Цифровой рентгенодиагностический аппарат

 

Изобретение относится к медицинской технике, точнее к рентгенодиагностическим аппаратам, предназначенным для общей рентгенографии. Цифровой рентгенодиагностический аппарат содержит рентгеновский излучатель с питающим устройством высокочастотного типа и приемник рентгеновского изображения в виде плоской панели с матрицей кремниевых фотодиодов, электрически соединенной через операционный усилитель и аналогово-цифровой преобразователь с ЭВМ, оснащенной видеомонитором. С внешней стороны входного окна плоской панели в одном из ее нижних углов закреплена ограничительная рамка квадратной формы из материала с высоким атомным номером, окно которой определяет размеры тестируемого участка плоской панели. Внутри рамки находится ионизационная камера проходного типа, соединенная с источником питания, усилителем и индикатором, а ЭВМ дополнена микропроцессором, обеспечивающим контрольное включение аппарата в строго заданных энергетическом и экспозиционном режимах через определенный интервал времени и электронной системой контроля радиационной чувствительности, включающей анализатор уровня усредненного электрического сигнала яркости цифрового изображения на тестируемом участке, ячейку памяти эталонного сигнала яркости и компаратор уровней яркости эталонного и текущего сигналов яркости изображения на тестируемом участке. Изобретение позволяет осуществлять контроль радиационной чувствительности цифрового рентгенодиагностического аппарата в процессе его эксплуатации. 4 з.п. ф-лы, 4 ил.

Предлагаемое изобретение относится к медицинской технике, точнее к рентгенодиагностическим аппаратам, предназначенным для общей рентгенографии.

Известен цифровой рентгенодиагностический аппарат, содержащий рентгеновский излучатель и усилитель рентгеновского изображения, установленные на концах поворотной дугообразной траверсы с возможностью их размещения с противоположных сторон исследуемого участка тела пациента. Кроме того, в состав аппарата входит устройство отображения и запоминания информации, подключенное к выходу усилителя рентгеновского изображения, и устройство управления, связанное по сигнальным цепям с упомянутыми функциональными компонентами [1].

Известный цифровой рентгенодиагностический аппарат [1] предназначен главным образом для проведения исследований огнестрельных ранений и переломов в условиях военно-полевого госпиталя. Усилитель рентгеновского изображения, входящий в комплект этого аппарата, имеет небольшое поле зрения, что не позволяет получить на снимке изображение протяженных органов, например легких.

Известен цифровой рентгенодиагностический аппарат для исследования легких, содержащий рентгеновский излучатель с питающим устройством высокочастотного типа и приемник рентгеновского изображения - цифровую флюорографическую камеру. Цифровая флюорографическая камера имеет ренггенозащитный и светонепрозрачный корпус с входным окном, закрытым сцинтилляционным экраном, с которым оптически сопряжена светосильная оптоэлектронная система, подключенная через усилитель и аналогово-цифровой преобразователь к ЭВМ, оснащенной видеомонитором [2].

Основным недостатком рентгенодиагностических аппаратов, оснащенных цифровыми флюорографическими камерами [2], является их низкая разрешающая способность, не более 2,5 пар лин/мм.

Наиболее близким по конструкции к заявляемому объекту является цифровой рентгенодиагностический аппарат, содержащий рентгеновский излучатель с питающим устройством высокочастотного типа и приемник рентгеновского изображения - плоскую панель на основе аморфного кремния, закрепленную в специальном держателе на вертикальном штативе [3, с.26]. Верхний из рабочих слоев панели представляет собой сцинтиллятор, содержащий кристаллы цезия, активированные таллием (CsI:Тl). Детектирование рентгеновских квантов происходит за счет их конверсии сцинтилляцнонным покрытием в видимый свет и последующего детектирования света кремниевыми фотодиодами. В результате этого процесса на матрице фотодиодов образуется электрический рельеф. Величина зарядов пропорциональна интенсивности светового потока в данной области матрицы. Считывание электрических сигналов с матрицы фотодиодов осуществляется построчно с помощью транзисторных ключей, выполненных на основе тонкопленочной технологии. В дальнейшем эти сигналы усиливаются и конвертируются с использованием 14-разрядных аналого-цифровых преобразователей. Оцифрованный электрический сигнал поступает в ЭВМ, оснащенную видеомонитором.

Цифровые рентгенодиагностические аппараты с плоскими панелями на аморфном кремнии имеют разрешающую способность 3,5 пар лин/мм, отличаются высокой чувствительностью и очень широким динамическим диапазоном. Современные плоские панели на аморфном кремнии имеют размер рабочего поля более 40•40 см, что позволяет использовать цифровые аппараты этого типа для решения различных задач общей рентгенографии.

К основному недостатку цифрового рентгенодиагностического аппарата с плоскими панелями на аморфном кремнии [3, с.26], взятого нами за прототип, следует отнести отсутствие в его конструкции системы контроля радиационной чувствительности плоских панелей. Необходимость такой системы контроля продиктована тем, что большинство полупроводниковых детекторов быстро теряют свою чувствительность под воздействием ионизирующего излучения. Снижение радиационной чувствительности полупроводникового детектора приведет к увеличению лучевой нагрузки на пациента. Отметим, что рентгенодиагностические аппараты с плоскими панелями на аморфном кремнии появились в практике здравоохранения совсем недавно, поэтому опыта их длительной эксплуатации у рентгенологов нет.

Целью настоящего изобретения является осуществление контроля радиационной чувствительности цифрового рентгенодиагностического аппарата в процессе его эксплуатации.

Данная цель достигается тем, что в цифровом рентгенодиагностическом аппарате, содержащем рентгеновский излучатель с питающим устройством высокочастотного типа и приемник рентгеновского изображения - плоскую панель на аморфном кремнии, электрически соединенную через операционный усилитель и аналогово-цифровой преобразователь с электронно-вычислительной машиной (ЭВМ), оснащенной видеомонитором, с внешней стороны входного окна плоской панели, в одном из ее нижних углов, закреплена ограничительная рамка квадратной формы из материала с высоким атомным номером, окно которой определяет размеры контролируемого участка плоской панели, причем внутри рамки находится ионизационная камера проходного типа, соединенная с источником питания, усилителем и индикатором, а ЭВМ дополнена микропроцессором, обеспечивающим контрольное включение аппарата в строго заданных энергетическом и экспозиционном режимах через определенный интервал времени, а также анализатором уровня усредненного электрического сигнала яркости цифрового изображения на тестируемом участке, ячейкой памяти эталонного сигнала яркости, и компаратором уровней яркости эталонного и текущего сигналов яркости изображения на тестируемом участке.

В дальнейшем изобретение поясняется чертежами и описанием к ним. На фиг. 1 приведена принципиальная блок-схема цифрового рентгенодиагностического аппарата; на фиг.2 показан приемник рентгеновского изображения (плоская панель на аморфном кремнии) (вид спереди); на фиг.3 приведена электрическая схема подключения ионизационной камеры; на фиг.4 изображены эталонный и текущий электрические сигналы яркости цифрового изображения тестируемого участка при их прохождении через компаратор.

Цифровой рентгенодиагностический аппарат содержит рентгеновский излучатель 1, подключенный к рентгеновскому питающему устройству высокочастотного типа, состоящему из высоковольтного генератора 2 и пульта управления 3. Приемником рентгеновского изображения является плоская панель 4 на аморфном кремнии. Рентгеновский излучатель 1 и плоская панель 4 закреплены на специальных штативах (на чертеже не показаны) таким образом, что главный луч рентгеновской трубки проходит через центр плоской панели 4. Панель 4 представляет собой многослойную матричную оптоэлектронную систему. Первый рабочий слой плоской панели 4 представляет собой сцинтиллятор 5 нитевидного типа, содержащий кристаллы цезия, активированные таллием (CsI:Тl). К сцинтиллятору 5 примыкает матрица кремниевых фотодиодов 6. С каждым фотодиодом связан транзисторный ключ, выполненный на основе тонкопленочной технологии. Транзисторные ключи предназначены для последовательного построчного считывания электрического потенциала с матрицы фотодиодов. Электрический сигнал с выхода плоской панели 4 поступает в операционный усилитель 7 и далее через аналогово-цифровой преобразователь 8 приходит в ЭВМ 9. В ЭВМ 9 формируется цифровая матрица рентгеновского изображения, которая вводится в память ЭВМ 9 и при необходимости визуального анализа изображения может быть выведена через цифро-аналоговый преобразователь 10 на экран видеомонитора 11. На экран видеомонитора 11 также выводятся сведения о пациенте и цифровая техническая информация, характеризующая работу рентгенодиагностического аппарата. Все вышеперечисленные технические элементы входят в состав известного цифрового рентгенодиагностического аппарата [3], принятого нами в качестве прототипа. Далее будут описаны отличительные элементы конструкции предложенного нами аппарата. На фиг.1 они показаны двойной ограничительной линией.

Контроль радиационной чувствительности цифрового рентгенодиагностического аппарата осуществляется путем сравнительной оценки уровней эталонного и текущего сигналов яркости на тестируемом участке плоской панели 4. Тестируемый участок плоской панели выделяется ограничительной рамкой 12 квадратной формы из материала с высоким атомным номером, например вольфрама. Ограничительная рамка 12 закреплена в одном из нижних углов, например правом, плоской панели 4 (фиг.2). Окно 13 ограничительной рамки 12 определяет размер тестируемого участка плоской панели 4. Сторона окна 13 ограничительной рамки 12 составляет 30-40 мм. Границы тестируемого участка в системе координат цифрового рентгеновского изображения строго известны. Координаты границ введены в программу автоматической обработки строчных сигналов яркости тестируемого участка. Внутри окна 13 находится ионизационная камера 14 проходного типа, которая предназначена для измерения дозы излучения в момент контрольной экспозиции. Чувствительный объем ионизационной камеры 14 заполнен газом, а ее электроды выполнены из акводага. Напряжение на электроды ионизационной камеры 14 подается от высоковольтного источника питания 15. Рабочий сигнал от ионизационной камеры 14 поступает в усилитель 16 и далее через интерфейс 17 подается на индикатор, в качестве которого используется экран видеомонитора 11. На фиг.3 приведена электрическая схема подключения ионизационной камеры 14. Ионизационный ток, возникающий в камере 14 под действием рентгеновского излучения, приводит к изменению напряжения на накопительном конденсаторе С. Изменение напряжения на конденсаторе С является мерой количества электричества, накопленного вследствие ионизации в камере 14 и, следовательно, пропорционального дозе излучения.

Команда на тестирование рентгенодиагностического аппарата подается от микропроцессора 18, подключенного к ЭВМ. Он обеспечивает включение аппарата в строго заданных энергетическом и экспозиционном режимах через контрольный интервал времени, например через три месяца. Для контроля радиационной чувствительности аппарата используется электронная система, содержащая анализатор 19 уровня усредненного электрического сигнала яркости цифрового изображения тестируемого участка, ячейку памяти 20 эталонного сигнала и компоратор 21 уровней яркости эталонного и текущего сигналов яркости цифрового изображения на тестируемом участке.

На вход компаратора 21 поступает эталонный сигнал u_o из ячейки памяти 20 и текущий сигнал u_Δt, полученный в текущий момент времени. Каждый из сигналов имеет полезную составляющую и шумовую u_f. В компараторе 21 электрические сигналы u_o и u_Δt складываются в противофазе. В итоге с выхода компаратора 21 в ЭВМ 9 поступает разностный сигнал Δu = u₀-u_Δt. Контроль радиационной чувствительности цифрового рентгенодиагностического аппарата осуществляется следующим образом.

После установки цифрового рентгенодиагностического аппарата в рентгеновском кабинете и введения его в эксплуатацию выполняется первый контрольный снимок. Первый и все последующие контрольные снимки производятся без пациента. При выполнении контрольного снимка главный луч рентгеновского пучка должен проходить через центр входного окна плоской панели 4, маркированный светоконтрастным перекрестием 22 (фиг.2). Параметры контрольной рентгенографии (фокусное расстояние, KV, mAs, время экспозиции) вводятся в память ЭВМ 9. В памяти ЭВМ фиксируется и доза излучения, определенная с помощью ионизационной камеры 14. ЭВМ 9 с помощью блока 19 построчно анализирует электрические сигналы яркости изображения тестируемого участка, ограниченного рамкой 12, и определяет уровень усредненного электрического сигнала яркости. Результирующий электрический сигнал вводится в ячейку памяти 20 на постоянное хранение.

Повторное и все последующие контрольные включения аппарата производятся через определенный интервал времени, например, равный 3 месяцам. Команда рентгенологу для повторного тестирования аппарата подается микропроцессором 18. Рентгенография выполняется строго в также геометрических, энергетических и экспозиционном режимах, что и при первоначальном контрольном включении аппарата. Контроль идентичности условий рентгенографии производится путем сравнения доз излучения текущего и первоначального - эталонного снимка.

Оценка степени потери радиационной чувствительности приемника рентгеновского изображения (плоской панели на аморфном кремнии) осуществляется путем анализа электрического сигнала на выходе компаратора 21. После каждого контрольного включения аппарата на вход компаратора 21 поступают два электрических сигнала: текущий от анализатора 19 и эталонный из ячейки памяти 20 (фиг.4). В том случае, когда плоская панель находится в норме, амплитуды текущего и эталонного сигналов будут одинаковы, и на выходе компаратора 21 результирующий электрический сигнал по амплитуде будет близок к нулю. Такая ситуация может наблюдаться, например, в течении двух лет. Однако нет уверенности в том, что при продолжительной эксплуатации цифрового рентгенодиагностического аппарата с приемником на аморфном селене подобная ситуация сохранится. Срок службы рентгенодиагностических аппаратов составляет как минимум 10 лет. Напомним, что опыта продолжительной эксплуатации цифровых аппаратов с плоскими полупроводниковыми панелями мировая практика не имеет. Поэтому можно с большой вероятностью предположить, что при продолжительном воздействии рассеянного рентгеновского излучения на полупроводниковую матрицу ее чувствительность будет падать. Возможно, что потеря чувствительности плоской панели на аморфном селене будет наблюдаться на третий год ее эксплуатации. При потере чувствительности плоской панели амплитуда результирующего электрического сигнала Δu на выходе компаратора 21 будет отличной от нуля (см. фиг.4) и в дальнейшем будет постоянно расти. Потеря радиационной чувствительности приемника рентгеновского изображения вызовет необходимость увеличения энергетических режимов съемки, что приведет к увеличению лучевой нагрузки на пациента.

Источники информации 1. Патент РФ 2158537, МПК А 61 В 6/00, 2000 г.

2. Патент США 5465284, кл. 378/62, 1995 г.

3. Белова И.Б., Китаев В.М. Малодозовая цифровая рентгенография. - Орел, 2001. - 160 с.

Формула изобретения

1. Цифровой рентгенодиагностический аппарат, содержащий рентгеновский излучатель с питающим устройством высокочастотного типа, состоящим из высоковольтного генератора и пульта управления, и приемник рентгеновского изображения, выполненный в виде плоской панели, включающей матрицу кремниевых фотодиодов, выход которой через операционный усилитель и аналого-цифровой преобразователь соединен с ЭВМ, снабженной видеомонитором, отличающийся тем, что на внешней стороне плоской панели, в одном из ее углов, закреплена ограничительная рамка, выполненная из материала с высоким атомным номером, в окне которой, определяющем размеры тестируемого участка плоской панели, размещена ионизационная камера проходного типа, снабженная высоковольтным источником питания и установленная с возможностью подачи сигнала через усилитель и интерфейс к видеомонитору, при этом к ЭВМ подключен микропроцессор, выполненный с возможностью подачи команды на тестирование рентгенодиагностического аппарата в заданных энергетическом и экспозиционном режимах через определенный интервал времени, и электронная система контроля радиационной чувствительности рентгенодиагностического аппарата, включающая анализатор уровня усредненного электрического сигнала яркости цифрового изображения на тестируемом участке, ячейку памяти эталонного сигнала яркости и компаратор уровней яркости эталонного и текущего сигналов яркости цифрового изображения на тестируемом участке.

2. Аппарат по п.1, отличающийся тем, что ограничительная рамка закреплена в одном из нижних углов плоской панели.

3. Аппарат по п.1, отличающийся тем, что ограничительная рамка выполнена квадратной.

4. Аппарат по пп.1 и 3, отличающийся тем, что внутренние стороны ограничительной рамки выполнены параллельными, соответственно, строкам и столбцам матрицы фотодиодов плоской панели.

5. Аппарат по пп.1 и 3, отличающийся тем, что ионизационная камера выполнена с возможностью полного перекрытия окна ограничительной рамки.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4