автореферат диссертации по приборостроению, метрологии и информационно-измерительным приборам и системам, 05.11.10, диссертация на тему:Развитие метода мультиэнергетической радиографии и разработка спектрозонального рентгеновского детектора

На правах рукописи

ЛЕЛЮХИН Александр Сергеевич

РАЗВИТИЕ МЕТОДА МУЛЬТИЭНЕРГЕТИЧЕСКОЙ РАДИОГРАФИИ И РАЗРАБОТКА СПЕКТРОЗОНАЛЬНОГО РЕНТГЕНОВСКОГО ДЕТЕКТОРА

Специальность 05.11.10

Приборы и методы для измерения ионизирующих излучений и рентгеновские приборы

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Москва 2004

Работа выполнена на кафедре проектирования и технологии радиоэлектронных средств Государственного образовательного учреждения

высшего профессионального образования «Оренбургский государственный университет»

Ведущая организация: Институт ядерной физики имени Г.И. Будкера СО РАН

Защита состоится «22» декабря 2004 г. в 10 часов на заседании специализированного диссертационного Совета ДМ 208.001.01. по присуждению ученых степеней доктора и кандидата наук в ГУН «Всероссийский научно-исследовательский и испытательный институт медицинской техники» МЗ РФ по адресу: 129301, г. Москва, ул. Касаткина, д. 3

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ВНИИИМТ.

Научные руководители:

кандидат физико-математических наук Корнев Евгений Андреевич

доктор технических наук, профессор Пищухин Александр Михайлович

Официальные оппоненты:

доктор технических наук Владимиров Лев Владимирович

кандидат физико-математических наук Акимов Валерий Васильевич

2004 г.

Ученый секретарь диссертационного совета, кандидат технических наук

ОБШДЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Диссертационная работа посвящена исследованию и развитию методов мультиэнергетической радиографии и разработке спектрозонального газонаполненного приемника-преобразователя рентгеновского излучения, обладающего высокой квантовой эффективностью регистрации в широком энергетическом диапазоне.

Актуальность проблемы обусловлена потребностью внедрения в практическое здравоохранение цифровых систем визуализации рентгеновских изображений взамен пленочных регистраторов.

Специфика воспроизведения диагностических рентгеновских изображений позволяет эффективно использовать в качестве приемника-преобразователя излучения газонаполненные позиционно-чувствительные детекторы, широко применяемые в научных исследованиях в области физики высоких энергий. Методика газонаполненных позиционно-чувствительных приемников-преобразователей рентгеновского излучения и их применения для биомедицинских исследований предложена Ю.В. Заневским, В.Д. Пешехоновым и развита А.Г. Хабахпашевым и С.Е. Бару.

В работах Н.Н. Блинова и Р.Е. Быкова отмечается, что анализ спектрального состава излучения, прошедшего сквозь объект исследования (ОИ), повышает информативность рентгеновской диагностики. В отличие от традиционных методов, воспроизводящих лишь теневую картину, позволяющую обнаружить на изображении отклонения от анатомического рисунка, спектрозональные методы регистрации дают возможность идентифицировать физическую природу ткани включения, визуализирующегося на снимке. Так, С.В. Найденовым и В.Д. Рыжиковым разработана теоретическая модель мультиэнергетической радиографии и получены соотношения, позволяющие рассчитать эффективный атомный номер поглощающей ткани. Экспериментальное исследование с целью определения эффективного атомного номера желчных камней методом мультиэнергетической радиографии выполнил Р.Д. Спеллер. Известны также работы по выявлению микро-кальцинатов в молочной железе (S. Fabbii, A. Taibi, M. Maiziani) и работы по разделению изображений при оценке л е патошгто (J- fttek»)»TeM е менее>

юс. НАммщидьиАа J

MMNOÎEKA J 3

широкого распространения в медицинской диагностике методы мультиэнергети-ческой рентгенографии пока не получили.

В 1995 году Ж. Шарпак предложил использовать в газовых детекторах с целью повышения эффективности регистрации и снижения давления конвертор излучения в виде многоканальной механической структуры, выполненной из тяжелого металла. В связи с возросшим интересом к спектрозональным системам идея применения конвертора излучения в составе газовых детекторов может получить дальнейшее развитие. Но практическая реализация спектрозональной медицинской диагностической системы на базе детектора с конвертором излучения без предварительных исследований весьма проблематична. Необходимо выбрать спектральные диапазоны регистрации, определить оптимальную геометрию конвертора излучений, исследовать факторы, влияющие на эффективность регистрации рентгеновского излучения, и оценить пространственное разрешение системы.

Целью данной работы является развитие спектрозонального метода идентификации тканей и решение физической и математической задач определения структуры рентгеновского детектора, обеспечивающего получение изображений в нескольких спектральных диапазонах.

Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:

1. Выработать количественный критерий идентификации тканей и методику определения эффективного атомного номера вещества ткани включения, визуализирующегося на цифровых рентгеновских снимках, оценить методические погрешности.

2. Экспериментально исследовать влияние геометрических размеров включения и общей фильтрации излучения на результаты измерения эффективного атомного номера.

3. Разработать структуру спектрозонального детектора и математическую модель, описывающую процессы, происходящие в чувствительной области детектора при регистрации кванта рентгеновского излучения.

4. Исследовать факторы, определяющие спектральную чувствительность и пространственное-разрешение ¿детектора.

4

5. Разработать математическую модель системы регистрации рентгеновских изображений, учитывающую свойства объекта исследования, спектральные характеристики излучателя и приемника рентгеновского излучения, и сравнить результаты вычислительного и физического экспериментов.

В ходе решения поставленных задач были использованы методы имитационного моделирования с применением системы математического моделирования МаШСАО, методы оптимизации, численного решения дифференциальных уравнений, а также статистические методы обработки данных.

Научная новизна. В результате решения задач исследования в работе были предложены и выявлены:

1. Новый количественный критерий идентификации тканей в форме характеристических углов, вычисляемых по соотношению сечений взаимодействия, определенных для различных эффективных энергий квантов монохроматического рентгеновского излучения.

2. Методика спектрозональной радиографии, обеспечивающая восстановление эффективного атомного номера вещества ткани включения путем проведения предварительной калибровки системы регистрации и вычисления характеристических углов по соотношению логарифмических контрастов ткани включения, измеренных в различных спектральных диапазонах.

3. Методика калибровки спектрозональной системы регистрации рентгеновских изображений путем построения градуировочной характеристики или расчета коэффициентов, характеризующих фотопоглощение и рассеяние квантов.

4. Зависимости, определяющие «ход с жесткостью» характеристических углов от величины собственной и дополнительной фильтрации излучения. Экспериментально показано, что при использовании полихроматического источника рентгеновского излучения эффективный атомный номер вещества ткани включения может быть восстановлен с погрешностью менее 30%.

5. Структура и математическая модель спектрозонального детектора. Получены соотношения, описывающие эффективность регистрации отдельного канала детектора как функцию энергии рентгеновских квантов и интенсивности входного потока. Величина порогового контраста определена как функция количества

квантов, приведенных к входу детектора за время исследования. Предложена методика априорной оценки динамического диапазона рентгенодиагностических систем, работающих в счетном режиме.

6. Зависимости спектральной чувствительности и пространственного разрешения детектора от геометрических параметров конвертора излучений.

7. Математическая модель спектрозональной системы регистрации рентгеновских изображений.

Апробация работы проведена на Международном семинаре «Конверсионный потенциал Кыргызской Республики и проекты МНТЦ» (Бишкек - 1998); Международной юбилейной научно-практической конференции, посвященной 30-летию ОГУ (Оренбург-2001); региональных научно-практических конференциях (Оренбург-2002, Оренбург-2003); научных семинарах кафедры ПТРС ОГУ.

Отдельные результаты работы были реализованы в Оренбургской областной клинической больнице и в учебном процессе на кафедре проектирования и технологии радиоэлектронных средств Оренбургского государственного университета.

Практическую ценность работы представляют:

-методика определения эффективного атомного номера ткани включения, визуализирующегося на цифровых рентгеновских снимках, зарегистрированных в нескольких спектральных диапазонах;

-структура спектрозонального рентгеновского детектора, дающего возможность за одно включение высокого напряжения на рентгеновской трубке регистрировать три зональных рентгеновских изображения, согласованных с физическими свойствами тканей организма человека;

-алгоритм и программа расчета параметров спектрозонального рентгеновского детектора;

-способ изготовления конвертора излучений методом химического фрезерования.

На защиту выносятся следующие положения:

1. Критерий идентификации тканей и методика определения эффективного атомного номера вещества ткани включения. 6

2. Методика калибровки системы регистрации спектрозональных рентгеновских изображений.

3. Зависимости, определяющие «ход с жесткостью» характеристических углов от величины собственной и дополнительной фильтрации излучения.

4. Структурная схема и математическая модель спектрозонального рентгеновского детектора. Зависимости спектральной чувствительности и пространственного разрешения детектора от геометрических параметров конвертора излучения.

5. Математическая модель системы регистрации рентгеновских изображений и результаты вычислительного эксперимента.

Публикации. Результаты диссертационной работы опубликованы в 21 печатной работе.

Структура и объем диссертации. Работа состоит из введения, пяти глав, заключения, списка литературы и содержит 140 страниц машинописного текста, 72 рисунка, 23 таблицы, 105 библиографических ссылок и приложение.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении дана общая характеристика работы, показана актуальность разработки новых методов и средств визуализации рентгеновских изображений, сформулированы цель и задачи исследования, определены ее научная новизна и практическая ценность.

В первой главе рассмотрены принципы формирования рентгеновских изображений, ограничения метода и различные схемы построения систем визуализации. Приведен краткий обзор методов и средств регистрации рентгеновских изображений в нескольких спектральных диапазонах.

Анализ существующих решений показал, что мультиэнергетические методы радиографии расширяют возможности обработки изображений и позволяют проводить количественный анализ тканей. Причем в случае применения спектрозо-нальных рентгеновских детекторов информативность метода может быть повышена практически без увеличения дозы в плоскости объекта исследования. Однако, несмотря на большое количество отечественных разработок в области рентгеновского приборостроения, в России мультиэнергетические системы радиографии пока не внедрены.

Во второй главе предложена методика идентификации тканей, визуализирующихся на цифровых рентгеновских снимках, путем вычисления характеристических углов по соотношению интенсивностей рентгеновского излучения, измеренному в различных спектральных диапазонах, и использования результатов предварительной калибровки.

В качестве критерия идентификации тканей введены характеристические углы, определяемые выражениями:

(1)

где /'„ц),, , ^^л - массовые коэффициенты ослабления рентгеновского излучения ткани включения на высоких, средних и низких энергиях соответственно.

С учетом того, что отклонение от обычного анатомического рисунка представлено на снимке пространственно ограниченной областью затенения, вызванной включением в ОИ ткани, отличающейся по своим физическим свойствам от окружающей ткани, в качестве модели ОИ принималась модель, изображенная на рис. 1, а.

В предположении, что толщиной ткани включения можно пренебречь в сравнении с толщиной мягкой ткани, данная модель может быть описана системой уравнений, определяющих логарифмический контраст ткани включения на низких ,средних и высоких энергиях:

(2)

где 1{,1Л - интенсивности излучения в области фона и включения соответственно; 1т - интенсивность излучения на входе ОИ; ^и - плотность и толщина ткани включения.

В пространстве логарифмического контраста (см. рис. 1, б) система (2) определяет координаты вектора длина которого есть линейное интегральное ослабление излучения в области включения = • Ры,'яля среднего геометрического коэффициента поглощения Направление же вектора в пространстве однозначно задается характеристическими углами и , причем величина углов зависит только от отношения коэффициентов поглощения ткани включения на разных эффективных энергиях и не зависит от плотности и толщины ткани в направлении просвечивания.

Рис. 1. Модель объекта исследования.

Для практической реализации метода измерений величина цл была выражена из закона экспоненциального ослабления монохроматического рентгеновского потока, и уравнения (1) заменялись эквивалентными соотношениями:

(3)

Показано, что среднеквадратичные погрешности измерений характеристических углов и обусловленные квантовой природой излучения, определяются выражениями:

где Ы,, - количество квантов, зарегистрированных по полю зональных изображений в области фона и объекта соответственно. Откуда следует, что для снижения статистической погрешности измерений необходимо выбирать как можно меньшие энергии излучения для формирования низкоэнергетического изображения, и как можно большие энергии для формирования средне- и высокоэнергетического изображений.

Калибровку системы регистрации предложено осуществлять по фантому, включающему базовые вещества с известными параметрами - плотностью , толщиной 1 в направлении просвечивания и атомным номером Z. Представлены две методики калибровки - путем построения калибровочного графика и путем определения неизвестных коэффициентов. Получены соотношения для расчета эффективного атомного номера ткани включения по углу <р и по углу в

где в = 7-!(г(£л)2 + т(Ет)г + г(£,)2)-г(£4)2; у = Г2^)2 +<г(£„)2 +<7(Е,)')-а(Е1,)г;

Коэффициенты, характеризующие фотопоглощение и

рассеяние квантов , находятся экспериментально с помощью

базовых веществ по соотношению интенсивностей рентгеновского излучения в прямом и ослабленном базовым веществом пучках на различных энергиях. Отмечено, что необходимым условием калибровки является наличие базиса - как минимум, двух материалов. Причем значения их атомных номеров должны соответствовать границам интервала, в пределах которого будет осуществляться измерение эффективных атомных номеров.

В третьей главе представлены результаты экспериментального исследования, выполненного с помощью предложенной методики измерения эффективных атомных номеров вещества включений, визуализирующихся на цифровых рентгеновских снимках, зарегистрированных в нескольких спектральных диапазонах. Выявлено влияние фильтрации излучения на «ход с жесткостью» экспериментальных результатов.

Для получения зональных изображений использовался сканирующий цифровой флюорографический аппарат с полупроводниковой линейкой рентгеночув-ствительных датчиков.

Был изготовлен рентгеновский фантом площадью 23x14.5 см2, включающий фильтр, эквивалентный 19 мм А1, и контейнер, содержащий 16 образцов из материалов с эффективными атомными номерами от 6 до 27, залитый полиуретановой пеной. В качестве образцов использовались, в частности, камни мочевыводящих и желчевыводящих путей и клин из алюминиевого сплава Д16. Фантом размещался в плоскости детектора фильтром к детектору. Выполнялась серия из трех снимков при напряжениях на рентгеновской трубке — и, =55кВ, и„ =85кВ и £/, =125кВ. По результатам измерения логарифмических контрастов тканей, имеющих известные параметры, и вычисления характеристических углов строились калибровочные кривые (см. рис. 2).

Рис 2 Калибровочные кривые

Ниже представлены уравнения аппроксимирующих прямых для каждого случая с указанием величины достоверности аппроксимации

« во

1 70

о

и во

4 в в 10 12 М 1в 18 20 22 24 Эффективный атомный номер

в = 0.7183 г^ + 55.13,

р = -0.8651 2^+50.518, (4)

С помощью соотношений (4) рассчитывались эффективные атомные номера образцов, присутствующих на регистрируемых изображениях. Относительные погрешности измерений по углам и для образцов, имеющих простую форму поверхности, оказались ниже 30 %.

По клину из алюминиевого сплава характеристические углы вычислялись для отдельных ступеней. Установлено, что с увеличением толщины клина и с ростом радиационного контраста ткани погрешности в измерениях снижаются, а характеристические углы флуктуируют относительно среднего значения, т.е. не наблюдается «ход с жесткостью», обусловленный собственной фильтрацией излучения в области включения и искажением энергетического спектра. Используя часть клина как дополнительный фильтр, были определены характеристические углы при фиксированной толщине включения, равной 2мм алюминиевого сплава. Полученные данные выявили незначительное увеличение значений характеристических углов при увеличении фильтрации излучения. Отмечено, что практическое отсутствие «хода с жесткостью» экспериментальных результатов обусловлено значительной предварительной фильтрацией излучения, формирующей квазимонохроматический рентгеновский пучок.

Для выяснения влияния фильтрации излучения на результаты измерений было проведено отдельное исследование на клине из чистого алюминия. Клин площадью 150x20 мм2, толщиной в направлении просвечивания от 1 до 10 мм с равномерным шагом, равным 1 мм, размещался в плоскости детектора. С целью уменьшения влияния на результаты измерений геометрии съемки и параметров детектора по периметру клина укладывался свинец, и выполнялись два снимка при напряжениях на рентгеновской трубке 1}и = 85 кВ и и, =55 кВ.

Результаты исследования выявили сильную зависимость величины характеристического угла от толщины включения в направлении просвечивания и рост погрешности измерений с увеличением фильтрации излучения. Показано, что на величину характеристических углов влияют как дополнительная, так и собствен-

ная фильтрация излучения в области включения. Причем это влияние сказывается тем в большей степени, чем меньше величина дополнительной фильтрации, что обусловлено уменьшением степени монохроматичности излучения, воздействующего на объект исследования и детектор.

Для сравнения двух методик калибровки строились диаграммы рассеяния экспериментальных данных, показавшие, что при калибровке системы путем расчета коэффициентов и завышаются результаты измерений в средней части диапазона определяемых значений эффективных атомных номеров.

В четвертой главе представлена структура и математическая модель спек-трозонального рентгеновского детектора, обеспечивающего регистрацию рентгеновских квантов по трем энергетически разнесенным каналам.

В качестве конвертора излучений в детекторе используются последовательно расположенные в газовой среде три группы пластин из фольги различных металлов - меди, серебра и золота. Каждая группа пластин осуществляет последовательную фильтрацию излучения. Физические свойства используемых металлов позволяют построить фильтр, работающий следующим образом: длинноволновая часть спектра поглощается группой медных пластин, более жесткое излучение поглощается группой пластин из серебра, и, наконец, коротковолновая часть спектра поглощается группой пластин из золота. Соответствующий подбор толщины отдельных пластин и количества пластин в группах дает возможность строить фильтр с заданными характеристиками.

На рис. 3 изображен схематически однокоординатный спектрозональный рентгеновский детектор. Детектор содержит корпус 1, входное окно 2, конвертор

Рис. 3. Структура спектрозонального рентгеновского детектора

излучения, включающий группу одинаковых пластин из медной фольги, 3, группу одинаковых пластин из серебряной фольги 4, группу одинаковых пластин из золотой фольги 5 и разделяющие группы пластины из фольги легкого металла, например алюминия, 6, а также многопроволочную пропорциональную камеру 7. Внутренний объем детектора заполнен газом.

Показано, что квантовая эффективность детектора определяется выражением: QE(I,E) = ;у(£)г(£)Р(/), где г}(Е) - эффективность абсорбции квантов в чувствительной области детектора; е(Е) - эффективность преобразования энергии рент-I еновских квантов в другие виды энергии; Д/) - функция просчетов.

Пороговый контраст, характеризующий качество регистрируемых изображений, задан уравнением:

где - число квантов, достигших детектора за время исследования ; - время разрешения системы; у/ - пик-фактор шума.

Отмечено, что данное соотношение позволяет определить динамический диапазон детектора, работающего в счетном режиме.

Выполнена оптимизация геометрии конвертора излучений и осуществлен расчет распределения электрического потенциала в межэлектродном пространстве.

Описан способ изготовления конвертора излучений методом химического фрезерования.

Для исследования характеристик спектрозонального детектора была предложена схема процессов, протекающих в конверторе при поглощении рентгеновского излучения, и разработана компьютерная программа, позволяющая методом имитационного моделирования отследить жизненный цикл каждой частицы, достигшей чувствительной области детектора.

Имитационная модель разрабатывалась в среде МаШСАО. Программа включает три основных блока, каждый из которых описывает один из каналов ослабления: абсорбцию рентгеновских квантов, конверсию квантов в фотоэлектро-

/

¥

ны и пространственное размытие области поглощения. В качестве входных данных задаются геометрические размеры отдельных пластин конвертора, количество пластин в группах, материал пластин, ширина газового промежутка между пластинами и давление газа. На выходе вычисляется квантовая эффективность детектора и его частотно-контрастная характеристика.

В пятой главе определено влияние параметров конвертора излучений на характеристики спектрозонального рентгеновского детектора и исследованы потенциальные возможности спектрозональной системы визуализации.

Для выявления общих закономерностей была проведена серия вычислительных экспериментов на модели детектора, содержащего пластины из фольги меди толщиной 1 мкм, с суммарной толщиной области поглощения 200 мкм; пластины из фольги серебра толщиной 2 мкм, с суммарной толщиной области 200 мкм; пластины из фольги золота толщиной 5 мкм, с суммарной толщиной области 100 мкм. Газовый промежуток между пластинами составлял 1мм.

Зависимости эффективности абсорбции рентгеновских фотонов от энергии квантов (см. рис. 4, а) для данных слоев металла иллюстрируют характерные черты фотоэлектрического поглощения - экспоненциальная затухающая кривая и резонанс в области энергий К-оболочки атомов золота. Последовательная фильтрация излучения (см. рис. 4, б) повышает жесткость рентгеновских лучей и приводит к снижению эффективности абсорбции в последующих слоях конвертора.

График изменения эффективности конверсии рентгеновских квантов в фотоэлектроны в зависимости от энергии квантов (см. рис. 4, в) показывает, что с ростом энергии рентгеновских квантов количество фотоэлектронов, покидающих пределы отдельной пластины конвертора, достаточно быстро растет, однако по достижении энергии возбуждения К-оболочки происходит резкое падение конверсионной способности, обусловленное снижением доли высокоэнергетических фотоэлектронов, генерируемых в системе. При дальнейшем повышении энергии квантов вновь наблюдается быстрый рост конверсионной способности, достигающей в итоге своего насыщения.

Пересечение процессов абсорбции и конверсии квантов (см. рис. 4, г) определяет квантовую эффективность и спектральную чувствительность спектрозо-

нального рентгеновского детектора в зависимости от энергии квантов. Легко видеть, что в области спектральной чувствительности детектора, имеющего описанные выше геометрические параметры, можно выделить три спектральных диапазона, в которых имеются максимумы спектральной чувствительности, приходящиеся соответственно на энергии 40, 80 и 160 кэВ. Полученные спектральные диапазоны сопряжены с физическими свойствами тканей организма человека.

Рис. 4. Характеристики спектрозонального рентгеновского детектора. гЦЯАи), е!(£йе), £3(011')- эффективность конверсии квантов для золотой, серебряной и медной пластин конвертора; QE, QEau, QEag, QEcu - квантовая эффективность детектора и трех групп пластин конвертора

Для выявления зависимости изображающей способности детектора от его конструктивных параметров и от энергии рентгеновских квантов исследовался отклик модели детектора на объекты исследования простой формы. Было подтверждено, что металлические пластины из фольги практически не снижают качество регистрируемых изображений. Причем контраст в изображении рентгеновской миры ухудшается с увеличением толщины пластин конвертора и с увеличением энергии квантов, но величина эффекта столь мала, что в целом качество изо-16

бражения определяется величиной размытия области конверсии в газовой среде.

Частотно-контрастные характеристики, рассчитанные на энергиях, соответствующих максимумам спектральной чувствительности, показали, что при уменьшении зазора между отдельными пластинами конвертора, увеличении толщины отдельных пластин и увеличении давления газа пространственное разрешение детектора улучшается.

График, представленный на рис. 5, выражает величину пространственного разрешения по уровням контраста 0.1, 0.2 и 0.5 как функцию энергии рентгеновских квантов, рассчитанную для золотой компоненты конвертора. Согласно рисунку, в начале диапазона пространственное разрешение быстро ухудшается, что обусловлено увеличением энергии фотоэлектронов, далее (выше 120 кэВ) разрешение практически не зависит от энергии, поскольку определяется расстоянием между пластинами конвертора. Наличие локального максимума в области 105 кэВ можно объяснить увеличением доли низкоэнергетических фотоэлектронов, образующихся на К- оболочке атомов золота. Подобные зависимости были получены для медной и серебряной компонент конвертора.

О 100 200 300 400

Энергия квантов, кэВ

Рис. 5. Зависимость пространственного разрешения от энергии рентгеновских квантов по заданному уровню контраста для конвертора, имеющего пластины из фольги золота толщиной 1мкм и газовый промежуток шириной ЗООмкм при давлении 1 атм.

Для выявления чувствительности системы по эффективному атомному номеру была разработана математическая модель, имитирующая процессы прохождения рентгеновского излучения по отдельным звеньям системы методом Монте-Карло. Модель учитывала спектральное распределение излучения рентгеновской

17

трубки, структуру модели ОИ и спектральную чувствительность детектора. При моделировании спектр излучения определялся для 300 кВп на рентгеновской трубке.

В результате экспериментов, проведенных на модели системы, было установлено, что отличие между характеристическими углами, определенными для веществ с различными Z, уменьшается при увеличении размеров включения и суммарной фильтрации излучения. Причем при возрастании Z эффект от увеличения размеров включения выражен сильнее, что можно объяснить наличием собственной фильтрации излучения в области включения, благодаря чему эффективная энергия, на которой регистрируется изображение, смещается в сторону более высоких энергий.

Калибровка модели системы выполнялась с помощью набора калибровочных фильтров: углерод - 5 мм, алюминий - 5 мм, титан - 1 мм. Каждая из кривых (см. рис. 6) реализована для различной суммарной фильтрации излучения. Легко видеть, что с увеличением фильтрации угол наклона кривых к оси Z уменьшается, поскольку уменьшается различие между эффективными коэффициентами поглощения.

г

Эффективный атомный номер

Рис. 6 Калибровочные кривые при различной фильтрации излучения

Для оценки чувствительности системы по эффективному атомному номеру была проведена серия экспериментов на модели системы с различными веществами и химическими соединениями. Результаты, полученные по характеристиче-

25 20 15 10 5

тк

А

а

О 2эфф теор ♦ 2эфф эксп

Рис 7 Теоретические и экспериментальные значения эффективных атомных номеров для различных веществ

скому у глу в при общей фильтрации излучения 20 мм А1, иллюстрирует рис. 7.

Погрешности в измерении для характеристической кривой

,4/_20мм определялись полосой неопределенности исходных экспериментальных данных. Кривая А1_20мм аппроксимировалась прямой, описываемой уравнением

„ „ „ втп =07 2 + (54 2 + сг_„)

в = 07 /+54 2,а полоса погрешностей - системой уравнений ,

где - наибольшее по диапазону среднеквадратическое отклонение экспериментальных данных, откуда

(0т„ -54 2)±с„, 07

Основные результаты исследований

1. Выработан количественный критерий идентификации тканей, визуализирующихся на цифровых рентгеновских снимках, в форме характеристических углов, вычисляемых по соотношению интенсивностей рентгеновского излучения, измеренному в различных спектральных диапазонах. Выявлены метрологические ограничения предложенной методики измерений характеристических углов, обусловленные квантовой природой излучения и неточностью расчетной формулы, не учитывающей эффект замещения тканей.

2. Предложена методика определения эффективного атомного номера вещества ткани включения по результатам проведения предварительной калибровки

системы регистрации и вычисления характеристических углов. Описана методика калибровки спектрозональной системы регистрации рентгеновских изображений путем построения градуировочной характеристики или расчета коэффициентов, характеризующих фотопоглощение и рассеяние квантов.

3. Исследовано влияние геометрических размеров включения и общей фильтрации излучения на результаты измерения эффективного атомного номера. Получены зависимости, определяющие «ход с жесткостью» характеристических углов от величины собственной и дополнительной фильтрации излучения. Экспериментально показано, что при использовании полихроматического источника рентгеновского излучения эффективный атомный номер вещества ткани включения может быть восстановлен с погрешностью менее 30%.

4. Разработана структура и математическая модель спектрозонального детектора, дающего возможность за одно включение высокого напряжения на рентгеновской трубке регистрировать три зональных рентгеновских изображения, согласованных с физическими свойствами тканей организма человека. Найдены соотношения, описывающие квантовую эффективность отдельного канала детектора как функцию энергии рентгеновских квантов и интенсивности входного потока. Величина порогового контраста определена как функция количества квантов, приведенных к входу детектора за время исследования. Предложена методика априорной оценки динамического диапазона рентгенодиагностических систем, работающих в счетном режиме.

5. Разработаны алгоритмы и программа расчета параметров спектрозонального рентгеновского детектора. Методом имитационного моделирования получены зависимости спектральной чувствительности и пространственного разрешения детектора от геометрических параметров конвертора излучений.

6. Разработана математическая модель системы регистрации рентгеновских изображений, учитывающая свойства объекта исследования, спектральные характеристики излучателя и приемника рентгеновского излучения. Показано, что предложенный спектрозональный рентгеновский детектор дает возможность дифференцировать ткани по характеристическим углам и определять их эффективные атомные номера.

7. Изготовлен макет конвертора излучений методом химического фрезерования.

Основные положения диссертации изложены в следующих публикациях:

1. Корнев ЕА., Десятков ГА, Лелюхин А.С., Петрушанский М.Г., Моровов

A.П. Рентгеновизуальная цифровая система на основе газового координатно-чувствителыюго детектора больших размеров #КР-244 //Конверсионный потенциал Кыргызской Республики и проекты МНТЦ: Материалы международного семинара. Ч.2.- Бишкек, 1998. - С. 128-138

2. Корпев ЕА, Петрушанский М.Г., Лелюхин А.С., Каганский П.Л., Васильев И.А., Алехина В.М., Маматибраимов С. Анализатор случайного распределения амплитуды импульсов для детектора ионизирующего излучения //Материалы научной конференции, посвященной 200-летнему юбилею А.С. Пушкина в Кыргызстане /Кыргызско-Российский Славянский университет.- Бишкек, 2000. - С. 22-24

3. Корнев ЕА, Петрушанский М.Г., Лелюхин А.С, Васильев ИА, Алехина

B.М., Маматибраимов С. Альфа-спектрометр для анализа распространения техногенного урана вокруг хвостохранилищ //Материалы международной юбилейной научно-практической конференции, посвященной 30-летию ОГУ /Оренбургский государственный университет. - Оренбург, 2001. - С. 344-345

4. Корнев ЕА, Лелюхин А.С., Петрушанский М.Г. Применение газовых детекторов в качестве электронного аналога рентгеновской пленки //Материалы международной юбилейной научно-практической конференции, посвященной 30-летию ОГУ /Оренбургский государственный университет.-Оренбург, 2001.- С.346

5. Лелюхин А.С. Разработка информационно-измерительной системы визуализации рентгеновских изображений //Материалы региональной научно-практической конференции молодых ученых и специалистов. Ч.2. -Оренбург,

2002. - С.33-35

6. Пищухин A.M., Корнев ЕА, Лелюхин А.С. Оптимизация параметров сканирующей информационно-измерительной системы визуализации рентгеновских изображений //Современные информационные технологии в науке, образовании и практике: Материалы региональной научно-практической конференции. - Оренбург, 2002. - С. 129-135

7. Лелюхин А.С Определение динамического диапазона цифровой рентгено-визуальной системы //Материалы региональной научно-практической конференции молодых ученых и специалистов. Ч.2.- Оренбург, 2003. - С.26-28

8. Аджиева М.Д., Лелюхин А.С. Расчет распределения электрического потенциала в конверторе излучений //Материалы региональной научно-практической конференции молодых ученых и специалистов. Ч.2.- Оренбург,

2003.-С.4-5

9. Липаткин В.И., Каньшин В.В., Лелюхин А.С. Динамический диапазон цифровой рентгенодиагностической системы, работающей в счетном режиме //Медицинская техника. - 2003. - №6. - С. 19-21

10. Бондаренко ВА, Корнев ЕА., Петрушанский М.Г. Лелюхин А.С. Беспроволочный микроточечный рентгеновский детектор. Патент №2210139 от 10.08.2003. Россия.

11. Лелюхин А.С., Корнев Е.А. Спектрозональный рентгеновский детектор //Медицинская техника. - 2004. - №4. - С. 13-16

12. Лелюхин А.С, Корнев Е.А., Каньшин В.В. Применение спектрозонально-го рентгеновского детектора для определения эффективного атомного номера поглощающей ткани //Медицинская техника. - 2004. - №5. - С. 11-16

13. Корнев ЕА, Лелюхин А.С., Петрушанский М.Г. Цифровая флюорографическая система //Датчики и системы. - 2004.- №6. - С. 55-58

14. Корнев ЕА, Лелюхин А.С. Квантовая эффективность регистрации рентгеновского детектора с комплементарным конвертором излучений //Датчики и системы. - 2004. - №9.- С 50-52

15. Корнев ЕА, Лелюхин А.С. Исследование пространственных характеристик детектора жесткого рентгеновского излучения //Датчики и системы. - 2004.-№10. -С. 8-12

16. Лелюхин А.С. Однокоординатный детектор жесткого рентгеновского излучения. Патент № 2239208 от 27.10.2004. Россия.

17. Лелюхин А.С. "Программа для расчета параметров спектрозонального рентгеновского детектора". Свидетельство об официальной регистрации программы для ЭВМ № 2004610951 от 19.04.04. Российское агентство по патентам и товарным знакам.

18. Лелюхин А.С. "Спиральный детектор жесткого рентгеновского излучения". Решение о выдаче патента на изобретение от 20.04.04 по заявке №2003105275.

19. Лелюхин А.С. "Широкодиапазонный детектор рентгеновского излучения". Решение о выдаче патента на изобретение от 27.07.04 по заявке №2003105276.

20. Лелюхин А.С. "Газовый микроколодезный электронный умножитель". Решение о выдаче патента на изобретение от 28.07.04 по заявке №2003117870.

21. Лелюхин А.С., Корнев ЕА Заявка на изобретение "Спектрозональный рентгеновский детектор". Приоритет № 2004105282/28 от 20.02.2004.

Подписано в печать 17.11.2004 Формат 60x84 '/и, гарнитура «Таймс» Усл. печ. листов 1,0. Тираж 100 экз. Заказ 1146

ИПК ГОУ ОГУ 460352 г. Оренбург ГСП пр. Победы, 13 Оренбургский государственный университет

32 62 2 У

ВВЕДЕНИЕ.

ГЛАВА 1. МЕТОДЫ И СРЕДСТВА ЦИФРОВОЙ РЕНТГЕНОГРАФИИ.

1.1 Формирование изображения в пучке рентгеновских лучей.

1.2 Статистические ограничения метода.

1.3 Экологические ограничения метода.

1.4 Традиционная рентгенография.

1.5 Мультиэнергетические методы радиографии.

ГЛАВА 2. КРИТЕРИЙ ИДЕНТИФИКАЦИИ И МЕТОДИКА ОПРЕДЕЛЕНИЯ ЭФФЕКТИВНОГО АТОМНОГО НОМЕРА ТКАНИ ВКЛЮЧЕНИЯ.

2.1 Характеристические углы тканей.

2.2 Погрешности, возникающие при измерении характеристических углов.

2.3 Калибровка системы и определение эффективного атомного номера ткани включения.

ГЛАВА 3. ИЗМЕРЕНИЕ ЭФФЕКТИВНЫХ АТОМНЫХ НОМЕРОВ ТКАНЕЙ.

3.1 Экспериментальная установка.

3.2 Методика проведения эксперимента.

3.3. Экспериментальные результаты.

3.4 Исследование влияния фильтрации излучения.

3.5 Калибровка системы регистрации по универсальным зависимостям

ГЛАВА 4 СПЕКТРОЗОНАЛЬНЫЙ РЕНТГЕНОВСКИЙ ДЕТЕКТОР

4.1 Структура газового спектрозонального рентгеновского детектора.

4.2 Эффективность регистрации рентгеновского излучения.

4.3 Пороговый контраст и динамический диапазон детектора.

4.4 Оптимизация параметров конвертора излучений.

4.5 Распределение электрического потенциала в конверторе излучений.

4.6 Методика изготовления конвертора излучений.

4 7 Математическая модель детектора.

4.7.1 Схема физического процесса, протекающего в детекторе.

4.7.2 Алгоритмы и программа расчета параметров детектора.

4.7.3 Абсорбция излучения.

4.7.4 Конверсия излучения.

4.7.5 Пространственное разрешение.

4.7.6 Расчет взаимодействий.

4.7.7 Визуализация результатов.

ГЛАВА 5. ИССЛЕДОВАНИЕ ХАРАКТЕРИСТИК ДЕТЕКТОРА И СИСТЕМЫ ВИЗУАЛИЗАЦИИ.

5.1 Квантовая эффективность регистрации спектрозонального детектора.

5.2 Размытие изображения металлическими фольгами.

5.3 Пространственное разрешение спектрозонального детектора.

5.4 Имитационная модель спектрозональной системы визуализации.

В качестве приемника-преобразователя рентгеновского излучения традиционно используется рентгеновская пленка, способная под действием рентгеновских квантов изменять свои физические свойства и фиксировать скрытое изображение в результате последующей физико-химической обработки. Но применение в медицинской практике рентгеновской пленки в сочетании с усиливающими экранами требует значительных дозовых нагрузок на объект исследования в процессе формирования скрытого изображения в пучке рентгеновских лучей. Помимо этого пленочным методам присущи большой расход дорогостоящих рентгеновских фотоматериалов и длительный, трудоемкий процесс получения и обработки изображений.

Современное состояние уровня техники позволяет переходить на более экологичные методы диагностики, в основе которых лежат новые информационные технологии.

Расширить диагностические возможности обычной рентгенографии можно путем применения мультиэнергетических методов регистрации и рентгеновских детекторов, обеспечивающих воспроизведение изображений в нескольких спектральных диапазонах.

Объекты исследования (ОИ), визуализирующиеся на рентгеновских снимках, как правило, являются сложными недетерминированными пространственными и энергетическими фильтрами по отношению к первичному рентгеновскому пучку. Следовательно, спектральный состав рентгеновского излучения за ОИ несет дополнительную информацию о его структуре. Как отмечается в работах Н.Н. Блинова и Р.Е. Быкова /84, 85/, анализ спектрального состава излучения, прошедшего сквозь объект исследования, повышает информативность рентгеновской диагностики. Спектрозональные методы регистрации предполагают воспроизведение серии рентгеновских изображений одной сцены, полученных при различных эффективных энергиях излучения в пределах нескольких спектральных зон. Синтез рентгеновских изображений, зарегистрированных в различных спектральных областях, увеличивает число оценочных параметров, что обеспечивает получение более информативных снимков, увеличивает возможности последующей математической обработки и позволяет задействовать цветовое зрение человека в процессе интерпретации спектрозональных изображений.

Таким образом, в отличие от традиционных методов, фиксирующих лишь теневую картину, по которой можно обнаружить на изображении отклонения от анатомического рисунка, спектрозональные методы регистрации позволяют идентифицировать физическую природу ткани включения, визуализирующегося на снимке. Так, например, на флюорограмме (рентгенограмме) кальцинаты и сосуды в ортопроекции могут выглядеть одинаково. Дифференцировать объект в данном случае можно, выполнив дополнительные рентгенографические исследования (в другой проекции, томограммы и т. д.), что ведет к увеличению дозовой нагрузки на пациента и дополнительным материальным затратам. Однако известны также методы восстановления эффективного атомного номера и электронной плотности вещества ткани" включения путем проведения мультиэнергетической радиографии. С учетом того, что очень часто распознавание кальцинатов проводится у тубинфицированных детей, определение за один снимок эффективного атомного номера включения, формирующего тень на изображении, приобретает особый смысл.

Другим примером важности определения физической природы ткани включения в медицине является состав камней в мочевыводящих путях при мочекаменной болезни. Оценка физико-химического состава камней, визуализирующихся на снимке, по эффективному атомному номеру позволит, в определенной мере, выбирать тактику ведения пациента, метод лечения (хирургический или терапевтический) и прогнозировать длительность курса литотрипсии. Кроме этого в рентгенодиагностике имеется множество других ситуаций, когда необходимо знать природу дифференцируемых на снимке объектов, в частности, идентифицировать камень или пузырь воздуха при контрастировании желчевыводящих путей или дополнительные включения в опухолевидных образованиях, анализ которых способствует более точному установлению характера образований.

На сегодняшний день наиболее информативными являются методы компьютерной томографии, с помощью которых можно судить о пространственных характеристиках объекта и природе его ткани по ее плотности, но практическое применение данной методики ограничено высокой стоимостью исследования.

Теоретическая модель мультиэнергетической радиографии предложена в работах С.В. Найденова и В.Д. Рыжикова /82, 83/. Экспериментальное исследование с целью определения эффективного атомного номера желчных камней методом хмультиэнергетической радиографии выполнил Р.Д. Спеллер /86/. Известны также работы по выявлению микрокальцинатов в молочной железе /63, 68/ и работы по разделению изображений при оценке легочной патологии /80/. Тем не менее, широкого распространения в медицинской диагностике методы мультиэнергетической рентгенографии пока не получили.

Специфика воспроизведения диагностических рентгеновских изображений позволяет эффективно использовать в качестве приемника-преобразователя излучения газонаполненные позиционно-чувствительные детекторы, широко применяемые в научных исследованиях в области физики высоких энергий. Методика газонаполненных позиционно-чувствительных приемников-преобразователей рентгеновского излучения и их применения 10 для биомедицинских исследований предложена Ю.В. Заневским, В.Д.

Пешехоновым /87/ и развита в работах А.Г. Хабахпашева и С.Е. Бару /38, 88/.

Сегодня газовые детекторы успешно эксплуатируются в ряде отечественных комплексов для профилактических исследований органов грудной полости. Первая отечественная цифровая рентгенографическая установка для медицинской диагностики была разработана в середине 80-х годов в Институте ядерной физики СО РАН /88/. В качестве детектора использовалась многопроволочная пропорциональная камера (МПК),

• работающая в счетном режиме, благодаря чему обеспечивалось хорошее отношение сигнал/шум. Но счетный режим не позволял повысить давление рабочего газа выше 3 атм., и в результате квантовая эффективность регистрации системы была менее 30%. Кроме того, данная система имела ограниченный динамический диапазон — не более 130. Следующим шагом стала разработка детектора, работающего в ионизационном режиме. В 2000 году была представлена микростриповая ионизационная камера (МИК), работающая при давлении до 15 атм., в результате чего квантовая

• эффективность регистрации системы достигла 80%, но отношение сигнал/шум при низких входных дозах ухудшилось в сравнении с МПК /37/. Переход в ионизационный режим обеспечил увеличение числа каналов регистрации с 640 для МПК до 1024 для МИК при незначительном увеличении дозы в плоскости детектора, необходимой для регистрации изображения. Динамический диапазон был расширен до 400. Однако высокое давление в камере усложняет конструкцию детектора и накладывает жесткие требования на обеспечение безопасности при эксплуатации системы.

• В 1995 году нобелевский лауреат 1992 года по физике Ж. Шарпак предложил использовать в газовых детекторах с целью повышения эффективности регистрации и снижения давления конвертор излучения в виде многоканальной механической структуры, выполненной из тяжелого металла /90/.

Расчеты показывают, что применение конвертора позволяет более эффективно использовать энергию рентгеновского излучения, в результате чего сокращается время проведения диагностических исследований и, следовательно, дозовые нагрузки на объект исследования.

В связи с возросшим интересом к спектрозональным системам регистрации идея применения конвертора излучения в составе газовых детекторов может получить дальнейшее развитие.

Но практическая реализация спектрозональной медицинской диагностической системы на базе детектора с конвертором без предварительных исследований весьма проблематична. Необходимо выработать количественный критерий идентификации тканей, выбрать спектральные диапазоны регистрации, разработать методику измерений, определить оптимальную геометрию конвертора излучений, исследовать факторы, влияющие на эффективность регистрации рентгеновского излучения, оптимизировать спектральную чувствительность детектора и оценить его пространственное разрешение.

Целью данной работы является развитие спектрозонального метода идентификации тканей и решение физической и математической задач определения структуры рентгеновского детектора, обеспечивающего получение изображений в нескольких спектральных диапазонах.

Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:

1. Выработать количественный критерий идентификации тканей и методику определения эффективного атомного номера вещества ткани включения, визуализирующегося на цифровых рентгеновских снимках, оценить методические погрешности.

2. Экспериментально исследовать влияние геометрических размеров включения и общей фильтрации излучения на результаты измерения эффективного атомного номера.

3. Разработать структуру спектрозонального детектора и математическую модель, описывающую процессы, происходящие в чувствительной области детектора при регистрации кванта рентгеновского излучения.

4. Исследовать факторы, определяющие спектральную чувствительность и пространственное разрешение детектора.

5. Разработать математическую модель системы регистрации рентгеновских изображений, учитывающую свойства объекта исследования, спектральные характеристики излучателя и приемника рентгеновского излучения, и сравнить результаты вычислительного и физического экспериментов.

В ходе решения поставленных задач были использованы методы: имитационного моделирования с применением системы математического моделирования MathCAD, методы оптимизации, численного решения дифференциальных уравнений, а также статистические методы обработки данных.

В результате решения задач исследования в работе были предложены и выявлены:

1. Новый количественный критерий идентификации тканей в форме характеристических углов, вычисляемых по соотношению сечений взаимодействия, определенных для различных эффективных энергий квантов монохроматического рентгеновского излучения.

2. Методика спектрозональной радиографии, обеспечивающая восстановление эффективного атомного номера вещества ткани включения путем проведения предварительной калибровки системы регистрации и вычисления характеристических углов по соотношению логарифмических контрастов ткани включения, измеренных в различных спектральных диапазонах.

3. Методика калибровки спектрозональной системы регистрации рентгеновских изображений путем построения градуировочной характеристики или расчета коэффициентов, характеризующих фотопоглощение и рассеяние квантов.

4. Зависимости, определяющие «ход с жесткостью» характеристических углов от величины собственной и дополнительной фильтрации излучения. Экспериментально показано, что при использовании полихроматического источника рентгеновского излучения эффективный атомный номер вещества ткани включения может быть восстановлен с погрешностью менее 30%.

5. Структура и математическая модель спектрозонального детектора. Получены соотношения, описывающие эффективность регистрации отдельного канала детектора как функцию энергии рентгеновских квантов и интенсивности входного потока. Величина порогового контраста определена как функция количества квантов, приведенных к входу детектора за время исследования (накопления изображения). Предложен метод априорной оценки динамического диапазона рентгенодиагностических систем, работающих в счетном режиме.

6. Зависимости спектральной чувствительности и пространственного разрешения детектора от геометрических параметров конвертора излучений.

7. Математическая модель спектрозональной системы регистрации рентгеновских изображений.

Апробация работы проведена на Международном семинаре «Конверсионный потенциал Кыргызской Республики и проекты МНТЦ» (Бишкек - 1998); Международной юбилейной научно-практической конференции, посвященной 30-летию ОГУ (0ренбург-2001); региональных научно-практических конференциях (0ренбург-2002, 0ренбург-2003); научных семинарах кафедры ПТРС ОГУ.

Отдельные результаты работы были реализованы в Оренбургской областной клинической больнице и в учебном процессе на кафедре проектирования и технологии радиоэлектронных средств Оренбургского государственного университета.

Практическую ценность работы представляют:

- методика определения эффективного атомного номера ткани включения, визуализирующегося на цифровых рентгеновских снимках, зарегистрированных в нескольких спектральных диапазонах;

- структура спектрозонального рентгеновского детектора, дающего возможность за одно включение высокого напряжения на рентгеновской трубке регистрировать три зональных рентгеновских изображения, согласованных с физическими свойствами тканей организма человека;

- алгоритм и программа расчета параметров спектрозонального рентгеновского детектора;

- способ изготовления конвертора излучений методом химического фрезерования.

На защиту выносятся следующие положения:

1. Критерий идентификации тканей и методика определения эффективного атомного номера вещества ткани включения.

2. Методика калибровки системы регистрации спектрозональных рентгеновских изображений.

3. Зависимости, определяющие «ход с жесткостью» характеристических углов от величины собственной и дополнительной фильтрации излучения.

4. Структурная схема и математическая модель спектрозонального рентгеновского детектора. Зависимости спектральной чувствительности и пространственного разрешения детектора от геометрических параметров конвертора излучения.

5. Математическая модель системы регистрации рентгеновских изображений и результаты вычислительного эксперимента.

Основные результаты работы, изложенной в диссертации, следующие:

1. Выработан количественный критерий идентификации тканей, визуализирующихся на цифровых рентгеновских снимках, в форме характеристических углов, вычисляемых по соотношению интенсивностей рентгеновского излучения, измеренному в различных спектральных диапазонах. Выявлены метрологические ограничения предложенной методики измерений характеристических углов, обусловленные квантовой природой излучения и неточностью расчетной формулы, не учитывающей эффект замещения тканей.

2. Предложена методика определения эффективного атомного номера вещества ткани включения по результатам проведения предварительной калибровки системы регистрации и вычисления характеристических углов. Описана методика калибровки спектрозональной системы регистрации рентгеновских изображений путем построения градуировочной характеристики или расчета коэффициентов, характеризующих фотопоглощение и рассеяние квантов.

3. Исследовано влияние геометрических размеров включения и общей фильтрации излучения на результаты измерения эффективного атомного номера. Получены зависимости, определяющие «ход с жесткостью» характеристических углов от величины собственной и дополнительной фильтрации излучения. Экспериментально показано, что при использовании полихроматического источника рентгеновского излучения эффективный атомный номер вещества ткани включения может быть восстановлен с погрешностью менее 30%.

4. Разработана структура и математическая модель спектрозонального детектора, дающего возможность за одно включение высокого напряжения на рентгеновской трубке регистрировать три зональных рентгеновских изображения, согласованных с физическими свойствами тканей организма человека. Найдены соотношения, описывающие квантовую эффективность отдельного канала детектора как функцию энергии рентгеновских квантов и интенсивности входного потока. Величина порогового контраста определена как функция количества квантов, приведенных к входу детектора за время исследования (накопления изображения). Предложена методика априорной оценки динамического диапазона рентгенодиагностических систем, работающих в счетном режиме.

5. Разработаны алгоритмы и программа расчета параметров спектрозонального рентгеновского детектора. Методом имитационного моделирования получены зависимости спектральной чувствительности и пространственного разрешения детектора от геометрических параметров конвертора излучений.

6. Разработана математическая модель системы регистрации рентгеновских изображений, учитывающая свойства объекта исследования, спектральные характеристики излучателя и приемника рентгеновского излучения. Показано, что предложенный спектрозональный рентгеновский детектор дает возможность дифференцировать ткани по характеристическим углам и определять их эффективные атомные номера.

7. Изготовлен макет конвертора излучений методом химического фрезерования.

Достигнутые в работе результаты могут быть полезны при опытно-конструкторской разработке цифровых спектрозональных систем и могут служить исходными данными для проектов, имеющих целью построение спектрозональных систем или систем, обладающих высокой эффективностью регистрации в ограниченном энергетическом диапазоне.

В заключение автор выражает признательность своему научному руководителю - кандидату физико-математических наук Корневу Е.А. за постановку проблемы, обсуждение результатов и практическую помощь в проведении работ.

Автор искренне благодарит научного руководителя - доктора технических наук Пищухина A.M. за методическое сопровождение работы и постановку отдельных задач исследования.

Автор также выражает благодарность заведующему рентгенологическим отделением Оренбургской областной клинической больницы, главному рентгенологу ГУЗО Липаткину В.И., сотрудникам группы радиационного контроля Областной клинической больницы г.Оренбург Самакаеву Ю.Г. и Каныпину В.В. за ценные обсуждения, практические рекомендации и помощь, оказанную при подготовке диссертационной работы.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

1. Лелюхин А.С. Разработка информационно-измерительной системывизуализации рентгеновских изображений //Материалы региональной научно-практической конференции молодых ученых и специалистов. 4.2. -Оренбург, 2002. С.33-35

2. Лелюхин А.С. Определение динамического диапазона цифровой рентгеновизуальной системы //Материалы региональной научно-практической конференции молодых ученых и специалистов. Ч.2.-Оренбург, 2003. С.26-28

3. Аджиева М.Д., Лелюхин А.С. Расчет распределения электрического потенциала в конверторе излучений //Материалы региональной научно-практической конференции молодых ученых и специалистов. Ч.2.- Оренбург, 2003. С.4-5

4. Липаткин В.И., Каньшин В.В., Лелюхин А.С. Динамический диапазон цифровой рентгенодиагностической системы, работающей в счетном режиме //Медицинская техника. 2003. - №6. - С. 19-21

5. Ю.Бондаренко В.А., Корнев Е.А., Петрушанский М.Г. Лелюхин А.С. Беспроволочный микроточечный рентгеновский детектор. Патент №2210139 от 10.08.2003. Россия.

6. Лелюхин А.С., Корнев Е.А. Спектрозональный рентгеновский детектор //Медицинская техника. 2004. - №4. - С. 13-16

7. Лелюхин А.С., Корнев Е.А., Каньшин В.В. Применение спектрозонального рентгеновского детектора для определения эффективного атомного номера поглощающей ткани //Медицинская техника. -2004. -№5.-С. 11-16

8. Корнев Е.А., Лелюхин А.С., Петрушанский М.Г. Цифровая флюорографическая система //Датчики и системы. 2004.- №6. - С. 5558

9. Н.Корнев Е.А., Лелюхин А.С. Квантовая эффективность регистрации рентгеновского детектора с комплементарным конвертором излучений //Датчики и системы. 2004. - №9.- С. 50-52

10. Корнев Е.А., Лелюхин А.С. Исследование пространственных характеристик детектора жесткого рентгеновского излучения //Датчики и системы. 2004.- №10. -С. 8-12

11. Лелюхин А.С. Однокоординатный детектор жесткого рентгеновского излучения. Патент № 2239208 от 27.10.2004. Россия.

12. Лелюхин А.С. "Программа для расчета параметров спектрозонального рентгеновского детектора". Свидетельство об официальной регистрации программы для ЭВМ № 2004610951 от 19.04.04. Российское агентство по патентам и товарным знакам.

13. Лелюхин А.С. "Спиральный детектор жесткого рентгеновского излучения". Решение о выдаче патента на изобретение от 20.04.04 по заявке №2003105275.

14. Лелюхин А.С. "Широкодиапазонный детектор рентгеновскогоизлучения". Решение о выдаче патента на изобретение от 27.07.04 по заявке №2003105276.

15. Лелюхин А.С. "Газовый микроколодезный электронный умножитель". Решение о выдаче патента на изобретение от 28.07.04 по заявке №2003117870.

16. Лелюхин А.С., Корнев Е.А. Заявка на изобретение "Спектрозональный рентгеновский детектор". Приоритет № 2004105282/28 от 20.02.2004.

17. Рентгенотехника. Т.1. /Под. ред. В.В. Клюева. М.: Машиностроение, 1992.

18. Соснин Ф. Р. и др. Радиационный неразрушающий контроль. -Алмааты: Гылым, 1993.- 477с.

19. Источники и эффекты ионизирующего излучения. Отчет Научного комитета ООН по действию атомной радиации 2000. Т. 1. Источники (часть 1): Пер. с англ. /Под ред. Л.А. Ильина, С.П. Ярмоненко. М.: РАДЕКОН, 2002. - 308 с.

20. Результаты радиационно-гигиенической паспортизации в субъектах Российской Федерации за 2001 год (радиационно-гигиенический паспорт Российской Федерации). М., 2002. - 57 с.

21. Гаврилова Е.А., Булычева Г.А. Медицинское облучение населения Оренбургской области //Материалы международной научно-практической конференции «Радиационная безопасность в медицине». Сб. материалов. Суздаль, 2003. - С. 66-67

22. Радиационная безопасность. Рекомендации МКРЗ 1990г. Публикации 60, 61 МКРЗ: Пер. с англ. -М.: Энергоатомиздат, 1994.- 192 с.29.0сновные санитарные правила обеспечения радиационной безопасности (ОСПОРБ 99).- М., 2000.- 98 с.

23. Нормы радиационной безопасности (НРБ-99). СП 2.6.1.758-99.- М., 1999.

24. Блинов Н.Н., Мазуров A.PI. Медицинская ретгенотехника на пороге XXI века //Медицинская техника.-1999.-№5.-С. 3-6

25. Горбунов А.В., Азбель Н.С. Выявление больных туберкулезом при использовании различных типов флюорографов //Радиология и практика.- 2003. -№2.- С.36-37

26. Евфимьевский JI.B., Зеликман М.И., Садиков П.В. Опыт клинического использования малодозовых цифровых флюорографов //Радиология и практика.- 2003. -№2.- С.2-4

27. Портной Л.М., Вяткина Е.И., Сташук Г.А. К вопросу организации и внедрения в практическое здравоохранение России цифровой рентгенофлюорографии легких //Вестник рентгенологии и радиологии.- 2000. №5.- С10-19

28. Азбель Н.С., Жук Н.А., Багаева Н.Г. Опыт использования пленочных и цифровых флюорографов при профилактических и диагностических исследованиях органов грудной полости //Радиология и практика.-2002.-№4.- С.43-45

29. Малевич Э.Е. и др. Преимущество цифровых технологий в рентгенологии //Новости лучевой диагностики,- 2001.- №1-2.- С. 52-55

30. Белова И.Ю., Китаев В.М. Малодозовая цифровая рентгенография в профилактических обследованиях населения //Радиология и практика.-2001.-№2.- С.22-26

31. Бару С.Е., Поросев В.В., Хабахпашев А.Г., Шехтман Л.И. Характеристики цифровых детекторов рентгеновского излучения. -Препринт ИЯФ СО АН РФ. Новосибирск, 2001

32. Литвиненко С.В., Соколов А.В., Хоменко Е.В. Исследование характеристик качества средств визуализации для цифровых рентгено флюорографических комплексов //Медицинская техника.-2001.-№5.-С. 7-12

33. Бердяков Г.И., Ртищева Г.М., Кокуев А.Н. Особенности построения и применения цифровых рентгеновских аппаратов для исследования легких //Медицинская техника.-1998.-№5.-С. 35-40

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

35. Блинов Н.Н., Козловский Э.Б. и др. Особенности цифровых электронно-оптических систем для рентгенодиагностики //Медицинская техника.-1999.-№5.-С. 24-26

36. Кантер Б.М. Методы и средства малодозовой цифровой флюорографии //Медицинская техника.- 1999.-№5.-С. 10-13

37. Блинов Н.Н., Горелик Ф.Г. Современные возможности традиционной флюорографии //Медицинская техника.-1999.-№4.-С. 30-34

38. Чикирдин Э.Г. Отечественная медицинская рентгенотехника с уверенностью вступает в 2000 г. //Медицинская техника.-2000.-№5.-С.3-6

39. Горелик Ф.Г. Отечественные рентгенографические приемники изображения //Медицинская техника.-2000.-№2.-С. 25-29

40. Черний А.Н., Болдин А.Б. Техника и технология получения цифровых рентгенофлюорографических снимков //Медицинская техника.-2001.-№4.-С. 43-46

41. Чикирдин Э.Г. Отечественная рентгенодиагнистическая аппаратура на выставке «Здравоохранение —2001» //Медицинская техника.-2002.-№5,-С. 33-36

42. Блинов Н.Н., Горелик Ф.Г. Пленочная флюорография в современной практике //Медицинская техника.-2002.-№6.-С. 37-3950.3еликман М.И. Цифровые приемники для рентгенодиагностических аппаратов //Радиология и практика.- 2001.-№1.- С.30-32

43. Бердяков Г.И., Зеликман М.И., Ртищева Г.М. Оборудование для цифровой флюорографии: состояние и перспективы развития //Радиология и практика.- 2000.-№3.- С.24-28

44. Блинов Н.Н. Куда идет медицинское рентгеноаппаратостроение // Радиология и практика.- 2003.-№1.- С.42-45

45. Jean-Pierre Моу. Recent developments in X-ray imaging detectors //Nucl. Instr. and Meth. A 442 (2000) 26-37

46. H.J. Besch. Radiation detectors in medical and biological applications //Nucl. Instr. and Meth. A 419 (1998). P.202-216

47. J.J. James et al. Developments in digital radiography: an equipment update //Eur. Radiol. 11 (2001). P. 2616-2626

48. W. Kniipfer et al. Novel X-ray detectors for medical imaging //Nucl. Phys. В 78 (1999). P.610-615

49. Herfried Wieczorek. Physical aspects of detector design //Radiation Meassurements. 33 (2001). P.541-545

50. S.R. Amendolia et al. Comparison of imaging properties of several digital radiographyc systems //Nucl. Instr. and Meth. A 446 (2001). P.95-98

51. Белова И.Б., Китаев B.M. Малодозовая цифровая рентгенография. -Орел, 2001

52. Медицинская техника для лучевой диагностики: оборудование, расходные материалы, нормативные документы: Справочник /Под ред. Б.И. Леонова и Н.Н. Блинова. М:. НПЦ «ИНТЕЛФОРУМ», 2004. -328с.

53. J. Rowlands, S. Kasap. Phys. Today (1997). P.44

54. S.E. Ваш et al. //Nucl. Instr. and Meth. A 419 (1998). P.295

55. A. Taibi, S. Fabbri, P. Baldelli, Cdi. Maggio, G. Gennaro, M. Marziani, A. Tuffanelli and M. Gambaccini. Dual-energy imaging in full-field digital mammography: a phantom study //Phys. Med. Biol. 48 (2003). P. 1945-1956

56. Costel Rizescu, Calin Besliu, Alexandra Jipa. Determination of local density and e .ective atomic number by the dual-energy computerized tomography method with the ,92Ir radioisotope //Nucl. Instr. and Meth. A 465 (2001). P.584-599

57. S. Fabbri,A. Taibi, R. Longo, M. Marziani, A. Olivo, S. Pani, A Tuffanelli and M. Gambaccini. Signal-to-noise ratio evaluation in dual-energy radiography with synchrotron radiation //Phys. Med. Biol. 47 (2002). Р.4093-Ш5

58. C. Robert-Coutant, V. Moulin, R. Sauze, P. Rizo, J.M. Casagrande. Estimation of the matrix attenuation in heterogeneous radioactive waste drums using dual-energy computed tomography //Nucl. Instr. and Meth. A 422 (1999). P.949-956

59. Johns P. C., Drost D. J., Yaffe M. J. and Fenster A. Dual-energy mammography: initial experimental results //Med. Phys. A 12 (1985). P.297-304

60. Uwe Ewert. UPHEAVAL IN INDUSTRIAL RADIOLOGY. //NDT.net -December 2002, Vol. 7 No.12 .

61. Gianni Schena, Claudio Chiaruttini, Diego Dreossi, Alessandro Olivo, Silvia Pani. Grade of fine composite mineral particles by dual-energy X-ray radiography//Int. J. Miner. Process. 67 (2002). P. 101- 122

62. J P О Evans Stereoscopic imaging using folded linear dual-energy x-ray detectors //Meas. Sci. Technol. 13 (2002). P. 1388-1397

63. Wojcik R., Majewski S. Single shot dual energy reverse geometry X-radiography //Nucl. Instr. and Meth. A 392 (1997). P. 475-478

64. Koichi Nittoh, Takeshi Takahara, Tadashi Yoshida. Discriminated neutron and X-ray radiography using multi-color scintillation detector //Nucl. Instr. and Meth. A 428 (1999). P. 583-588

65. Koichi Nittoh, Eiji Oyaizu, Tetsuo Sakurai, Tadashi Yoshida, Koh-Ichi Mochiki. Extension of dynamic range in X-ray radiography using multicolor scintillation detector//Nucl. Instr. and Meth. A 501 (2003). P. 615-622

66. Alvarez R E and Macovski. Energy-selective reconstruction in x-ray computerized tomography //Phys. Med. Biol. A 21 (1976). P.733-744

67. Lehmann L A, Alvarez R E, Macovski. A and Brody W. Generalized image combinations in dual kVp digital radiography //Med. Phys. A 8 (1981). P.659-670

68. Kelcz F., Zink F.E., Peppier W.W., Kruger D.G., Ergun D.L., Mistretta С.Л. Conventional chest radiography dual-energy computed radiography in the detection and characterization of pulmonary nodules //Am J Roentgenol 162 (1994). P.271-278

69. Jens Ricke, et al., Clinical results of Csl-detector-based dual-exposure dual energy in chest radiography //Eur Radiol (2003) 13. P.2577-2582

70. Granfors P.R., Aufrichtig R. Performance of a 41.41-cm2 amorphous silicon flat panel X-ray detector for radiographic imaging applications //Med Phys. (2000)27. P.1324-1331.

71. Naydenov S.V., Ryzhikov V.D. Multi-energy techniques for radiographic monitoring of chemical composition //Nucl. Instrum. Methods A 505 (2003). P.556-558

72. Найденов C.B., Рыжиков В.Д. Об определении химического состава методом мультиэнергетической радиографии //Письма в ЖТФ. -2002,-Т.28. Вып. 9.-С. 6-13

73. Рентгеновские диагностическое аппараты. Т. 1, 2. /Под ред. Н.Н. Блинова, Б.И. Леонова.- М.: ВНИИИМТ, 2001

74. Цифровое преобразование изображений /Под. ред. Р.Е. Быкова. М.: Горячая линия - Телеком, 2003.- 228 с.

75. Speller R.D., Baba-Hamed Т. A real time dual-energy probe for tissue characterization during fluoroscopy //Phys. Med. Biol. 38 (1993).P.379 -388

76. Пешехонов В.Д. Методика газонаполненных координатных детекторов и их применение для биомедицинских исследований //Физика элементарных частиц и атомного ядра.- 1986. -Т. 17. Вып. 5.- С. 10301078

77. Бабичев Е.А. и др. Цифровая рентгенографическая установка для медицинской диагностики. Препринт ИЯФ СО АН СССР. Новосибирск, 1990

78. Бабичев Е.А., Бару С.Е. и др. Цифровая рентгенографическая установка МЦРУ «Сибирь». Измерение величины сигнала //Медицинская техника.-2001.-№5.-С. 3-7

79. MedicaI imaging device using low-dose X- or Gamma ionizing radiation. G. Charpak, May 28, 1996, US Patent Number: 5,521,956.

80. B.H. Hasegava. "Physics of Diagnostic Imaging". Course of Lectures. Chapter 4. P.17.

81. Карасик B.E., Орлов B.M. Лазерные системы видения. М.: Изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2001.- 352 с.

82. Дмоховский В.В. Основы рентгенотехники. М.: Медгиз, 1960

83. Тихонов К.Б. Техника рентгенологического исследования.- Л.: Медицина, 1978. -280 с.

84. Пиццутиелло Р., Куллинан Дж. Введение в медицинскую рентгенографию. Компания Истман Кодак.- Нью-Йорк, 199696.3еликман М.И. К определению квантовой эффективности рентгеновского излучения //Медицинская техника.-2001.-№4.-С. 5-11

85. Калашникова В.И., Козадаев М.С. Детекторы элементарных частиц. -М.: Наука, 1966. -С. 360

86. ХСОМ: Photon Cross Sections on Personal Computer// by M.J. Berger and J.H. Hubbell. National Bureau of Standards. 1987. NBSIR 87- 3597

87. Блохин M.A., Швейцер И.Г. Рентгеноспектральный справочник. M.: Наука, 1982

88. A.J.F. den Boggende, C.J. Schrijver Electron cloud sizes in gas-filled detectors. LRO-25, October 1983

89. Соболь И.М. Численные методы Монте-Карло. М.: Наука, 1973.-312с.

90. Фэнфер Э., Нейерт Г. Счетчики излучений. М.: Госатомиздат, 1961.-403 с.

91. Bateman J.E., Waters M.W., Jones R.E. Spatial resolution in a Xenon filled MWPC X-ray imaging detector a computing physics approach. — RL-75-140. Detector Physics Group. High Energy Physics Division, Rutherford Laboratory, 1975

92. Ллойд Дж. Системы тепловидения. М.: Мир, 1978

93. Тарасов А.И. Патент RU №2200469. Способ вычислительной субтракционной рентгенографии. Кл. А61В6/03, 2003