Развитие метода мультиэнергетической радиографии и разработка спектрозонального рентгеновского детектора

В качестве приемника-преобразователя рентгеновского излучения традиционно используется рентгеновская пленка, способная под действием рентгеновских квантов изменять свои физические свойства и фиксировать скрытое изображение в результате последующей физико-химической обработки. Но применение в медицинской практике рентгеновской пленки в сочетании с усиливающими экранами требует значительных дозовых нагрузок на объект исследования в процессе формирования скрытого изображения в пучке рентгеновских лучей. Помимо этого пленочным методам присущи большой расход дорогостоящих рентгеновских фотоматериалов и длительный, трудоемкий процесс получения и обработки изображений.

Современное состояние уровня техники позволяет переходить на более экологичные методы диагностики, в основе которых лежат новые информационные технологии.

Расширить диагностические возможности обычной рентгенографии можно путем применения мультиэнергетических методов регистрации и рентгеновских детекторов, обеспечивающих воспроизведение изображений в нескольких спектральных диапазонах.

Объекты исследования (ОИ), визуализирующиеся на рентгеновских снимках, как правило, являются сложными недетерминированными пространственными и энергетическими фильтрами по отношению к первичному рентгеновскому пучку. Следовательно, спектральный состав рентгеновского излучения за ОИ несет дополнительную информацию о его структуре. Как отмечается в работах H.H. Блинова и P.E. Быкова /84, 85/, анализ спектрального состава излучения, прошедшего сквозь объект исследования, повышает информативность рентгеновской диагностики. Спектрозональные методы регистрации предполагают воспроизведение серии рентгеновских изображений одной сцены, полученных при различных эффективных энергиях излучения в пределах нескольких спектральных зон. Синтез рентгеновских изображений, зарегистрированных в различных спектральных областях, увеличивает число оценочных параметров, что обеспечивает получение более информативных снимков, увеличивает возможности последующей математической обработки и позволяет задействовать цветовое зрение человека в процессе интерпретации спектрозональных изображений.

Таким образом, в отличие от традиционных методов, фиксирующих лишь теневую картину, по которой можно обнаружить на изображении отклонения от анатомического рисунка, спектрозональные методы регистрации позволяют идентифицировать физическую природу ткани включения, визуализирующегося на снимке. Так, например, на флюорограмме (рентгенограмме) кальцинаты и сосуды в ортопроекции могут выглядеть одинаково. Дифференцировать объект в данном случае можно, выполнив дополнительные рентгенографические исследования (в другой проекции, томограммы и т. д.), что ведет к увеличению дозовой нагрузки на пациента и дополнительным материальным затратам. Однако известны также методы восстановления эффективного атомного номера и электронной плотности вещества ткани включения путем проведения мультиэнергетической радиографии. С учетом того, что очень часто распознавание кальцинатов проводится у тубинфицированных детей, определение за один снимок эффективного атомного номера включения, формирующего тень на изображении, приобретает особый смысл.

Другим примером важности определения физической природы ткани включения в медицине является состав камней в мочевыводящих путях при мочекаменной болезни. Оценка физико-химического состава камней, визуализирующихся на снимке, по эффективному атомному номеру позволит, в определенной мере, выбирать тактику ведения пациента, метод лечения (хирургический или терапевтический) и прогнозировать длительность курса литотрипсии. Кроме этого в рентгенодиагностике имеется множество других ситуаций, когда необходимо знать природу дифференцируемых на снимке объектов, в частности, идентифицировать камень или пузырь воздуха при контрастировании желчевыводящих путей или дополнительные включения в опухолевидных образованиях, анализ которых способствует более точному установлению характера образований.

На сегодняшний день наиболее информативными являются методы компьютерной томографии, с помощью которых можно судить о пространственных характеристиках объекта и природе его ткани по ее плотности, но практическое применение данной методики ограничено высокой стоимостью исследования.

Теоретическая модель мультиэнергетической радиографии предложена в работах C.B. Найденова и В. Д. Рыжикова /82, 83/. Экспериментальное исследование с целью определения эффективного атомного номера желчных камней методом мультиэнергетической радиографии выполнил Р. Д. Спеллер /86/. Известны также работы по выявлению микрокальцинатов в молочной железе /63, 68/ и работы по разделению изображений при оценке легочной патологии /80/. Тем не менее, широкого распространения в медицинской диагностике методы мультиэнергетической рентгенографии пока не получили.

Специфика воспроизведения диагностических рентгеновских изображений позволяет эффективно использовать в качестве приемника-преобразователя излучения газонаполненные позиционно-чувствительные детекторы, широко применяемые в научных исследованиях в области физики высоких энергий. Методика газонаполненных позиционно-чувствительных приемников-преобразователей рентгеновского излучения и их применения для биомедицинских исследований предложена Ю. В. Заневским, В. Д. Пешехоновым /87/ и развита в работах А. Г. Хабахпашева и С. Е. Бару /38, 88/.

Сегодня газовые детекторы успешно эксплуатируются в ряде отечественных комплексов для профилактических исследований органов грудной полости. Первая отечественная цифровая рентгенографическая установка для медицинской диагностики была разработана в середине 80-х годов в Институте ядерной физики СО РАН /88/. В качестве детектора использовалась многопроволочная пропорциональная камера (МГЖ), работающая в счетном режиме, благодаря чему обеспечивалось хорошее отношение сигнал/шум. Но счетный режим не позволял повысить давление рабочего газа выше 3 атм., и в результате квантовая эффективность регистрации системы была менее 30%. Кроме того, данная система имела ограниченный динамический диапазон — не более 130. Следующим шагом стала разработка детектора, работающего в ионизационном режиме. В 2000 году была представлена микростриповая ионизационная камера (МИК), работающая при> давлении до 15 атм., в результате чего квантовая эффективность регистрации системы достигла 80%, но отношение сигнал/шум при низких входных дозах ухудшилось в сравнении с МГЖ /37/. Переход в ионизационный режим обеспечил увеличение числа каналов регистрации с 640 для МПК до 1024 для МИК при незначительном увеличении дозы в плоскости детектора, необходимой для регистрации изображения. Динамический диапазон был расширен до 400. Однако высокое давление в камере усложняет конструкцию детектора и накладывает жесткие требования на обеспечение безопасности при эксплуатации системы.

В 1995 году нобелевский лауреат 1992 года по физике Ж. Шарпак предложил использовать в газовых детекторах с целью повышения эффективности регистрации и снижения давления конвертор излучения в виде многоканальной механической структуры, выполненной из тяжелого металла /90/.

Расчеты показывают, что применение конвертора позволяет более эффективно использовать энергию рентгеновского излучения, в результате чего сокращается время проведения диагностических исследований и, следовательно, дозовые нагрузки на объект исследования.

В связи с возросшим интересом к спектрозональным системам регистрации идея применения конвертора излучения в составе газовых детекторов может получить дальнейшее развитие.

Но практическая реализация спектрозональной медицинской диагностической системы на базе детектора с конвертором без предварительных исследований весьма проблематична. Необходимо выработать количественный критерий идентификации тканей, выбрать спектральные диапазоны регистрации, разработать методику измерений, определить оптимальную геометрию конвертора излучений, исследовать факторы, влияющие на эффективность регистрации рентгеновского излучения, оптимизировать спектральную чувствительность детектора и оценить его пространственное разрешение.

Целью данной работы является развитие спектрозонального метода идентификации тканей и решение физической и математической задач определения структуры рентгеновского детектора, обеспечивающего получение изображений в нескольких спектральных диапазонах.

Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:

1. Выработать количественный критерий идентификации тканей и методику определения эффективного атомного номера вещества ткани включения, визуализирующегося на цифровых рентгеновских снимках, оценить методические погрешности.

2. Экспериментально исследовать влияние геометрических размеров включения и общей фильтрации излучения на результаты измерения эффективного атомного номера.

3. Разработать структуру спектрозонального детектора и математическую модель, описывающую процессы, происходящие в чувствительной области детектора при регистрации кванта рентгеновского излучения.

4. Исследовать факторы, определяющие спектральную чувствительность и пространственное разрешение детектора.

5. Разработать математическую модель системы регистрации рентгеновских изображений, учитывающую свойства объекта исследования, спектральные характеристики излучателя и приемника рентгеновского излучения, и сравнить результаты вычислительного и физического экспериментов.

В ходе решения поставленных задач были использованы методы: имитационного моделирования с применением системы математического моделирования МаШСАБ, методы оптимизации, численного решения дифференциальных уравнений, а также статистические методы обработки данных.

В результате решения задач исследования в работе были предложены и выявлены:

1. Новый количественный критерий идентификации тканей в форме характеристических углов, вычисляемых по соотношению сечений взаимодействия, определенных для различных эффективных энергий квантов монохроматического рентгеновского излучения.

2. Методика спектрозональной радиографии, обеспечивающая восстановление эффективного атомного номера вещества ткани включения путем проведения предварительной калибровки системы регистрации и вычисления характеристических углов по соотношению логарифмических контрастов ткани включения, измеренных в различных спектральных диапазонах.

3. Методика калибровки спектрозональной системы регистрации рентгеновских изображений путем построения градуировочной характеристики или расчета коэффициентов, характеризующих фотопоглощение и рассеяние квантов.

4. Зависимости, определяющие «ход с жесткостью» характеристических углов от величины собственной и дополнительной фильтрации излучения. Экспериментально показано, что при использовании полихроматического источника рентгеновского излучения эффективный атомный номер вещества ткани включения может быть восстановлен с погрешностью менее 30%.

5. Структура и математическая модель спектрозонального детектора. Получены соотношения, описывающие эффективность регистрации отдельного канала детектора как функцию энергии рентгеновских квантов и интенсивности входного потока. Величина порогового контраста определена как функция количества квантов, приведенных к входу детектора за время исследования (накопления изображения). Предложен метод априорной оценки динамического диапазона рентгенодиагностических систем, работающих в счетном режиме.

6. Зависимости спектральной чувствительности и пространственного разрешения детектора от геометрических параметров конвертора излучений.

7. Математическая модель спектрозональной системы регистрации рентгеновских изображений.

Апробация работы проведена на Международном семинаре «Конверсионный потенциал Кыргызской Республики и проекты МНТЦ» (Бишкек — 1998) — Международной юбилейной научно-практической конференции, посвященной 30-летию ОГУ (0ренбург-2001) — региональных научно-практических конференциях (0ренбург-2002, 0ренбург-2003) — научных семинарах кафедры ПТРС ОГУ.

Отдельные результаты работы были реализованы в Оренбургской областной клинической больнице и в учебном процессе на кафедре проектирования и технологии радиоэлектронных средств Оренбургского государственного университета.

Практическую ценность работы представляют:

— методика определения эффективного атомного номера ткани включения, визуализирующегося на цифровых рентгеновских снимках, зарегистрированных в нескольких спектральных диапазонах;

— структура спектрозонального рентгеновского детектора, дающего возможность за одно включение высокого напряжения на рентгеновской трубке регистрировать три зональных рентгеновских изображения, согласованных с физическими свойствами тканей организма человека;

— алгоритм и программа расчета параметров спектрозонального рентгеновского детектора;

— способ изготовления конвертора излучений методом химического фрезерования.

На защиту выносятся следующие положения:

1. Критерий идентификации тканей и методика определения эффективного атомного номера вещества ткани включения.

2. Методика калибровки системы регистрации спектрозональных рентгеновских изображений.

3. Зависимости, определяющие «ход с жесткостью» характеристических углов от величины собственной и дополнительной фильтрации излучения.

4. Структурная схема и математическая модель спектрозонального рентгеновского детектора. Зависимости спектральной чувствительности и пространственного разрешения детектора от геометрических параметров конвертора излучения.

5. Математическая модель системы регистрации рентгеновских изображений и результаты вычислительного эксперимента.

Основные результаты работы, изложенной в диссертации, следующие:

1. Выработан количественный критерий идентификации тканей, визуализирующихся на цифровых рентгеновских снимках, в форме характеристических углов, вычисляемых по соотношению интенсивностей рентгеновского излучения, измеренному в различных спектральных диапазонах. Выявлены метрологические ограничения предложенной методики измерений характеристических углов, обусловленные квантовой природой излучения и неточностью расчетной формулы, не учитывающей эффект замещения тканей.

2. Предложена методика определения эффективного атомного номера вещества ткани включения по результатам проведения предварительной калибровки системы регистрации и вычисления характеристических углов. Описана методика калибровки спектрозональной системы регистрации рентгеновских изображений путем построения градуировочной характеристики или расчета коэффициентов, характеризующих фотопоглощение и рассеяние квантов.

3. Исследовано влияние геометрических размеров включения и общей фильтрации излучения на результаты измерения эффективного атомного номера. Получены зависимости, определяющие «ход с жесткостью» характеристических углов от величины собственной и дополнительной фильтрации излучения. Экспериментально показано, что при использовании полихроматического источника рентгеновского излучения эффективный атомный номер вещества ткани включения может быть восстановлен с погрешностью менее 30%.

4. Разработана структура и математическая модель спектрозонального детектора, дающего возможность за одно включение высокого напряжения на рентгеновской трубке регистрировать три зональных рентгеновских изображения, согласованных с физическими свойствами тканей организма человека. Найдены соотношения, описывающие квантовую эффективность отдельного канала детектора как функцию энергии рентгеновских квантов и интенсивности входного потока. Величина порогового контраста определена как функция количества квантов, приведенных к входу детектора за время исследования (накопления изображения). Предложена методика априорной оценки динамического диапазона рентгенодиагностических систем, работающих в счетном режиме.

5. Разработаны алгоритмы и программа расчета параметров спектрозонального рентгеновского детектора. Методом имитационного моделирования получены зависимости спектральной чувствительности и пространственного разрешения детектора от геометрических параметров конвертора излучений.

6. Разработана математическая модель системы регистрации рентгеновских изображений, учитывающая свойства объекта исследования, спектральные характеристики излучателя и приемника рентгеновского излучения. Показано, что предложенный спектрозональный рентгеновский детектор дает возможность дифференцировать ткани по характеристическим углам и определять их эффективные атомные номера.

7. Изготовлен макет конвертора излучений методом химического фрезерования.

Достигнутые в работе результаты могут быть полезны при опытно-конструкторской разработке цифровых спектрозональных систем и могут служить исходными данными для проектов, имеющих целью построение спектрозональных систем или систем, обладающих высокой эффективностью регистрации в ограниченном энергетическом диапазоне.

В заключение автор выражает признательность своему научному руководителю — кандидату физико-математических наук Корневу Е. А. за постановку проблемы, обсуждение результатов и практическую помощь в проведении работ.

Автор искренне благодарит научного руководителя — доктора технических наук Пищухина A.M. за методическое сопровождение работы и постановку отдельных задач исследования.

Автор также выражает благодарность заведующему рентгенологическим отделением Оренбургской областной клинической больницы, главному рентгенологу ГУЗО Липаткину В. И., сотрудникам группы радиационного контроля Областной клинической больницы г. Оренбург Самакаеву Ю. Г. и Каныиину В. В. за ценные обсуждения, практические рекомендации и помощь, оказанную при подготовке диссертационной работы.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.