Разработка цифровых рентгеновских аппаратов с приемниками на основе ПЗС-матриц и оптимизация их параметров

Как известно, от уровня технических средств рентгенологической службы лечебно-профилактических учреждений (ЛПУ) во многом зависят качество диагностического процесса, производительность персонала, экономические затраты, лучевая нагрузка, комфорт пациента.

В связи с тем, что парк эксплуатируемой в России рентгеновской аппаратуры физически и морально устарел (не менее 70% парка состоит из отработавших срок аппаратов и не отвечает современному уровню рентгенотехники), актуальной является задача правильного проектирования и выбора аппаратуры для переоснащения ЛПУ.

Вместе с окончанием XX века закончилась эра классической аналоговой медицинской рентгенотехники. На современном этапе развитие рентгенотехники перешло на цифровые технологии, которые интенсивно внедряют во все функциональные узлы рентгеновских аппаратов. В высокоразвитых странах цифровая рентгенотехника уже является реальностью: от 10 до 15% парка рентгеновских аппаратов в год заменяется на цифровые аппараты. Рентгенография на пленку, которая господствовала целое столетие, больше не является единовластной царицей рентгенологии. Это обусловлено целым рядом преимуществ цифровых рентгеновских аппаратов [1].

В Российской Федерации разработка цифровой рентгеновской аппаратуры идет с заметным отставанием от разработок ведущих иностранных фирм [1]. Особенно остро ощущается необходимость в цифровых аппаратах для общей рентгенологии, флюорографии и хирургии. Разделение СССР практически разрушило рентгеновскую промышленность России. Только в последние годы в России появились новые фирмы, которые разрабатывают цифровые модели систем визуализации рентгеновских изображений [2−5,10]. Несмотря на наметившийся прогресс, до настоящего времени не существует научно-обоснованных технических требований к цифровым аппаратам различных классов. Отсутствует подробный анализ их преимуществ перед аналоговой рентгенотехникой. Не выявлены потенциальные возможности снижения лучевых нагрузок на пациента и обслуживающий персонал, которые таят в себе переход на новые способы преобразования сигналов и цифровые технологии. Внедрение в рентгенотехнику цифровых технологий требует переосмысления многих устоявшихся представлений, начиная с геометрии съемки и заканчивая способом воспроизведения изображения и методом его интерпретации. В цифровых аппаратах, в отличии от аналоговых, имеются достаточно простые возможности адаптивного изменения пространственной, временной и градационной разрешающих способностей в зависимости от детальности, подвижности и контраста изображения исследуемого органа. Однако практические рекомендации по адаптивному изменению параметров дискретизации изображения в литературе отсутствуют. Эффективное использование обменных операций требует детального изучения, свойств различных классов рентгеновских изображений.

Любое теневое рентгеновское изображение искажено в той или иной степени. Оно содержит информацию обо всех органах, пронизываемых первичным пучком, но плохо согласовано со свойствами зрительного анализатора. Поэтому после преобразования изображения в цифровой видеосигнал должна быть произведена его обработка по трем направлениям. Это коррекция аппаратных искажений, препарирование, связанное с выделением интересующих и подавлением несущественных для данного исследования структур, и, наконец, согласование наблюдаемого рентгенологом изображения (по яркости, контрасту, детальности, динамическому диапазону и т. д.) с возможностями зрительного анализатора. Значение цифровых обработок рентгеновских изображений не только до конца не исследовано, но даже не в полной мере осознано. «.

Благодаря цифровой рентгенотехнике родилось новое направление рентгенологии — интервенционная радиология. Аппараты для интервенционной радиологии имеют широкий диапазон клинического применения на рабочих местах, где осуществляется инструментальное вмешательство, позиционирование, терапия и хирургия под рентгеновским контролем.

Наиболее остро проблема перехода на цифровые технологии стоит в общей рентгенологии, флюорографии и хирургии под рентгеновским контролем, на которые расходуется большая часть бюджета, выделяемого на оснащение рентгенологической службы. Такой переход должен обеспечить более точную диагностику, наименьшее отрицательное воздействие облучения на организм пациента и минимальную стоимость исследования.

Таким образом, в начале XXI века развитие теоретических основ и практических конструкций медицинской рентгенотехники следует рассматривать как переход ее на качественно новый цифровой уровень. Медицинская рентгенотехника еще очень далека от потенциально достижимого предела и, спустя столетие с момента своего появления, фактически находится в начале пути к полностью цифровой рентгенологии, объединенной во всемирную сеть телерадиологии.

Отечественная промышленность наиболее подготовлена для разработки цифровых рентгеновских аппаратов с использованием ПЗСматриц в приемниках изображений. Выбор в качестве преобразователя свет-сигнал ПЗС-матрицы обусловлен следующими причинами. Приборам с зарядовой связью присущи высокая квантовая эффективность (может достигать 0,8). Динамический диапазон ПЗС-матриц превышает 3000. В таком широком диапазоне освещенностей ПЗС имеют линейную зависимость сигнала от освещенности. ПЗС-матрицы — это безынерционные приборы. Ряд свойств ПЗС-матриц: жесткий дискретный растр с точно известными координатами каждого элемента, отсутствие дисторсии, малые потребляемая мощность и габариты, высокая механическая прочность, стойкость к вибрациям и электромагнитным полям, надежность и большой срок службы, безподстроечный режим работы, идеально вписываются в рентгеновские приборы, построенные по цифровой технологии.

Теоретической и методической базой данной диссертационной работы послужили труды ведущих ученых и специалистов — Е. С. Бару, Н. Н. Блинова, Р. Е. Быкова, Ю. В. Варшавского, JI.B. Владимирова, С. Б. Гуревича, М. И. Зеликмана, Б. М. Кантера, В. В. Клюева, Э. Б. Козловского, Б. И. Леонова, Р. В. Ставицкого, Э. Г. Чикирдина, С. Нудельмана, А. Роуза и ряда других.

В соответствии с вышеизложенным, основная цель диссертационной работы состоит в оптимизации параметров и разработке малодозовых цифровых рентгеновских аппаратов, использующих приемники на базе ПЗС-матриц и цифровую обработку сигналов изображения.

Для достижения поставленной цели сформулированы следующие задачи исследования:

— проанализировать принципы построения и состояние разработок цифровых рентгеновских аппаратов для общей диагностики, флюорографии и хирургии;

— выявить преимущества и оценить эффективность цифровой рентгенотехники;

— исследовать пути снижения лучевых нагрузок в цифровых аппаратах, построенных на базе ПЗС-матриц;

— выработать требования к параметрам и характеристикам этих аппаратов;

— исследовать методы цифровой обработки, повышающие диагностическое качество рассматриваемого класса аппаратов;

— разработать, испытать и внедрить в клиническую практику цифровые аппараты с применением приемников на ПЗС-матрицах, которые чувствительнее и эффективнее аналоговых аппаратов.

Проведенные исследования позволили решить поставленные выше задачи, сформулировать основные полученные научные результаты и положения, выносимые на защиту.

К числу основных научных результатов отнесены следующие:

1. На основе сравнительного анализа цифровой и пленочной рентгенографии показано, что цифровые методы детектирования и обработки сигналов в сочетании с детекторами на ПЗС-матрицах, в отличие от пленочной технологии, обеспечивают широкий диапазон независимой оптимизации процедур детектирования, обработки, визуализации и хранения.

2. Получены аналитические соотношения, одно из которых (1.13) позволяет исследовать пути снижения лучевых нагрузок, а второе (2.20) дать количественную оценку относительного влияния на предельную разрешающую способность аппаратной функции приемника, размеров фокусного пятна, увеличения объекта и скорости его движения. Показано, что основной резерв заключается в увеличении жесткости рентгеновских лучей, использовании растров с высокой избирательностью, увеличении квантовой эффективности приемников за счет использования ПЗС-матриц и оптимизации (сокращении избыточности) качества изображения. Как показывают расчеты, в цифровых аппаратах лучевые нагрузки могут быть уменьшены не менее чем в 10 раз.

3. Исследование детальности, подвижности, контраста и размеров изображений в рентгеновском пучке показали, что в задачах общих диагностических исследований, флюорографии и хирургии с целью минимизации лучевой нагрузки пространственную разрешающую способность цифровых флюорографов следует ограничить величиной 2,5 мм-1, а цифровых рентгенографических аппаратов — величиной 3,7 мм-1.

На защиту выносятся следующие положения:

1. Сравнительный анализ цифровой и пленочной рентгенографии показал, что сочетание в одном носителе информации (пленка) процессов детектирования, обработки, визуализации и хранения не позволяет их оптимизировать независимо друг от друга. В результате квантовая эффективность детектирования рентгенографических комплектов ограничивается на уровне близком к 0,2, а динамический диапазон не превышает 50. В цифровых приемниках на базе ПЗС-матриц такие ограничения отсутствуют: достигнутая квантовая эффективность детектирования составляет 0,65, а динамический диапазон 400. Высокая разрешающая способность рентгенографических комплектов (до 10 мм-1), как правило, не реализуется, что связано с геометрией съемки и подвижностью исследуемых органов. Поэтому цифровые аппараты превосходят пленочные как по чувствительности, так и по качеству изображения.

2. На основе анализа полученных соотношений (глава 1) и соответствующих расчетов показаны пути снижения лучевых нагрузок, которые могут быть уменьшены не менее чем в 10 раз за счет увеличения жесткости рентгеновских лучей, использования растров с высокой избирательностью, применения ПЗС-матриц с высокой квантовой эффективностью и оптимизации (сокращении избыточности) качества изображения. ¦<

3. На основе проведенных исследований детальности, подвижности, контраста и размеров изображений в рентгеновском пучке оптимизированы требования к параметрам цифровых рентгеновских аппаратов для общих исследований, флюорографии и хирургии (глава 2). С целью минимизации лучевой нагрузки пространственную разрешающую способность цифровых флюорографов целесообразно ограничить величиной 2,5 мм'1, а цифровых рентгенографических аппаратов — величиной 3,7 мм'1.

4. Разработанные и внедренные в клиническую практику цифровые рентгеновские аппараты с приемниками на ПЗС-матрицах (глава 4).

Практическую ценность составляют:

1. На основании проведенных исследований выработаны требования к параметрам цифровых рентгеновских аппаратов для общих исследований, флюорографии и хирургии.

2. Показано, что в цифровой рентгенодиагностической аппаратуре на современном этапе ее развития успешно могут быть использованы коррекция аппаратурных искажений, препарирование изображения и согласование параметров изображения на мониторе со свойствами зрения. По результатам клинических испытаний из первого класса обработок для цифровых систем рекомендованы к практическому использованию коррекция неравномерности сигнала и фона по полю изображения, коррекция геометрических искажений и подавление шумовпрепарирование изображения, которое традиционно используется в субтракционной ангиографии в цифровыхсистемах, реализуется с более высокой эффективностью.

Внедрение результатов.

1. Результаты проведенных исследований использованы при разработке, изготовлении и испытаниях телеуправляемого рентгенодиагностического комплекса КРТ-«Электрон», цифрового рентгенографического аппарата АРЦ-01-«ОКО», цифрового флюорографа ФЦ-01 -«Электрон» и передвижных хирургических аппаратов серии РТС-612.

2. Все цифровые аппараты, разработанные в рамках настоящей работы, прошли технические и медицинские испытания и рекомендованы ведущими клиниками России к применению в медицинской практике. и.

Выводы.

В настоящем разделе рассмотрены промышленные разработки, выполненные под руководством и при непосредственном участии автора, в которых нашли внедрение результаты проведенных исследований:

1 Проведенные исследования позволили повысить уровень разработки цифровых рентгеновских аппаратов для общей диагностики (телеуправляемый рентгенодиагностический комплекс КРТ-«Электрон» и цифровой рентгенодиагностический аппарат АРЦ-01-«ОКО»), флюорографии (цифровой флюорограф ФЦ-01-«Электрон») и хирургии (аппарат серии РТС-612).

2 Впервые в России разработан телеуправляемый комплекс для общей рентгенодиагностики КРТ-«Электрон» с рабочим полем диаметром 290 мм, с цифровой камерой на ПЗС-матрице с числом элементов 1024×1024. В комплексе реализованы импульсная рентгеноскопия, сокращающая дозу пропорционально скважности импульсов, и цифровая рентгенография, с возможностью цифровой обработки изображения в автоматизированных рабочих местах.

3 В цифровом рентгенографическом аппарате АРЦ-01-«ОКО», заменяющем стол снимков и стойку снимков традиционного комплекса на три рабочих места, реализованы требования ВОЗ к рентгенографическим аппаратам.

4 Цифровой флюорограф ФЦ-01-«Электрон» с разрешающей способностью 2,5 мм" 1 позволяет проводить не только массовые профилактические исследования грудной клетки, но и осуществлять дифференциальную диагностику легочных заболеваний.

5 Впервые разработан отечественный передвижной хирургический аппарат, имеющий широкий диапазон клинического применения на рабочих местах, где осуществляются инструментальное вмешательство, терапия и позиционирование под рентгеновским контролем.

6 Проведенные разработки позволили начать внедрение в практику отечественной рентгенодиагностики аппаратов, построенных * на базе современных цифровых технологий, улучшающих диагностический процесс и сокращающих лучевые нагрузки на пациентов и обслуживающий персонал.

Заключение

.

1 Сравнительный анализ цифровой и пленочной рентгенографии выявил, что сочетание в одном носителе информации (пленка) процессов детектирования, обработки, визуализации и хранения не позволяет их оптимизировать независимо друг от друга. В результате квантовая эффективность детектирования рентгенографических комплектов принципиально ограничивается на уровне близком к 0,2, а динамический диапазон не превышает 50. В цифровых приемниках такие ограничения отсутствуют. В существующих цифровых приемниках (преобразователях рентгеновских изображений) достигнутая квантовая эффективность детектирования составляет 0,65, а динамический диапазон 400. Высокая разрешающая способность рентгенографических комплектов (до 10 мм" 1), как правило, не реализуется, что связано с геометрией съемки и подвижностью исследуемых органов. Поэтому цифровые аппараты превосходят пленочные как по чувствительности, так и по качеству изображения.

2 Анализ основных тенденций развития техники и технологии лучевой диагностики убедительно показывает необходимость реорганизации службы лучевой диагностики именно на базе цифровых технологий, так как она эффективнее пленочной со всех точек зрения: диагностической, экономической, радиационной, экологической и эргономической.

3 На основе полученных соотношений (1.8), (1.9), (1.10) и (1.14) исследованы пути снижения лучевых нагрузок, которые в цифровых аппаратах, как показывают расчеты, могут быть уменьшены не менее чем в 10 раз. Основной резерв заключается в увеличении жесткости рентгеновских лучей, использовании растров с высокой избирательностью, увеличении квантовой эффективности приемников изображения, оптимизации (сокращении избыточности) качества изображения.

4 Проведено исследование детальности, подвижности, контраста и размеров изображений в рентгеновском пучке и на основании этих исследований оптимизированы требования к параметрам цифровых рентгеновских аппаратов для общих исследований, флюорографии и хирургии. С целью минимизации лучевой нагрузки пространственную разрешающую способность цифровых флюорографов рекомендовано ограничить величиной 2,5 мм" 1, а цифровых рентгенографических аппаратов — величиной 3,7 мм" 1.

В цифровых аппаратах для рентгеноскопии возможно минимизировать лучевые нагрузки, если использовать импульсный режим цифрового приемника с переменной скважностью импульсов рентгеновского излучения частотой от 1 до 30 Гц.

Показано, что расширение динамического диапазона цифровых аппаратов до 200 является достаточным, чтобы заменить рентгенографические комплекты различной чувствительности, и исключает брак при ошибках в выборе режима съемки.

5 Методы цифровой обработки рентгеновских изображений можно разделить на три класса по функциональному назначению: коррекция аппаратурных искажений, препарирование изображения и согласование параметров изображения на мониторе со свойствами зрения. По результатам клинических испытаний из первого класса обработок для цифровых систем рекомендованы к практическому использованию коррекция неравномерности сигнала и фона по полю изображения, коррекция геометрических искажений и подавление шумов. Препарирование изображения, которое традиционно используется в субтракционной ангиографии в цифровых системах, реализуется с более высокой эффективностью. Предложено использование препарирования изображения в линейной томографии, заключающееся в устранении изображений расфокусированных слоев. Испытания" ' цифровых аппаратов в клиниках показали, что цифровая обработка для реализации ее возможностей требует прецизионного согласования параметров изображения на мониторе со свойствами зрительного анализатора рентгенолога по яркости, контрасту, детальности и ряду других.

6 Результаты проведенных исследований использованы при разработке, изготовлении и испытаниях телеуправляемого рентгенодиагностического комплекса КРТ-«Электрон», цифрового рентгенографического аппарата АРЦ-01-«ОКО», цифрового флюорографа ФЦ-01-«Электрон» и передвижных хирургических аппаратов серии РТС-612.

7 Все цифровые аппараты, разработанные в рамках настоящей работы, прошли технические и медицинские испытания и рекомендованы ведущими клиниками России к применению в медицинской практике (см. Приложения). Таким образом, в ходе проведенных исследований решена научно-техническая задача разработки малодозовых цифровых рентгеновских аппаратов для общей диагностики, флюорографии и хирургии, которые позволяют улучшить качество диагностики, сократить лучевые нагрузки и на более совершенном уровне организовать службу лучевой диагностики по беспленочной технологии. Этим функциональным возможностям удовлетворяют разработанные аппараты КРТ-«Электрон», АРЦ-01-«ОКО», ФЦ-01 -«Электрон» и РТС-612.