Актуальность работы.
Рентгенодиагностическая аппаратура в XXI веке, как и прежде, остается доминирующей в лучевой диагностике заболеваний человеческого организма. Несмотря на бурное развитие новых методов лучевой диагностики, таких как ультразвуковые, магнитно-резонансные, эндоскопические, радиоизотопные, до сих пор большая часть диагнозов, устанавливается или подтверждается с помощью рентгеновских исследований. Каждый год в мире увеличивается количество рентгенодиагностических исследований, одновременно возрастает их сложность и дозовая нагрузка. При этом более 70% надфоновой генетически значимой дозы облучения человечества приходится на рентгенодиагностические исследования.
Основной задачей развития современной медицинской рентгенотехники остается проблема максимально возможного снижения дозы облучения при сохранении, а по возможности и при увеличении диагностически существенной информации. Обязательная регистрация дозы облучения пациентов при регтгенодиагностических исследованиях нормирована Законом о радиационной безопасности населения РФ.
К моменту начала настоящей работы в области рентгенодиагностической техники все традиционные методы снижения лучевой нагрузки были практически исчерпаны: во всех методах диагностики был почти достигнут принципиальный физический предел снижения дозы, определяемый квантовыми флуктуациями рентгеновского излучения.
Новый подход, заключающийся в переходе от аналоговых к дискретным компьютерным средствам формирования рентгеновских изображений, позволил в ряде случаев преодолеть достигнутый минимальный уровень дозовой нагрузки на пациента при существенном повышении диагностических возможностей. К настоящему времени цифровые методы преобразования рентгеновских изображений победили пленочные регистраторы практически во всех методах рентгенодиагностики.
В восьмидесятых годах в нашей стране были сделаны попытки построить первые цифровые рентгенодиагностические системы [3−8], которые, однако, не выходили за рамки компьютерных автоматизированных рабочих мест, обеспечивающих апостериорную цифровую обработку или запоминание рентгеновских изображений, полученных в аналоговой форме на обычных рентгеновских аппаратах.
Наиболее актуальной для России в то время являлась замена малоинформативной высокодозной пленочной флюорографии легких на малодозовые цифровые исследования. Эта задача была важна в связи с угрожающим ростом туберкулеза. В свете этого требовали осмысления методы измерения характеристик цифровых изображений, дозовых и радиационных параметров рентгенодиагностических аппаратов (РДА).
В последнее десятилетие развитие РДА в нашей стране было направлено преимущественно на разработку цифровых технологий [3,4,5, 8,10,11].
Первой законченной разработкой, выполненной специально для цифровой рентгенографии, являлась сканирующая рентгеновская установка для цифровой рентгенографии МЦРУ «Сибирь», созданная ИЯФ им. Будкера Сибирского филиала АН РФ, с оригинальной линейкой ксеноновых детекторов [4]. При значительном снижении дозы и расширении динамического диапазона эта система в принципе не способна была обеспечить пространственного разрешения выше 0,9 мм" 1 и находила лишь ограниченное применение.
К настоящему времени создано более десяти моделей цифровых аппаратов для флюорографии и рентгенографии с различными типами детекторов: сканирующих на основе газовых и твердотельных детекторов, рентгенографических камер на основе оптики переноса [16], с применением электронных усилителей рентгеновского изображения [88].
За рубежом созданы и промышленно выпускаются многочисленные цифровые системы для субтракционной ангиографии, для цифровой рентгенографии и импульсного «цифрового» просвечивания с использованием «стимулируемых» люминофоров и твердотельных полноформатных матриц на фотодиодах. [81]. Несколько раньше (в конце восьмидесятых годов прошлого столетия) Нудельманом с соавторами (США) были разработаны общие теоретические аспекты перехода к цифровым системам формирования медицинских изображений [114, 163]. Принципы, разработанные Нудельманом, были основаны на использовании традиционных УРИ и стандартных телевизионных систем с видиконами и изоконами в качестве телевизионных трубок.
В последние годы особенно бурно развиваются новые типы одно — и двумерных детекторов излучения, основанных на использовании твердотельных фотодиодов и т.н. приборов с зарядовой связью — ПЗС-линеек и ПЗС-матриц, обладающих рядом принципиальных особенностей.
Все эти новые технические решения радикальным образом меняют технологию рентген оди агностического исследования и условия формирования дозы облучения пациента.
Широкие возможности, предоставляемые новыми системами детектирования, требуют новых подходов к важнейшей задаче лучевой диагностики — минимизации дозы облучения при исследовании. Новизна этих подходов, помимо повышения чувствительности цифровых детекторов в несколько раз, определяется также и тем, что с переходом к цифровым методам появляется новое понимание основных параметров рентгеновских диагностических аппаратов, характеристик медицинских цифровых рентгеновских изображений, а также их связи с дозой облучения пациента.
Теоретической и методической базой работы служат труды ведущих ученых и специалистов Е. С. Бару, Н. Н. Блинова (ст.), Ю. В. Варшавского, J1.B. Владимирова, М. И. Зеликмана, Б. М. Кантера, В. В. Клюева, Э. Б. Козловского, Б. И. Леонова, А. И. Мазурова, Р. В. Ставицкого, А. Г. Хабахпашева, А. Н. Черния и ряда других.
Цель работы.
Целью настоящей работы является теоретическое обоснование и разработка методов минимизации лучевой нагрузки на пациента при рентгенодиагностических исследованиях за счет оптимальной конструкции рентгеновских аппаратов и защитных средств, рационального выбора физико-технических режимов работы, расчета и регистрации эффективной дозы облучения.
Постановка задач:
• создать теоретическое обоснование и разработать принципы рационального построения малодозовых цифровых рентгенодиагностических аппаратов, выбора физико-технических режимов для РДА с системами автоматики по органам при рентгенографии с указанием значения эффективной дозы облучения пациента;
• разработать аналитические методы определения эффективной дозы (ЭД) по измеренным значениям физических параметров исследования: радиационному выходу, произведению дозы на площадь, входной дозе в плоскости приемника и излучению, рассеянному объектом;
• провести исследование влияния на дозу облучения физико-технических условий генерирования и формирования изображения для цифровых, и в — первую очередь, сканирующих рентгенографических аппаратов и предложить условия, обеспечивающие минимизацию лучевой нагрузки;
• разработать критерий определения необходимой дозы в плоскости приемника по минимальному допустимому отношению сигнал/шум с учетом характеристик зрительного анализатора и эксплуатационных характеристик тракта преобразования;
• создать системы определения эффективной дозы облучения пациента, в том числе при подвижном веерном рабочем пучке (сканирующая рентгенография);
• разработать ряд рентгеновских диагностических аппаратов и принадлежностей нового поколения, обеспечивающих минимизацию дозы лри исследовании.
Научная новизна.
Впервые проведен комплексный анализ методов определения эквивалентной дозы облучения пациента по измерению характеристик тракта преобразования энергии в РДА на основе следующих физических моделей:
1. радиационному выходу излучателя,.
2. произведению дозы в рабочем пучке на его площадь,.
3. входной дозы в плоскости детектора,.
4. интенсивности рассеиваемого объектом излучения,.
5. количеству электричества, протекающего через рентгеновскую трубку в процессе экспозиции.
Впервые измерены экспериментально на тканеэквивалентном фантоме с ТЛД эффективные дозы при специальных рентгеновских исследованиях на РДА с частотным питающим устройством: линейной томографии и сканирующей цифровой флюорографии.
Впервые построены экспериментальные зависимости ЭД от дозы рассеянного объектом излучения. Разработан метод регистрации ЭД при сканирующей цифровой флюорографии по измерению рассеянного излучения. На основе теоретических разработок и фантомных экспериментальных исследований разработаны рациональные таблицы экспозиций с расчетными значениями ЭД, обеспечивающие минимальный уровень облучения пациента для среднечастотных питающих устройств и современных высокочувствительных детекторов излучения для РДК общего назначения, экспериментально подтвержденные в процессе эксплуатации комплексов «Медикс-Р» и «Телемедикс-Р».
5. Впервые разработаны рациональные условия применения автоматических экспонометров с указанием удельных эффективных доз для аппаратов общего назначения, а также для дентальных и маммографических аппаратов, экспериментально подтвержденные при эксплуатации комплексов.
6. Проведено исследование зависимостей дозовых нагрузок от параметров качества рентгеновских изображений и геометрии исследования для цифровых, в первую очередь, сканирующих рентгеновских аппаратов и определены условия для их минимизации, экспериментально проверенные при эксплуатации цифровых флюорографов АПЦФ-01 «Амико» и ФМЦС «ПроСкан».
7. Впервые разработан метод снижения лучевой нагрузки при рентгеноскопии с УРИ путем цифрового бинирования пикселей в разных зонах изображения, подтвержденный патентом РФ.
8. Предложены системы радиационной защиты, ограничивающие рассеянное объектом излучение, что в ряде исследований приводит к снижению ЭД до 25%.
Научно-практическая значимость работы:
Решение крупной научной проблемы, имеющей важное социальное и хозяйственное значение, снижения генетически значимой дозы облучения населения Российской Федерации за счет создания высокоэффективных систем генерирования и регистрации рентгеновского излучения при рентгенодиагностике, а также определения и учета эффективной дозы облучения пациента.
Научно-практическая значимость работы заключается в том, что ее результаты нашли применение в разработанных и внедренных за 10 лет деятельности ЗАО «Амико», ЗАО «Рентгенпром» и ООО «Рентген-Комплект» и выпускаемых серийно:
• рентгенодиагностических комплексах «Медикс-Р», «Телемедикс-Р».
• цифровых флюорографах «АПЦФ-Амико», «ФМЦС-Проскан».
• передвижных цифровых флюорографических кабинетах на шасси ЗИЛ и КАМАЗ.
• дентальных цифровых рентгеновских аппаратах «Денталикс».
• цифровых усилителях рентгеновского изображения с ПЗС-детектором первого и второго телевизионного стандарта «Аметист-230» и «Аметист-300».
• Передвижных рентгенохирургических аппаратах «АРХП-Амико».
• полном номенклатурном ряде средств индивидуальной и коллективной радиационной защиты для рентгеновских кабинетов «КИРЗИ».
На защиту выносятся:
• Аналитические модели определения удельных значений ЭД по измеренным значениям радиационного выхода излучателя, входной экспозиционной дозы, дозы в плоскости приемника, экспозиции за исследование, рассеянного объектом излучения.
• Системы для регистрации ЭД в процессе рентгенодиагностических исследований при регистрации дозы на выходе, излучения, рассеянного объектом, экспозиции, обеспеченной экспонометром, защищенные патентами РФ.
• Результаты определения ЭД для аппаратов нового поколения во всем диапазоне применяемых в диагностике энергий (Va = 40−125 кВ) для широкого спектра методик рентгенодиагностического исследования (по 52 методикам) на основе фантомных экспериментов в условиях, максимально приближенных к реальным.
• Таблицы экспозиций для РДА нового поколения: среднечастотных рентгеновских генераторов и высокочувствительных детекторов, в том числе, цифровых с указанием значения эффективной дозы.
• Результаты исследований по рациональным условиям работы автоматических экспонометров в режиме «автоматики по органам» с указанием значений удельной ЭД, отнесенной к 1мАс.
• Разработанные, внедренные в клиническую практику и поставленные на серийное производство цифровые рентгенодиагностические аппараты для общей и специальной диагностики и средства радиационной защиты нового поколения, созданные под руководством автора в ЗАО «Амико», ЗАО «Рентгенпром» и ООО «Рентген-Комплект» в 1994 — 2004 г. г.
Структура работы, апробация и публикации.
Работа состоит из семи глав, введения, заключения, библиографии и приложений с актами внедрения. По работе опубликовано 23 статьи и 6 монографий. Получено авторское свидетельство СССР и 6 Патентов РФ, восемь работ выполнены единолично. Результаты доложены на трех Всероссийских симпозиумах и форумах, разработанные в рамках работы изделия демонстрировались на международных выставках: MEDICA (Дюссельдорф 1997;2003), Булмедика (София 1998), Здравоохранение (Москва 1996;2003), Больница (С. Петербург 1999;2003).
Выводы к главе 7.
1. Результаты проведенных исследований позволили провести разработку ряда современных рентгенодиагностических аппаратов для общей и специальной диагностики и ограничить в них ЭД возможным минимальным уровнем.
2. В разработанном комплексе для общей диагностики «Медикс-Р» для минимизации ЭД используются следующие технические решения:
— применено среднечастотное питающее устройство 50 кВт с уровнем пульсаций не более 4%. применены, разработанные в рамках настоящей работы, таблицы экспозиций при ручной и автоматической по органам режимах работы с регистрацией ЭД;
— разработан и применен УРИ с цифровым запоминанием кадра «Аметист».
3. В разработанном телеуправляемом комплексе «Телемедикс-Р» для минимизации ЭД использованы следующие технические решения, снижающие дозу при исследовании: среднечастотное питающее устройство до 60 кВт с уровнем пульсаций не выше 4%- автоматическая диафрагма, поддерживающая постоянство размера рабочего полярежим импульсного просвечивания с форсировкой тока;
— режим стабилизации мощности дозы при просвечиванииперестраиваемая система автоматики по органам с индикацией ЭД по сигналу автоматического рентгеноэкспонометра;
УРИ «Аметист» Амико с диаметром входного поля 11 дюймов и цифровым разложением по двойному ТВ стандарту;
Индикация ЭД на экране монитора УРИ «Аметист» при просвечивании.
4. Разработан ряд цифровых малодозовых флюорографов с минимальным уровнем ЭД с защитной кабиной в стационарном и транспортабельном (на шасси автомобиля и в ящичной укладке) вариантах:
— аппарат-приставка для цифровой флюорографии АПЦФ-01 «Амико» на базе преобразующей системы «экран-оптика-ПЗС" — сканирующие флюорографы с твердотельными линейными матрицами детекторов ПроСкан 2000 с разрешением 2,2 мм-1 при дозе в плоскости приемника 200 мкР/кадр и ПроСкан 7000 с разрешением 3,7 мм'1 при дозе 400 мкР/кадр.
5. Разработан передвижной хирургический аппарат типа «С-дуга» АРХП"Амико", снабженный средствами для минимизации ЭД: режимом «пульс-флюоро», цифровым запоминанием кадров, высокочувствительным УРИ «Аметист», развитой системой программного обеспечения для обработки изображений.
6. Разработан и выпускается серийно рентгенодиагностический комплекс для цифровой рентгенографии в стоматологии, обеспечивающий пространственное разрешение до 20 мм-1 при четырехкратном уменьшении ЭД по сравнению с пленочной периапикальной съемкой.
7. Разработан и выпускается серийно полный номенклатурный ряд средств индивидуальной и коллективной радиационной защиты для всех видов рентгенодиагностики.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
.
Проведенный комплекс исследований позволяет сделать вывод, что представленная работа совокупно решает важную социальную народнохозяйственную задачу минимизации дозы облучения пациентов при рентгенодиагностических исследованиях.
В процессе работы проведены комплексные исследования методов и аппаратурных средств, позволяющих снизить до возможного минимума дозу при исследовании, создана классификация параметров рентгеновских изображений и исследована их связь с минимально необходимой дозой в плоскости приемника.
На базе фантомных экспериментальных исследований впервые построены таблицы для расчета эффективных эквивалентных доз, получаемых при рентгенографическом обследовании 52 основных органов в широком диапазоне применяемых энергий от 40 до 125 кВ.
Предложены и реализованы системы для определения и регистрации ЭД как в ручных режимах работы РДА, так и при автоматике по органам на основе измерения количества электричества, произведения дозы на площадь на выходе диафрагмы, а также дозы в плоскости приемника, задаваемой экспонометром, защищенные патентами РФ. Предложен метод определения ЭД по регистрации рассеянного объектом излучения.
В процессе работы исследовано также влияние на значение ЭД основных конструктивных характеристик РДА: размера фокуса, фокусного расстояния, ширины коллиматоров. Показано, что наиболее выгодными для экономии дозы могут оказаться фасонные фильтры и изменяющиеся в пространстве сканирования коллиматоры.
Предложены и защищены патентами РФ методы снижения ЭД при просвечивании путем непрерывного вращения фасонных щелевых коллиматоров.
Исследовано влияние на ЭД средств радиационной защиты. Показано, что наиболее эффективны для снижения рассеянного излучения, участвующего в формировании ЭД пациента, защитные воротники, фасонные экраны, устанавливаемые в зону прямого рабочего пучка. Предложены конструкции средств защиты от рассеянного излучения жалюзного типа, позволяющие значительно сократить их весовые характеристики.
Результаты комплекса приведенных исследований реализованы в созданном при участии и под руководством автора в рамках деятельности фирмы «Амико» типового ряда рентгеновских аппаратов общего и специального назначения, рентгеновского оборудования и принадлежностей, а также полной номенклатуры радиационных защитных средств. Это комплексы для общей рентгенологии «Медикс-Р», первый в стране телеуправляемый комплекс «Телемедикс-Р», аппараты и передвижные кабинеты для цифровой флюорографии, АПЦФ-01, ПроСкан 2000, ПроСкан 7000, усилитель изображения «Аметист» с цифровым выходом, многоцелевой передвижной хирургический аппарат типа «С-дуга» АРХП «Амико», система для цифровой рентгенографии зубов «Денталикс», полная номенклатура индивидуальных и коллективных средств радиационной защиты, фотолабораторное оборудование, включая автоматические проявочные машины и негатоскопы, передвижные флюорографические и маммографические кабинеты на шасси ЗИЛ и КАМАЗ.
В перспективных разработках ЗАО «Амико» создание малодозового цифрового сканирующего маммографа, универсального цифрового аппарата для горизонтальной и вертикальной рентгенографии с разрешением 3,5 мм" 1 и дозой на кадр 400 мкР, где результаты работы найдут дальнейшее применение.
Общая номенклатура изделий для рентгенодиагностики, выпускаемых фирмой «Амико» под девизом «все для рентгенодиагностики», достигает 150 наименований.
Разработанными техническими средствами и предложенными решениями, в рамках настоящей работы, к сожалению, не исчерпывается общегосударственная проблема минимизации дозы облучения населения страны. Многое здесь зависит от организационных факторов службы здравоохранения, финансовых проблем, технического переоснащения отделений лучевой диагностики ЛПУ страны, от решения проблем повышения образования, ремонта и контроля медицинской техники.
К сожалению, этот круг вопросов выходит за рамки проведенной работы и требует самостоятельного социально-экономического исследования.
Однако, проведенная работа отвечает на основные научно-технические вопросы совершенствования рентгенодиагностической аппаратуры и оборудования на современном уровне для минимизации дозы облучения при поддержании, а иногда и повышении качества рентгенодиагностических изображений и в этом смысле является законченной комплексной работой, решает важную народно-хозяйственную социально значимую проблему снижения лучевой нагрузки при рентгенодиагностических исследованиях.
Уместно отметить, что совершенствование компьютерных средств для преобразования и обработки изображений вообще и медицинских, в частности, происходит столь стремительными темпами, что в ближайшем будущем неизбежно появление новых технических решений, которые могут радикальным образом изменить.
В заключении автор хотел бы выразить глубокую благодарность за поддержку и ряд ценных советов проф. Ставицкому Р. В. и д.т.н. Зеликману М.И.
Специальная благодарность Институту Рентгеновской Оптики и проф. Кумахову М. А. за любезно предоставленный тканеэквивалентный фантом.
Отдельная благодарность сотрудникам ВНИИИ Медицинской Техники, ЗАО «Амико» и ЗАО «Рентгенпром» Ларьковой К. П., Горелик Ф. Г., Третьяковой Т. Ю., Липчанской И. А, Кириченко М. Г за помощь в подготовке материала и оформления настоящей работы.
