3.2. Подбор рентгеновской аппаратуры для оптимизации изображения различных биоструктур

На рис. 3.1 показана обобщенная схема рентгеновской установки для рентгенодиагностики [24]. Она состоит из рентгеновской трубки, сетки, задерживающей рассеянные кванты, и приемника излучения. Упрощенно процесс формирования изображения может быть описан следующим образом (см. рис. 3.1): квант A поглощается биотканями, кванты C, D рассеиваются, кванты B, E проходят через биообъект без взаимодействия. Сетка препятствует попаданию рассеянного излучения на приёмное устройство. Попадание квантов B, E на приемник излучения дает картину ослабления потока излучения (за счет п оглощения кванта А) по мере прохож-дения слоя биотканей, причем вклад в ослабление вносят все ткани, оказавшиеся на пути прохождения излучения. Иначе говоря, изображение представляет собой двумерную («теневую») проекцию трех-мерного распределения ослабления потока РИ в теле пациента. При этом рассеянное излучение (условно показанное на рис. 3.1 квантами C, D) создает фон, не несущий информации о внутреннем строении биообъекта, и от него желательно по мере возможности избавляться, чтобы увеличить контрастность изображения.

Проникающая способность РИ увеличивается с ростом энергии квантов и зависит от характера биоткани. Играет свою роль и абсолютная толщина просвечиваемого слоя биоткани: при большом поглощении лишь малая доля потока излучения достигает приемника, и радиационная нагрузка на ткани будет очень высокой. С другой стороны, если коэффициент прохождения излучения через разные ткани близок к единице (степень прозрачности высока), то различия в интенсивности излучения, необходимые для формирования изображения, будут слишком малыми, и контраст изображения будет низким. Поэтому при выборе конструкции рентгеновской установки постоянно приходится искать компромисс между противоречащими друг другу требованиями малой дозы облучения и высокого контраста изображения.

Еще один важный фактор, влияющий на качество изображения, ― разрешающая способность. Она обусловлена следующими причинами: наличием фокусного пятна от рентгеновской трубки, которое дает полутень на изображении (геометрическая нерезкость); разрешением самого приемника; движениями пациента во время обследования. Последнее особенно существенно при получении изображения движущихся органов (сердце и связанные с ним кровеносные сосуды).

Даже если система получения изображения обладает высоким контрастом и хорошим разрешением, в случае большого уровня шумов возникают серьезные проблемы идентификации биообъектов. Существует ряд механизмов возникновения шумов в рентгеновском изображении, преобладающими из которых являются флуктуации числа квантов, регистрируемых единицей площади поверхности приемника (квантовый шум) и флуктуации, обусловленные характеристиками приемника и системы преобразования сигнала. Уровень квантового шума можно снизить за счет увеличения потока излучения, т.е. числа квантов, формирующих изображение. Однако при этом растет также и доза облучения пациента, следовательно, необходима оптимизация и по шумовым параметрам.

Рассмотрим подробнее работу рентгеновской трубки. Рентгеновские трубки состоят из наполненного маслом кожуха с колбой в виде вакуумированного сосуда из термостойкого стекла, внутри которого размещены накаливаемый катод и анод.

Катод специальной конструкции разогревается за счёт прохождения через вольфрамовую спираль электрического тока, в результате чего создается узконаправленный поток электронов, ускоряемый разностью потенциалов в 25...150 кВ и бомбардирующий анод. Около 1% энергии, передаваемой электронами аноду, преобразуется в РИ. Некоторая его часть проходит через выходные окна колбы кожуха и используется в рентгенографии, остальная часть поглощается кожухом трубки. Вся конструкция трубки устанавливается на штативе и снабжена коллиматором, так что геометрию выходного излучения можно изменять по необходимости.

Форма спектра РИ зависит от материала анода, величины и формы прикладываемого к трубке напряжения, а также от характеристики фильтров, помещаемых на пути прохождения РИ.

Трубки с вольфрамовым анодом целесообразно использовать для получения изображения более массивных участков тела благодаря более высокой энергии испускаемых квантов для вольфрама. Молибден дает излучение с меньшей энергией, которое более уместно для получения изображений в тонких слоях биотканей. Если излучение слишком «мягкое», то низкоэнергетические кванты будут сильно поглощаться и тем самым вносить вклад лишь в дозу облучения, не участвуя в формировании изображения. Поэтому важно, чтобы такие кванты были отфильтрованы прежде, чем они достигнут поверхности биообъекта. Это реализуется путем введения алюминиевого или медного фильтра.

Размеры фокального пятна в рентгенографических устройствах общего применения со сдвоенным фокусом составляют от 0,6 до 1,0 мм. Нерезкость, обусловленная приемником на основе рентгеновской пленки, составляет обычно от 0,1 до 0,2 мм.

Приемники излучения различаются способом преобразования падающего распределения энергии в какую-либо другую форму, воспринимаемую человеческим глазом. Рассмотрим некоторые типы приёмников излучения, применяемых в рентгеновских установках.

Рентгеновская плёнка прямого экспонирования имеет высокий контраст изображения и наибольшее разрешение. Применяется в тех случаях, когда эти показатели более важны, чем относительно высокая общая доза облучения (кисти рук, зубы).

Система «экран-пленка» обладает более высокой скоростью экспонирования, но худшим разрешением по сравнению с пленкой прямого экспонирования. Применяется, когда ограничение дозы облучения более важно, чем потеря мелких деталей в изображении.

Схема усилителя рентгеновского изображения показана на рис. 3.2. Доза облучения в таких приёмниках излучения очень невысокая, однако, в них возникает дополнительная нерезкость и шум, превышающий соответствующие значения для системы «экран-пленка». Усилители рентгеновского изображения используются для исследования процессов движения, течения и заполнения в организме.

После прохождения через входное металлическое окно рентгеновские ф отоны бомбардируют поверхность флуоресцирующего экрана (входного люминофора), располагающегося на внутренней поверхности окна. Фотоны, испускаемые этим экраном, бомбардируют фотокатод, в результате чего образуются фотоэлектроны, которые в свою очередь ускоряются разностью потенциалов от 20 до 30 кВ и фокусируются электронно-оптической системой на выходной флуоресцирующий экран (выходной люминофор). Диаметр входного экрана (окна) составляет от 12,5 до 35 см (иногда до 57 см), диаметр выходного экрана – около 2,5 см, и это уменьшение размера изображения, связанное с ускорением электронов, гарантирует высокое усиление светового потока в усилителе изображения. Получаемое изображение регистрируется на фотопленке или с помощью телекамеры.

Фокусирующие электроды предназначены для уменьшения размера изображения с минимальными искажениями. Выходной экран с люминофором должен иметь высокое разрешение, но при этом он всё же будет вносить значительный вклад в нерезкость изображения из-за уменьшения его размера. Кроме того, происходит потеря контраста и возникновение бликов из-за рассеяния и преломления светового излучения в люминофоре выходного экрана.

Преимущество от использования высокого фотонного усиления в усилителях изображения — малое время экспозиции при получении изображения (высокое быстродействие).

Все чаще в качестве приемников излучения применяют цифровые систе-мы, которые обладают следующими достоинствами: цифровым отображением изображения; пониженной дозой облучения; цифровой обработкой изображений; цифровым хранением и улучшением качества изображений.

Как уже обсуждалось выше, перед рентгенологами и разработчиками медицинской техники постоянно стоит задача нахождения компромисса между улучшением качества изображения и снижением дозы рентгеновского облучения. Существует ряд способов уменьшения дозовых нагрузок: ограничение поперечного сечения рабочего пучка излучения в зависимости от размеров исследуемого объекта; уменьшение мощности рассеянного излучения на выходе рабочего пучка из кожуха рентгеновской трубки; экранировка гонад с помощью просвинцованных резиновых экранов и т.п.; правильный выбор режима работы рентгеновского аппарата, в частности, увеличение напряжения на рентгеновской трубке при рентгеноскопии и рентгенографии (при этом значительно снижается мощность экспозиционной дозы при рентгенографии и сокращается время экспозиции при рентгеноскопии).