Аппаратура для рентгеновской диагностики

Установка проекционной рентгенографии состоит из рентгеновской трубки, аппаратуры для фильтрации пучка рентгеновского излучения, компенсационных фильтров, сеток, системы детекторов ионизирующего излучения и устройства получения изображения, в качестве которого выступает или фотопленка, или дисплей компьютера.

Источниками рентгеновского излучения мог>т являться рентгеновская трубка, некоторые радиоактивные изотопы, ускорители (бетатрон, линейный ускоритель, циклотрон) и накопители электронов (синхротрон), лазеры и др., но в медицине наибольшее распространение получили рентгеновские то^тбки.

Рис. 5. Формы энергии, вовлеченные в создание рентгеновского изображения.

Рентгеновская трубка — электровакуумный прибор для получения рентгеновских лучей. Простейшая рентгеновская трубка состоит из стеклянного баллона с впаянными электродами — катодом и анодом (антикатодом). Электроны, испускаемые катодом, ускоряются сильным электрическим полем в пространстве между электродами и бомбардируют анод. При ударе электронов об анод их кинетическая энергия частично преобразуется в энергию рентгеновского излучения. Важным компонентом рентгеновской трубки является электронная пушка и устройство для создания направленного потока электронов.

Подвергаемый электронной бомбардировке анод изготавливают из тугоплавкого материала, поскольку большая часть кинетической энергии бомбардирующих электронов превращается в тепло, способное расплавить анод. Кроме того, желательно, чтобы анод был из материала с большим атомным номером, т.к. выход рентгеновского излучения растёт с увеличением Z. В качестве материала анода чаще всего выбирается вольфрам, атомный номер которого равен 74 (Г_пл=2250⁰ длина волны 0,424 нм). Рабочий участок анода — металлическая зеркальная поверхность — расположен под некоторым утлом к электронному пучку. Основные характеристики рентгеновской трубки: ускоряющее напряжение (14−500 кВ), электронный ток (о, 01 мАч-1 А), удельная мощность, рассеиваемая анодом (ю — ю⁴ Вт/мм²), общая потребляемая мощность (0,002 Втч-бо кВт). Замечание. При описании работы рентгеновской трубки приняты следующие обозначения: напряжение на аноде (т.е. максимальная энергия тормозного излучения), кВ_р; ток электронов, тА (1 шА=6,25−10*5 электрон/с); заряд, переносимый электронами, т. е. экспозиция: тА_с (l mA<=6,25−10*5 электронов).

Рис. 6. Проекционная рентгенография.

Электроны поставляются нитью накаливания. Катод рентгеновского излучателя представляет собой вольфрамовую спираль, накаливающуюся током низкого напряжения (6+14 В, 2,54−8 А). По числу нитей катода все рентгеновские трубки делятся на однофокусные и двухфокусные. В двухфокусных трубках имеются две вольфрамовые спирали, располагаемые последовательно друг за другом или параллельно. Вольфрамовые нити погружаются в металлические колпачки, представляющие собой фокусирующие устройства. При нагреве нити происходит термоэмиссия электронов, электроны ускоряются приложенным напряжением и (после формирования пучка электронов специальной системой фокусирования) устремляются к аноду^т. Мощность нагрева нити определяет величину тока трубки и, следовательно, величину потока рентгеновского излучения. Анод изготовляют в виде диска (поверхность анода, обращенная к катоду, скошена под утлом в 154−20°). Стержень диска соединяется с ротором, укрепленным в баллоне трубки на подшипниках с графитовой смазкой. В защитном кожухе вне стеклянного баллона располагается статор асинхронного двигателя. Анод вращается с большой скоростью (3600 оборот/мин), что позволяет.

эффективно его охлаждать. Анод находится в медном блоке, охлаждаемом маслом или водой.

Рис. 7. Основные компоненты современной рентгеновской трубки.

Высокоэнергетические электроны бомбардируют анод, в результате чего образуется рентгеновское излучение (в рентгеновское излучение обычно конвертируется не более 1% всей энергии), выходящее из трубки под прямым утлом к аноду'. Место генерирования рентгеновского излучения на зеркале анода называют фокусом рентгеновской трубки.

Пу^ок электронов, сфокусированный электростатическими линзами, высвечивает на скосе анода «пятно» определенных размеров. Как будет показано при обсуждении качества рентгеновского изображения, контраст зависит от радиуса этого оптического фокуса. Чем меньше радиус, тем более точечным становится источник излучения и тем выше контраст и разрешение получаемого изображения. Поэтому конструкторы трубок стремятся получить минимальный (до 0,1 мм) размер эффективного фокуса. Однако уменьшать его меньше некоторого значения нельзя, так как сильно сфокусированный пучок электронов способен насквозь прожечь анод. Заметим, что размеры источника рентгеновского излучения (оптический или.

эффективный фокус) всё же несколько превышают размеры пятна «высвечиваемого» электронами на аноде (истинный фокус).

Рис. 8. Формирование пучков излучения в рентгеновской трубке. Угол скоса наконечника анода, 0, определяет выход рентгеновского пучка к мишени. Размеры фокального пятна определяются размерами пучка электронов, сфокусированного на аноде. Обычно это пятно имеет почти прямоугольную форму (длина стороны варьируется от о, 1 до 2 см). Чем меньше размеры пятна, тем меньше зашумленность изображения и лучше проработка его деталей, а чем больше пятно, тем сильнее рассеивается тепло и тем проще охладить анод. При размере пятна 1,24−1,5 см трубка работает на мощности 804−125 киловатт, а при размере 0.14−0,3 см — только i+ю кВат.

Размеры фокального пятна подбирают в зависимости от конкретной цели рентгенодиагностики. Например, в маммографии используют трубки с малым размером пятна, поскольку здесь необходимы изображения с чётким разрешением мелких деталей, а радиационная доза должна быть по возможности низкой. Создание трубок с вращающимся анодом позволило резко увеличить их мощность — до юо кВт за о, 1 с.

Рис. 9. Рентгеновская трубка с вращающимся анодом.

Обычно анод изготавливается из вольфрама, но для маммографии используются аноды из молибдена и рения (диагностика мягкой и плотной молочной железы, соответственно) — иногда в виде двойного анода, так что оператор имеет возможность фокусировать электронный пучок то на один металл, то на другой.

Выходящий из пятна пучок рентгеновского излучения выводится из трубки (корпус трубки обычно стеклянный) через тонкое окно (часто материалом окна является бериллий). Затем он формируется коллиматорами и фильтруется.

В рентгеновской трубке можно варьировать три параметра: l) напряжение (электрический потенциал) трубки, кВ; 2) электрический ток, протекающий по трубке, тЛ; з) длительность экспозиции (продолжительность диагностики). Источник высоковольтного напряжения задаёт форму волны и тем самым влияет на изменение во времени энергетического спектра и потока фотонов Система контроля экспозиции либо формирует имульсы постоянной длительности, либо изменяет интенсивность по заданному закону. Датчиком в системе контроля выходного излучения является тонкая (5 мм толщины) ионизационная камера.

Граничная энергия тормозного излучения (граничная частота электромагнитных колебаний) определяется напряжением на аноде, кВ_р. Напряжение подбирают таким образом, чтобы длина волны излучения давала наибольшую информацию об особенностях строения тела человека.

Рис. ю. Энергетическая зависимость проницаемости через пластину толщиной 1 см: 1 — мягкая биологическая ткань, 2 — алюминий.

Отметим, что при увеличении напряжения на трубке в 2 раза, интенсивность излучения возрастает в 4 раза. При этом изменяется не только количество, но и качество рентгеновских лучей — его энергетический спектр.

Рентгеновский пучок имеет сплошной энергетический спектр с широким разбросом энергий, а, как известно, фотоны с разной энергией по-разному проходят через вещество. Рис. ю демонстрирует, что фотоны с энергией менее ю кэВ не способны проникнуть через слой мышц толщиной в 1 см (практически все они поглощаются биологической тканью). В интервале энергий 10−5-25 кэВ проникающая способность быстро увеличивается с ростом энергии. При энергии фотонов выше 40 кэВ проницаемость продолжает увеличиваться,.

но уже более медленными темпами.

Рис. 11. Ужесточение спектра рентгеновского излучения (напряжение на трубке 6о кВ) после прохождения слоя биологической ткани толщиной 9,5 см + 0,5 см кости.

Поскольку тело пациента является селективным фильтром низкоэнергетических фотонов, то после прохождения тела человека спектр рентгеновского излучения становится более жёстким. Этот эффект следует учитывать при конструировании аппаратуры для рентгеновской диагностики и при расчёте поглощённой дозы.

Значительная доля (3,5%) фотонов с энергией 50 кэВ проникает через слой в 15 см мягкой биологической ткани, тогда как фотоны с энергией 20 кэВ или менее не способны этого сделать. Это означает, что низкоэнергетические фотоны рентгеновского спектра не несут никакой полезной для диагностики информации, а только создают дополнительную радиационную нагрузку на пациента, поэтому их следует удалить из спектра.

Непрерывный спектр тормозного излучения при использовании в трубке пучка моноэнергетических электронов имеет треугольную форму, однако спектр, выходящий из трубки, имеет форму широкого пика. Это происходит как из-за огфильтровывания мягкой компоненты, так и из-за распределения по энергиям падающих на анод электронов. Мягкую компоненту удаляют из спектра рентгеновского излучения с помощью специальных фильтров. С этой целью между источником излучения и пациентом помещают металлическую пластину, которая поглощает низкоэнергетическое излучение, пропуская фотоны высоких энергий. Обычно используется слой алюминия толщиной в несколько миллиметров. Заметим, что роль.

фильтра выполняет также окно трубки, зеркало коллиматора, стол для флюорографии и др. детали аппаратуры.

Рис. 12. Типичный энергетический спектр фотонов рентгеновской трубки при напряжении 8о кВ.

Так как фильтрация селективно поглощает фотоны низкой энергии, то эффективная энергия рентгеновского пучка увеличивается, а вклад низкоэнергетических фотонов в спектр существенно уменьшается.

Проникающая способность пучка определяется напряжением на трубке, кВ_р (чем выше напряжение, тем выше проникновение излучения), материалом мишени (задаёт положение и интенсивность характеристических линий в спектре) и фильтрацией пучка. Число фагонов, падающих на пациента пропорционально току трубки и времени экспозиции (часто ток.

трубки (шЛ) умножают на время (t, сек), полученное произведение (рентгеновскую экспозицию) выражают в единицах 1пА_с).

Рис. 13. Влияние напряжения на трубке на форму рентгеновского спектра.

Выходящий пучок излучения с помощью диафрагм формируют, чтобы облучаемая зона имела форму круга, квадрата, узкой щели и т. п. — в соответствии с требованием конкретного вида диагностики. Обычно имеется возможность изменения угла выхода излучения (направление радиации на требуемый орган) и диаметра облучаемой зоны (облучение только требуемого органа). Следует учитывать, что плотность потока излучения по диаметру «освещаемой» зоны неоднородна. Для её выравнивания используют компенсационные фильтры. Подобные фильтры применяют и для создания требуемого градиента поля, например, для равномерного освещения стопы с крутым подъёмом. Обычно рентгеновскую трубку и всю аппаратуры окружают свинцовыми экранами, для уменьшения радиационного воздействия на пациента и врача.

Фильтрация, удаляя низкоэнергетическую часть спектра, увеличивает проникающую способность рентгеновского пучка. Выше энергии 40 кэВ рентгеновские фотоны вступают в фотоэлектронные и комгггоновские взаимодействия с биологической тканью. Эффект Комптона удаляет часть радиации из первичного пучка, рассеивая её по направлению вперёд и увеличивая проникновение радиации в тело пациента.

Для исследования быстротекущих процессов имеются рентгеновские аппараты, позволяющие производить рентгеновскую съёмку' при выдержках, составляющих тысячные доли секунды. Это достигается не путём увеличения мощности установки, а при помощи системы конденсаторов, которые заряжаются от маломощного трансформатора до необходимого напряжения и затем в нужный момент мгновенно разряжаются на рентгеновскую трубку (импульсные рентгеновские аппараты).

Приёмниками рентгеновского излучения являются электроннооптические преобразователи с телевизионными трактами, кинои флюорографические камеры.