Аппарат для получения компьютерных рентгеновских изображений и способ получения таких изображений

 

Изобретение относится к приборам, используемым в медицине. Техническим результатом изобретения является оснащение аппаратуры рабочего места рентгенолога средствами беспленочной компьютерной рентгенографии при сохранении возможности применения фотопленочной рентгенографии, а также осуществление оператором контроля за срабатыванием источника рентгеновского излучения и допустимой дозой облучения пациента. Для этого устройство содержит люминесцентный экран, электронную камеру, оптическую систему, компьютер, планшет, светозащитный кожух и рентгенопрозрачный экран, а способ состоит в том, что момент включения источника задают с помощью компьютерной программы таким образом, что включение камеры на экспозицию опережает включение рентгеновской экспозиции при ограничении экспозиционной длительности. 2 с. и 3 з.п. ф-лы, 2 ил.

Изобретение относится к области медицинской рентгенографии и касается как конструкция рентгеновского аппарата, так и технологии получения рентгеновских изображений для целей диагностики.

Стандартный процесс получения рентгенограмм обычно связан с использованием специальной фотопленки. Недостатки такого процесса общеизвестны: во-первых, невозможность быстрого получения рентгенограммы (только время от рентгеновской экспозиции до получения мокрой рентгенограммы занимает около 10 минут); во-вторых, необходимость содержания при рентгенкабинете проявочной; в-третьих, расход химикатов и серебросодержащей пленки.

Аппарат Известны аппараты для беспленочной рентгенографии, например, с получением во время рентгеновской экспозиции электропотенциального рельефа на селеновой пластине с последующим считыванием этого рельефа. Считывание может производиться так, как это происходит в светокопировальных аппаратах типа "ксерокс". Возможно также считывание с помощью сканирующего щупа /1/. Полученный сигнал используется для запоминания и формирования "электронного" рентгеновского изображения на видеомониторе или дисплее ЭВМ. Недостатки: значительное усложнение электромеханического оснащения рентгеновского аппарата; значительное ухудшение качества получаемых рентгенограмм. При этом время от рентгеновской экспозиции до получения рентгеновского изображения сокращается незначительно.

Известны аппараты с использованием рентгеновских электронно-оптических преобразователей (РЭОП), соединенных с телекамерой /2/. Такой аппарат позволяет видеть рентгеновское изображение на экране видеомонитора и запоминать его электронными средствами в форме видеозаписи или (после соответствующего преобразования) в форме файла изображения на ЭВМ. Аппарат позволяет быстро получить рентгенограмму и даже серию рентгенограмм при рентгеноконтрастной диагностике. Недостаток - ограниченная возможностями РЭОП разрешающая способность, значительно уступающая разрешающей способности фотопленочных рентгенограмм.

Наконец, известен аппарат для получения компьютерных рентгеновских изображений, включающий медицинский рентгеновский аппарат общеизвестной конструкции, люминесцентный экран, электронную камеру, оптическую систему для проектирования изображения с экрана на матрицу электронной камеры и электронно-вычислительную систему для управления работой источника рентгеновского излучения и электронной камеры /3/. Данный аппарат, принятый в качестве прототипа, лишен недостатков описанных выше аппаратов, однако, будучи сформированным в виде самостоятельной рентгеновской системы, он может претендовать лишь на замену всего парка рентгеновского оборудования в многочисленных медицинских учреждениях, что потребует значительных затрат и времени. В то же время обостряющийся дефицит рентгеновской серобросодержащей фотопленки чрезвычайно ограничивает возможности рентгенологических исследований, в частности, в практике массовых обследований по профилактике легочных заболеваний и в травматологии.

Целью настоящего изобретения в отношении устройства является расширение функциональных возможностей существующих медицинских рентгеновских аппаратов без изменения их конструкции и способа операторского управления ими путем оснащения стандартной аппаратуры рабочего места рентгенолога средствами беспленочной компьютерной рентгенографии при сохранении возможности применения обычной фотопленочной рентгенографии.

Указанная цель достигается тем, что в аппарате для получения компьютерных рентгеновских изображений, включающем медицинский рентгеновский аппарат, люминесцентный экран, электронную камеру, оптическую систему для проектирования изображения с экрана на матрицу камеры и электронно-вычислительную систему, люминесцентный экран, оптическая система и электронная камера конструктивно объединены в один узел, собранный на планшете и устанавливаемый в стандартные направляющие фотопленочного кассетодержателя рентгеновского аппарата, причем планшет с экраном и элементы оптической системы закрыты светозащитным кожухом, а электронная камера и объектив защищены от воздействия рентгеновского излучения рентгенонепрозрачными экранами.

Другой целью изобретения является сохранение за оператором рентгеновской установки ответственного контроля за срабатыванием источника рентгеновского излучения и допустимой дозой облучения пациента, с обеспечением в то же время необходимой степени управляемости аппарата от электронно-вычислительной системы, достаточной для точного и синхронного срабатывания частей системы, но не снижающей степень рентгеновской безопасности для пациента и обслуживающего персонала.

Эта цель достигается тем, что в цепь операторского управления источником рентгеновского излучения последовательно включены нормально замкнутые контакты реле или нормально замкнутая цепь иного, например, полупроводникового выключателя, управляемого от электронно-вычислительной системы по соответствующей программе.

Еще одной целью изобретения, что касается конструкция аппарата, является повышение разрешающей способности и улучшение энергетических характеристик в оптической системе проекции изображения с люминесцентного экрана на матрицу электронной камеры.

Эта цель достигается тем, что в оптической системе аппарата применен объектив с переменным фокусным расстоянием расчетно выполненный по основным оптическим параметрам для двух крайних значений фокусного расстояния, а также дополнительно по ахроматизации и просветлению в соответствии со спектральной характеристикой излучения люминесцентного экрана.

Способ Известен способ получения компьютерных рентгеновских изображений, состоящий в проектировании изображения с люминесцентного экрана на матрицу электронной камеры с установкой пределов дозировки рентгеновского излучения /3/. Недостатком известного способа является отсутствие в нем синхронизации работы электронной камеры и рентгеновского источника, что вызывает необходимость включения камеры на более длительный промежуток времени, чем это требуется для накапливания электронных параметров сигнала изображения, и, как, следствие, ухудшение качества изображения из-за большого количества помех. Другим недостатком способа, известного из источника /3/, является то, что в нем отсутствует операция определения величины сигнала, накопленного матрицей электронной камеры, что требует применения дополнительных технических средств косвенного измерения количества световой энергии, проходящей от экрана на матрицу камеры (в прототипе - это фотодетектор 6). Это снижает точность определения экспозиции и усложняет систему.

Целью способа, предлагаемого авторами настоящего изобретения, является улучшение качества получаемого компьютерного изображения, а также приведение дозировки рентгеновского излучения в соответствии с требуемой величиной сигнала, накапливаемого камерой.

Указанная цель достигается тем, что в способе получения компьютерных рентгеновских изображений, состоящем в проектировании изображения с люминесцентного экрана на матрицу электронной камеры с установкой пределов дозировки рентгеновского излучения, с помощью программы электронно-вычислительной системы обеспечивают синхронизацию работы электронной камеры и источника рентгеновского излучения таким образом, что момент включения источника рентгеновского излучения задают, воздействуя на устройство управления контактами реле или иного выключателя цепи операторского управления источником рентгеновского излучения. При этом, воздействуя также на цепь питания камеры, устанавливают такой режим съемки, при котором включение камеры на экспозицию опережает включение рентгеновской экспозиции, причем экспозиционную длительность, в течение которой в камере накапливают электронные параметры сигнала изображения, ограничивают как посредством параметров, установленных на пульте управления, так и экспозиционной длительностью, вырабатываемой для камеры в программе, если эта длительность меньше установленной на пульте. Для улучшения качества изображения также определяют величину сигнала, накопленного камерой, начиная с момента включения, а по достижении этим сигналом наперед заданной величины производят выключение рентгеновского источника и остановку накопления сигнала камерой.

На фиг. 1 показана принципиальная схема заявляемого аппарата для получения компьютерных рентгеновских изображений; на фиг. 2 - схема прохождения сигналов.

В конструкцию заявляемого аппарата для получения компьютерных изображений (фиг. 1) входит стандартный медицинский рентгеновский аппарат, представленный на чертеже источником 1 рентгеновского излучения, столом 2 с направляющими 3 фотопленочного кассетодержателя и устройством 4 управления источником рентгеновского излучения. При настройке рентгеновского аппарата на режим получения компьютерных изображений к нему подсоединяют люминесцентный экран 5, электронную камеру 6, оптическую систему для проектирования изображения с экрана на матрицу электронной камеры, состоящую из зеркала 7 и объектива 8, электронно-вычислительную систему 9 и видеомонитор 10. Для управления источником рентгеновского излучения предусмотрена связь электронно-вычислительной системы 9 с устройством 4 управления.

В соответствии с целью изобретения люминесцентный экран 5, оптическая система (зеркало 7 и объектив 8) и электронная камера 6 конструктивно объединены в один узел, условно очерченный контуром из пунктирных линий 11. Этот узел собран на планшете 12, предназначенном для установки в направляющее 3 фотопленочного кассетодержателя. Планшет 12 соединен со светозащитным кожухом 13, который и объединяет перечисленные элементы аппарата в один узел. При этом электронная камера 6 и корпус объектива 8 защищены от прямого и рассеянного рентгеновского излучения рентгенонепроницаемыми экранами 14.

Для синхронизации срабатывания электронной камеры и источника рентгеновского излучения в цепь операторского управления источником излучения последовательно включены нормально замкнутые контакты реле, обозначенное позицией 15 и входящее в устройство синхронизации, находящееся под контролем электронно-вычислительной системы 9. Последняя снабжена соответствующей компьютерной программой, обеспечивающей осуществление заявляемого способа получения компьютерных рентгеновских изображений, а также их просмотр, обработку, хранение и распечатку.

Что касается устройства оптической системы проектирования изображения с экрана на матрицу электронной камеры, то в результате проведения соответствующих экспериментов авторы пришли к выводу о целесообразности применения в предлагаемом аппарате светосильного объектива с переменным фокусным расстоянием.

Применяемый в оптической системе объектив расчетно выполнен для двух крайних значений фокусного расстояния по основным оптическим параметрам - светосиле, разрешению, дисторсии, равномерности светопередачи по полю, а также дополнительно расчетно выполнен по ахроматизации и просветлению в соответствии со спектральной характеристикой излучения люминесцентного экрана.

При установке короткого фокуса на матрицу электронной камеры проектируется изображение со всей площади люминесцентного экрана. При этом достижимое разрешение в наблюдаемом на дисплее рентгеновском изображении определяется характеристиками электронной камеры. При использовании, например, матрицы в 600 х 600 элементов разрешение в пересчете на плоскость экрана составит величину 1-1,5 линии на 1 мм, а субъективно воспринимаемое качество изображения удовлетворительно для большей части обзорных рентгенограмм крупных объектов.

При установке длинного фокуса на матрицу электронной камеры проектируется часть поверхности люминесцентного экрана с центрального участка, и рентгенолог получает на дисплее ЭВМ изображение прицельной рентгенограммы. Так, например, при трехкратном соотношении величины короткого и длинного фокусов линейные размеры отображаемого на дисплее участка люминесцентного экрана сокращаются в три раза, разрешение в пересчете на плоскость экрана составляет величину 3-5 линий на 1 мм, а субъективно воспринимаемое качество изображения не уступает, а во многих отношениях и превосходит качество изображения, получаемого на фотопленке.

Для объектива, рассчитанного и выполненного для перестройки по фокусному расстоянию лишь в два крайних положения, выполнимы значительно более высокие требования по сравнению с требованиями, выполнимыми для объективов, согласованно перестраиваемых во всем диапазоне. Тем самым достигаются высокие показатели по всем существенным параметрам: дисторсии, равномерности светопередачи по полю, ахроматизации при соблюдении требования большой светосилы для обоих значений фокусного расстояния объектива. Это позволит получить наивысшее для используемой в электронной камере матрицы качество снимков для двух режимов рентгенографии: получения обзорного или прицельного рентгеновского изображения. Ахроматизация и просветление оптики, рассчитанные в соответствии со спектральной характеристикой свечения экрана, дополнительно обеспечивают улучшение энергетических характеристик светопередачи с экрана на матрицу электронной камеры. Использование объектива с такими характеристиками позволяет снизить дозы облучения пациента при рентгенографических исследованиях.

Заявляемый аппарат функционирует следующим образом.

Вначале включают рентгеновский аппарат, блок питания камеры (на фигуре не показан), компьютер, т.е. электронно-вычислительную систему 9, видеомонитор 10, при необходимости - принтер. Затем запускают управляющую программу. Разместив пациента в съемочном положении на столе 2, нацеливают на него источник 1 рентгеновского излучения (рентгеновскую трубку). На пульте рентгеновского аппарата устанавливают параметры рентгеновской экспозиции, включающие напряжение и силу тока на рентгеновской трубке, а также длительность экспозиции (выдержку).

Следует отметить, что когда электронно-вычислительная система включена, то реле 15 всегда, кроме отрезков времени, определяемых программой, находится под током, а его контакты, включенные в цепь операторского управления, разомкнуты. Вследствие этого для включения источника рентгеновских излучений недостаточно манипуляций оператора, а необходимо еще и разрешающее воздействие на реле путем его обесточивания, что и делается по команде программы после нажатия на кнопку включения рентгеновской экспозиции. Обычно при работе на режиме фотопленочной рентгенографии эта кнопка выполнена в виде отдельного органа управления, кабельно связанного с пультом рентгеновского аппарата, на котором устанавливаются и контролируются параметры рентгеновской экспозиции.

При нажатии на кнопку, в силу конструкции ее приводного механизма, оператор последовательно ощущает состояние промежуточного и окончательного упоров; в этой же последовательности кнопкой замыкаются две разные управляющие цепи рентгеновского аппарата: а) цепь, при замыкании которой рентгеновский генератор (на фигуре не показан) готовится к отработке рентгеновской экспозиции; б) цепь, при замыкании которой, если к этому времени завершились все процессы подготовки рентгеновского генератора, немедленно включается рентгеновский излучатель и отрабатывается рентгеновская экспозиция с установленными на пульте параметрами.

Оператор может при необходимости задержать аппарат в состоянии подготовки и в нужный момент немедленно включить экспозицию. В то же время при нажатии кнопки сразу до окончательного упора в рентгеновском аппарате, работающем в режиме фотопленочной рентгенографии, всегда отрабатывается описанная последовательность событий, а именно: сначала проходит процесс подготовки рентгеновского генератора, и только по завершении этого процесса включается рентгеновский излучатель.

Во всех случаях длительность рентгеновской экспозиции не может оказаться больше установленного на пульте значения параметра "выдержка", независимо от длительности удержания кнопки в нажатом состоянии, но может быть укорочена отпусканием кнопки, если к моменту отпускания кнопки экспозиция аппаратом не закончена.

Что касается заявляемого аппарата, то нормально замкнутые контакты реле 15 включены в цепь, разрешающую отработку рентгеновской экспозиции, а электронно-вычислительная система снабжена программой управления работой электронной камеры и схемой подачи тока в обмотку реле 15, и синхронизация работы камеры и источника рентгеновского излучения достигается следующим образом.

При работе с электронно-вычислительной системой, в которой запущена управляющая программа, от оператора требуется то же самое нажатие кнопки, но всегда до окончательного упора. При этом под управляющим воздействием программы реле 15 постоянно, за исключением описанных ниже моментов, находится под током, а его контакты находятся в разормкнутом состоянии. Тем самым рентгеновская экспозиция запрещена воздействием программы на реле. В момент, когда по ситуации работы с пациентом, например, после подачи устной команды "не дышать", необходимо провести рентгеновскую экспозицию, оператор запускает электронную камеру на экспозицию нажатием кнопки на клавиатуре ЭВМ или кнопки "мыши". При этом сначала включается на наперед заданное экспозиционное время электронная камера 6, а по прохождении программных отчетов о включении камеры на экспозицию программа обесточивает реле 15 на время до конца экспозиционного времени камеры. Контакты реле замыкаются, и тем самым разрешается установленная на пульте рентгеновская экспозиция, синхронизированная с работой камеры.

Такое подключение электронной системы к управлению рентгеновским излучателем оставляет рентгеновский генератор и источник под полным ответственным контролем оператора, что исключает всякую возможность превышения для пациента доз облучения вследствие отказа системы.

Описанные выше функции реле 15 могут выполняться иным, например, полупроводниковым управляемым выключателем.

Таким образом, в соответствии с целью заявляемого способа (п.4 формулы изобретения) включение камеры на экспозицию, хотя и на очень короткий отрезок времени (в силу быстродействия ЭВМ), но опережает включение рентгеновской экспозиции. Включившись на экспозицию, камера "видит" через проекционные оптические элементы темный люминесцентный экран, на котором немедленно вслед за этим появляется теневое рентгеновское изображение просвечиваемого рентгеновским излучателем объекта. Экспозиционная длительность, в течение которой накапливается электронный сигнал изображения, может определяться как установленными на пульте параметрами, так и экспозиционной длительностью, установленной в программе для камеры, если эта длительность меньше установленной на пульте.

Заявляемый способ (п.5 формулы изобретения) направлен также на то, чтобы система сама определяла продолжительность накопления сигнала для получения качественного изображения по фактическому количеству световой энергии, переданной с люминесцентного экрана на матрицу камеры за время накопления. Это достигается тем, что в программе управления камерой предусмотрена операция оценки интегральной величины накопленного камерой сигнала. При достижении этой величиной наперед установленного значения дальнейшее накопление прекращают, фиксируют электронный образ в оперативной памяти и подают изображение на дисплей ЭВМ. Дополнительно в тот же момент времени с помощью программы подают команду на схему управления реле 15. Его контакты, включенные в цепь управления рентгеновским генератором, размыкаются, прекращая рентгеновское облучение объекта. Оценка интегральной величины накопленного сигнала может производиться программой как по всей площади изображения, так и по наперед установленному участку площади изображения.

Таким образом, оператор, работая с системой, включенной в описанном режиме, устанавливают на пульте управления рентгеновским аппаратом параметры напряжения и тока для источника рентгеновских излучений, исходя из объемно-плотностных данных объекта рентгенографии, и время экспозиции, исходя из допустимых доз облучения. Фактическое время экспозиции, как правило, более короткое, чем установленное на пульте, определяется электронной системой управления, как это описано выше. Следовательно, безопасный предел рентгеновской дозы облучения пациента устанавливается оператором, а управляющая электронная система может только уменьшить дозу, но не увеличить ее.

Автоматически и сразу по завершении экспозиции программа выдает изображение на дисплей и видеомонитор. Рентгенолог немедленно получает возможность изучить рентгенограмму, причем к изображению, выведенному на дисплей ЭВМ, он может применить набор операций обработки изображения, подключенных к операционной программе, а для сопоставления он имеет исходное изображение на экране видеомонитора, выводимое из видеопамяти электронной камеры.

Следует отметить, что прежде чем рентгенолог начнет манипуляции с изображением ( в том числе его удаление с экрана), программа потребует от него заполнения протокольных атрибутов, сопутствующих снимку, и его записи в базу данных.

Пример выполнения способа. Тип рентгеновского аппарата - EDR 750, тип рентгеновской трубки - R 30/50 кВт. Используемый компьютер - IBM PC Pentium, электронная камера КАРРА, объектив с фокусным расстоянием 13,5 мм, люминесцентный экран размером 450 мм по диагонали, язык программирования Visual C++. Вес пациента - 90 кг. Обследуемый участок тела - пояснично-крестцовый отдел позвоночника. Цель - получение компьютерного рентгеновского изображения. На пульте рентгеновского аппарата устанавливают следующие параметры: напряжение 120 кВ, сила тока 150 мА, выдержка 0,25 сек. Пациенту в положении лежа на животе дается команда "не дышать", после чего нажимают кнопку "мыши". Далее пациента удаляют из-под рентгеновской трубки. При необходимости средствами программы проверяют фактическую выдержку, которую выработала электронно-вычислительная система в соответствии с введенной в нее программой. В нашем примере выдержка оказывается равной 0,21 сек. Сразу после экспозиции программа автоматически выдает изображение на дисплей и на видеомонитор. Рентгенолог приступает к анализу изображения.

В случае необходимости сделать рентгеновский снимок на пленке узел 11 легко удаляется на направляющих 3 кассетодержателя, что позволяет использовать рентгеновский аппарат в обычном режиме для фотопленочной съемки.

Таким образом, заявляемый аппарат позволяет: - получать рентгеновское изображение на видеомониторе и на дисплее ЭВМ непосредственно после рентгеновской экспозиции; - хранить рентгеновские изображения на дискетах или в памяти ЭВМ в специализированный базах данных; - печатать рентгеновские изображения на обычной бумаге.

Цифровой рентгеновский снимок представляет собой монохромное растровое изображение шириной 752 и высотой 582 пиксела, с 256-ю градациями яркости.

Полученные изображения хранятся на ЭВМ вместе с описательными атрибутами (дата, имя, год рождения, медицинские данные, параметры съемки и др.).

Использование предлагаемого аппарата для получения компьютерных рентгеновских изображений в медицинских учреждениях страны позволит удешевить процесс рентгенографии за счет снижения расхода специальной фотопленки и химикатов, повысить эффективность и оперативность медицинских обследований и диагностики, а заявляемый способ снизит облучаемость пациентов и обслуживающего персонала.

Формула изобретения

1. Аппарат для получения компьютерных рентгеновских изображений, включающий медицинский рентгеновский аппарат, люминесцентный экран, электронную камеру, оптическую систему проецирования изображения с люминесцентного экрана на матрицу электронной камеры и компьютер для управления режимами электронной камеры, получения изображения из ее оперативной памяти и управления работой источника рентгеновского излучения, отличающийся тем, что его люминесцентный экран, упомянутая оптическая система проецирования изображения и электронная камера конструктивно объединены в один узел, собранный на планшете, устанавливаемом в направляющие фотопленочного кассетодержателя рентгеновского аппарата, причем планшет с люминесцентным экраном и элементы оптической системы проецирования изображения закрыты светозащитным кожухом, а электронная камера и объектив упомянутой оптической системы защищены от воздействия рентгеновского излучения рентгенонепрозрачными экранами.

2. Аппарат по п.1, отличающийся тем, что в цепь операторского управления источником рентгеновского излучения медицинского рентгеновского аппарата последовательно включены нормально замкнутые контакты реле или нормально замкнутая цепь иного выключателя, управляемого от компьютера.

3. Аппарат по п.1 или 2, отличающийся тем, что в его оптической системе проецирования изображения с люминесцентного экрана на матрицу электронной камеры применен объектив с переменным фокусным расстоянием, выполненный по основным оптическим параметрам для двух крайних значений фокусного расстояния, а также по ахроматизации и просветлению в соответствии со спектральной характеристикой люминесцентного экрана.

4. Способ получения компьютерных рентгеновских изображений с помощью описанного аппарата, состоящий в том, что устанавливают пределы дозировки рентгеновского излучения, проецируют изображение с люминесцентного экрана рентгеновского аппарата на электронную камеру, накапливают параметры изображения в электронной камере в течение заданного времени и передают их из электронной камеры на дисплей, отличающийся тем, что в соответствии с программой с помощью компьютера управляют источником рентгеновского излучения рентгеновского аппарата и цепью питания электронной камеры и устанавливают такой режим съемки, при котором включение электронной камеры на экспозицию опережает включение рентгеновской экспозиции, причем экспозиционную длительность, в течение которой в электронной камере накапливают электронные параметры изображения, ограничивают посредством установки параметров экспозиционной длительности на пульте управления рентгеновского аппарата или уменьшения экспозиционной длительности, заданной для электронной камеры в программе компьютера.

5. Способ по п.4, отличающийся тем, что с помощью компьютера определяют величину сигнала, накопленного электронной камерой, начиная от момента включения источника рентгеновского излучения, а по достижении этим сигналом наперед заданной величины производят одновременно выключение источника рентгеновского излучения и остановку накопления сигнала электронной камерой.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2