозы рентгеновского излучения в медицинской рентгенографии в случае использования источников излучения с фокусным пятном размером менее 0,1 мм с помощью понятия «контрастно-частотная характеристика узла формирования рентгеновского изображения».

2. Способ объективной экспресс-оценки диагностической значимости медицинских рентгеновских изображений, который заключается в разбиении исходного изображения на отдельные участки, сравнении яркости соседних участков между собой и вычислении информационного индекса, характеризующего изображение одним числом.

3. Методика микрофокусной съемки в стоматологии, обеспечивающая снижение эквивалентной дозы облучения пациентов в два и более раз по сравнению с известными способами дентальной съемки, которая заключается в использовании источников излучения с фокусным пятном размером менее 0,1 мм и уменьшении фокусного расстояния до 60-80 мм.

4. Разработанные, внедренные в клиническую практику и поставленные на серийное производство рентгеновские аппараты семейства «ПАРДУС», а также цифровые рентгенодиагностические комплексы на их основе, созданные под руководством и при непосредственном участии автора в ЗАО «ЭЛТЕХ-Мед» (ТЕХОПАРК СПбГЭТУ) в период с 1997 по 2007 год.

Апребация работы. Результаты исследований прошли широкое обсуждение на международных, всероссийских и региональных конференциях, съездах и научных форумах:

III Международная НТК «Актуальные проблемы электронного приборостроения» (Новосибирск, 1996 год), Всероссийская НТК «Актуальные вопросы медицинской радиологии» (Санкт-Петербург, 1998 год), II Международная НТК «Радиационная безопасность: радиоактивные отходы и экология» (Санкт-Петербург, 1999 год), Международная НТК «Лучевая диагностика и лучевая терапия на пороге третьего тысячелетия» (Москва, 2000 год), VI Международная конференция челюстно-лицевых хирургов и стоматологов (Санкт-Петербург, 2002 год), VI Съезд стоматологических ассоциаций России (Санкт-Петербург, 2001 год), XV Международная НТК по неразрушающему контролю (Москва, 2002 год), I и И Евразийские конгрессы «Медицинская физика» (Москва, 2001 и 2005 годы), I и II Международные конгрессы «Невский радиологический форум» (Санкт-Петербург, 2004 и 2005 годы), V-VIII Международная НТК «Медико-технические технологии на страже здоровья» (2003-2006 годы), 57-61 НТК, посвященная Дню радио (Санкт-Петербург, 2002 - 2006 годы).

Разработанные образцы рентгеновской аппаратуры демонстрировались на международных и всероссийских выставках, в том числе «Здравоохранение» (Москва, 2006 год), «Больница» (Санкт-Петербург, 2001 - 2005 годы), «Российский промышленник» (Санкт- Петербург, 2003 - 2006 годы), «Неделя высоких технологий» (Санкт Петербург, 2003 - 2006 годы), где неоднократно награждались дипломами и медалями. Указанные образцы аппаратуры внедрены в крупнейших клиниках России и за рубежом.

По теме диссертации опубликовано 33 печатных работы (из них 12 в рекомендованных ВАК изданиях), методическое и два учебных пособия, две монографии. Получено 4 АС СССР, 6 Патентов РФ на изобретение и 8 Патентов РФ на полезную модель, 1 Свидетельство о регистрации программы для ЭВМ.

Структура и объем диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, семи глав, заключения, списка литературы, включающего 108 наименований и приложений с актами внедрения. Основная часть работы изложена на 198 страницах машинописного текста. Работа содержит 68 рисунков и 18 таблиц.

СОДЕРЖАНИЕ ДИССЕРТАЦИИ

Во введении обоснована актуальность работы, определяется цель и формулируются задачи исследования, отмечается научная новизна работы, приводятся основные положения, выносимые на защиту, и раскрывается практическая значимость результатов работы. г

В первой главе приведен краткий обзор современного состояния в области производства рентгеновской аппаратуры для медицинской диагностики. Основное внимание уделено отечественным разработкам.

Во второй части главы отмечены тенденции развития рентгенодиагностики в стоматологии и челюстно-лицевой хирургии. Показано, что на основании сложившейся практики можно выделить две важнейшие задачи совершенствования дентальной рентгенодиагностики, в общем случае характерные для всей медицинской диагностики в целом: '

- максимально возможное снижение дозы облучения пациентов при проведении рентгенологических обследований;

- повышение информативности рентгеновских снимков и достоверности получаемой информации о состоянии исследуемых тканей и органов.

Для решения указанных задач существуют два пути: экстенсивный и интенсивный. Экстенсивный путь заключается в совершенствовании существующей рентгеноди-агностической аппаратуры, например:

- улучшении характеристик источников рентгеновского излучения за счет перехода от полуволновых схем питания рентгеновских трубок к высокочастотным схемам или к схемам с постоянным напряжением;

- повышении чувствительности приемников рентгеновского излучения за счет использования «зеленых» комплектов экран-пленка или цифровых систем визуализации на основе ПЗС-матриц, экранов с памятью (фотостимулированных люминофоров), крупноформатных электронных кассет (матриц фототранзисторов).

Однако более перспективным является интенсивный путь решения указанных задач - создание новых методик диагностирования и оригинальной аппаратуры для их реализации. Примером может служить разработка томографических методов диагностики (рентгеновская или позитронно-эмиссионная томография), фазоконтрастного метода получения рентгеновских изображений или методов микрофокусной рентгенографии.

Уже первые работы в области просвечивания различных объектов с целью изучения их внутреннего строения, выполненные самим В.К. Рентгеном, позволили предложить два основных метода получения рентгеновских изображений:

- метод контактной съемки;

- метод съемки с увеличением изображения.

Для реализации контактного метода используется источник рентгеновского излучения с протяженным фокусным пятном, поэтому с целью обеспечения необходимой резкости теневого рентгеновского изображения объект съемки необходимо располагать в непосредственной близости к приемнику излучения - «в контакте» и на достаточном удалении от источника излучения.

В методе съемки с увеличением изображения используется точечный источник излучения, поэтому достаточная резкость изображения будет обеспечена и в том случае, если объект съемки приближен к источнику излучения и одновременно удален от приемника изображения. Конечный размер источника излучения определяется значением коэффициента увеличения и нерезкостью изображения, которая должна быть меньше размеров минимальной характерной детали изображения. Для медицинской диагностики в стоматологии, челюстно-лицевой хирургии, травматологии и т.д. при анализе костной структуры коэффициент увеличения изображения не превышает 4-5 раз. Следовательно, размер фокусного пятна должен составлять не более 0,1 мм или 100 мкм. В соответствии с действующим ГОСТ рентгеновская трубка с размером фокусного пятна менее 100 мкм относится к классу микрофокусных трубок. Поэтому в современной медицинской рентгенодиагностике принято более полное определение способа съемки с увеличением изображения - микрофокусная рентгенография.

Исследования последних лет показали, что микрофокусная рентгенография позволяет расширить объем полученной информации и одновременно снизить дозу облучения пациентов при проведении целого ряда рентгенологических обследований по сравнению с традиционными рентгеновскими аппаратами. Однако диагностические возможности даже известных способов микрофокусной рентгенографии изучены недостаточно. Исследования выполнены без учета физических явлений, специфичных именно для процесса получения рентгеновского изображения с помощью микрофокусных источников излучения. Не рассмотрены вопросы, связанные с выбором физико-технических условий микрофокусной рентгенодиагностики, определением дозы облучения пациентов, оценкой качества получаемых изображений. В лечебных учреждениях микрофокусные рентгеновские аппараты практически отсутствуют.

Таким образом, для решения проблемы минимизации радиационной нагрузки на пациентов в масштабах всей страны должна быть создана целая технология микрофокусной рентгенодиагностики, включая разработку методов микрофокусной рентгенографии, аппаратуру для их реализации, а также методы оценки дозы облучения пациентов и информативности получаемых изображений.

Во второй главе подробно проанализированы основные преимущества микрофокусной рентгенографии в медицине.

Показано, что:

-81. Снимки с увеличением изображения гораздо лучше передают мелкие детали изображения, например, структуру костной ткани, то есть содержат гораздо больше диагностической информации, чем снимки, полученные контактным способом.

2.Микрофокусный источник излучения, пользуясь фотографическими определениями, обеспечивает большую глубину резкости в процессе съемки. Практически при любом положении объекта на оси между источником и приемником излучения достигается необходимая резкость изображения.

3. Вследствие большого расстояния между приемником рентгеновского излучения и объектом, на последний приходится гораздо меньшая величина интенсивности рассеянного рентгеновского излучения по сравнению со способом контактной съемки; сказывается, так называемый, эффект «воздушной подушки». Соответственно уменьшается фактор накопления, уменьшается вуалирование (фоновая подсветка), повышается контраст и распознаваемость отдельных деталей изображения.

Показано также, что при отсутствии разницы в качестве изображения, оцениваемого визуально, во-первых, фон микрофокусного снимка светло-серый, а на обычной рентгенограмме того же объекта - черный; во-вторых, контраст изображения костной структуры на микрофокусном снимке почти в два раза выше, чем на обычной рентгенограмме.

Перечисленные наблюдения позволили сделать заключение, что для получения с помощью микрофокусных источников изображений, пригодных для диагностирования, в частности, содержащих костные ткани, требуются существенно меньшие экспозиционные дозы, чем с помощью обычных рентгенодиагностических аппаратов. По видимому, доза облучения, полученная пациентом в ходе одних и тех же рентгенологических процедур, при субъективно одинаковом качестве снимков для микрофокусного аппарата также существенно ниже, чем для аппарата с фокусным пятном традиционных размеров. Следовательно, должны быть разработаны соответствующие критерии выбора физико-технических условий микрофокусной рентгенографии.

Третья глава посвящена анализу основных критериев качества, используемых при оценке рентгеновских снимков в медицинской диагностике. Особое внимание уделено таким понятиям, как резкость, контраст, спектр пространственных частот рентгеновского изображения.

Показано, что денситометрическая кривая рентгеновского снимка штриховой миры, предназначенной для определения разрешающей способности системы визуализации рентгеновского изображения, при определенных условиях, может быть использована для построения результирующей контрастно-частотной характеристики (КЧХ) простейшей рентгенографической системы: источник рентгеновского излучения - рентгеновская пленка. Уменьшение амплитуды кривой с уменьшением ширины линии миры есть не что

иное, как снижение значения КЧХ с ростом пространственной частоты миры. В данном случае КЧХ описывает способность рентгенографической системы воспроизводить низко- и высокочастотную пространственную информацию, заключенную в изображении миры. В том случае, если процесс формирования рентгеновского изображения описан математически, т.е. известна аппаратная функция некоего узла рентгенодиагностическо-го аппарата - узла формирования рентгеновского изображения (УФРИ), то с помощью преобразования Фурье может быть получена информация о спектре пространственных частот рентгеновского изображения, формируемого данным источником. Определенный таким образом спектр частот для линейной системы, во-первых, не будет искажен последующими узлами рентгенодиапюстической системы, что важно в целях объективной оценки влияния параметров источника и физико-технических условий съемки на качество получаемых рентгеновских изображений, а, во-вторых, позволит определить полосу пропускания УФРИ источника излучения. Поскольку спектры пространственных частот рентгеновского изображения основных органов тела известны, полученная информация необходима для оптимального выбора основных узлов рентгенодиапюстической аппаратуры.

Четвертая глава посвящена определению физико-технических условий микрофокусной рентгенографии. Как известно, интенсивность излучения микрофокусных источников невелика, вследствие физических ограничений мощности, подводимой электронным пучком малого размера к мишени рентгеновской трубки. Для обеспечения длительной работоспособности рентгеновской трубки с фокусным пятном около 100 мкм, эксплуатируемой в режиме повторно-кратковременного включения, предельно допустимая мощность не должна превышать 5-7 Вт. Соответственно, величина тока трубки в диапазоне напряжений, применяемых для медицинской диагностики, а это, как известно, 50-150 кВ, составит не более 100 мкА. Для сравнения, мощность, рассеиваемая на аноде дентальных рентгеновских трубок с фокусным пятном традиционных размеров, составляет сотни ватт при токе от 7 до 10 мА.

Поэтому, для правильного выбора физико-технических условий просвечивания с помощью микрофокусных источников излучения, необходимо ответить, по меньшей мере, на три вопроса:

- каким образом можно скомпенсировать снижение экспозиционной дозы излучения при ограничении тока трубки в микрофокусных аппаратах?

- какая при этом доза облучения будет получена пациентом?

- как повлияет изменение параметров съемки на качество получаемого изображения?

-101: Известно, что интенсивность рентгеновского излучения связана с режимом работы рентгеновой трубки и геометрическими параметрами съемки следующим выражением:

и"

■Г = к-1А , (1)

где J - интенсивность излучения, к - коэффициент пропорциональности, ¡а - ток трубки, Ъи - атомный номер материала мишени, и - напряжение трубки, Я - расстояние, на котором измеряется интенсивность, п-в условиях медицинской диагностики чаще всего равно 5.

На основании этого выражения снижение интенсивности излучения микрофокусного источника может быть скомпенсировано, во-первых, уменьшением фокусного расстояния при съемке (как было показано - фокусное расстояние для микрофокусной рентгенографии может быть уменьшено без ухудшения резкости изображения) а, во-вторых, повышением напряжения на трубке.

В таблице 1 приведены нормированные результаты расчетов интенсивности излучения по выражению (1). Нормирование проводилось на величину интенсивности рентгеновского излучения, соответствующую усредненному режиму работы длиннотубусных дентальных аппаратов: напряжение 60 кВ, ток 10 мА, фокусное расстояние 400 мм.

Таблица 1.

I, мА \ 1Г, кВ 50 55 60 65 70 75 80 85 90 100 125 150

И = 400 мм 15 0,6 1,0 1,5 2,2 3,2 4,6 6,3 8,6 11,4 19,3 58,9 146

10 0,4 0,6 1,0 1,5 2,2 3,1 4,2 5,7 7,6 12,9 39,2 97,7

7 0,3 0,5 0,7 1,0 1,5 2Д 2,9 4,0 5,3 9,0 27,5 68,4

Я = 50 мм 1 2,6 4,1 6,4 9,5 13,8 19,5 27,0 36,5 48,6 82,3 251 625

0,5 1,3 2,1 3,2 4,8 6,9 9,8 13,5 18,3 24,3 41,2 125 312

0,1 0,3 0,4 0,6 1,0 1,5 2,0 2,7 3,7 4,9 8,2 25,1 62,5

Данные таблицы показывают, что при ограничении тока трубки 100 мкА требуемого значения интенсивности излучения можно достичь уменьшением фокусного расстояния до 50 мм с одновременным повышением напряжения до 65-70 кВ. Метод, так называемой, жесткой съемки с уменьшенного фокусного расстояния защищен патентом РФ на изобретение.

2. Д ня расчета дозы облучения пациентов была разработана оригинальная методика, основанная на определении спектральной плотности интенсивности излучения.

Как известно, спектр рентгеновского излучения характеризуется спектральной плотностью потока излучения, определяемой числом квантов, приходящихся на единицу энергии во всем диапазоне энергий квантов данного потока, испускаемых за одну секунду в телесном угле 1 стерадиан.

В общем случае, спектр излучения рентгеновской трубки является результатом сложения двух составляющих - тормозной и характеристической. Это сложение дает идеализированный спектр рентгеновской трубки.

Чтобы определить спектр излучения реальной трубки, который зависит от ее конструкции и режима эксплуатации, необходимо учесть те изменения, которые претерпит пучок первичного излучения при взаимодействии с мишенью, выходным окном трубки и фильтром. На рисунке 1 приведена схема прохождения пучка излучения в трубке с ми-шеулю прострельного типа.

Ослабление потока квантов рентгеновского излучения N слоем вещества описывается следующим выражением:

Ы(Е)=:Ы0(Е)-ехр(-Х-ц(Е)), (2)

где №о(Е) - спектральная зависимость первичного потока квантов рентгеновского излучения, ц(Е) - спектральная зависимость линейного коэффициента ослабления. X - толщина ослабляющего слоя вещества.

Миома. Выходное Фильтр Поверхность

О2Ж0

Рис. 1. Схема прохождения пучка рентгеновского излучения. Х| - толщина прострельной мишени: х? - толщина выходного окна; Кз - путь от окна до фильтра: Х4-толщина фильтра; х? - путь от фильтра до объекта.

На основании выражения (2), спектральная плотность потока квантов тормозного излучения может быть рассчитана по выражению

Ыт(Е) = к ■ г ■ 1 д -1 ] • ехр((х, -х)-цм(Е))х (3)

х ехр((хг) • цВ0(Е)) • ехр((х,) ■ ЦФ(Е)) • ехр((х3 + х,) • ЦВСШ(Е))'

а количество квантов характеристических линий - по выражению

у-ю-р-в (V / V"

Кх, = к,-1А-У •ехр((х,-х)^м(Еч))х

х ехр((х2) • цв0 (Е,)) • ехр((х4) • цф (Е„)) • ехр((х3 + х3) • цвозд (Е,)),

где к - константа, равная 8,8-10 ; Ъ - атомный номер материала мишени рентгеновской трубки; 1а - анодный ток трубки; Ео - энергия ускоренных электронов, определяемая напряжением на рентгеновской трубке, к[ - константа, равная 5-Ю14; 7 - атомный номер материала мишени рентгеновской трубки; ¡А - анодный ток трубки; Ео - энергия ускоренных электронов; Еч - энергия ионизации q-ypoвня; С=1 -(7^-80)/( 14-2-80); юч - выход флюоресценции q-ypoвня; р - доля флуоресценции данной характеристической линии; ■у=3.8-10'2 для К-серии характеристического излучения и у=0.11 для Ь-серии, цм(Е) - линейный коэффициент ослабления рентгеновского излучения материалом мишени [см"'], Цво(Е) -материалом выпускного окна, цф(Е) -материалом фильтра [см"'], цвозд(Е) - воздухом между трубкой и исследуемым объектом, [см"1].

Суммарное количество квантов в потоке излучения может быть рассчитано по выражению

Ео

N = |№(Е^Е + , (5)

о ч

а интегральная интенсивность рентгеновского излучения - по выражению

|(Кт(Е)-Е)аЕ + ХНхч-Еч. (б)

о ч

Нормирование энергии рентгеновского излучения, поглощенной слоем воздуха толщиной й = 1 см на величину удельной энергии ТЛр, поглощаемой объемом воздуха весом 1 грамм при экспозиционной дозе в 1Р для нормальных условий, позволит определить величину экспозиционной дозы рентгеновского излучения на поверхности объекта:

Ео Ео

|Ыо(Е) Ес1Е - |кто(Е) ■ е-1®"11 • Ес1Е

Г) =-2_2_ • (7)

1КСП ..,

\У,р

Результаты расчета мощности экспозиционной дозы рентгеновского излучения описанным способом на расстоянии 1 м от фокусного пятна рентгеновской трубки в сравнении с экспертными значениями для аналогичных условий представлены на рисунке 2.

Рис. 2. Зависимость мощности экспозиционной дозы ! от толщины алюминиевого фильтра <1А1 и напряжения трубки и.

1 (светлая поверхность) - экспертные значения;

2 (темная) - результаты расчета по предложенной методике.

Аналогичным способом может быть рассчитана доза, поглощенная пациентом б процессе рентгенологических процедур. Для этого на основании данных по химическому составу различных тканей организма и спектральных зависимостей массового коэффициента истинного поглощения соответствующих химических элементов, рассчитываются спектральные зависимости линейного коэффициента ослабления рентгеновского

Рис, 3. Спектральная зависимость массовых коэффициента ослабления. 1 - кость; 2 - мышечная ткань; 3 - костный мозг; 4 - жировая ткань.

Модель для расчета поглощенной дозы при рентгенографии головы пациента приведена на рисунке 4.

Входная плоскость приемника ггзображеши

Источник излучения

600 мм

ЧУ™

100 мм

Е, кэЪ

Рис. 5. Расчетные спектральные плотности излучения. 1 - перед объектом (головой пациента); 2 и 3 - после прохождения через различные участки головы пациента.

Рис. 4. Модель для расчета поглощенной дозы при рентгенографии головы.

1 - кожные покровы; 2 - костная ткань; 3 - мягкие ткани.

Далее, с помощью выражений (2) и (5). определяется спектральная плотность распределения потока квантов рентгеновского излучения на входе и выходе облучаемого органа. Разность спектров излучения, интегрированная по энергии квантов и отнесенная к массе органа, будет являться поглощенной (эквивалентной) дозой рентгеновского излучения (рис, 5).

1 101?

6-Ю10 N. кв/(с*ср)

410ю

Результаты расчета эффективной дозы при рентгенографии черепа (передне-задняя проекция) в сравнении с усредненным экспертным значением представлены в

таблице 2.

Таблица 2.

Фильтр А1, мм Напряжение, кВ / Фокусное расстояние, см

70/100 100/100 150/100 200 / 50

Доза, мкЗв / Экспозиция, мАс

2 190 /100 230/100* 85/23 38/5.1 25/1.1

3 185/104 75/24 35/5.4 22 /1.2

4 172/106 70/25 32 / 5.9 21 /1.3

5 159/109 65/27 30/6.6 19/2.3

* Экспертное значение (МУК 2.6.1.1797-03)

Данные таблицы свидетельствуют, во-первых, об удовлетворительном совпадении расчетных и экспертных значений и, во-вторых, о том, что с ростом напряжения на трубке (в условиях жесткой микрофокусной съемки) доза облучения пациенга может быть значительно (в несколько раз) снижена.

3. Основньми характеристиками качества рентгеновского изображения являются контраст и резкость. Контраст детали рентгеновского изображения К может быть рассчитан как нормированная разность интегральных интенсивностей излучения за двумя соседними участками объекта, один из которых включает указанную деталь.

Для оценки влияния напряжения трубки на контраст изображения используется модель, представленная на рисунке 6. В качестве детали объекта, контраст изображения которой рассчитывается с помощью этой модели, принимается локальное изменение толщины (плотности) костной ткани. В действительности, такой деталью, в зависимости от чувствительности способа съемки, может являться сам зуб или отдельные его фрагменты на фоне челюстной кости, механические повреждения в виде сколов и трещин, а также различные воспалительные процессы в тканях зубо-челюстной системы. Зависимость контраста детали изображения от напряжения трубки может быть получена из следующего выражения:

3 3 {;Ч(Б)^Е-[еЧ(Е)-есШ

—---. (8)

•>. | М,(Е)-Ес1Е

Результаты расчетов зависимости контраста изображения от напряжения трубки в соответствии с выражением (8) представлены в таблице 3.

Таблица 3.

Толщина детали, мм 11апряжение, кВ/толщина фильтра, мм

50/1,5 60/1.5 70/2,0 80/2.0 90/3,0 100/3,0

0,1 1,4 1,1 0,9 0,8 0,6 0,4

0,3 3.6 2,0 1,9 1,8 1,7 1.6

0,5 6,0 3,9 3,4 3,3 3,2 3,2

1,0 11,5 10,0 8,8 7.5 6,1 оо

3,0 29,6 25,6 21,8 18,3 17,4 15,9

Отметим, что контраст изображения с ростом напряжения уменьшается. Однако, как уже бьшо показано, на контраст изображения оказывает влияние также и размер фокусного пятна. Поэтому в рамках решения третьей задачи исследования необходимо более подробно рассмотреть механизм формирования рентгеновского изображения микрофокусным источником излучения.

лицевого отдела головы. 1 - кожа; 2 - мягкие ткани; 3 - костная ткань; 4 - поток излучения; Х| - толщина кожи; Х2+Х5 - толщина мягких тканей; хз - толщина костного слоя: Х4 - толщина детати.

Экспериментально было установлено, что малая деталь объекта, независимо от того представляет ли она собой для рентгеновского излучения «отверстие» или «препятствие», формирует в потоке излучения изображение не самой себя, а фокусного пятна рентгеновской трубки.

Рисунок 7 иллюстрирует, как трансформируется изображение диафрагмы при уменьшении диаметра отверстия диафрагмы.

Следует обратить внимание на то, что чем меньше диаметр отверстия, тем точнее передается изображение фокусного пятна не только в части размеров, но и в части распределения интенсивности излучения по площади.

Рис.7. Формирование рентгеновского изображения. 1 - эгпора распределения интенсивности рентгеновского излучения в сечении фокусного пятна, 2 - диафрагма, 3 - «отверстие», 4 - эпюра распределения интенсивности рентгеновского излучения в изображении, 5 - «препятствие».

Следовательно, можно предположить, что теневое рентгеновское изображение объекта, структура которого содержит множество мелких деталей, представляет собой совокупность отдельных изображений фокусного пятна рентгеновской трубки, при этом:

- размеры и форма всего изображения зависят от геометрической схемы съемки, то есть от соотношения расстояний между фокусным пятном, деталью структуры объекта и плоскостью изображения;

- яркость изображения определяется общей толщиной объекта и суммарным коэффициентом ослабления излучения веществом объекта по оси пучка, проходящего через объект.

Если принять, что задачу переноса изображения фокусного пятна, сформированного на детали объекта, решает УФРИ (стр. 7), то анализ процесса формирования рентгеновского изображения существенно упрощается и сводится к определению и исследованию передаточной функции этого узла. Как известно, распределение квантов или интенсивности рентгеновского излучения в поперечном сечении круглого фокусного пятна в общем случае аппроксимируется нормальным законом (рис. В):

1

а(г) =

■ехр

2' \ и,

(9)

где г - переменная радиуса фокусного пятна.

Соответственно, с учетом рисунка 9, передаточная функция УФРИ может быть записана в виде выражения

а,(г)=-

£ Б

-•ехр

6 Р-Б

2- ^ и Р-Б

где__= т - коэффициент увеличения изображения.

Р-0

Рис. 8. Распределение Рис. 9. К выводу передаточной функции УФРИ.

квантов рентгеновского излучения 1 - фокусное пятно; 2 - деталь;

по диаметру круглого фокусного пятна. 3 - изображение фокусного пятна.

Очевидно, что с целью более раннего выявления патологии, рентгенолога на рентгеновском снимке прежде всего интересуют мелкие детали структуры объекта, другими словами, малые перепады контраста в области высоких пространственных частот изображения.

Верхняя граница частот в большинстве случаев определяется не морфологическими особенностями строения органов, а физическими возможностями рентгенодиагно-стической аппаратуры или методики ее применения. Очевидно, что с целью получения достоверного рентгеновского изображения какого-либо органа, спектр пространственных частот фокусного пятна рентгенодиагностического аппарата должен быть не уже спектра пространственных частот изображения этого органа, а УФРИ должен передавать этот спектр приемнику излучения во всем диапазоне пространственных частот без искажений.

\ ч N ч

\ <3 \ п

V у* \.4 1 1 1 5ч

Л

с '—^ ' V_

V и,2 о,; 1 г м.пп'

Рис. 10.1 - КЧХ узла формирования рентгеновского изображения при фокусном пятне 1 мм; 2 - при фокусном пятне 0,1 мм; 3 - складки желудка; 4 - тонкая кишка; 5 -кость ноги; 6 - желчные пути.

Для оценки спектра пространственных частот изображения фокусного пятна необходимо установить связь между передаточной функцией УФРИ и спектром пространственных частот, то есть определить КЧХ этого узла. С этой целью следует воспользоваться преобразованием Фурье:

А,(у)= |аг(г)-ехр(-127гуг)с1г .

(И)

С помощью интеграла Фурье на основании передаточной функции УФРИ (10) может быть получено выражение (12) для КЧХ этого узла:

Аг (у) = ехр

{ (л-ш-Г-у)2^

\

18

(12)

Сравнить КЧХ УФРИ аппаратов с различными размерами фокусного пятна можно с помощью следующего выражения:

С(У) = -

■ ехр

(

ш

(13)

Результаты сравнения КЧХ УФРИ по выражению (13) представлены в таблице 4.

Таблица 4.

V, мм 0,0 0,5 1,0 1.5 2,0 2,5 3,0 1 3.5 4,0

С(у) 1.0 1,1 1.2 1.5 2,0 3,0 4.8 8,4 16,2

В данном случае УФРИ может быть представлен в качестве фильтра низких частот, широко используемого, например, в радиотехнике. Как известно, для увеличения амплитуды высокочастотной составляющей радиосигнала на выходе такого фильтра необходимо увеличить амплитуду входного сигнала или, что целесообразнее, расширить полосу пропускания фильтра. Увеличение амплитуды входного сигнала в рентгенотехнике аналогично увеличению мощности экспозиционной дозы рентгеновского излучения, расширение полосы пропускания - уменьшению размеров фокусного пятна.

Таким образом результаты сравнения позволяют сделать вывод о том, что:

- при одинаковой резкости рентгеновских снимков рентгеновские аппараты с микрофокусными трубками позволяют получать снимки органов, содержащих мелкие структуры, с меньшими дозами;

- при равных дозах в плоскости приемника излучения микрофокусные рентгеновские аппараты позволяют получать снимки, содержащие большее количество мелких деталей изображения.

Аналогичным способом можно также учесть совокупное влияние на КЧХ УФРИ размера фокусного пятна и величины напряжения рентгеновской трубки (рис. 11)-

!

0.8

0.«

А,(у)

0.»

0,3

®а 1 а» < з

V, мм"1

Рис. 11. КЧХ УФРИ при различных значениях напряжения и фокусного пятна.

Несмотря на то, что с ростом напряжения контраст изображения вблизи нулевой пространственной частоты уменьшается, начиная со значений частоты 0,5 - 0,7 мм'1, КЧХ УФРИ микрофокусного рентгеновского аппарата располагается существенно выше, чем аналогичная кривая для аппарата с фокусным пятном традиционного размера.

В целом, полученные результаты показывают, что квантовая эффективность микрофокусного источника рентгеновского излучения в значимой части спектра пространственных частот медицинских изображений от 1,5 до 15 раз выше, чем для обычных аппаратов.

В пятой главе проанализированы особенности использования микрофокусных источников рентгеновского излучения для дентальной диагностики. Показано, что современная диагностическая практика в указанной области медицины предполагает назначение пациенту при его первичном обращении к стоматологу трех-четырех дентальных рентгеновских снимков - одного панорамного (обзорного) и двух-трех прицельных внутриротовых (интраоральных).

Панорамный снимок содержит изображение полного зубного ряда (статуса) обеих челюстей от одного мыщелкого отростка до другого, включая прилегающие анатомические структуры. Прицельный - изображение 2-4 отдельных зубов или участка челюсти. Панорамный снимок позволяет оценить общее состояние зубо-челюстной системы и выявить «проблемные» зоны, а прицельный - уточнить, в случае необходимости, диагноз, проконтролировать ход лечения и оценить его результаты.

Для реализации описанной методики диагностики в настоящее время применяются, по меньшей мере, два специализированных рентгеновских аппарата: ортопантомо-графический для получения панорамных снимков и тубусный для прицельных. Съемка в

и« 150кВ, Г = ОД мм

Ч. ГГ-50 ®В, Г = 2 мв 1

обоих случаях ведется с большого фокусного расстояния, соответственно велики мощность аппарата и радиационная нагрузка на пациента, поэтому для их эксплуатации требуются специализированные кабинеты, снабженные защитой от неиспользуемого излучения.

Устранить эти и некоторые другие недостатки позволяет использование микрофокусных источников рентгеновского излучения. Для получения панорамных снимков предложен способ микрофокусной панорамной съемки (внутриротовая панорамная рентгенография). При реализации этого способа вынесенный анод рентгеновской трубки помещается в ротовую полость, а гибкая кассета с рентгеновской пленкой располагается снаружи и плотно прижимается к лицевому отделу головы (рис. 12). Расстояние между фокусным пятном трубки и кассетой, в зависимости от анатомических особенностей строения челюстей и толщины мягких тканей лицевого отдела головы, составляет 60-90 мм. Для сравнения, при ортопантомографической съемке - 500-600 мм. Рентгеновское излучение в виде расходящегося пучка выходит из ротовой полости через зубочелюст-ную систему и попадает на пленку. Время экспозиции составляет менее секунды. Поскольку фокусное пятно максимально приближено к зубному ряду, а пленка удалена от зубов на толщину мягких тканей, изображение на снимке увеличено в среднем в полтора-два раза

В качестве одного из основных преимуществ описанного способа следует отметить, что вследствие принципиально более благоприятного соотношения размеров деталь-объект (1/Ц (рис. 13) необходимая выявляемость Л для отдельного зуба в схеме микрофокусной панорамной съемки составляет Д=М)«30-40% и существенно выше предельной чувствительности 8 медицинской рентгенографии на пленку (5«3-5%). В то время как для ортопантомографической съемки Д составляет приблизительно 6 % и близка к предельной величине.

анод

РЙП11110ЕСКСН

трубки

Рис. 12. Схема внутриротовой панорамной съемки.

Рис. 13. Модель для расчета выявляемости деталей изображений, а - при ортопантомографической съемке; б - при внутриротовой панорамной съемке, с! -размер зуба, Ш, Б2 - общая толщина просвечиваемых тканей головы, 1 - источник излучения; 2 - ось пучка излучения.

Вторым основным элементом разработанной методики диагностики является способ микрофокусной прицельной съемки.

В случае использования источника излучения с фокусным пятном диаметром 0,1 мм, то есть уменьшенным по сравнению с традиционными способами съемки примерно в 10 раз, фокусное расстояние теоретически может быть также уменьшено в 10 раз без ущерба для обеспечения условий допустимой общей нерезкости, которая в данном случае обусловлена геометрической составляющей. Изображение зуба А на пленке будет подобно его анатомическому изображению а и увеличено в 1,5 - 3 раза (рис. 14).

Указанное уменьшение фокусного расстояния на основании выражения (1) позволяет снизить интенсивность первичного пучка рентгеновского излучения в 100 раз. А соответствующее увеличение размеров изображения практически исключает влияние экранной нерезкости на качество снимка. Поскольку минимальный размер деталей изображения в дентальной рентгенографии составляет 0,1 - 0,15 мм (таковыми являются, например, костная балка челюстной кости или замыкающая пластинка зубной лунки), на дентальном снимке будет также увеличен и дефект, кажущийся размер которого составит 0,3 - 0,45 мм. Эта величина уже превышает разрешающую способность усиливающего экрана ЭУ-В2. Следовательно, появляется принципиальная возможность использовать для внутриротовой рентгенографии усиливающие экраны. При этом, за счет повышения чувствительности к рентгеновскому излучению комбинации экран-пленка, интенсивность первичного пучка может быть дополнительно снижена в несколько раз.

Рис. 14. Схема микрофокусной прицельной съемки.

F[ - расстояние от фокусного пятна до з}ба,

F>- расстояние от зуба до рентгеновской пленки.

Описанные особенности способов дентальной съемки с помощью микрофокусного источника рентгеновского излучения, позволили предложить оригинхтьнуго методику внутриротовой рентгенографии - микрофокусную дентальную рентгенографию.

Принципиальные отличия методики микрофокусной дентальной рентгенографии от традиционной заключаются в следующем :

- размер фокусного пятна источника рентгеновского излучения составляет менее 0,1 мм (100 мкм);

- расстояние от фокусного пятна до объекта уменьшено до 60 -80 мм;

- интенсивность первичного пучка рентгеновского излучения снижена более, чем в 100 раз.

Шестая глава посвящена разработке объективного способа оценки качества и диагностической значимости визуализированных рентгеновских изображений. В связи с появлением в диагностической практике микрофокусных рентгеновских снимков, содержащих большое количество деталей изображения, возникла задача разработки метода объективной оценки качества таких изображений. В настоящее время вывод о возможностях микрофокусной рентгенографии делается на основе субъективно-абстрактного сравнения «хуже-лучше» микрофокусных снимков и снимков, сделанных на аппаратах с протяженным фокусным пятном.

Для оценки анализируемое изображение разбивается на элементарные участки определенной формы, например, квадратные. Размеры стороны квадрата определяются разрешающей способностью системы визуализации рентгеновского изображения. Для

каждого участка определяется его средняя яркость. В этом случае визуализированное изображение может быть представлено в виде «рельефа яркости», соответствующего распределению интенсивности рентгеновского излучения в плоскости входного окна системы визуализации (рис. 15).

жЦ количество градаций плотности

а б

Рис. 15. Визуализированное рентгеновское изображение (а) и его «рельеф яркости» (б).

Далее яркость каждого участка сравнивается с яркостью соседнего участка по горизонтали и по вертикали, например, слева и сверху. Если яркость анализируемого участка отличается от яркости соседнего участка в соответствии с условием

>к ■ (,4)

1, + 1,

где [| - яркость первого участка, Ь- яркость соседнего с ним по горизонтали или вертикали участка, Кмн» - минимальный видимый контраст изображения (задается в соответствии с типом рентгеновского обследования, обычно К=2ч-5%), то анализируемый участок считается информативно значимым. Диагностическая значимость снимка в целом повышается на одну условную единицу.

Сравнивая все соседние участки попарно между собой по вертикали и горизонтали, можно определить некий численный индекс Таким образом, качество снимка может быть охарактеризовано одним числом, соответствующим общему количеству информативных участков. На основании условия (14) может быть получено выражение, которое позволяет непосредственно определить количество информативных участков или индекс диагностической значимости рентгеновского снимка:

<2=£5>

-1 )

I 4- Т

х=0 у=0 ^ Чу ^ Чу»! )

х=О

г \ ......,

х-У х-у

б

Рис. 16. Панорамные дентальные рентгеновские снимки, а - полученный на ортопантомографе «СЖТСЖАЫХ», 0=13;

б - полученный на прицельно-панорамном аппарате «ПАРДУС-02», 0= 462.

В качестве примера на рисунке 16 приведены два панорамных дентальных снимка. диагностическая значимость которых оценивалась методом информативных участков. Индекс значимости 0 снимка, полученного на микрофокусном панорамном аппарате «ПАРДУС-02» выше индекса снимка, полученного на ортопантомографе «СЖТСЖАИХ» более, чем на порядок.

Седьмая глава посвящена практической реализации разработанных способов микрофокусной дентальной рентгенографии, а также описанию результатов их клинических испытаний.

Свидетельством практической значимости результатов, полученных в ходе данных исследований, служит разработанная в СПбГЭТУ программа по внедрению в медицинскую практику технологии микрофокусной рентгенографии. В рамках программы была организована учебно-научно-исследовательская лаборатория, а также спроектирован и введен в эксплуатацию производственно-технологический участок по изготовлению основных узлов и сборке аппаратов.

Ча прошедшие десять лет разработаны и освоены в серийном производстве семейство аппаратов «ПАРДУС» для стоматологии, челюстно-лицевой хирургии, травматологии и педиатрии, а также цифровое устройство для визуализации рентгеновских изображений «Рентгеновидеограф». На базе одного из аппаратов «ПАРДУС» и рентгеновидео-графа созданы стационарный и портативный рентгенодиагностические комплексы. Универсальный прицельно-панорамный аппарат «ПАРДУС-02» позволяет одновременно получать как панорамные, гак и прицельные дентальные снимки. Аппарат создан на основе оригинальной рентгеновской трубки с полым вынесенным анодом и обратным выходом пучка рентгеновского излучения на основе оригинальной рентгеновской трубки 0.01БД57-90 (рис. 17). Конструкции аппарата и трубки защищены несколькими авторскими свидетельствами и патентами.

1 2 3

а

б

Рис. 17. Конструкция (а, схематично) и внешний вид (б) рентгеновской трубки 0,01БД57-90. 1 - анодный узел: 2 - металлостеклянный батлон; 3 - катодный узел. Внешний вид одного из образцов аппаратуры представлен на рисунке 18.

Рис. 18. Аппарат «ПАРДУС-02» с тубусом для прицельных снимков.

Для оценки уровня выполненных разработок в таблице 5 приведены в сравнении основные характеристики наиболее современных зарубежных дентальных аппаратов.

Т аблица 5,

Название и производитель «0КТ0РН08-3» виола «РАПАН- Д70» Амико «ЕХРЬОЯ-Х70» УШа «ПАРДУС-02» ЭЛТЕХ-мед

Назначение ортопан-томограф прицельный прицельный прицельно-панорамный

Напряжение. кВ 60-80 50-70 70 50-70

Ток. мА 10 1-7 8 0,1

Размер фокусного пятна, мм 0.5x0.5 0.8x0.8 1.0x1.0 0,1x0,1

Время экспозиции, с 8-11 0.14-3.8 0.06-4 0.1-5

Потребляемая мощность. кВт 2.1 1,1 1.5 0.07

Масса, кг 130 20/40 15/40 15/35

Определение дозы облучения пациентов в результате рентгенологических обследований на микрофокусных аппаратах проводилось в ИРГ (СПб) и МНИИДИХ (Моск-

ва). Некоторые обобщенные результаты расчетов и нескольких замеров дозы облучения при различной экспозиции одного снимка для дентальной съемки приведены в таблице 6.

Таблица 6,

Напряжение, кВ Экспозиция, мАс Расчет, мкЗв Экспертные оценки, мкЗв

5Д2 «ншоошт» «ПАРДУС-02»

50 0,5 2,0 - - 2,3

50 15 15,3 13,5 - -

60 0,3 4,3 - - 4,7

60 3,5 3,2 - 4,5 -

70 0,2 3,9 - - 4,3

Данные таблицы свидетельствуют об удовлетворительном совпадении результатов расчета и эксперимента снижении дозы облучения при микрофокусной съемке не менее чем в два раза.

Отмечено также, что область применения, например, аппарата «ПАРДУС-02» включает в себя все виды прицельных снимков и значительную часть ортопантомогра-фических. Возможно применение аппарата «ПАРДУС-02» даже в цефалографии. Намечены конкретные способы совершенствования микрофокусной рентгенодиагностической аппаратуры. Показано, что перспективы развития отечественной микрофокусной рентгенодиагностической аппаратуры для стоматологии и челюстно-лицевой хирургии связаны, во-первых, с расширением диагностических возможностей такой аппаратуры в рамках указанных областей применения и, во-вторых, с совершенствованием методик микрофокусной рентгенографии, в первую очередь, панорамной съемки с целью получеши анатомически более точных рентгеновских изображений.

Основные результаты работы.

Представленная работа решает крупную научно-техническую проблему отечественного здравоохранения, имеющую важное социальное и хозяйственное значение -снижение дозы облучения пациентов при проведении рентгенологических обследований, путем создания оригинальной технологии медицинской рентгенодиагностики, включающей методы микрофокусной рентгенографии и аппаратуру для их реализации, метод оценки дозы облучения пациентов, а также метод объективной оценки качества получаемых рентгеновских изображений.

Основные научные результаты, полученные в ходе данной работы, заключаются в следующем:

1. Проведен сравнительный анализ результатов клинических испытаний известных способов медицинской рентгенографии, который позволил определить один из наиболее перспективных путей решения проблемы повышения объема и качества диагностической информации в результате выполнения рентгенологических процедур при со-

хранении и даже уменьшении дозы облучения пациентов и обслуживающего персонала, заключающийся в использовании источников излучения с фокусным пятном размером менее 0,1 мм (микрофокусных источников излучения) и уменьшении фокусного расстояния.

2. Проведено теоретическое исследование процесса формирования рентгеновского изображения в случае использования микрофокусных источников рентгеновского излучения. Для характеристики возможностей микрофокусных рентгеновских аппаратов обосновано и использовано понятие «контрастно-частотная характеристика узла формирования рентгеновского изображения», а также получено аналитическое выражение для его описания.

3. Разработана математическая модель, описывающая процесс формирования рентгеновского изображения, позволяющая исследовать и количественно оценить зависимость контрастно-частотной характеристики узла формирования рентгеновского изображения от напряжения и размеров фокусного пятна рентгенодиагностического аппарата, а также геометрической схемы съемки.

4. Экспериментально обнаружен, теоретически обоснован и количественно оценен эффект уменьшения эквивалентной дозы облучения пациентов при использовании для целей медицинской рентгенодиагностики микрофокусных источников излучения.

5. Разработан аналитический метод оценки экспозиционной дозы, а также эквивалентной дозы облучения пациентов при проведении рентгенологических обследований, и исследована зависимость эквивалентной дозы облучения пациентов от основных параметров микрофокусных ренгенодиагностических аппаратов, определены условия для ее минимизации.

6. Предложен, теоретически обоснован, клинически испытан и внедрен в медицинскую практику метод «жесткой» микрофокусной съемки в медицинской диагностике, на основе которого разработаны способы микрофокусной панорамной и придельной рентгенографии для стоматологии и челюстно-лицевой хирургии, включая таблицы экспозиций, а также общей рентгенодиагностики, подтвержденные патентами РФ. •

7. Разработан метод объективной экспресс-оценки диагностической значимости рентгеновских изображений, подтвержденный патентом РФ. Метод позволяет оперативно количественно определить степень пригодности изображения для целей рентгенодиагностики, оценить диагностические возможности той или иной методики рентгенологического обследования, сравнить диагностическую значимость рентгеновских изображений одного и того же объекта, полученных в разное время и с помощью различных рентгенодиагностических аппаратов.

8. Разработаны, клинически испытаны, внедрены в медицинскую практику и серийно выпускаются предприятиями ЗАО «ЭЛТЕХ-Мед» и НПП «Буревестник», ОАО

медшцшские рентгеновские аппараты, не имеющие в настоящее время аналогов как в России, так и за рубежом. Оригинальность и новизна созданной аппаратуры подтверждается рядом авторских свидетельств и патентов на изобретения. Общий объем выпуска рентгенодиагностических аппаратов и цифровых рентгенотелевизионных комплексов семейства «ПАРДУС» составляет более 120 штук, источников рентгеновского излучения серий РИ и РАП - 500 штук.

Публикации по теме диссертации.

1 Потрахов H.H. Микрофокусная рентгенография в стоматологии и челюстно-лицевой хирургии. - СПб.: ООО «Техномедиа», 2007. - 184 с.

2 Потрахов H.H. Интраоральная панорамная рентгенография: Методическое пособие. 2-е изд., перер. и доп. - СПб.: ИПЦ СПбГЭТУ, 2003. - 48 с.

3 Потрахов H.H. Интраоральная панорамная рентгенография // Медицинская техника. -2001.-№6.-С. 38-40.

4 Потрахов H.H. Моноблочный источник излучения на основе разборной рентгеновской трубки // Вакуумная техника и технология. - 2006. - Т. 16. - № 2. - С. 169-176.

5 Потрахов H.H. Метод и особенности формирования теневого рентгеновского изображения микрофокусными источниками излучения // Вестник новых медицинских технологий.-2007.-Т.XIV.- Ш.-С. 167-169.

6 Потрахов H.H. Технология микрофокусной рентгенографии в стоматологии // Системы управления и информационные технологии. 2007. -Т.6. - №3.- С. 584-588.

7 Потрахов H.H. Микрофокусная дентальная рентгенография // Межд. научн.-техн. конф. «Радиология - 2000. Лучевая диагностика и лучевая терапия на пороге третьего тысячелетия». - Сб.тез.-2000.-С.481-483.

8 Потрахов H.H. Малодозовая рентгенодиагностика в стоматологии и челюстно-лицевой хирургии ИIV научн.-техн. конф. «Медико-технические технологии на страже здоровья» Медтех-2003. - Сб. докл. -2003,- С. 74.

9 Потрахов H.H. Малодозовая рентгенодиагностика на микрофокусных рентгеновских аппаратах // VI НТК «Медико-технические технологии на страже здоровья «Медтех-2004». - Сб. трудов. - 2004. - С. 90-91.

10 Потрахов H.H. Микрофокусная дентальная рентгенография // II междун. конгр. «Невский радиологический форум - 2005». - Сб. материалов. - 2005. - С. 428-429.

11 A.c. 1420625 СССР, МКИ Н01J35/30. Рентгеновская трубка / Иванов С.А., Мухин В.М., Потрахов H.H., Щукин Г.А.; - № 4197541/31-25; заявл. 07.12.86; опубл 30.08.88, Бюл. № 32.

12 A.c. 1712984 СССР, МКИ HOI J35/08. Выносной анод рентгеновской трубки / Мухин В.М., Потрахов H.H., Пузян Л.А.; - № 4755610; заявл. 03.11.89; опубл. 15.02.92, Бюл. №6.

13 A.c. 1712985 СССР, МКИ Н01J35/08. Выносной анод рентгеновской трубки / Мухин В.М., Потрахов H.H., Пузян Л.А.; - № 4755610/25; заявл. 03.11.89; опубл. 15.02.92, Бюл. №6.

14 A.c. 1793491 СССР, МКИ Н01J35/08. Рентгеновская трубка / Потрахов H.H., Мухин В.М.; - № 4948936; заявл. 25.06.91; зарег. 08.10.92.

15 Иванов С.А., Новосельцева A.C., Потрахов H.H. и др. Серия микрофокусных рентгеновских аппаратов широкого назначения //

Сб. научн. тр. «Радиоэлектроника». - 1995. - Вып. 1. - С. 52.

16 Иванов С.А., Говорова Ю.К., Потрахов H.H. Микрофокусные рентгеновские аппараты для медицинской диагностики // Межд. НТК «Актуальные проблемы электронного приборостроения». - Сб. трудов. - 1996. - С. 37-38.

17 Петкевич Г.В., Потрахов H.H. Диагностические возможности и перспективы развития микрофокусной высокодетальной рентгенографии // - СПб концепция развития Санкт-Петербурга. - 1997. - Т.2, - С. 171 - 175.

18 Иванов СЛ., Новосельцева A.C., Потрахов Н.Н, Малогабаритный микрофокусный рентгеновский аппарат для медицинской диагностики // Сб. научн. тр. «Радиоэлектроника». - 1996. - Вып. 2. - С. 132-134.

19 Петкевич Г.В., Потрахов H.H. Микрофокусная рентгенография // Возможности и перспективы. - Мир медицины. - 1998. - № 1-2. - С. 75-77.

20 Иванов С.А., Потрахов H.H., Мазуров А.И. Новые диагностические возможности микрофокусной рентгенографии // Петербургский журнал электроники. - 1998. - №2. -С. 12-16.

21 Иванов С.А., Потрахов H.H. Портативные микрофокусные рентгеновские аппараты для медицинской диагностики // Медицинская техника. - 1998. - №6. - С. 6-8.

22 Свид. на полезн. мод. 10288 РФ, МКИ Н01335/00. Рентгеновская трубка (варианты). / Ключников И.В., Мухин В.М., Потрахов H.H.; - № 98121825/20; заявл. 26.11.98; опубл. 16.06.99, Бюл. №6.

23 Свид. на полезн. мод. 10537 РФ, МКИ 6А61В6/00. Рентгеновская установка для панорамных дентальных исследований. / Ключников И.В., Мухин В.М., Потрахов H.H.; - № 99104207/07; заявл. 18.02.99; опубл. 16.08.99, Бюл. №8.

24 Потрахов H.H., Кальницкий С.А., Власова М.Н. Уровни облучения пациентов на микрофокусном дентальном аппарате «ПАРДУС-01».//

II межд. конф. «Радиационная безопасность». - Сб. тез. - 1999. - С. 28.

25 Потрахов H.H., Кальницкий С.А., Власова М.Н. Уровни облучения персонала на микрофокусном аппарате «ПАРДУС-150». // II межд. конф. «Радиационная безопасность». - Сб. тез. - 1999. - С. 29.

26 Потрахов H.H., Кальницкий С.А. Уровни облучения пациентов на микрофокусном аппарате «ПАРДУС-150». // II межд. конф. «Радиационная безопасность». - Сб. тез. -1999.-С. 30.

27 Пат. наизобрет. 2175126 РФ, МПК 7G01N23/18. Способ неразрушающего контроля качества (варианты) / Потрахов H.H., Мухина Л.Б., Корчинский Б.Е.; - № 2000133099/28; заявл. 25.12.00; опубл. 20.10.01, Бюл. №29.

28 Пат. на изобрет. 2194449 РФ, МПК 7А61В6/14. Способ дентальной рентгенографии / Потрахов H.H., Мухин В.М.; - № 2000117995/14; заявл. 03.07.00; опубл. 20.12.02, Бюл. №35.

29 Свид. на полезн. мод. 17378 РФ, МПК 7Н01J35/00. Рентгеновская трубка. / Потрахов H.H., Мухин В.М.; - № 2000124442/20; заявл. 25.03.00; опубл. 27.03.01, Бюл. №9.

30 Иванов С.А., Потрахов H.H., Кальницкий С.А. Малодозовая методика рентгенологических исследований челюстно-лицевого отдела головы пациента // Межд. научн,-техн. конф. «Радиология-2000. Лучевая диагностика и лучевая терапия на пороге третьего тысячелетия». - Сб. тез. - 2000. - С. 250-252.

31 Потрахов H.H., Мухин В.М. Дентальная панорамная интраоральная рентгенография // Медицинская физика. - 2001. - №11. - С. 46-47.

32 Потрахов H.H., Мухин В.М. Дентальная микрофокусная рентгенография // Медицинская физика. - 2001. - №11. - С. 47.

33 Свид. на полезн. мод. 20838 РФ, МПК 7А61В6/14. Дентальный аппарат. / Мухин В.М., Потрахов H.H.;-№2001121876/20; заявл. 06.08.01; опубл. 10.12.01, Бюл. №34.

34 Потрахов H.H., Карлова H.A., Жорина О.М. и др. Интраоральная панорамная рентгенография: Методическое пособие. - СПб.: ЗАО «Копи-сервис», 2001. - 45 с.

35 Пат. на полезн. мод. 37917 РФ, МПК 7А61В6/14. Кассета для прицельных внутриро-товых дентальных снимков. / Потрахов H.H., Мухин В.М.; - № 2003137990/20; заявл. 31.12.03; опубл. 20.05.04, Бюл. №14.

36 Потрахов H.H., Яковлев O.B. Метод коррекции размеров панорамных рентгеновских изображений // НТК ППС СПбГЭТУ 22-24.04.2004. - Тез. докл. - 2004. - С. 65-66.

37 Пат. на полезн. мод. 51584 РФ, МПК А61В6/03, H05G1/02, H05J35/02. Моноблок источника рентгеновского излучения. / Потрахов H.H., Мухин В.М.; - №

2005111884/22; заявл. 20.04.05; опубл. 10.03.06, Бюл. №7.

38 Пат. на изобрст. 2278440 РФ, МПК HOI J35/02, H05G1/02, А61В6/03. Моноблок источника рентгеновского излучения. / Потрахов H.H., Мухин В.М.; - №

200511181309/09; заявл. 20.04.05; опубл. 20.06.05, Бюл. №17.

39 Пат. на изобрет. 2284148 РФ, МПК 7А61В6/14. Способ получения рентгеновских снимков при рентгенологических исследованиях. / Потрахов H.H., Грязнов А.Ю.; -Заявл. 16.05.05; опубл. 27.09.06, Бюл. №27.

40 Грязнов А.Ю., Потрахов H.H. «Сверхжесткая» съемка в микрофокусной дентальной диагностике // VII НТК «Медико-технические технологии на страже здоровья «Мед-тех-2005». - Сб. трудов. - 2005. - С. 90-91.

41 Грязнов А.Ю., Потрахов H.H. Методика «сверхжесткой» съемки в медицинской рентгенодиагностике // II Евразийский конгресс по медицинской физике и инженерии «Медицинская физика-2005». - Сб. материалов. - 2005. - С. 103-104.

42 Потрахов H.H., Мазуров А.И., Грязнов А.Ю. Особенности микрофокусной медицинской рентгенодиагностики // П Евразийский конгресс по медицинской физике и инженерии «Медицинская физика-2005». - Сб. материалов. - 2005. - С. 111-112.

43 Грязнов А.Ю., Потрахов H.H.- Объективная оценка качества медицинских рентгеновских изображений // VIII НТК «Медико-технические технологии на страже здоровья «Медтех-2006». - 2006. - С. 85.

44 Потрахов H.H., Грязнов А.Ю. Особенности «сверхжесткой» съемки в микрофокусной рентгенодиагностике // Медицинская техника. - 2005. - №5. - С. 14-19.

45 Потрахов H.H., Грязнов А.Ю. Малодозовая методика медицинской рентгенодиагностики // Материалы II междун. контр. «Невский радиологический форум-2005». -2005.-С. 410-411.

46 Потрахов H.H., Мазуров А.И. Особенности микрофокусной рентгенографии в медицинской диагностике // Медицинская техника. - 2005. - №6. - С. 6-9.

47 Потрахов H.H., Мухин В.М., Грязнов А.Ю. Способ неразрушающего контроля качества двойного закаточного шва // Петербургский журнал электроники. - 2005. - №4. -С. 89-94.

48 Свид. об. офиц. per. прог. для ЭВМ. 2066132564 РФ. Программный комплекс для обработки цифровых рентгеновских дентальных изображений. «APEC». / Потрахов H.H., Грязнов А.Ю., Картавенко В.А.; - № 2006612554; заявл. 24.07.06; зарег. 15.09.06.

49 Васильев А.Ю., Буланова И.М., Потрахов H.H. Микрофокусная рентгенография: современное состояние и перспективы // Вестник рентгенологии и радиологии. - 2007. - №1.- С. 54-58.

50 Пат. на полезн. мод. 61535 РФ, МПК А61В6/14. Дентальный аппарат. / Потрахов H.H., Грязнов А.Ю.; - № 2006136266/22; заявл. 13.10.06; опубл. 10.03.07, Бюл. №7.

51 Грязнов А.Ю., Потрахов H.H. Метод модернизации интраоральной рентгенографии // Петербургский журнал электроники. - 2007. - №. 1- С. 98-103.

52 Пат. на изобрет. 2306675 РФ, МПК H04N5/325, G01N23/18, А61В6/14. Способ оценки информативности рентгеновских снимков / Потрахов H.H., Грязнов А.Ю/; - № 2006118480/09; заявл. 29.05.06; опубл. 20.09.07, Бюл. №26.

53 Потрахов H.H., Грязнов А.Ю. Малогабаритные источники рентгеновского излучения серии РИ//Вакуумная техника и технология. - 2007. - Т. 17.-С. 151-154.

54 Пат. на полезн. мод. 66933 РФ, МПК А61В6/00. Портативный рентгенодиагностиче-ский аппарат. / Потрахов H.H., Грязнов А.Ю.; - № 2007116524/22; заявл. 02.05.07; опубл. 10.10.07, Бюл. №28.

55 Потрахов H.H., Грязнов А.Ю., Барковский А.Н. Радиационная нагрузка при проведении рентгенодиагностических исследований методом микрофокусной рентгенографии И Радиационная гигиена. - 2008. - Т.1. - №1. - С.1-5.

Подписано в печать 03.09.08. Формат 60x84x16 с готового оригинал-макета в типографии ЗАО «КопиСервис» Печать ризографическая. Заказ № 1/1905. П.л. 2.0. Уч.-изд. л. 2. Тираж 100 экз.

ЗАО «КопиСервис», 194017, Санкт-Петербург, Скобелевский пр., д. 16 тел.: (812) 234 4333

Введение

1. Физико-технические основы микрофокусной рентгенографии

1.1. Способы получения рентгеновских изображений

1.2. Преимущества использования микрофокусных источников излучения 16 для рентгенографии

1.3. Аппаратура для микрофокусной рентгенографии

2. Методы дентальной рентгенографии 33 2.1 Панорамная дентальная рентгенография 33 2.2. Прицельная дентальная рентгенография

3. Качество дентальных рентгеновских изображений

3.1. Резкость рентгеновского изображения

3.2. Контраст рентгеновского изображения

3.3. Пространственная частота рентгеновского изображения

4. Особенности микрофокусной рентгенографии

4.1. Выбор физико-технических условий в микрофокусной 65 рентгенографии

4.2. Формирование рентгеновского изображения микрофокусными 93 источниками излучения

4.3. Квантовая эффективность метода микрофокусной рентгенографии

5. Способы микрофокусной дентальной рентгенографии

5.1. Прицельная дентальная рентгенография

5.2. Панорамная дентальная рентгенография

6. Качество дентальных рентгеновских изображений

6.1. Методы оценки качества рентгеновского изображения

6.2. Метод информационных участков

7. Современные достижения в области разработки отечественных дентальных аппаратов

7.1. Панорамный рентгенодиагностический стоматологический аппарат «ПАРДУС-01»

7.2. Прицельно-панорамный рентгенодиагностический стоматологический аппарат «ПАРДУС-02»

7.3. Радиационная нагрузка при микрофокусной рентгенографии

7.4 Перспективы развития отечественной микрофокусной рентгенодиагностической аппаратуры для стоматологии и челюстнолицевой хирургии

Выводы

Среди известных методов медицинской диагностики ведущее место благодаря своей высокой информативности занимает рентгенографический метод исследования. В свою очередь, одним из наиболее распространенных видов рентгенодиагностических исследований в медицине является дентальная диагностика. При этом роль рентгенологических обследований в современной стоматологии и челюстно-лицевой хирургии неуклонно растет. К традиционной задаче выявления заболеваний зубо-челюстной системы и уточнения их природы, все чаще добавляются показания к использованию рентгенологических методик при определении результатов консервативного и хирургического лечения, оценке динамики течения патологических процессов и полноты выздоровления.

По данным Всемирной организации здравоохранения уже в 2000 году около половины от общей эквивалентной дозы облучения человека, вызванной рентгенологическими обследованиями за время его жизни, для жителей развитых стран мира обусловлено диагностированием различных заболеваний зубов и полости рта. Более трети этой дозы связано с так называемыми панорамными исследованиями, применяемыми, например, при диагностике и лечении такого распространенного заболевания, как пародонтоз.

Параллельно расширению объема рентгенологических исследований увеличивается частота воздействия рентгеновского излучения на население. Принятая ведущими отечественными и зарубежными клиниками методика диагностики в терапевтической стоматологии предполагает при первичном обращении пациента и его последующем лечении назначение трех-четырех дентальных рентгеновских снимков.

Отмеченные тенденции развития рентгенодиагностики в стоматологии и челюстно-лицевой хирургии требуют повышенного внимания к вопросам обеспечения радиационной безопасности при проведении соответствующих рентгенологических обследований. Дополнительно этому способствует также ряд специфических обстоятельств. Во-первых, дентальные снимки в последнее время все чаще выполняются не специалистами-рентгенологами, а непосредственно стоматологами; вследствие чего возможны ошибки в укладках, выборе режимов съемки и обработки снимков, что, соответственно, требует повторных снимков. Во-вторых, из-за отсутствия специализированных аппаратов при проведении отдельных исследований выполняются серии снимков, зачастую накладывающихся друг на друга. В-третьих, значительная часть исследований в стоматологии приходится на детей и молодых людей, обладающих максимальной чувствительностью к ионизирующему излучению.

Анализ тенденции развития диагностики в стоматологии и челюстно-лицевой хирургии позволяет выделить две основные задачи совершенствования дентальной рентгенодиагностики, характерной для всей медицинской диагностики в целом:

- максимально возможное снижение дозы облучения пациентов при проведении рентгенологических обследований; повышение информативности рентгеновских снимков и достоверности получаемой информации о состоянии исследуемых тканей и органов.

Как показывает практика, для решения указанных задач существуют два пути: экстенсивный и интенсивный.

Экстенсивный заключается в совершенствовании существующей рентгенодиагностической аппаратуры, например:

- улучшении характеристик источников рентгеновского излучения за счет перехода от полуволновых схем питания рентгеновских трубок к высокочастотным схемам или к схемам с постоянным напряжением;

- повышении чувствительности приемников рентгеновского излучения за счет использования «зеленых» комплектов экран-пленка или цифровых систем визуализации на основе ПЗС-матриц, экранов с памятью фотостимулированных люминофоров), крупноформатных электронных кассет (матриц фототранзисторов).

Однако более перспективным является интенсивный путь решения указанных задач - создание новых методик диагностирования и оригинальной аппаратуры для их реализации. Примером может служить разработка томографических методов диагностики (рентгеновская или позитронно-эмиссионная томография), фазо-контрастного метода получения рентгеновских изображений или методов микрофокусной рентгенографии.

За последние годы в области отечественного микрофокусного рентгеноаппаратостроения достигнут значительный прогресс. Разработаны и освоены в серийном производстве оригинальные рентгеновские трубки на напряжение 50-150 кВ и выше. Основными отличительными особенностями конструкции этих трубок является использование прямонакального катода V-образной формы и вынесенного анода трубки с мишенью прострельного или массивного типов. Указанные трубки позволяют на практике реализовать современные высокоинформативные малодозовые методики рентгенодиагностики в различных областях медицины, в том числе в стоматологии и челюстно-лицевой хирургии.

Разработаны и широко используются для питания микрофокусных рентгеновских трубок высоковольтные источники с частотой преобразования напряжения 50-100 кГц и более. Современные принципы построения высоковольтных схем, включая ключевой режим работы преобразователя, широтноимпульсную или частотноимпульсную модуляции, многокаскадное умножение напряжения, позволили создать компактные конструкции источников рентгеновского излучения. Благодаря небольшим габаритам и весу, а также низкой экспозиционной дозе излучения, рентгенодиагностические аппараты, созданные на основе указанных источников излучения, могут быть с успехом использованы в неспециализированных стоматологических кабинетах медицинских учреждений, в том числе расположенных в жилых домах или в смежных с жилыми помещениях.

Существенным шагом, значение которого в развитии рентгенодиагностической аппаратуры трудно переоценить, явилось широкое внедрение микропроцессорной техники. С помощью высокопроизводительных контроллеров и эффективных языков программирования были реализованы достаточно сложные алгоритмы управления режимами работы рентгеновской трубки. К традиционным функциям, выполняемым пультом управления современного рентгенодиагностического аппарата: установке напряжения и тока трубки, а также времени экспозиции, прибавились новые. Например, автоматический выбор режимов работы трубки в зависимости от диагностируемого органа, тестирование работоспособности основных узлов аппарата и оповещение в случае неисправности. Важнейшими из таких новинок являются: автоматическая оценка электрической прочности трубки, соответственно возможность тренировки трубки в случае возникновения недопустимо больших токов утечки или возникновения высоковольтных разрядов. Программа тренировки при этом может также автоматически корректироваться в зависимости от величины токов утечки, количества разрядов и длительности перерыва в работе аппарата.

Большую роль в совершенствовании рентгенодиагностической аппаратуры сыграло внедрение цифровых методов визуализации рентгеновских изображений. Как известно, особенности традиционной пленочной технологии в ряде случаев не позволяют воспользоваться всем объемом диагностической информации, заключенной в так называемом первичном рентгеновском изображении, полученном с помощью микрофокусного источника излучения. Относительно небольшая фотографическая широта пленки (0,5-2,5) при низкой квантовой эффективности (около 0,2) обуславливают достаточно высокий процент брака микрофокусных снимков, как правило, вследствие недоэкспонирования. Современные цифровые приемники рентгеновского изображения позволяют в большинстве случаев практически полностью скорректировать последствия неправильного выбора экспозиции съемки. При этом относительно низкая, по сравнению с пленкой, разрешающая способность таких приемников (3-4 мм"1) практически не сказывается на качестве снимков, благодаря возможности получения резких увеличенных изображений способами микрофокусной рентгенографии.

Таким образом, можно с полным основанием говорить о том, что в отечественном производстве рентгеновской техники сложилась целая отрасль - микрофокусное рентгеноаппаратостроение, и это, несомненно, будет способствовать успешному решению задач, стоящих перед российской медицинской рентгенодиагностикой в настоящее время.

Одной из таких задач можно считать проведение широкого круга физических, технологических, а также медицинских исследований с привлечением современных методов компьютерного анализа в области микрофокусной рентгенодиагностики.

Целью диссертационной работы являются теоретическое обоснование, исследование, разработка и внедрение в медицинскую диагностику малодозовых методов микрофокусной рентгенографии, а также аппаратуры для их практической реализации.

Для достижения поставленных целей потребовалось решить следующие теоретические и практические задачи:

- выявление преимуществ и оценка эффективности микрофокусной рентгенографии в стоматологии и челюстно-лицевой хирургии;

- создание теоретического обоснования и разработка критериев выбора физико-технических условий микрофокусной рентгенографии;

- разработка аналитических методов определения экспозиционной и поглощенной доз при проведении рентгенологических обследований способами микрофокусной рентгенографии;

- разработка объективных критериев оценки и сравнения качества микрофокусных рентгеновских изображений, а также изображений, полученных на традиционных рентгеновских аппаратах;

- разработка малодозовых способов микрофокусной рентгенодиагностики в стоматологии и челюстно-лицевой хирургии;

- разработка, испытание и внедрение в клиническую практику комплекта аппаратуры нового поколения, обеспечивающего снижение дозы облучения пациентов при проведении рентгенологических обследований в стоматологии и челюстно-лицевой хирургии.

Научная новизна работы отражается в следующих результатах: экспериментально обнаружен, теоретически обоснован и количественно оценен эффект уменьшения экспозиционной дозы рентгеновского излучения при использовании для медицинской диагностики рентгеновских источников с фокусным пятном микронных размеров;

- обоснованы и использованы при описании процесса формирования рентгеновского изображения микрофокусным источником излученияпонятия «квантовая эффективность источника рентгеновского излучения» и «контрастно-частотная характеристика узла формирования рентгеновского изображения»; выявлена зависимость квантовой эффективности источника рентгеновского излучения от пространственной частоты и контрастно-частотной характеристики узла формирования рентгеновского' изображения от размеров фокусного пятна и напряжения рентгеновской трубки источника излучения;

- разработан аналитический метод оценки экспозиционной дозы, а также эквивалентной дозы облучения пациентов при проведении рентгенологических обследований;

- исследована зависимость эквивалентной дозы облучения пациентов от основных параметров микрофокусных ренгенодиагностических аппаратов, определены условия для ее минимизации, предложен и теоретически обоснован малодозовый метод «жесткой» микрофокусной съемки в медицинской диагностике; разработаны методы микрофокусной рентгенографии для стоматологии и челюстно-лицевой хирургии, а также общей рентгенодиагностики, подтвержденные патентами РФ;

- разработан метод объективной оценки качества и информативности рентгеновских изображений, подтвержденный патентом РФ.

Практическая значимость работы определяется тем, что в ней решена имеющая важное социальное и хозяйственное значение крупная научная проблема - снижение дозы облучения населения Российской Федерации при проведении рентгенологических обследований путем создания высокоинформативной малодозовой технологии медицинской рентгенодиагностики, включая методы микрофокусной рентгенографии, аппаратуру для их реализации, а также методы оценки эквивалентной дозы облучения пациентов и качества получаемых рентгеновских изображений.

Результаты работы, во-первых, используются в лечебном процессе главного клинического госпиталя МВД России, Центрального военного клинического авиационного госпиталя, Главного военного клиническогого госпиталя МО РФ им. Н.Н. Бурденко, Военно-Медицинской Академии и некоторых других ведущих лечебных учреждений России, а также в учебном процессе кафедры лучевой диагностики МГМСУ на этапе последипломной подготовки врачей-рентгенологов и кафедры электронных приборов и устройств Санкт-Петербургского государственного электротехнического университета.

Во-вторых, результаты работы нашли применение в разработанных за пятнадцать лет деятельности ЗАО «ЭЛТЕХ-Мед» (ТЕХНОПАРК СПбГЭТУ), внедренных и выпускаемых в настоящее время серийно:

- микрофокусных источниках рентгеновского излучения семейств РИ иРАП;

- рентгенодиагностических аппаратах семейства «ПАРДУС» для стоматологии, челюстно-лицевой хирургии, травматологии, педиатрии и других областей медицины; устройствах для визуализации дентальных рентгеновских изображений «РЕНТГЕНОВИДЕОГРАФ»;

- универсальных рентгенотелевизионных микро- и острофокусных комплексах для цифровой рентгенографии семейства «НОРКА».

В результате проведенных теоретических и экспериментальных исследований на защиту выносятся следующие научные положения:

1. Закономерности формирования медицинских рентгеновских изображений, позволяющие качественно объяснить и количественно оценить эффект снижения экспозиционной дозы рентгеновского излучения в медицинской рентгенографии в случае использования источников излучения с фокусным пятном размером менее 0,1 мм с помощью понятия «контрастно-частотная характеристика узла формирования рентгеновского изображения».

2. Способ объективной экспресс-оценки диагностической значимости медицинских рентгеновских изображений, который заключается в разбиении исходного изображения на отдельные участки, сравнении яркости соседних участков между собой и вычислении информационного индекса, характеризующего изображение одним числом.

3. Методика микрофокусной съемки в стоматологии, обеспечивающая снижение эквивалентной дозы облучения пациентов в два и более раз по сравнению с известными способами дентальной съемки, которая заключается в использовании источников излучения с фокусным пятном размером менее 0,1 мм и уменьшении фокусного расстояния до 60-80 мм.

4, Разработанные, внедренные в клиническую практику и поставленные на серийное производство рентгеновские аппараты семейства «ПАРДУС», а также цифровые рентгенодиагностические комплексы на их основе, созданные под руководством и при непосредственном участии автора в ЗАО «ЭЛТЕХ-Мед» (ТЕХОПАРК СПбГЭТУ) в период с 1997 по 2007 год.

Апробация работы

Результаты исследований прошли широкое обсуждение на Всероссийских и региональных конференциях, съездах и научных форумах:

III Международная НТК «Актуальные проблемы электронного приборостроения» (Новосибирск, 1996 год), Всероссийская НТК «Актуальные вопросы медицинской радиологии» (Санкт-Петербург, 1998 год), II Международная НТК «Радиационная безопасность: радиоактивные отходы и экология» (Санкт-Петербург, 1999 год), Международная НТК «Лучевая диагностика и лучевая терапия на пороге третьего тысячелетия» (Москва, 2000 год), VI Международная конференция челюстно-лицевых хирургов и стоматологов (Санкт-Петербург, 2002 год), VI Съезд стоматологических ассоциаций России (Санкт-Петербург, 2001 год), XV Международная НТК по неразрушающему контролю (Москва, 2002 год), I и II Евразийские конгрессы «Медицинская физика» (Москва, 2001 и 2005 годы), I и II Международные конгрессы «Невский радиологический форум» (Санкт-Петербург, 2004 и 2005 годы), V-VIII Международная НТК «Медико-технические технологии на страже здоровья» (2003-2006 годы), 57-61 НТК, посвященная Дню радио (Санкт-Петербург, 2002 - 2006 годы).

Разработанные образцы рентгеновской аппаратуры демонстрировались на международных и всероссийских выставках, в том числе

Здравоохранение» (Москва, 2006 год), «Больница» (Санкт-Петербург, 2001 - 2005 годы), «Российский промышленник» (Санкт- Петербург, 2003 - 2006 годы), «Неделя высоких технологий» (Санкт Петербург, 2003 — 2006 годы), где неоднократно награждались дипломами и медалями. Указанные образцы аппаратуры внедрены в крупнейших клиниках России и за рубежом.

По теме диссертации опубликовано 33 печатных работы (из них 12 в рекомендованных ВАК изданиях), методическое и два учебных пособия, две монографии. Получено 4 АС СССР, 6 Патентов РФ на изобретение и 8 Патентов РФ на полезную модель, 1 Свидетельство о регистрации программы для ЭВМ.

Структура и объем диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, семи глав, заключения, списка литературы, включающего 108 наименований и приложений с актами внедрения. Основная часть работы изложена на 188 страницах машинописного текста. Работа содержит 68 рисунков и 18 таблиц.

Выводы

Представленная работа решает крупную научно-техническую проблему отечественного здравоохранения, имеющую важное социальное и хозяйственное значение - снижение дозы облучения пациентов при проведении рентгенологических обследований.

Основные научные результаты, ^полученные в ходе данной работы, заключаются в следующем:

- срав нительный анализ известных способов рентгенографии показал существенные преимущества способа микрофокусной съемки при проведении диагностических исследований в различных областях медицины;

- впервые с помощью введенных и обоснованных понятий «квантовой эффективности источника рентгеновского излучения» и «контрастно частотной характеристики узла формирования рентгеновского изображения» описан процесс получения микрофокусных рентгеновских снимков;

- выявлена зависимость квантовой эффективности источника рентгеновского излучения от пространственной частоты;

- выявлена зависимость контрастно-частотной характеристики узла формирования рентгеновского изображения от размеров фокусного пятна и напряжения рентгеновской трубки источника излучения; экспериментально обнаружен, теоретически обоснован и количественно оценен эффект уменьшения экспозиционной дозы рентгеновского излучения при использовании для получения рентгеновских изображений микрофокусных источников излучения;

- разработан аналитический метод оценки экспозиционной дозы, а также эквивалентной дозы облучения пациентов при проведении рентгенологических обследований;

- исследована зависимость эквивалентной дозы облучения пациентов от основных параметров микрофокусных ренгенодиагностических аппаратов, определены условия для ее минимизации, предложен и теоретически обоснован малодозовый метод «жесткой» микрофокусной съемки в медицинской диагностике; разработаны методы микрофокусной рентгенографии для стоматологии и челюстно-лицевой хирургии, а также общей рентгенодиагностики, подтвержденные патентами РФ;

- разработан метод объективной оценки качества и информативности рентгеновских изображений, подтвержденный патентом РФ;

- на основе проведенных исследований разработаны и серийно выпускаются предприятиями ЗАО «ЭЛТЕХ-Мед» и HI 111 «Буревестник», ОАО рентгеновские аппараты, не имеющие в настоящее время аналогов как в России, так и за рубежом: рентгенодиагностические аппараты и цифровые рентгенотелевизионные комплексы семейства «ПАРДУС» общим объемом выпуска более 120 штук, а также микрофокусные источники излучения серий РИ и РАП — около 500 штук.

Заключение

Достижения в области стоматологии и челюстно-лицевой хирургии неразрывно связаны с внедрением в медицинскую практику новых, более перспективных методик диагностики и, в первую очередь, рентгенодиагностики. Одним из возможных путей дальнейшего развития рентгенодиагностики в указанных областях медицины может быть микрофокусная рентгенография.

Важнейшими отличительными особенностями микрофокусной рентгенографии, как было показано, являются более высокая информативность снимков, пониженная радиационная нагрузка на пациента и обслуживающий персонал. В качестве существенных достоинств следует также отметить малые габариты, вес и низкое энергопотребление аппаратуры, используемой для реализации схем микрофокусной съемки. Благодаря этим обстоятельствам микрофокусные рентгеновские аппараты могут с успехом использоваться в нестационарных и полевых условиях, в том числе жилых или смежных с жилыми помещениях.

Степень законченности разработок в области создания отечественных медицинских микрофокусных рентгеновских аппаратов достаточно велика. Свидетельством этому служит наличие действующих образцов и конструкторской документации, положительных отзывов специалистов и руководителей профильных организаций, а также «разрешительные» документы: лицензии и сертификаты соответствия.

Однако, несмотря на отмеченные преимущества, микрофокусная рентгенография еще не нашла широкого применения в повседневной медицинской практике. В большинстве лечебных учреждений России она фактически не используется. Это обстоятельство и послужило основанием для подробного анализа диагностических возможностей способов микрофокусной рентгенографии в стоматологии и челюстно-лицевой хирургии.

И несколько слов о перспективах отечественной микрофокусной рентгенодиагностической аппаратуры. Вполне реально, учитывая, имеющийся задел, и накопленный за последние годы опыт, в короткие сроки провести цикл разработок с доведением до серийного производства всей аппаратуры, необходимой для внедрения известных в настоящее время методик применения микрофокусной рентгенографии в медицинскую практику.

При этом, в качестве базового микрофокусного рентгено-диагностического аппарата может рассматриваться конструкция, обладающая следующими характерными особенностями:

- трех(четырех)электродная рентгеновская трубка с вынесенным массивным анодом и высокоэффективным, например, металлосплавным, катодом, а также дополнительной электромагнитной фокусировкой электронного пучка;

- излучатель моноблочного типа с комбинированной (твердотельной и масляной) высоковольтной изоляцией на напряжение 160-200 кВ мощностью до 200 Вт;

- миниатюрный центратор, формирующий (и обозначающий )поле облучения заданного размера и формы;

- пульт управления на основе современного микроконтроллера, например, с АРМ-архитектурой повышенной производительности и функциональности, обеспечивающий, помимо выбора и установки режимов работы рентгеновской трубки, диагностику и тренировку аппарата, а также автоматическую регулировку размеров фокусного пятна, в зависимости от исследуемого органа;

- специализированный штатив, позволяющий реализовать все известные способы микрофокусной рентгенографии, включая съемку различных органов с прямым увеличением; высокочувствительная система цифровой визуализации микрофокусных рентгеновских изображений с возможностью автоматической корректировки ошибки в выборе режима съемки, например, на основе экранов с памятью или крупногабаритных матриц фототранзисторов (электронных панелей).

В предлагаемом направлении существуют широкие возможности как для работ поискового характера применительно к медицинской диагностике и рентгеноаппаратостроению, так и прикладных работ по созданию новых методик применения и новых конструкций аппаратов. С этой точки зрения планомерное развитие усилий по данной тематике способно привести к качественным изменениям в соответствующих областях медицинской техники. Кроме того, при соответствующей поддержки дизайн-проектов и умелой рекламной кампании возможно продвижение указанной российской продукции на зарубежный, весьма дорогостоящий рынок медицинского рентгеновского оборудования.

1. Rontgen W.C. Rontgenbild eines Jagdgewehrs. Sitzungsber. d. preuss Akad. d. Wiss. Mai 1897.

2. Coerens P. Einfuhrung in die Metallographie. 3 Aufl. 344 S. Halle. W. Knapp, 1922.

3. Васильев А.Ю. Рентгенография с прямым многократным увеличением в клинической практике. М.: ИПТК ЛОГОС, 1998.

4. Сушкин Н.Г. Электронный микроскоп. М. - Л.: Гос. изд-во тех.-теор. лит-ры, 1949.

5. Хокс П. Электронная оптика и электронная микроскопия. М.: Мир, 1974.

6. Пионеры рентгенодефектоскопии FEINFOCUS // Контроль. Диагностика, 2005. №8.

7. Иванов С.А., Щукин Г.А., Рентгеновские трубки технического назначения. -Л.: Энергоатомиздат. Ленингр. отд-ние, 1989.

8. Иванов С.А., Кириенко С.В., Щукин Г.А. Расчет тепловых процессов в анодах рентгеновских трубок // Обзоры по электронной технике. Сер. 4, 1986. Вып. 2.

9. Иванов С.А., Трегубов В.Ф., Щукин Г.А. Численное моделирование и экспериментальное исследование ЭОС острофокусных рентгеновских трубок с магнитной фокусировкой // Новые методы расчета электронно-оптических систем. М.: Наука, 1983.

10. Иванов С.А., Иоффе Ю.К., Кириенко С.В. и др. Малогабаритные источники рентгеновского излучения // Обзоры по электронной технике. Сер. 4, 1987. Вып. 4.

11. Факультету электронной техники Санкт-Петербургского государственного электротехнического университета 50 лет. - СПб.: ИПЦ ГТУ, 1996.

12. Иванов С.А., Щукин Г.А. Исследование распределения электронов по поверхности фокусного пятна в рентгеновских трубках // Межвуз. сб. «Электроника», 1976. Вып. 2.

13. Иванов С.А., Кириенко С.В. Мощные генераторы рентгеновскогоизлучения с вращающимся анодом // Обзоры по электронной технике. Сер. 4, 1985. Вып. 1.

14. Рекламный проспект фирмы KEVEX, 2002 г.

15. Андерштайн В., Штаргардт А. Основы прямого (геометрического) увеличения рентгеновского изображения и дополнительного увеличения рентгеновских снимков // Радиология диагностика, 1971. Т. 12. №2.

16. Иванов С.А., Кириенко С.В., Щукин Г.А. Источники рентгеновского излучения для рентгеновской литографии // Обзоры по электронной технике. Сер. 4, 1988. Вып. 3.

17. Уманский Я.С., Скаков Ю.А., Иванов А.Н. и др. Кристаллография, рентгенография и электронная микроскопия. — М.: Металлургия, 1982.

18. Потрахов Н.Н., Грязнов А.Ю. Способ получения рентгеновских снимковпри рентгенологических исследованиях, Патент РФ на изобретение № 2284148. Бюлл. №27. 27.09.2006.

19. Воробьев Ю.И. Рентгенография зубов и челюстей. М.: Медицина, 1989.

20. Рабухина Н.А., Аржанцев А.П. Рентгенодиагностика в стоматологии. М.: ООО МИА, 1999.

21. Рентгенотехника: Справочник. В. 2-х кн. / Под. ред. В.В. Клюева. М.: Машиностроение, 1980. - Кн. 2.

22. Рентгеновские диагностические аппараты. В 2-х т. / Под. ред. Н.Н. Блинова, Б.И. Леонова. М.: ВНИИИМТ, НПО «Экран», 2001. Т.2.

23. Аржанцев А.П., Рабухина Н.А. Особенности рентгеновского панорамного изображения челюстей (экспериментальные исследования) // Медицинская техника, 1997. №5.

24. Быстров Ю.А., Иванов С.А. Ускорительная техника и рентгеновские приборы: учебник для ВУЗов. М.: Высшая школа, 1983.

25. Блохин М.А. Физика рентгеновских лучей. — М.: Гос. изд-во тех.-теор. литры, 1953.2627,28