Устройство для малоугловой маммографии (варианты)

 

Изобретение используется в медицине при диагностике онкологических заболеваний молочной железы на ранней стадии болезни. Один из вариантов устройства содержит источник проникающего излучения, коллиматор в виде регулярной многощелевой структуры, состоящей из прозрачных и непрозрачных участков и формирующей поток излучения в виде узких слоборасходящихся пучков, и позиционно-чувствительный детектор, снабженный пространственным фильтром, выделяющим когерентно-рассеянное в объекте излучение. Во втором варианте коллиматор выполнен с возможностью формирования широкого пучка, промодулированного по интенсивности с высокой пространственной частотой. Период пространственной модуляции излучения меньше размера импульсной неоднородности, а пространственное разрешение детектора уже на порядок пространственной модуляции. Изобретение позволяет выявить опухоли малых размеров за счет регистрации излучения, несущего информацию в молекулярной структуре ткани. 2 с. и 2 з.п.ф-лы, 6 ил.

Изобретение относится к устройствам для получения изображения объекта с помощью когерентного малоуглового рассеяния проникающего излучения, а именно к устройствам для маммографии, определяющим изменения в структуре тканей. Предлагаемое изобретение может быть использовано в медицине при диагностике онкологических заболеваний молочной железы на ранней стадии болезни, контроле положения иглы при проведении биопсии и т.д.

Известные устройства для маммографии, как правило, основаны на том принципе, что различные ткани при просвечивании отличаются по своей способности поглощать рентгеновское излучение. При этом рассеянние излучения в объекте и на элементах устройства является паразитным явлением, искажающим картину и ухудшающим контраст изображения. Для устранения рассеянного излучения используются коллимационные решетки, располагающиеся зa исследуемым объектом перед детектором (US 5212719, 18.05.93). Для устранения тени от решетки на изображении объекта при просвечивание предложено выполнять ее как подвижный элемент, осуществляющий возвратно-поступательные перемещения относительно детектора (ЕР 0402082, A 61 B 6/06, 04.06.90).

Вследствие того, что интенсивность прошедшего через объект излучения, формирующего изображение его проекции, определяется не только коэффициентом поглощения тканей, составляющих объект, но и его толщиной в зоне просвечивания, для получения качественного изображения необходимо, чтобы объект имел одинаковую оптическую толщину в направлении просвечивания. В известных устройствах это обеспечивается компрессией (сжатием) молочной железы до требуемых (или допустимых) размеров (US 4962515, 09.10.96). Однако это вызывает болевые ощущения и дискомфорт пациента при обследовании.

Другой способ компенсации переменной толщины объекта заключается в помещении молочной железы в цилиндрический сосуд с эмерсионной жидкостью, имеющей одинаковый с ней коэффициент поглощения рентгеновских лучей. Это используется, например, при томографии молочной железы (US 3973126, 03.08.76). При получении одной проекции груди аналогичного результата можно добиться путем введения пластинчатых ослабляющих фильтров (из алюминия или другого материала) специальной формы в зону просвечивания груди. В частности это применяется при изучении приповерхностных подкожных участков груди (US 4969174, 06.11.90).

Другой способ, позволяющий избежать компрессии молочной железы, заключается в получении изображения при сканировании груди узким рентгеновским пучком. В описанном устройстве (US 4969174, 06.11.90) изображение формировалось на фотопластине, под которой размещались ряды рентгеновских детекторов. Детекторы определяли требуемое время экспозиции фотопластины для каждого положения просвечивающего пучка. Сигнал с детекторов поступал в блок управления системой сканирования. И учет разной толщины груди в зоне просвечивания осуществлялся за счет различной скорости движения пучка. Сканирование в системе осуществлялось вдоль оси груди.

Существенным показателем работы рентгеновской маммографической установки является доза излучения, поглощенная пациентом при обследовании. Частичное уменьшение дозы облучения достигается уменьшением толщины исследуемого объекта (компрессией груди). Другим способом уменьшения дозы облучения является оптимальный выбор параметров рентгеновского излучения. Например, использование сменных фильтров позволяет подбирать жесткость излучения индивидуально для каждого пациента (US 4969174, 06.11.90).

При сканировании груди пациента узким пучком рентгеновского излучения уменьшение дозы облучения достигается за счет постоянного контроля детекторами прошедшего излучения. Режим просвечивания груди (скорость сканирования) выбирается оптимальным для минимизации дозы облучения пациента и получения четкого изображения исследуемого объекта.

Управление иглой при биопсии осуществляется на аналогичных описанным выше устройствах (US 5386447, 31.01.95). Введя иглу, при просвечивании объекта получают две скрещенные проекции груди, совмещая которые определяют точное местоположение иглы. Это может осуществляться одновременно (стереоизображение) или последовательно. Конструктивно просвечивающие аппараты имеют возможность поворачиваться вокруг оси исследуемой груди на произвольный (или какой-либо фиксированный угол) (EP 0390653 B1, A 61 B 6/00, 22.03.90).

Во всех описанных устройствах пациент обычно располагается сидя, стоя или в наклонном положении, и грудь его фиксируется перпендикулярно телу.

При проецирование изображения молочной железы на рентгенограмме различные участки тканей накладываются друг на друга, и в таком сложном изображении часто не удается измерить и изучить каждый из них в отдельности. Эта задача может быть решена за счет использования компьютерной томографии (US 3973126, 03.08.76). Пациент при этом обычно располагается лежа и его грудь погружается в сосуд с эмерсионной жидкостью. Просвечивающий луч и детектор осуществляют круговое движение вокруг оси исследуемой груди, для получения изображений проекций объекта со всех точек зрения (угол обзора - 360 градусов). После обработки полученных данных на компьютере формируется стереометрическое изображение внутренней структуры объекта.

Как уже упоминалось, в основе описанных выше устройств заложен принцип получения изображения внутренней структуры объекта по распределению интенсивности прошедшего через объект излучения, зависящему от распределения поглощающих свойств объекта. Молочная железа содержит только мягкие ткани, слабо различающиеся по коэффициентам поглощения рентгеновских лучей. Поэтому обнаружение незначительных изменений в тканях на ранних стадиях болезни и выявление опухолей малых размеров является затруднительным.

В данном изобретении предлагается принципиально иной подход к получению изображения, при котором регистрируемое излучение несет информацию о молекулярной структуре ткани, составляющей объект. В этом случае любое изменение в структуре ткани будет приводить к качественному изменению картины полученного изображения, даже если элементный состав ткани (коэффициент поглощения рентгеновских лучей) остается неизменным.

Как известно, прошедшее через объект рентгеновское излучение состоит из двух различных типов рассеянного в объекте излучения: когерентного и некогерентного (комптоновского) излучения. Информацию о структуре вещества несет лишь когерентная часть рассеянного излучения, которая преимущественно сосредоточена в угловом диапазоне от 0 до нескольких градусов относительно оси падающего пучка (в зависимости от длины волны падающего излучения). Некогерентное (комптоновское) излучение распределено статистически равномерно во всем угловом диапазоне 4π и информации о структуре рассеивающего объекта не несет.

Задачей данного изобретения является создание устройств, в которых обеспечивается регистрация только когерентно рассеянного излучения или одновременная регистрация когерентно рассеянного и поглощенного в объекте излучения. Для получения изображения, отвечающего распределению структурных характеристик ткани в объекте, в изобретение предлагаются различные варианты устройств для маммографии, в которых обеспечивается регистрация излучения в указанном выше интервале углов, т.е. регистрируется так называемое малоугловое рассеяние (МУР) рентгеновского излучения.

Первым вариантом устройства, в котором решается поставленная в изобретении задача, является устройство для малоугловой маммографии, содержащее источник проникающего излучения, коллиматор, формирующий падающий на объект поток излучения в виде узких малорасходящихся пучков (или одного пучка), расположенный за объектом пространственный фильтр и позиционно-чувствительный детектор. Устройство также оснащено средством, обеспечивающим перемещения потока проникающего излучения относительно исследуемого объекта, для получения его полной проекции на детекторе и средством компрессии исследуемого объекта.

В качестве источника излучения выбирается рентгеновский источник, имеющий жесткость и интенсивность излучения, которые обеспечивают минимальную дозу облучения пациента при получении качественного изображения. Размеры фокусного пятна источника излучения зависят от используемой в данной установке системы коллиматор - пространственный фильтр. Элементы коллиматор - пространственный фильтр являются взаимосвязанными и определяют все рабочие параметры установки.

Коллиматор - это устройство, которое формирует набор узких слаборасходящихся пучков (или отдельный пучок), просвечивающих исследуемый объект. Оно представляет собой регулярную периодическую структуру, состоящую из непрозрачных для излучения областей и прозрачных каналов. Форма и расположение каналов может быть различной: например, щели, круглые отверстия, расположенные в гексагональном или шахматном порядке и т.д. Общими требованиями, предъявляемыми к коллиматорам, являются следующие: во-первых, линии поверхностей, образующих прозрачные каналы, должны сходиться на фокусном пятне источника с целью увеличения энергоотдачи установки, при этом излучение в различные каналы коллиматора может попадать из разных областей фокусного пятна источника: во-вторых, коллиматор должен формировать световые пучки шириной и расходимостью γ такой, чтобы иметь возможность регистрировать рассеянное в малоугловом диапазоне излучение, т.е., чтобы любой рассеянный объектом под малым углом α луч первичного пучка выходил за границы первичного пучка в зоне регистрации; в-третьих, период структуры коллиматора должен быть такой, чтобы соседние пучки не перекрывались друг с другом в плоскости детектора и позволяли регистрировать малые углы вплоть до угла β (α и β) - углы, определяющие регистрируемый малоугловой диапазон: α может быть 5 угловых секунд и более, β - до 2 градусов).

Для выполнения этих требований расстояние между входом и выходом коллиматора должно значительно превышать его поперечные размеры. Конструктивно щелевой коллиматор может быть выполнен в виде чередующихся непрозрачных для излучения пластин и зазоров между ними или в виде двух диафрагм - с одной или несколькими щелями на входе и многощелевой на выходе, съюстированных должным образом. Могут использоваться и другие конструкции коллиматоров, отвечающие перечисленным выше требованиям.

Пространственный фильтр малоуглового излучения является ответной регулярной периодической структурой для коллиматора, т.е. он устроен таким образом, что экранирует прямые пучки, сформированные коллиматором, и пропускает излучение, рассеянное в плоскости объекта под малыми углами в угловом диапазоне от α до β). Конструктивное выполнение пространственного фильтра должно соответствовать используемому коллиматору: для линейного коллиматора пространственный фильтр должен быть выполнен в виде линейного растра, для коллиматора с плотной (гексагональной) упаковкой цилиндрических каналов - в виде растра с круглыми отверстиями и гексагональной ячейкой.

Коллиматор формирует лучи, высвечивающие отдельные области исследуемого объекта, поэтому для получения целостной картины внутренней структуры объекта необходимо обеспечить перемещение оптической части устройства (источника излучения, коллиматора, пространственного фильтра и в некоторых случаях детектора) в плоскости, перпендикулярной направлению падения просвечивающих лучей. Для щелевого коллиматора это может быть линейное движение вдоль оси груди. Для коллиматоров, имеющих апертуры другой формы, это будет более сложная траектория. Скорость перемещения оптической системы должна быть достаточна для получения необходимой экспозиции на детектирующем устройстве.

Для получения качественного изображения объекта при регистрации рассеянного под малыми углами излучения необходимо осуществлять компрессию груди, т. е. чтобы толщина объекта в направлении распространения излучения составляла одинаковую величину для всех участков исследуемого объекта. Выполнение этого требования необходимо для получения истинной картины распределения рассеивающих центров (тканей) в исследуемом объекте, поскольку интенсивность излучения, падающего на детектор под определенным углом, зависит от функции рассеяния каждого из рассеивающих центров и их количества в зоне облучения. Компрессия груди может осуществляется, например, между двумя пластинами, прозрачными для проникающего рентгеновского излучения и обеспечивающими ее однородное сжатие.

Детектирующее устройство представляет собой позиционно-чуствительный датчик рентгеновского излучения, позволяющий регистрировать интенсивность излучения от всех лучей одновременно. Это может быть ПЗС-устройство, фотодиодная матрица, рентгеновская фотопленка и т.д. Чувствительность детектора определяет требуемую мощность источника излучения и скорость сканирования исследуемого объекта.

Доза облучения, полученная пациентом при обследовании, зависит от количества проникающего излучения, необходимого для получения изображения объекта в малоугловом контрасте.

Уменьшение дозы облучения пациента возможно путем регистрации излучения, рассеянного в самые малые углы (от нуля до десятков угловых минут), поскольку для нулевого пика дифракции, чем меньше угол регистрации, тем выше интенсивность излучения, рассеянного под этим углом. Необходимость регистрации малых углов рассеяния предъявляет жесткие требования к формированию потока проникающего излучения, что приводит к потерям интенсивности излучения. Для большей эффективности использования излучения источника может применяется многолучевая схема.

Другим способом уменьшения дозы облучения пациента является выбор оптимальной длины волны проникающего излучения. Длина волны проникающего излучения может подбираться индивидуально для каждого пациента (например, путем использования сменных фильтров) в зависимости от толщины исследуемого объекта.

При своей работе данное устройство регистрирует практически только малоугловое когерентно-рассеянное излучение. Некогерентно-рассеянное (комптоновское) излучение испускается статистически равномерно во всем угловом диапазоне 4π, поэтому пренебрежимо мало в зоне регистрации (за счет малости регистрируемого углового диапазона). Влияние излучения прямого пучка на регистрирацию излучения, рассеянного под малыми углами, определяется условиями коллимации и может быть практически устранено. Поэтому за счет использования растра с глубокими, узкими щелями в качестве коллиматора и пространственного фильтра и малости регистрируемого углового диапазона рассеяния возможно достичь высокого соотношения сигнал/шум при получении изображения исследуемого объекта.

Другой вариант маммографического устройства основывается на принципе одновременной регистрации поглощенного и когерентно-рассеянного под малыми углами проникающего излучения. Устройство содержит источник проникающего излучения, щелевой коллиматор, формирующий падающий на объект поток излучения в виде узких, малорасходящихся пучков, и расположенный за объектом регистрирующий пространственный фильтр. Такой пространственный фильтр выполнен из непрозрачных для излучения пластин в виде щелевого растра, в щелях которого размещены регистрирующие элементы. Толщина пластин выбирается таким образом, чтобы исключить влияние излучения, регистрируемого отдельным элементом детектора, на соседние регистрирующие элементы. Глубина и ширина зазоров между пластинами устанавливается из условия регистрации отдельным детектором излучения, попадающего на него под определенным углом. Размеры каждого регистрирующего элемента должны быть по крайней мере не больше, чем проекция отдельного пучка, формируемого коллиматором на плоскость регистрации (предпочтительно в несколько раз меньше). Каждый из детекторов соединен с системой обработки информации, позволяющей разделить рассеянное объектом излучение и излучение прямого пучка. Тогда на экране монитора возникает два изображения: одно изображение, соответствующее поглощательному контрасту исследуемого объекта, другое - малоугловому.

Пространственный регистрирующий фильтр может быть выполнен таким образом, что в разных щелях растра будут располагаться детекторы, имеющие различную чувствительность. Детекторы, которые регистрируют рассеянное излучение, должны быть более чувствительны к падающему излучению, чем детекторы, регистрирующие излучение прямого пучка.

В описанном устройстве возможно избежать компрессии груди, поскольку толщина просвечиваемого участка груди может определяться при измерении поглощенного в объекте излучения и учитываться при обработке изображения, формируемого рассеянными лучами.

Сканирование исследуемого объекта пучками проникающего излучения осуществляется аналогично описанной выше схеме.

Разрешение неоднородностей объекта в направлении сканирования определяется шириной отдельного просвечивающего пучка. Разрешение в перпендикулярном направлении ограничено размерами отдельных элементов позиционно-чувствительного детектора.

Другим вариантом маммографического устройства, формирующего изображение исследуемого объекта в поглощательном и малоугловом контрасте, является устройство с разностной схемой регистрации малоуглового рассеяния.

Задачей данного изобретения является снижение дозы облучения при получении изображения внутреннего строения объекта с учетом структурных характеристик входящих в него веществ. Сущность работы описываемого устройства основывается на следующем принципе: пучок проникающего излучения, имеющий в сечении точечную или штриховую форму, регистрируется высокоразрешающим позиционно-чувствительным детектором. Распределение интенсивности излучения в плоскости детектора будет определяться оптической передаточной функцией устройства. При помещении исследуемого объекта в устройство полная оптическая передаточная функция устройства, а следовательно, и распределение интенсивности излучения в плоскости детектора изменится. Изменение формы распределения интенсивности излучения будет определяться функцией рассеяния объекта, которая будет определять рассеивающие свойства вещества и при сравнении данных, полученных в измерении, с имеющейся базой данных для модельных объектов возможна идентификация исследуемого объекта по его рассеивающим свойствам.

Один из вариантов устройства состоит из источника рентгеновского излучения, одного или нескольких коллиматоров, каждый из которых формирует излучение в виде плоского веерного пучка, имеющего в одном направлении угловое распределение интенсивности, по форме близкое к δ-функции, и в другом - перекрывающего всю исследуемую область объекта, и высокоразрешающего двухкоординатного детектора. Оптическая часть устройства (источник, коллиматор, детектор) и исследуемый объект имеют возможность перемещаться относительно друг друга для осуществления последовательного сканирования исследуемого объекта. Высокоразрешающий детектор измеряет распределение интенсивности излучения в рентгеновском пучке при наличии и в отсутствии объекта.

Для обеспечения точности измерений необходимо, чтобы размеры отдельных чувствительных элементов детектора были меньше полуширины распределения интенсивности рентгеновского пучка в плоскости регистрации, предпочтительно меньше на порядок. Такой способ измерений позволяет регистрировать рассеянные под малыми углами рентгеновские лучи, не только выходящие за границы пучка, но и те, что приводят к перераспределению интенсивности излучения внутри пучка. Чтобы иметь возможность сравнивать незначительные изменения больших сигналов при обработке данных, полученные распределения интенсивности излучения в пучке при наличии и в отсутствии объекта нормируют на общую интенсивность падающего и прошедшего через объект излучения, соответственно. Таким образом, полученные данные приводятся к общим условиям, и изменение формы кривой распределения интенсивности излучения в пучке (разность нормированного пространственного распределения интенсивности) будет отражать функцию рассеяния среды, через которую проходит излучение.

Оптимальные условия регистрации при исследовании различных объектов могут быть достигнуты путем выбора жесткости, т.е. длины волны, используемого проникающего излучения. Чем мягче используемое излучение (больше длина волны), тем сильнее изменяется нормированная кривая распределения интенсивности в просвечивающем пучке за объектом, однако при этом возрастает доля излучения, поглощенного в объекте, и уменьшается сигнал на детекторе. Выбор оптимальных параметров проникающего излучения зависит от характера исследуемого объекта и в каждом случае осуществляется индивидуально. При использовании полихроматического источника излучения это может быть осуществлено либо подбором фильтра, вырезающего требуемый спектральный диапазон, либо путем использования детектора, селективно-чувствительного к выделенному диапазону энергии регистрируемых квантов. В последнем случае на детекторе для каждого спектрального диапазона проникающего излучения регистрируется свое распределение интенсивности в пучке за объектом. Однако применение этого способа в маммографических установках ограничено, поскольку при этом возрастает доза облучения пациента.

Как было описано выше, функция рассеяния каждого вещества определяется его структурой и является "визитной карточкой" данного вещества и его состояния, которая может быть использована для их идентификации, т.е. по сравнению измеренной разности нормированного пространственного распределения интенсивности для исследуемого объекта с результатами, содержащимися в базе данных для контрольных объектов, можно определить, какая ткань имеет рассеивающую способность, приводящую к таким изменениям интенсивности в пучке. К тому же из отношения общей интегральной интенсивности до и после объекта определяется поглощающая способность веществ, входящих в объект, что также может быть использовано для предварительной идентификации.

Таким образом, за одно измерение для каждой области объекта, просвечиваемой рентгеновским пучком, определяется коэффициент поглощения и в неявном виде функция рассеяния ткани, входящей в освещаемую пучком область. Это позволяет различать даже входящие в объект ткани, имеющие одинаковый элементный состав, но различную структуру, что очень важно при диагностике онкологических заболеваний.

Поскольку рассеивающие свойства вещества определяются при измерении интенсивности в прямом пучке, это позволяет значительно уменьшить дозу облучения объекта при таких измерениях по сравнению с измерениями излучения, рассеянного вне первичного пучка (в 10³ - 10⁵ раз), что имеет немаловажное значение в медицинской диагностике. Чувствительность описываемого устройства к обнаружению неоднородностей в объекте определяется пространственным распределением проникающего излучения: чем уже пучок, тем больше изменяется его форма после прохождения исследуемого объекта.

Другой вариант описанного выше устройства предусматривает формирование тонкого цилиндрического пучка (коллиматор имеет круглую апертуру). Определение тканей в области просвечивания происходит аналогично описанному выше способу. Для исследования объекта сканирующее устройство должно обеспечивать независимое перемещение просвечивающего пучка в двух взаимно перпендикулярных направлениях. Это устройство может быть эффективно для неразрушающего анализа опухолей, обнаруженных каким-либо методом.

Описанные выше устройства для своей успешной работы предусматривают формирование узкоколлимированного просвечивающего пучка, что накладывает ограничения на эффективность использования энергии, производимой рентгеновским источником. Другой вариант описываемого устройства позволяет различать сходные вещества по их рассеивающим и поглощающим свойствам при использовании широкого пучка проникающего излучения. Этот вариант устройства отличается тем, что коллиматор представляет собой многощелевую периодическую структуру, формирующую поток рентгеновского излучения в виде широкого пучка, промодулированного с высокой пространственной частотой. Детектор, имеющий высокое угловое разрешение в плоскости регистрации, измеряет периодически модулированное распределение интенсивности излучения при наличии и в отсутствии объекта. Наличие объекта в устройстве приводит к изменению функции модуляции распределения интенсивности в плоскости детектора, что позволяет определять следующие параметры исследуемого вещества: уменьшение среднего значения интенсивности вдоль направления модуляции пучка определяет величину поглощения рентгеновского излучения различными частями объекта, а изменение глубины модуляции распределения интенсивности содержит в неявном виде функцию рассеяния объекта. Эти параметры при сравнении полученных результатов с имеющейся базой данных позволяют идентифицировать ткани, составляющие исследуемый объект. Для обнаружения неоднородности в объекте, занимаемой исследуемым веществом, необходимо, чтобы период пространственной модуляции излучения в объекте был меньше размера самой неоднородности.

Чувствительность описываемой установки к регистрации интенсивности рассеянного излучения определяется пространственной частотой и глубиной модуляции падающего излучения и разрешением используемого детектора. Чем выше пространственная частота модуляции излучения и больше глубина модуляции, тем сильнее будет изменяться функция распределения интенсивности излучения при внесении объекта. Однако максимальные значения допустимой пространственной частоты модуляции излучения ограничены параметрами используемого модулятора и разрешением детектирующих элементов. Пространственное разрешение детектора должно быть меньше периода пространственной модуляции излучения, предпочтительно на порядок.

Описанное выше устройство позволяет также избегать компрессии груди, что обеспечивает больший комфорт пациента при маммографических исследованиях.

Возможно также использование варианта описанного устройства, размеры светового поля которого перекрывают всю проекцию исследуемой груди. Это позволило бы избежать использования сканирующих устройств (движущихся частей) и ускорить процедуру обследования пациента.

Все описанные выше устройства имеют возможность поворачиваться вокруг оси, параллельной оси исследуемой груди, и фиксироваться под определенным углом к вертикальной плоскости. Это осуществляется для получения изображения груди в различных проекциях.

Пациент при обследовании может располагаться стоя или сидя, прямо или в наклонном положении. Для автоматизации процедуры установки пациента в маммографическое устройство и выбора направления просвечивания груди может использоваться вакуумное фиксирующее грудь устройство. Оно представляет собой цилиндрическую емкость, выполненную из материала, прозрачного для рентгеновского излучения. Это устройство устанавливается на грудной клетке пациента таким образом, чтобы исследуемая грудь оказалась внутри. Затем в устройстве создается слабое разряжение, при этом грудь фиксируется в требуемом положении. Для обеспечения безопасности пациента в устройстве предусмотрен клапан, срабатывающий при увеличении разряжения больше критической величины.

Описанные выше устройства, использующие принцип получения изображения объекта в зависимости от структуры тканей его составляющих, могут также являться составной частью других маммографических устройств, например томографа или устройства для контроля проведения биопсии и т.д.

Сущность изобретения поясняется следующими фигурами чертежей: на фиг. 1 представлена принципиальная схема устройства для получения изображения исследуемого объекта в малоугловом контрасте; на фиг. 2 приведена принципиальная схема устройства для получения изображения объекта, в котором осуществляется одновременная регистрация МУР и поглощенного излучения; на фиг. 3 изображена принципиальная схема сканирующего устройства для неразрушающего анализа тканей; на фиг. 4 изображена принципиальная схема устройства для маммографии с разностной схемой регистрации рассеянного излучения; на фиг. 5 изображена принципиальная схема устройства для томографической маммографии; на фиг. 6 изображена принципиальная схема устройства для проведения биопсии, с контролем перемещения иглы.

Как показано на фиг. 1, устройство содержит источник 1 проникающего излучения, например рентгеновскую трубку, и диафрагму 2 с отверстием 3. Часть излучения рентгеновской трубки вырезается диафрагмой 2 и направляется на исследуемый объект 4. Между исследуемым объектом 4 и диафрагмой 2 установлен коллиматор 5, формирующий падающий на объект поток излучения в виде узких малорасходящихся пучков. Коллиматор 5 имеет чередующиеся прозрачные 6 и непрозрачные 7 для проникающего излучения участки, образующие каналы. Оси каналов ориентированы по направлениям, сходящимся в точке, совпадающей с фокусом источника излучения. На пути прошедшего через объект излучения установлен пространственный фильтр 8, представляющий собой подобную коллиматору структуру с прозрачными 9 и непрозрачными 10 участками.

Задачей пространственного фильтра 8 является выделение рассеянного на малые углы когерентного излучения и поглощение прямого излучения и излучения, рассеянного на большие углы. Коллиматор 5 и пространственный фильтр 8 расположены так, что непрозрачные участки 10 фильтра перекрывают прозрачные для излучения участки 6 коллиматора и пропускают через прозрачные участки 9 только излучение, рассеянное объектом под малыми углами.

Размеры прозрачных участков, в данном случае ширина и глубина щелей, период структуры коллиматора (расстояние между щелями коллиматора), а также размеры прозрачных участков пространственного фильтра должны быть подобраны таким образом, чтобы обеспечить регистрацию на позиционно-чувствительном детекторе 11 излучения, рассеянного под малыми углами исследуемым объектом в определенном угловом диапазоне.

Для получения качественного изображения объекта при регистрации рассеянного под малыми углами излучения осуществляется компрессия груди. Исследуемая грудь сжимается между двумя пластинами 12, выполненными из материала, прозрачного для проникающего излучения. Величина сжатия определяется условием выравнивания толщины исследуемого объекта в направлении падения лучей проникающего излучения.

Пучки проникающего излучения, формируемые коллиматором, высвечивают отдельные области исследуемого объекта, поэтому для получения целостной картины изображения объекта оптическая часть устройства (источник 1 с диафрагмой 2, коллиматор 5, пространственный фильтр 8 и детектор 11) может перемещаться относительно объекта в направлении 13 вдоль оси, совпадающей с осью груди.

Все устройство монтируется на раме 14, которая имеет возможность поворачиваться на произвольный угол вокруг оси 15, параллельной оси исследуемой груди, с целью получения изображения различных проекций груди.

Устройство, изображенное на фиг. 2, отличается от показанного на фиг. 1 тем, что пространственный фильтр 8 в нем выполнен в виде щелевого растра 16, в щелях которого размещены регистрирующие элементы 17. Растр 16 выполнен из набора пластин 18, непрозрачных для проникающего излучения. Толщина пластин выбирается такой, чтобы исключить влияние излучения, рассеянного в материале регистрирующего элемента 17, на соседние с ним регистрирующие элементы. Глубина и ширина зазоров между пластинами выбирается из условия регистрации отдельным элементом детектора излучения, падающего на него под определенным углом.

Поступление сигналов от регистрирующих элементов в систему обработки информации будет происходить по двум независимым каналам. Один из каналов связан с элементами, регистрирующими распределение интенсивности излучения, обусловленное различием коэффициентов поглощения тканей, составляющих объект исследования, а второй - с элементами, регистрирующими излучение, рассеянное под малыми углами, зависящее от структуры просвечиваемых тканей. В результате компьютерной обработки на экране монитора формируется изображение объекта, обусловленное различиями в составе и структуре составляющих его тканей.

На фиг. 3 показана принципиальная схема сканирующего устройства, для анализа отдельных областей исследуемого объекта, основанного на принципах одновременной регистрации прошедшего через объект и рассеянного им под малыми углами излучения. От источника 19 рентгеновского излучения поток направляют на неподвижный объект 20. Коллиматор 21, выполненный в виде щели, формирует падающее на объект 20 излучение в виде штрихового пучка, имеющего угловое распределение интенсивности в направлении 22, совпадающем с осью исследуемой груди, по форме близкое к δ-функции и перекрывающим весь объект в перпендикулярном направлении 23.

Дополнительно между коллиматором 21 и объектом 20 устанавливается диафрагма 24 с регулируемой шириной щели. Положения щелей коллиматора и диафрагмы взаимно перпендикулярны. В результате этого поток проникающего излучения формируется в виде узкого пучка с точечным или штриховым сечением. Коллиматор вместе источником излучения имеет возможность перемещаться вдоль направления 22, совпадающего с направлением оси исследуемой груди. Диафрагма при этом может независимо перемещаться в перпендикулярном направлении 23. Это позволяет выбирать область просвечивания на исследуемом объекте 20. Распределение интенсивности прошедшего через объект излучения регистрируется высокоразрешающим двухкоординатным детектором 25. Размеры отдельных элементов детектора 25 должны быть меньше полуширины распределения интенсивности рентгеновского пучка в плоскости регистрации, предпочтительно на порядок. Наличие малоуглового рассеяния в объекте приводит к перераспределению интенсивности излучения в первичном пучке, падающем на объект. Регистрируемое детектором 25 распределение интенсивности излучения в пучке за объектом позволяет при сравнении с базой данных определить наличие структурных изменений в просвечиваемой области объекта 20, приводящих к такому результату. К тому же одновременно с этим детектор регистрирует поглощение излучения объектом, что позволяет избегать при измерениях компрессии груди, поскольку учет толщины просвечиваемой области объекта может осуществляться по величине поглощенного в ней излучения.

Другой вариант устройства, представленный на фиг. 4, позволяет различать вещества по их рассеивающим и поглощающим свойствам при использовании широкого пучка проникающего излучения. Источник 26 направляет поток проникающего излучения на исследуемый объект 27, расположенный на поддерживающей платформе 28, выполненной из прозрачного для проникающего излучения материала. Между объектом и источником излучения располагается коллиматор 29, который формирует падающий поток проникающего излучения в виде широкого пучка, промодулированного по интенсивности с высокой пространственной частотой.

Коллиматор может быть выполнен, например, в виде щелевого растра, период и размеры щелей которого определяют пространственную частоту и глубину модуляции просвечивающего пучка. Формируемые коллиматором пучки проникающего излучения могут перекрываться в плоскости регистрации. Двухкоординатный позиционно-чувствительный детектор 30 должен обеспечивать высокое пространственное разрешение такое, чтобы размеры отдельных регистрирующих элементов были меньше пространственной частоты модуляции просвечивающего излучения в плоскости регистрации, предпочтительно на порядок. Регистрируемое детектором 30 распределение интенсивности проникающего излучения при наличии и отсутствии объекта позволяет получать изображение внутренней структуры исследуемого объекта в поглощательном контрасте, промодулированное с соответствующей частотой, и по изменению глубины модуляции прошедшего излучения определить функцию рассеяния веществ, составляющих объект. Эти параметры при сравнении полученных результатов с имеющейся базой данных позволяют идентифицировать вещества, составляющие исследуемый объект.

Другим устройством, изображенным на фиг. 5, в котором используется принцип одновременной регистрации поглощенного в исследуемом объекте и рассеянного им под малыми углами излучения, является маммографический томограф, т. е. устройство, позволяющее получать объемное изображение внутренней структуры исследуемого объекта.

При получении томограммы груди пациент 31 предпочтительно находится лежа, вниз лицом. Для обследования пациента используется схема, позволяющая одновременно регистрировать поглощенное в объекте и рассеянное им излучение. Это может быть, например, разностная схема. От источника 32 рентгеновского излучения поток направляют на исследуемый объект 33. Коллиматор 34, выполненный в виде щели, формирует падающее на объект 33 излучение в виде штрихового пучка, имеющего угловое распределение интенсивности в направлении, перпендикулярном оси груди, по форме близкое к δ-функции и перекрывающим весь объект в продольном направлении. Распределение интенсивности прошедшего через объект излучения регистрируется высокоразрешающим двухкоординатным детектором 35. Размеры отдельных элементов детектора 35 должны быть меньше полуширины распределения интенсивности рентгеновского пучка в плоскости регистрации, предпочтительно на порядок.

Оптическая часть устройства (источник рентгеновского излучения, коллиматор и двухкоординатный детектор) осуществляет синхронное движение по круговой траектории 36 вокруг оси исследуемой груди. При этом для каждого положения источника и детектора одновременно регистрируется поглощенное в объекте и рассеянное им излучение, поэтому нет необходимости погружать исследуемую грудь в эмерсионную жидкость. Достаточно обеспечить фиксацию груди на все время исследования. Это может, например, осуществляться путем использования вакуумного держателя 37, который обеспечит ее фиксацию и вытягивание вдоль своей оси для получения более полной проекции.

После компьютерной обработки данных, полученных за полный оборот оптической системы, формируется трехмерное изображение объекта в малоугловом контрасте, при этом учет формы груди осуществляется по поглощенному излучению.

На фиг. 6 представлено устройство для проведения биопсии, в котором также используется принцип одновременной регистрации поглощенного в исследуемом объекте и рассеянного им под малыми углами излучения.

Это устройство включает в себя два скрещенных блока 38, каждый из которых выполнен по схеме, изображенной на фиг. 3. Каждый блок имеет возможность поворачиваться вокруг исследуемой груди 39 на произвольный угол. Оптическая система каждого блока 38 формирует точечные или штриховые пучки 40 просвечивающего излучения, которые могут быть позиционированы на любом месте исследуемой груди. Размеры пучков должны быть таковы, чтобы перекрываемая ими область исследуемого объекта была достаточна для контроля движения иглы 41 при биопсии к пораженному участку груди. Минимизация размеров необходимо просвечиваемой при этом области груди позволяет уменьшить общую дозу облучения пациента.

При работе устройства канал обработки сигнала, регистрирующий поглощенное излучение, определяет положение и направление движения иглы биопсии и толщину исследуемого объекта в просвечиваемой области. Канал, регистрирующий когерентно-рассеянное излучение, формирует контрастное изображение просвечиваемой области объекта и определяет положение участка, из которого необходимо взять образец ткани.

Описанное устройство, помимо биoпсии, может также использоваться при проведении микрохирургических операций, введении лекарств, установке меток для последующего хирургического вмешательства и т.д.

Формула изобретения

1. Устройство для маммографии, содержащее источник проникающего излучения, расположенный за ним коллиматор, формирующий падающий на объект поток излучения и позиционно-чувствительный детектор, коллиматор выполнен в виде регулярной периодической структуры, представляющей собой прозрачные для излучения участки в виде щелей или каналов и чередующиеся с ними непрозрачные участки, формирующие поток излучения в виде узких слаборасходящихся пучков, позиционно-чувствительный детектор снабжен пространственным фильтром, выполненным с возможностью выделения когерентно-рассеянного в объекте излучения.

2. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что пространственный фильтр представляет собой подобную коллиматору регулярную периодическую структуру, в которой участки, соответствующие прозрачным участкам коллиматора, выполнены из непрозрачного для проникающего излучения материала, и расположен так, что непрозрачные участки фильтра перекрывают прозрачные участки коллиматора, при этом размеры щелей или каналов и период структуры коллиматора, а также размеры прозрачных участков пространственного фильтра выбирают из соображений обеспечения регистрации на позиционно-чувствительном детекторе только малоуглового рассеянного излучения.

3. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что пространственный фильтр выполнен из непрозрачных для проникающего излучения пластин, сформированных в виде щелевого растра, в щелях которого размещены регистрирующие элементы позиционно-чувствительного детектора, при этом толщину пластин выбирают такой, чтобы исключить влияние излучения, регистрируемого отдельным элементом детектора, на соседние регистрирующие элементы, а глубина и ширина зазоров между пластинами устанавливается из условия регистрации отдельным элементом детектора излучения, попадающего на него под определенным углом, а размеры каждого регистрирующего элемента должны быть меньше проекции отдельного пучка на плоскость регистрации.

4. Устройство для маммографии, содержащее источник проникающего излучения, расположенный за ним коллиматор в виде многощелевой периодической структуры и позиционно-чувствительный детектор, коллиматор выполнен с возможностью формировать проникающее излучение в виде широкого пучка, промодулированного по интенсивности с высокой пространственной частотой так, что период пространственной модуляции излучения в объекте меньше размера исследуемой в нем неоднородности, а пространственное разрешение детектора уже периода пространственной модуляции излучения, предпочтительно на порядок.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4, Рисунок 5, Рисунок 6