Исследование и разработка системы автоматического выбора экспозиции при цифровой флюорографии

В настоящее время в медицине рентгенологический метод продолжает занимать ведущее место при раннем выявлении и диагностики различных заболеваний. Более 60% патологических изменений в организме выявляется с помощью рентгенологических методов [6, 10].

За последнее десятилетие сам рентгенодиагностический метод претерпел принципиальные изменения На смену традиционным пленочным рентгеновским аппаратам пришла новая цифровая рентгенодиагностическая техника [8, 9, 11−13, 28, 36−38]. Цифровые рентгенодиагностические аппараты имеют целый ряд преимуществ по отношению к пленочным аппаратам: широкий динамический диапазон и высокая контрастная чувствительность цифровых аппаратов, а также возможность компьютерной обработки изображения, позволяет надежно выявлять даже незначительные изменения в биологических тканях различной плотюсти, что существенно уменьшает вероятность пропуска патологии. Значительное снижение лучевой нагрузки делает цифровой метод рентгенодиагюстики практически безопасным для пациентов и обслуживающего персонала. Цифровое рентгеновское изображение выводится на экран видеомонитора *Ерез секунды после экспозиции, что позволяет вести диагностику в реальном масштабе времени. Исключение необходимости использования дорогостоящей фотопленки, фотолабораторного оборудования и химреактивов делает цифровую рентгенографию экономически выгодной.

В нашей стране цифровая рентгенодиагностика особенно эффективно проявила себя при массовом обследовании населения, проводимой с целью раннего выявления туберкулеза, рака легких и других заболеваний органов грудной полости [3, 23, 27, 57].

Однако в цифровых аппаратах, выпускаемых как за рубежом, так и в нашей стране, отсутствует система автоматического выбора оптимального режима съемки индивидуально для каждого пациента. Вынужденная ручная установка энергетических режимов съемки, выполняемая рентгенолаборантом, может привести к переобучению пациента и повлиять на возникновение отдаленных последствий в виде изменений на генном уровне, а также различного рода заболеваний, в том числе и онкологических [6, 51−53].

Кроме того, как показывает практика, погрешность в установке энергетических и временных параметров съемки может отрицательно повлиять на качество диагностического изображения [50]. Ручное управление работой аппарата увеличивает длительность рентгенологической процедуры. Эти недостатки цифровых рентгеновских аппаратов особенно остро проявляются при массовом флюорографическом обследовании населения, когда поток пациентов значителен.

Таким образом, задача создания цифрового флюорографа, оснащенного системой автоматической установки оптимального режима экспозиции индивидуально для каждого пациента, и внедрение его в практическое здравооханение представляет собой важную социально значимую научно-техническую проблему, решение которой в настоящее время крайне актуально.

Первая попытка автоматизации процесса флюорографии была предпринята на пленочных флюорографах путем введения в их конструкцию экспонометров [58].

Принцип действия экспонометра основан на фотометрии светового потока с экрана флюорографа или на дозиметрии излучения, падающего этот экран. В последнем случае экспонометр работает как реле дозы, отключая высокое напряжение, подаваемое на рентгеновскую трубку, после набора экспозиционной дозы. Чувствительным органом рентгеновского экспонометра является плоская ионизационная камера, которая располагается перед флюоресцирующим экраном, воспринимая излучение, ослабленное телом пациента. Отключение аппарата происходит после набора дозы излучения, вызывающей установленное почернение фотопленки. Рентгеновскими экспонометрами оснащались зеркально-линзовые флюорографы типа Оделка (Голландия).

К недостаткам рентгеновского экспонометра относятся его большая инерционность, ослабление падающего на флюоресцирующий экран излучения, наличие на снимке изображения камеры экспонометра, сложность и большой вес блока питания [58].

Отечественные пленочные флюорографы типа КФ-70 Т и КФ-400 имеют фотоэкспонометры.

Фотоэкспонометр содержит фотоэлектронный умножитель (ФЭУ), оптически сопряженный с контрольным участком флюоресцирующего экрана. Фототок с выхода ФЭУ воздействует на электронное реле, находящееся в пульте управления флюорографа. Режим работы фотоэкспонометра рассчитан на получение флюорограмм с оптической плотностью 0,9 — 1,6, при которой происходит хорошая различаемость мелких деталей изображения [58].

Фотоэкспонометр, оснащенный ФЭУ, использовался также в рентгено-флюорографическом аппарате TUR DE-310 [59].

Все известные фотоэкспонометры очень критичны к выбору флюорографической пленки и положению пациента относительно контрольного участка флюоресцирующего экрана.

Фирмами «Philips» и «Oldelft» (Голландия) в 1985 г. был создан мало дозовый пленочный флюорограф «Pulmodiagnost-100» сканирующего типа с линейным усилителем изображения [55]. В этом аппарате производился автоматический выбор экспозиции. Для этого весь цикл съемси осуществлялся в два этапа. Во время первого сканирования с малодозовой экспозицией с помощью специальных детекторов, расположенных за пациентом, определяется оптимальное значение мА, в зависимости от комплекции пациента. Второе сканирование в противоположном направлении используется для фактической съемки с рассчитанной экспозицией. При этом напряжение на рентгеновской трубке составляет 125 кВ и не изменяется от пациента к пациенту. Общее время сканирования составляет 1,2 сек.

Аналогичный принцип автомагической установки экспозиции осуществлен и в цифровом сканирующем рентгеновском аппарате «Digidelca» фирмы «Oldelft», предназначенным для массового обследования грудной клетки.

Недостатком данной системы автоматической установки экспозиции является двойное сканирование тела пациента рентгеновским пучком.

Глубокое и всестороннее исследование процесса формирования цифрового рентгеновского изображения было выполнено М. И. Зеликманом [22]. Он показал, что ошибка выбора энергетических и временных параметров съемки приводит к потере диагностической информации, особенно при исследовании органов грудной полости. Им был предложен оригинальный метод электронной коррекции цифрового рентгеновского изображения, полученного при неправильном выборе экспозиции.

В соответствии с вышеизложенным, основная цель диссертационной работы заключается в теоретическом исследовании, разработке и вшдрении в клиническую практику цифрового флюорографа, оснащенного сгстемой автоматической установки оптимального режима экспозиции индшидуально для каждого пациента. При этом должен быть получен медицинский эффект, заключающийся в: снижении лучевой нагрузки на пациента, исключении брака в съемке, увеличении пропускной способности флюорокабинета, облегчении работы рентгенолаборанта.

Для достижения поставленной цели необходимо было решить следующие основные научно-технические задачи:

1. Проанализировать современное состояние цифровой флюорографии.

2. Провести теоретическое исследование спектральных и дозиметрических характеристик рентгеновских шлучателей.

3. Провести теоретическое исследование детекторов излучения, используемых в рентгеновской экспонометрии.

4. Разработать систему автоматического выбора экспозиции для цифровой флюорографии.

5. Разработать цифровой флюорограф, оснащенный системой автоматического выбора экспозиции.

6. Провести испытания нового цифрового флюорографа с целью оценки качества изображения при использовании системы автоматического выбора экспозиции.

7. Внедрить в медицинскую практику цифровые флюорографы, оснащенные системой автоматического выбора экспозиции.

Теоретической и методической базой данной диссертационной работы послужили труды ведущих ученых и специалистов: Е. С. Бару, Н. Н. Блинова, Ю. В. Варшавского, Л. В. Владимирова, М. И. Зеликмана, Б. М. Кантера, В. В. Клюева, Э. Б. Козловского, Б. И. Леонова, Н. И. Мазурова, Р. В. Ставицкого, А. Г. Хабахпашева, Э. Г. Чикирдина и ряда других.

При выполнении настоящей работы были испольээваны следующие методы теоретических и экспериментальных исследований: методы математического анализатеории функций комплексного переменноготеории вероятностей и математической статистикичисленные методыметоды статистической радиофизикиметоды математического и физического моделирования процессов формирования изображений в приемника* преобразователях рентгеновского изофажения.

Научная новизна полученных теоретических, экспериментальных и практических результатов сводится к следующему:

1. Впервые создана математическая модель квантового выхода излучения.

2. Полученная непрерывная зависимость квантового выхода излучения от энергии излучения позволила определить оптимальное значение анодного напряжения при съемке органов грудной полости.

3. Определение суммарного количества квантов дало возможность по радиационному выходу оценить оптимальную экспозицию при рентгенографии органов грудной полости.

4. Математическая модель квантового выхода излучения и результаты экспериментальных исследований позволили впервые создать систему автоматического выбора экспозиции на цифровом флюорографе. Новизна полученных результатов подтверждена в том числе 4 патентами.

РФ на изобретения.

Практическая значимость работы выражается в следующем:

1. По результатам научно-технических исследований проведены инженерно-конструкторские работы по созданию цифрового флюорографа «Ренекс-Флюоро» с системой автоматического выбора экспозиции.

2. Налажен производственный выпуск цифровых флюорографов с сиевмой автоматического выбора экспозиции.

3. Внедрено в медицинскую практику более 50 цифровых флюорографов новой конструкции.

4. Разработаны специальные фантомы и тест-объекты оригинальной конструкции для оценки пространственной и контрастной разрешающей способности цифрового рентгеновского изображения.

5. Разработаны методические рекомендации и пособия для врачей при работе на цифровом флюорографа «Ренекс-Флюоро». Достоверность полученных результатов обусловлена использованием апробированных методов исследования, а также подтверждается лабораторными и верификационными испытаниями приборов.

Материалы диссертационной работы доложены на конференциях Научно практического центра рентгенорадиолсгии, Научно-практического центра медицинской радиологии, НПО «Спектр», Ассоциации медицинских физиков России, а также опубликованы в печати — в журнале «Медицинская техника» (список публикаций прилагается) и в патентах на изобретение.

Цифровой флюорограф «Ренекс-Флюоро» с системой автоматического выбора экспозиции демонстрировался на международной выставке «Здравоохранение» в 2002 и 2003 гг.

Выводы.

В ходе проведенных в рамках диссертационной работы исследований решена научно-техническая проблема, имеющая важное социальное значение, а именно, — разработан и внедрен в клиническую практику цифровой флюорограф, оснащенный системой автоматической установки оптимальной величины экспозиции для каждого пациента.

Экспериментальные исследования показали, что автоматическая установка анодного напряжения совпадает с его расчетным значением с точностью до 5%. Созданная математическая модель квантового выхода излучения, на основе которой был разработан автоматический экспонометр для цифрового флюорографа «Ренекс — Флюоро», может быть использована при конструировании рентгенодиагностических аппаратов обшрго и специального назначения.

Разработанные тест-объекты и фантом для контроля основных характеристик качества формирования изображения в приемниках-преобразователях цифровых аппаратов: пространственной разрешающей способности, контрастной чувствительности, динамического диапазона, динамической нерезкости, а также зависимости деталь-контраст позволяют повысить точность оценки и обеспечивают воспроизводимость результатов измерений. Выполнение настоящей диссертационной работы и ее техническое воплощение позволили: снизить лучевую нагрузку на пациента (дозовая нагрузка напациента составляет не более 0,3 мЗв при съемке в прямой проекции) — полностью исключить брак флюорографии, связанный с погрешностями ручной установки режимов съемкиувеличить пропускную способность флюорографического кабинета до 60 человек в часоблегчить работу рентгенолаборанта.

Практическая значимость выполненных исследований и найденных технических решений нашла подтверждение при разработке, создании и в процессе эксплуатации серийного цифрового флюорографа с автоматическим режимом съемки ФЦМБарсг «РЕНЕКС», который используется во многих учреждениях здравоохранения России.

7 Заключение.

7.1. Флюорограф цифровой малодозовый с автоматическим режимом съемки ФЦМБдрс — «РЕНЕКС» выдержал медицинские испытания.

7.2. Медицинские испытания подтвердили высокие диагностические возможности флюорографа цифрового малодозового с автоматическим режимом съемки ФЦМБарс — «РЕНЕКС» для исследования органов грудной клетки.

7.3 Отсутствие рентгеновской пленки, необходимость её- обработки, возможности электронного архивирования и т. д., делают достоинства флюорографа ещё- более очевидными.

7.4 Рекомендовать флюорограф цифровой малодозовый с автоматическим режимом съемки ФЦМБарс — «РЕНЕКС» для серийного производства и применения в здравоохранении.

Заведующий организационно — методическ.

Зав. рентгеновским отделением городской поликлиники № 60 (г. Москва) отдела НПЦ медицинской радиологии.