Аналоговая и цифровая рентгенография

Все виды медицинской визуализации включают три этапа формирования изображения:

1. Образование пространственного изображения с наилучшими характеристиками.

2. Фиксация и воспроизведение пространственного изображения. При этом характеристики воспроизводящих устройств приходится оптимальным образом приспосабливать к клиническим требованиям.

3. Запись и архивация изображений. Изображение необходимо записывать в форме удобной для наблюдения, хранения и передачи на расстояния.

Эволюция радиологии в течение двух последних десятилетий огромна, в значительной мере это связано с внедрением компьютерной томографии (КТ) и ультрасонографии (УС) в семидесятых и магнитно-резонансной томографии (МРТ) в восьмидесятых годах. Эти новые методики создают секционные изображения, т.е. двухмерные отображения срезов тканей. Однако большинство обследований, проводимых в радиологических отделениях по-прежнему базируется на традиционных проекционных изображениях. Используемые в проекционной рентгеновской визуализации технологии можно разделить на три основные группы:

1. прямые аналоговые технологии

• рентгенография

• рентгеноскопия

2. непрямые аналоговые технологии

• флюорография

• система УРИ(ЭОП, рентгенотелевидение)

3. цифровые технологии

• субтракционная ангиография

• прицельная рентгенография с экрана ЭОП

• люминисцентная рентгенография

• «прямая» селеновая рентгенография

• «малодозная» сканирующая ренгенография

Стандартные рентгеновские системы осуществляют формирование и отображение информации аналоговым путем.

Прямые аналоговые технологии

При данной технологии окончательное рентгеновское изображение создается непосредственно в среде-детекторе, т.е. без каких-либо усложняющих промежуточных шагов. В качестве среды может использоваться радиографическая пленка или флюоресцирующий экран. Как пленка, так и экран являются аналоговыми детекторами рентгеновских лучей, т.е. их реакция на постоянную и непрерывно увеличивающуюся дозу излучения также постоянна и непрерывна, в противоположность пошаговой, дискретной реакции. Рентгеновская пленка реагирует потемнением, флюоресцентный экран – испусканием видимого света (флюоресценция).

Существует два основных направления прямой аналоговой технологии: а)прямая рентгенография и б) прямая рентгеноскопия.

Прямая рентгенография

Фотографическая эмульсия пленки содержит мельчайшие кристаллы бромида серебра, каждое зерно имеет диаметр порядка 1мкм. Полноразмерная рентгенография обеспечивает получение статических изображений с наивысшим из всех возможных методик пространственным разрешением (среднее линейное разрешение составляет примерно 1мкм=0,001мм).

Комбинации усиливающий экран-пленка соответствует характеристическая кривая, показывающая зависимость потемнения (плотности), фотографической эмульсии от экспозиции.

При радиографии изучаемые структуры должны находиться в средней, линейной части кривой. Здесь эффект усиления контрастности пленкой достигает максимума. Наклон линейной части кривой называется гаммой, и комбинации экран-пленка с большими значениями гаммы дают высококонтрастные изображения. Такие параметры как чувствительность, пространственное разрешение и шум в значительной мере определяются усиливающими экранами.

Прямая рентгеноскопия

Традиционная рентгеноскопия (или просвечивание) использовалась для изучения динамических процессов до середины шестидесятых годов. С тех пор традиционную рентгеноскопию сменила непрямая рентгеноскопия, использующая усилители изображения и телевизионную технику.

Непрямые аналоговые технологии

В современной рентгеноскопии первичная проекция изображения создается на флюоресцентном экране, в целом также, как это делается при прямых технологиях. Однако изображение на экране не наблюдается непосредственно. Экран – это часть усилителя рентгеновских изображений (УРИ), увеличивающего яркость (свечение) первичного изображения примерно в 5 000 раз. В состав УРИ входит рентгеновский электронно-оптический преобразователь (РЭОП) и замкнутая телевизионная система. РЭОП состоит из вакуумной колбы с люминисцентным экраном на каждом из ее концов, фотокатода и электронно-оптической системы.

Поступающее с преобразователя уменьшенное и усиленное изображение через систему зеркал и линз можно записать малоформатной камерой (формат пленки 70, 100 или 105 мм) или кинокамерой (формат пленки 16 или 35 мм. Запись малоформатной камерой также называют выборочной съемкой, или флюорографией, а выборочный фильм – флюорограммой. При флюорографии получаемая пациентом доза составляет примерно 1/10 дозы при полноразмерной радиографии, однако качество изображения (особенно пространственное разрешение) заметно ниже. Кинофлюорография создает похожие на кино изображения с частотой, например, 50 кадров в секунду. Кинофлюорография с 35-мм пленкой в ангио- и кардиологических исследованиях еще применяется (хотя цифровые технологии постепенно замещают аналоговые).

С помощью указанной оптической системы изображение может быть записано телевизионной камерой и показано на мониторе. Изображение будет иметь лучшее качество в случае непосредственной оптической связи выходного экрана усилителя и телекамеры с помощью волоконной оптики. Конкретный выбор телекамеры (видикон, плюмбикон, кремникон) зависит от ее назначения.

Возникающий в телекамере электрический видеосигнал поступает на экран видеоконтрольного устройства, монитор. Флюоресценция или рентгеноскопия с помощью РЭОПа позволяет наблюдать на экране монитора изображение в реальном масштабе времени, в том числе и двигательные функции организма, при меньшей лучевой нагрузке на пациента. Изображение, регистрируемое телекамерой, может храниться на магнитной пленке видеомагнитофона.

Цифровые технологии

Классификация цифровых систем для рентгенодиагностики

Все методы получения и регистрации цифровых рентгеновских изображений и, реализующие эти методы технологические разработки можно условно разделить на две группы:

1. системы , в которых прием и преобразование информации, содержащейся в потоке рентгеновского излучения, прошедшем через исследуемую область тела пациента, осуществляется с использованием запоминающих устройств, выполняющих роль своеобразного буфера, с формированием цифрового массива данных при последующем считывании информации уже с запоминающего устройства в специально предназначенной для этих целей аппаратуре – системы с формированием цифровых изображений в режиме нереального масшаба времени.

2. Системы с непосредственным приемом и преобразованием информации, содержащейся в прошедшем через тело пациента потоке фотонов рентгеновского излучения,в массив цифровых данных – системы с формированием цифровых изображением в режиме реального и квазиреального масштаба времени.

К первой группе можно отнести рентгендиагностические комплексы с трактом формирования изображения, содержащим люминесцентные запоминающие экраны(пластин), считывание информации с которых осуществляется специальным лазерным устройством. Срок хранения информации на этих экранах может достигать нескольких часов. В качестве буфера с практически неограниченным временем хранения информации может рассматриваться обычная экспонированная и обработанная пленка, изображение с которой преобразуется в цифровой вид с помощью устройств для оцифровки рентгеновских пленок.

Во вторую группу входят:

1. Усилители рентгеновского изображения с аналого-цифровым преобразователем сигналов на выходе входящей в состав УРИ телевизионной системы с ПЗС-матрицей

2. Устройства с трактом преобразования, построенном на базе комбинации: сцинтилляционный экран – светосильная оптика – ПЗС-матрица.

3. Сканирующая система с линейкой газовых либо твердодельных детекторов

4. Аппараты с приемником-преобразователем рентгеновского излучения на базе селенового барабана;а также устройства, использующие в качестве приемника-преобразователя плоские панели различных размеров на оснве аморфного крмния либо аморфного селена.

Приемники-преобразователи, используемые в системах, представляющих вторую группу, в свою очередь , могут быть отнесены к одному из двух типов:

- приемники-преобразователи, в которых на первой стадии не происходит преобразование энергии фотонов рентгеновского излучения в энергию фотонов оптического диапазона длин волн( к этому типу относятся детекторы на базе селеновых барабанов, плоские панели на основе аморфного селена, а также детегторы на основе газовых ионазиционных камер для сканирующих систем).

- приемники – преобразователи с промежуточным преобрзованием энергии фотонов рентгеновского излучения в энергию фотонов оптического диапазона длин волн – только на следующей стадии носителями информации становятся электороны 9 к этому типу относятся детекторы на базе УРИ с аналого-цифровым преобразованием сигналов на выходе входящей в состав УРИ телевизионной системы либо камеры с ПЗС-матрицей, приемники с трактом преобразования, построенном на базе комбинациисцинтиляциооный экран-светосильная оптика-ПЗС-матрица, линейки полупроводниковых детекторов для сканирующих систем, а также плоские панели на основе аморфного кремния).

Системы на базе стимулируемых люминофоров.

Принцип действия данных систем основан на физическом эффекте фотостимулируемой люминесценции. Специальный экран, покрытый тонким слоем люминофора, может помещаться в кассету для рентгеновской пленки соответствующего размера. После экспонирования кассеты с экраном в потоке фотонов рентгеновского излучения, прошедших через исследуемую область тела человека , на экране появляется скрытое изображение, которое может сохраняться до нескольких часов. В течение этого срока изображение может быть считано сканирующей системой, представленной инфракрасным лазером, луч которого в процессе сканирования стимулирует люминофор, в результате чего происходит высвобождение энергии, накопленной электронами, в виде вспышек света различной интенсивности. Параллельно с помощью фотоэлектронного умножителя, производится регистрация вспышек света и преобразование их в электрические сигналы. Сигналы на выходе фотоэлектронного умножителя усиливаются с помощью усилителя, после чего осуществляется их аналого-цифровое преобразование с квантованием на 8-14 разрядов. Сформированный массив данных содержит информацию о плотности различных участков исследуемого объекта. После считывание запоминающие экраны помещают в световое поле высокой интенсивности, чтобы стереть остатки скрытого изображения. Процедуру можно повторять многократно. В настоящее время разрабатываются и производятся системы двух типов: это кассеты с запоминающим экраном , и бескассетные устройства, которые являются узлом рентгендиагностического комплекса и используются в нем в качетсве приемника-преобразователя для рентгеновского излучения. В настоящее время разработана бескассетная система с двумя запоминающими экранами разделенных медным фильтром. На выходе на первом экране формируется изображение , соответствующее практически всему диапазону рентгенологического спектра фотонов , а на второй – только высокоэнергетической части спектра.

Системы на базе устройств для оцифровки рентгеновских пленок.

Данные системы различаются по технологии формирования первичного светового потока, а также по типу детектора светового потока, прошедшего через экспонированную и обработанную рентгеновскую пленку. В настоящее время используют два типа детекторов: детекторы на основе ПЗС-матриц с высоким пространственным разрешением и детекторы на основе высокоэффективных фотоэлектронных умножителей.

В первом типе приемником используются ПЗС-матрицы, содержащие до 11000 элементов строке. В качестве источника света с них используется флоуресцентные рампы с холодным катодом и широкополостные источники, работающие в УФ-диапазоне длин волн,светодиоды,излучающие красный свет и галогенные лампы.

Фотоэлектронные умножители в качестве детектора используются в системах с лазерным источником первичного светового потока.

Системы на базе селенового барабана.

На поверхность металлического (как правило алюминиевого) полого цилиндра наносят слой аморфного селена. Селен является фотопроводником, в результате облучения происходит преобразование энергии и формирование электрического сигнала. По краям барабана располагаются: устройство формирования коронного заряда и устройство считывания информации, содержащее решетку из 36 чувствительных элементов. Для создния электрического поля ( зарядки барабана) включают устройство формирования коронного заряда и начинают медленно вращать барабан, после зарядки барабан останавливают и производится экспозиция. Сразу же после окончания экспозиции барабан начинает быстро вращаться и происходит считывание информации.

Системы с использованиесм плоских панелей на базе аморфного селена.

В этом случаем используются плоские панели на основе аморфного селена. На начальном этапе за счет облучения потоком фотонов рентгеновского излучения слоя аморфного селена , который находится в постоянном электрическом поле высокой напряженности , на поверхности слоя формируется потенциальный рельеф. Затем осуществляется считывание информации о распределении зарядов в плоской решетке электродов. В результате формируются электические сигналы, которые в дальнейшем подвергаются усилению и аналого-цифровому преобразованию.

Системы для рентгенографии на базе УРИ.

Два типа УРИ: УРИ на базе РЭОП и усилители на базе ЭОП.

УРИ на базе ЭОП получили меньшее распространение в связи с более низкой эффективностью преобразования энергии фотонов рентгеновского излучения , и как следствие , необходимости увеличения дозовой нагрузки на пациента.

УРИ на базе РЭОП с оборачиванием изображения. Усиление яркости в подобных системах идет за счет увеличения интенсивности светового потока при наличии ускоряющего напряжения. Входное окно выполнено из тонких листов аллюминия или титана, в качестве входного экрана используют люминофор на основе йодистого цезия,активированного натрием. Люминофор наносится на подложку из аллюминия. За счет повышения энергии ренгеновских фотонов во входном экране , образуются фотоны видимого диапазона длин волн. Между люминофором и фотокатодом находится тонкий слой окиси индия,чтобы они не вступали в реакцию между собой. Фотокатодный слой изготовлен из сурьмы и цезия. За счет фотоэффекта , попавший н фотокатод световой катод вызывает эмиссию электронов. Электроны свободно перемещаются в вакууме, и фокусируются на выходном экране, на выходе формируется электрический сигнал ,который подвергается аналого-цифровому преобразованию и переносится на ПЗС-матрицу.

Системы на основе комбинации: сцинтилляционный экран-светосильная оптика-ПЗС-матрица.

На первом этапе поток фотонов попадает на сцинтилляционный экран , где преобразуется в поток фотонов видимого света. Затем с помощью светосильное оптики, происходит фокусирова изображения и переноси его на ПЗС- матрицу. Электрические сигналы с ПЗС-матрицы подвергаются усилению и аналого-цифровому преобразованию.

Системы с использованием плоских панелей на базе аморфного кремния.

Верхний рабочий слой панели представлен сцинтиллятором на основе йодированного цезия, в котором осуществляется преобразование потока фотонов рентгеновского излучения , в поток фотонов видимого света. Далее поток попадает на матрицу светочувствительных элементов (фотодиодов) на основе аморфного кремния, на выходах которых формируются электрические заряды,далее эти сигналы считываются, усиливаются и конвергируются с помощью аналого-цифровых преобразователей.

Преимущества цифровой рентгенографии

К достоинствам цифровой рентгенографии можно отнести:

• высокое качество рентгеновского изображения, возможность его цифровой обработки и выявления важных деталей,

• возможность снизить дозу облучения,

• простота и скорость получения изображения, которое становится доступно для анализа сразу после окончания экспозиции,

• хранение информации в оцифрованном виде дает возможность создавать легкодоступные и мобильные рентгеновские архивы, передавать информацию на любые расстояния по компьютерной сети,

• более низкая стоимость цифровой рентгенографии, а так же ее экологическая безопасность по сравнению с традиционной: исключается необходимость в дорогостоящей пленке и реактивах, в оснащении фотолаборатории и «ядовитом» процессе проявки,

• более быстрое получение результатов дает возможность повысить пропускную способность рентген-кабинетов,

• высокое качество снимков с возможностью их резервного копирования исключает необходимость в повторных процедурах с дополнительным облучением пациента.

При всех выше перечисленных преимуществах цифровая рентгенография имеет один существенный недостаток – высокая стоимость оборудования по сравнению с аналоговой рентгеновской аппаратурой.