автореферат диссертации по приборостроению, метрологии и информационно-измерительным приборам и системам, 05.11.10, диссертация на тему:Исследование и разработка цифровых рентгенопреобразующих систем для исследования легких

.г / . -Г ' .'Г

1 / > / -' . г- , /

- > ч л/

VI ^ ^ > - /

/ I '<- * "

Всероссийский научно-исследовательский и испытательный институт медицинской техники МЗРФ

БЛИНОВ НИКОЛАЙ НИКОЛАЕВИЧ

на правах рукописи УДК 621.386

ИССЛЕДОВАНИЕ И РАЗРАБОТКА ЦИФРОВЫХ РЕШТЕНОПРЕОБРАЗУЮЩИХ

СИСТЕМ ДЛЯ ИССЛЕДОВАНИЯ ЛЕГКИХ

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

Специальность 05.11.10 "Приборы для измерения ионизирующих излучений и рентгеновские приборы"

Москва, 1998 г.

СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ

ГЛАВА 1. Анализ существующих методов и средств преобразования цифровых рентгеновских изображений в медицинской диагностике и постановка задачи исследования.

1.1 Анализ состояния отечественного парка рентгенодиагностической аппаратуры и постановка задач работы.

1.2 Классификация систем детектирования цифровых рентгеновских изображений.

1.3 Камеры на ПЗС-матрицах и ПЗС-линейках, пригодные для рентгенографии.

1.4 Дефекты в ПЗС-структурах для рентгенологии. Выводы к главе I.

ГЛАВА П. Исследование параметров цифровых рентгеновских изображений.

2.1 Классификация параметров рентгеновских изображений.

2.2 Энергетические характеристики.

2.3 Пространственные характеристики.

2.4 Градационные характеристики.

2.5 Временные характеристики.

2.6 Параметры цифровых изображений рентгенопреобразующих систем. Выводы к главе П.

ГЛАВА Ш. Исследование методов снижения лучевых нагрузок при цифровых рентгенодиагностических исследованиях.

3.1 Зависимость дозы в плоскости приемника от требуемых параметров медицинского изображения.

3.2 Исследование дозовых нагрузок при сканирующей рентгенографии

3.3 Рекомендации по построению сканирующих цифровых рентгенографических систем.

3.4 Экспериментальное исследование дозовых нагрузок при использовании цифровых флюорографов.

3.5 Исследование методов снижения влияния рассеянного излучения на

контраст.

Выводы к главе Ш.

ГЛАВА IV. Разработка цифровых рентгенографических аппаратов для исследования легких.

4.1 Внедрение результатов работы.

4.2 Флюорограф малодозовый цифровой ФМЦ-Хе-125.

4.3 Флюорограф малодозовый полупроводниковый ФМПЦ- 81-125.

4.4 Аппарат-приставка для цифровой флюорографии АПЦФ-01 -" Амико".

4.5 Рентгеновское средаечастотное питающее устройство для флюорографа УРП-СЧ-30.

4.6 Автоматизированное рабочее место рентгенолога "Аккорд". Выводы к главе IV.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ Список литературы. Приложение.

Введение.

Рентгенодиагностическая техника, в настоящее время, как и прежде, является доминирующей в диагностике заболевний человеческого организма. Несмотря на бурное развитие новых видов интроскопии (KPT, МРТ, УЗ, ИК -диагностика, эндоскопия) до сих пор более 60% диагнозов, устанавливается или подтверждается с помощью рентгенологических исследований. При этом более 80% надфоновой генетически значимой дозы облучения человечества приходится на рентгенодиагностические исследования.

Основной задачей развития современной медицинской рентгенотехники остается проблема максимально возможного снижения дозы облучения при сохранении, а по возможности и при увеличении диагностически существенной информации.

К моменту начала настоящей работы в этой области техники все традиционные методы снижения лучевой нагрузки были практически исчерпаны: во всех методах диагностики (исключая флюорографию) был почти достигнут принципиальный физический предел снижения дозы, определяемый квантовыми флюктуациями рентгеновского излучения.

Новый подход, заключающийся в переходе от аналоговых к дискретным компьютерным средствам формирования рентгеновских изображений, позволяет в ряде случаев преодолеть, или точнее отодвинуть этот предел при существенном повышении диагностических возможностей. А при замене пленочной флюорографии при профилактических исследованиях легких на цифровую появляется возможность приблизиться к физическому пределу.

В восьмидесятых годах в нашей стране были сделаны попытки построить первые цифровые рентгенодиагностические системы [1,2,3], которые, однако, не выходили за рамки компьютерных автоматизированных рабочих мест, обеспечивающих апостериорную цифровую обработку или запоминание рентгеновских изображений [4], полученных в аналоговой форме на обычных рентгеновских аппаратах. Единственной законченной разработкой, выполненной специально для цифровой рентгенографии, являлась сканирующая рентгеновская установка для цифровой рентгенографии МЦРУ "Сибирь", созданная ИЯФ им. Будкера в Сибирском филиале АН СССР, с оригинальной линейкой ксеноновых детекторов [5]. При значительном снижении дозы и расширении динамического диапазона эта система в принципе не способна была обеспечить пространственного разрешения выше 0,9 мм и обеспечивала лишь ограниченное применение.

За рубежом были созданы цифровые системы для субтракционной ангиографии, для цифровой рентгенографии с использованием "стимулированных" люминофоров и селеновых барабанов [6], для импульсного "цифрового" просвечивания. К этому же времени, или несколько раньше Нудельманом (США) были разработаны некоторые общие теоретические аспекты перехода к цифровым системам формирования медицинских

изображений [7,8,9]. Принципы, разработанные Нудельманом, были основаны на использовании все тех же традиционных УРИ и стандартных телевизионных систем с видиконами и изоконами в качестве телевизионных трубок.

Между тем, в последние годы бурно развиваются новые типы одно и двумерных детекторов излучения, основанных на использовании т.н. приборов с зарядовой связью - ПЗС-линеек и ПЗС-матриц, обладающих рядом принципиальных особенностей.

Наиболее актуальной для России в настоящее время является замена малоинформативной высокодозной пленочной флюорографии легких на малодозовые цифровые исследования. Эта задача особенно важна в связи с угрожающим ростом туберкулеза. В свете этого требуют нового осмысления методы измерения характеристик цифровых изображений, дозовых и радиационных параметров РДА.

Для создания отечественных флюорографических рентгеновских аппаратов с цифровой регистрацией изображения необходимо решить следующие задачи:

- провести анализ возможностей современных средств цифрового детектирования рентгеновских изображений и сформулировать требования к детекторам для получения медицинских изображений в цифровой форме для профилактических исследований грудной клетки;

- исследовать градационные, динамические и пространственные характеристики цифровых медицинских изображений с целью определения необходимых характеристик рентгеновских аппаратов для цифровой рентгенографии ;

- исследовать количественные характеристики рассеянного рентгеновского излучения от различных медицинских объектов и разработать компьютерные программы для компенсации его вредного влияния;

- исследо'вать зависимость минимальной необходимой дозы облучения от заданных параметров цифрового рентгеновского изображения;

- разработать принципы построения рентгенодиагностических комплексов для цифровой рентгенографии;

- провести медицинские исследования разработанных комплексов и разработать рекомендации по их применению.

Научно-практическая значимость работы заключается в том, что ее результаты нашли применение в разработанных НПЦ МР совместно с ЗАО "Амико" двух малодозовых цифровых флюорографах "ФМЦ-Хе-125" и "ФМПЦ-81-125", в созданном ЗАО "Амико" и филиалом электротехнического института (г.Истра) среднечастотного рентгеновского питающего устройства УРП-СЧ -."Амико", а также в разработке ЗАО "Амико" аппарата - приставки для цифровой флюорографии АПЦФ-01 -"Амико".

Работа состоит из четырех глав, введения, заключения, библиографии и приложений с актами внедрения. По работе опубликовано 8 статей. Результаты доложены на трех Всейроссийских симпозиумах, разработанные в рамках работы изделия демонстрировались на семи международных выставках: в Дюссельдорфе, 1997,1998 годах, в Софии в 1998г, в Москве (Здравоохранение^, Медтехника-98, Медицина для Вас, 1997), в С.Петербурге (Больни-ца-98).

Глава I. АНАЛИЗ ОСОБЕННОСТЕЙ СОВРЕМЕННЫХ ДЕТЕКТОРОВ ДЛЯ ВИЗУАЛИЗАЦИИ ЦИФРОВЫХ РЕНТГЕНОВСКИХ ИЗОБРАЖЕНИЙ.

1.1. Анализ состояния отечественного парка рентгенодиагнос-тической аппаратуры и постановка задачи работы.

Предвидение Нудельмана [7], высказанное в 1982 году о переходе в ближайшие двадцать лет к цифровой рентгенологии, к настоящему времени, в значительной мере, оправдалось. Уже работают в клиниках и госпиталях мира десятки тысяч компьютерных рентгеновских томографов, созданы сложнейшие устройства для цифровой субтракционной ангиографии [9], цифровые системы для автоматизированной биопсии в маммологии [10], многочисленные АРМ рентгенолога на основе персональных компьютеров, которые позволяют производить цифровую обработку при рентгеноскопии и рентгенографии. Однако больше всего сложностей обнаруживается на пути внедрения цифровых методов в обычной рентгенографии и одном из важных ее разделов -флюорографии. Проблема состоит не только в психологических сложностях для практикующего рентгенолога отойти от привычных "пленочных" технологий и освоить принципиально новые возможности техники. Более сложно преодолеть экономические проблемы, связанной с широким распространением традиционной пленочной и рентгеновской аппаратуры (РДА), которую надлежит заменить новой, значительно более дорогой цифровой (ЦРДА). Этот аспект особенно важен для России, переживающей серьезные экономические трудности.

Ситуация в лечебной сети России с рентгеновской аппаратурой характеризуется цифрами, приведенными в табл. 1.1. [11].

Из приведенных количеств аппаратов 80 % представляют собой устаревшие изделия, более чем десятилетней давности выпуска, исчерпавшие свой рессурс и подлежащие замене. В среднем не более 15 % из всех РДА - зарубежного производства. Если учесть, что рентгеновская промышленность СССР в значительной мере разрушена (завод "Актюбрентген" оказался в Казахстане, объединение КПОМА на Украине, российские заводы "Мосрентген" и "Севкаврентген" в десять и более раз уменьшили объемы производства), а современный зарубежный цифровой комплекс для общей диагностики стоит 500 и более тысяч долларов, становится очевидным, что без создания отечественных ЦРДА, существенно более дешевых по сравнению с зарубежными, задача переоснащения рентгенологии в нашей стране решена быть не может. Даже и при восстановлении отечественной рентгенотехники, с помощью развития мобильных малых предприятий, сборочных производств, которому имеются достаточно обнадеживающие предпосылки, процесс переоснащения затянется на многие годы и в значительной степени будет решен путем модернизации основных узлов рентгеновского комплекса: рентгеновского питающего устройства (РПУ) и детектора для регистрации цифрового изображения. Таким образом, основные усилия разработчики должны

Таблица 1.1.

Современный парк рентгеновской аппаратуры в РФ

Тип РДА в ЛПУ, шт. Потребность, шт. Примечения

1. Стационарные РДА для просвечивания и снимков, в т.ч.: - сУРИ - с цифровой регистрацией 11000 6000 250 10000 10000 10000 Выпускаются в РФ серийно _и п

2. Палатные и передвижные РДА, в т.ч. типа "С-агт" с цифровой регистрацией 6000 250 7000 3000 н п

3. Маммографы (с учетом отечественных "Электроника-М") 1600 5000 Выпускаются по контракту с ф. Филипс

4. Дентальные аппараты, в т.ч. - ортопантомографы; - с цифровыми детекторами 10000 260 200 10000 2000 2000 Выпускаются в РФ Не выпускаются в РФ п

5. Флюорографы, в т.ч. - цифровые 5600 35 6000 3000 Выпускаются в РФ серийно

6. РДА для ангиографии 100 350 Не выпускаются в РФ

7. Рентгеновские компьютерные томографы 160 500 II

8. Магнитно-резонансные томографы 180 500 Выпускаются в РФ серийно

сосредоточить на создании новых цифровых систем детектирования рентгеновских изображений, максимально пригодных для использования в традиционной рентгеновской аппаратуре. Для успешного решения этой проблемы необходимо решить следующие частные задачи:

- провести анализ существующих систем детектирования рентгеновских изображений и сформулировать на его основе технические требования к разрабатываемым системам;

- исследовать особенности параметров, характеризующих цифровые изображения: градационных, пространственных и временных, и разработать методы их измерения;

- исследовать дозовые характеристики, присущие различным методам получения цифровых рентгеновских изображений, в частности, их связь с параметрами изображений и рентгеновских излучателей;

- исследовать компьютерные возможности препарирования цифровых рентгеновских изображений, в частности, способы снижения вредного влияния рассеянного объектом излучения на качество изображения;

- разработать отечественные ЦРДА для флюорографии, в частности приставки к существующим РДА, позволяющие в максимальной степени использовать традиционную технику и свести к минимуму затраты на переоснащение;

- провести медико-технические испытания разработанных устройств с целью создания методических рекомендаций по их использованию.

1.2. Классификация систем детектирования цифровых рентгеновских изображений.

Проведенный нами анализ показывает, что к настоящему времени существует значительное количество как РДА, так и систем преобразования для формирования цифровых изображений. Следующие методы рентгенодиагностики имеют цифровые варианты:

- ангиография : созданы цифровые субтракционные системы;

- исследования легких: созданы системы для полноформатной цифровой рентгенографии грудной клетки, как в вертикальном, так и в горизонтальном положении пациентов;

- маммология: цифровые системы для проведения биопсии, цифровые маммографы;

- общая рентгенология: в традиционных комплексах для просвечивания и снимков вводятся устройства для цифрового запоминания изображения, рядом ведущих фирм разрабатывается новое поколение дистанционно-управляемых поворотных столов-штативов, обеспечивающих полный отказ от пленочной рентгенографии;

- дентальная рентгенология: уже действуют тысячи цифровых систем на основе ПЗС матриц;

- РДА для исследований костно-суставного аппарата: этот раздел рентгенологии (состоавляющий по количеству исследований 30-40%) до сих пор остается и дольше всего сохранится пленочным, это связано с высокими требованиями по пространственному разрешению, здесь переход к цифровым изображениям окажется возможным, когда будут созданы полномасштабные (40x40 см) твердотельные матрицы с числом пикселов 4000x4000, ожидается, что эта задача будет решена в ближайшие годы [12], но, к сожалению, не в России.

По физическим принципам регистрации детекторы цифровой рентгенографии можно разделить на следующие типы:

1. - РЭОП + тракт ТВ (Siemens, Philips, НПК "Электрон", ЗОМЗ и др.);

2. - селеновый барабан + сканирование электрическим щупом (Philips);

3. - стимулированный люминофор + сканирование стимулирующим лазе-

ром + считывание светосуммы (Fuji);

4. - рентгеночувствительный люминофор + оптика переноса + ПЗС матрица (Imex, Medirá, Renex-флюоро);

5. - рентгеночувствительный люминофор + ЭОП + оптика переноса + ПЗС матрица (Digidelca, Old Delft);

6. - линейка игольчатых электродов в ксеноне под давлением + сканирование (ФМЦ-Хе-125, НПЦМР, ЗАО "Амико",. МЦРУ "Сибирь", ИЯФ, СО РАН);

7. - люминофор + линейка кремниевых детекторов с зарядов связью + сканирование (ФМПЦ-8М25, НПЦМР, ЗАО "Амико", АПЦФ-Амико);

8. - полномасштабная матрица (40x40 см) на аморфном кремнии с напыленным люминофором (Trixel, General Electric).

В таблице 1.2. приведены основные характеристики различных типов рентгеночувствительных детекторов, применяемых для целей рентгенодиагностики, в последней графе упомянуты принципиальные ограничения, присущие каждому типу.

Как следует из таблицы 1.2, все типы, за исключением позиции п.1, где используется РЭОП, пригодны по размеру поля для исследования легких (не менее 360x380 мм). Впрочем, фирмой Сименс делались попытки создать РЭОП с диаметром 570 мм для флюорографии [13], однако из-за высокой стоимости такая система нашла весьма ограниченное применение. Позиция 2 из-за упомянутых в примечании принципиальных ограничений, хоть и применяется фирмой Филипс для исследования легких, однако вряд ли найдет широкое применение в дальнейшем.

Система, основанная на применении стимулированных люминофоров, запоминающих накопленную под действием рентгеновского излучения светосумму (фирма Фуджи, Япония, фирма АГФА, Германия) обладает только одним недостатком: считывание светосуммы осуществляется весьма сложно, процесс требует сканирования поверхности люминофора лазерным лучом и наличия ФЭУ для регистрации света, по этой причине стоимость системы очень высока (система Фуджи для рентгенографии легких стоит более 500 тыс. долларов). [14].

Таблица 1.2.

Сравнительные характеристики различных типов детекто�