СПОСОБ ДЕНТАЛЬНОЙ ДИАГНОСТИКИ И ИМПУЛЬСНЫЙ РЕНТГЕНОВСКИЙ АППАРАТ ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ Российский патент 1998 года по МПК A61B6/14 H05G1/24 

Изобретение относится к способам и устройствам, предназначенным для исследования быстропротекающих процессов, и может быть использовано в медицине, в частности в стоматологии.

В последнее время доказано, что даже при воздействии низких доз радиоактивного излучения (1 мГр и менее) в клетках организма человека, подвергшихся облучению, происходят цитологические изменения. Поэтому необходимо следить за тем, чтобы рентгенологические исследования проводились в щадящем режиме при защите жизненно важных органов и тканей.

Современные диагностические малогабаритные рентгеновские аппараты позволяют осуществить способы дентальной диагностики, основанные на получении кратковременной (длительностью несколько наносекунд) вспышки интенсивного рентгеновского излучения под влиянием импульса высокого напряжения, подводимого к рентгеновской трубке в момент разряда конденсатора. В современных импульсных аппаратах обычно применяют трубки с холодным катодом, которые работают либо в режиме автоэлектронной эмиссии, либо в так называемом режиме плазменного разряда. Зарядка накопительного конденсатора осуществляется от сети переменного тока или от портативных источников тока с помощью преобразователя и повышающего зарядного трансформатора. В момент замыкания высоковольтного выключателя электрическая энергия, накопленная в конденсаторе, подводится к рентгеновской трубке.

Известен способ рентгенодиагностики заболевания зубов и челюстей, который включает облучение рентгеновскими лучами [1, 2]. Облучение осуществляют после предварительного выбора технических характеристик. Рентгенографическое исследование зубов осуществляют в течение до 5 с. Используемые при этом устройства отличают большие габариты, а результаты рентгенографического исследования не всегда удовлетворительны вследствие длительности процедуры исследования.

Наиболее близким к предлагаемому решению по назначению, технической сущности и достигаемому результату при использовании является способ дентальной диагностики, включающий облучение импульсами наносекундной длительности рентгеновскими лучами [3]. Вспышки рентгеновского излучения следуют с частотой 100 Гц, обеспечивая условия, необходимые для рентгенографии различных объектов.

Использование наносекундных импульсов тока высокого напряжения для питания рентгеновской трубки позволяет резко уменьшить все изоляционные промежутки высоковольтного блока и размеры самой трубки, а следовательно габариты и массу всего аппарата.

Однако результаты рентгенографического исследования также могут быть неудовлетворительными, так как исследование длится 0,3-5,0 с и картинка, которую зафиксирует фотоматериал, может не дать необходимой информации. Это обстоятельство в значительной степени связано с тем, что используемые в таком случае устройства генерируют рентгеновское излучение с большой нестабильностью интенсивности, что ведет к искажению информации. Кроме того, как правило, электрическая схема рентгеновского аппарата основана на использовании высоковольтного импульсного трансформатора и разрядника обострителя, работа которых не обеспечивает необходимой стабильности излучения.

Известен импульсный рентгеновский аппарат, содержащий блок питания, накопительную емкость и импульсную рентгеновскую трубку [4]. Накопительная емкость подключена параллельно блоку питания и через коммутатор связана с импульсным высоковольтным трансформатором, высоковольтная обмотка которого подключена к ударной емкости. Устройство содержит блок диагностики высоковольтных электрических цепей.

Введение в устройство блока диагностики повышает его надежность, но не устраняет тех недостатков, которые были отмечены выше. К числу основных недостатков, которые приводят к искажению информации при рентгенодиагностическом исследовании, относится генерация нестабильных по интенсивности рентгеновских импульсов. Это объясняется наличием в схеме электронного коммутатора или, иначе, разрядника обострителя, работа которого отличается нестабильностью.

Наиболее близким к предагаемому решению по назначению, технической сущности и достигаемому результату при использовании является импульсный рентгеновский диагностический аппарат, содержащий высоковольтный блок, накопительный конденсатор, дроссель, быстродействующее коммутирующее устройство, рентгеновскую трубку, связанную анодом с высоковольтным блоком, блок обработки изображения с позиционно-чувствительным элементом, соединенный с ЭВМ, и блок управления [5]. При этом высоковольтный блок выполнен в виде трансформатора, имеющего первичную и вторичную обмотки, пару выходных клемм и выпрямитель, смонтированный между упомянутой вторичной обмоткой трансформатора и его выходными клеймами. Устройство также включает пленку, которая регистрирует рентгеновские лучи, которые идут от рентгеновской трубки после того, как эти лучи проходят через диагностируемый объект.

Как видно из изложения сущности решения, приведенной выше, упомянутый рентгеновский диагностический аппарат в качестве источника высокого напряжения использует высоковольтный трансформатор, а в качестве источника рентгеновского излучения - рентгеновскую трубку с нитью накала, питаемую отдельным источником. При этом время облучения пациента при диагностике с помощью такого устройства длится 0,04-6 с.

Однако, как отмечено выше, при времени экспонирования фотоматериалов 0,3-5,0 с при частоте следования импульсов 50 Гц нередко получают достаточно размытую картину, по которой трудно делать однозначные выводы, особенно в случае исследования небольших по размеру объектов. Для получения более четкой и достоверной картины пациента необходимо облучать несколько раз. Искажение информации может быть также связано с нестабильной работой высокоскоростного переключающего устройства, а наличие высоковольтного трансформатора делает устройство мало надежным из-за возможных пробоев изоляции во вторичной обмотке трансформатора. Для того, чтобы уменьшить вероятность пробоев, повышают требования к изоляционным материалам, что ведет к увеличению габаритов устройств. Кроме того, необходимость использования фотоматериалов ограничивает функциональные возможности аппарата.

Поэтому главной целью предлагаемого решения является повышение качества изображения при одновременном уменьшении количества циклов, необходимых для получения изображения. Дополнительной целью решения является повышение надежности устройства и обеспечение стабильности его работы путем исключения использования высоковольтного трансформатора в схеме питания рентгеновской трубки.

Цель достигается тем, что в известном способе дентальной диагностики, включающем облучение рентгеновскими лучами исследуемого объекта импульсами наносекундной длительности, регистрацию прошедшего излучения на приемнике электронно-оптического преобразователя и запись его на носителе информации, согласно изобретению облучение осуществляют в течение 20-50 нс при мощности экспозиционной дозы в плоскости приемника (1-5)•10⁵ Р/с.

Основной технический результат, который достигается при реализации предложенного способа, заключается в том, что полученная на регистраторе информация позволяет рассматривать и анализировать элементы объекта (зубочелюстной области) с линейными размерами 60-100 мкм и радиационным контрастом менее 1-5 %. Это дает возможность использовать позиционно-чувствительный детектор на основе матричной фоточувствительной схемы и визуализировать исследуемый объект, его структуру на экране монитора.

Цель достигается также тем, что в известном импульсном рентгеновском диагностическом аппарате, содержащем высоковольтный блок, накопительный конденсатор, дроссель, быстродействующее коммутирующее устройство, рентгеновскую трубку, связанную анодом с высоковольтным блоком, блок обработки изображения с позиционно-чувствительным элементом, соединенный с ЭВМ, и блок управления, согласно изобретению между первым выходом высоковольтного блока и анодом рентгеновской трубки дополнительно установлены последовательно соединенные накопительный конденсатор и дроссель, быстродействующее коммутирующее устройство подсоединено входом к первому выходу высоковольтного блока, а выходом - к первому входу блока управления, который вторым входом соединен с высоковольтным блоком, третьим - с блоком обработки изображения, а четвертым - с ЭВМ, при этом к аноду подключен заземленный полупроводниковый размыкатель, выполненный на основе высоковольтных диодов с рабочей частотой свыше 20 кГц.

Индуктивность дросселя выбрана в пределах 6-20 мГн, а емкость накопительного конденсатора выбрана в пределах 900-2000 пФ.

Позиционно-чувствительный детектор выполнен на основе матричной Фоточувствительной схемы.

Высоковольтный блок содержит токоограничивающий резистор и высоковольтный датчик, соединенные с источником высокого напряжения.

Использование способа с заданными режимами и устройства с параметрами в указанных пределах позволяет обеспечить при однократном облучении визуализацию рентгеновского излучения с помощью позиционно-чувствительного детектора, получить необходимую информацию об объекте исследования. Приведенные выше характеристики способа и устройства позволяют уменьшить время исследования, дозовую нагрузку на пациента и врача. При этом рентгеновский аппарат оказывается более надежным, так как вследствие кратковременности импульсного напряжения длительность импульса не превышает 20-50 нс, снижаются требования к высоковольтной изоляции устройства, уменьшаются его габариты.

Наличие в схеме токоограничивающего резистора и высоковольтного датчика также обеспечивает надежную и безопасную работу устройства.

Как видно из изложения сущности предлагаемых технических решений, они отличаются от прототипов и, следовательно, являются новыми.

Решения также обладают изобретательским уровнем.

В основу изобретения поставлена задача усовершенствования способа дентальной диагностики, включающего облучение рентгеновскими лучами, в котором вследствие однократного облучения в течение 20-50 нс при мощности экспозиционной дозы (1-5)•10⁵ Р/с обеспечивается регистрация четкого изображения исследуемого объекта на позиционно-чувствительном детекторе.

В основу изобретения также поставлена задача усовершенствования импульсного рентгеновского аппарата, в котором вследствие дополнительной установки последовательно соединенных накопительного конденсатора и дросселя между первым выходом высоковольтного блока и анодом рентгеновской трубки, присоединения быстродействующего коммутирующего устройства входом к первому выходу высоковольтного блока, а выходом к - первому входу блока управления, который вторым входом соединен с высоковольтным блоком, третьим - с блоком обработки изображения, а четвертым - с ЭВМ, подключения к аноду заземленного полупроводникового размыкателя, выполненного на основе высоковольтных диодов с рабочей частотой свыше 20 КГц обеспечивается при однократном облучении объекта его регистрация в виде четкого изображения на позиционно-чувствительном детекторе, за счет этого повышается надежность рентгеновского аппарата, уменьшается дозовая нагрузка на пациента, упрощается процедура исследования, так как исключается необходимость использования фотоматериалов.

Анализ известных источников информации в медицинской рентгенотехнике [1 - 5] показывает, что во всех случаях способы рентгеновской диагностики реализуют импульсное многократное облучение. Ни один из известных способов не обеспечивает при однократном облучении получение информации, достаточной для диагностики, тем более при наносекундной длительности импульсов.

С другой стороны, известны рентгенотелевизионные установки [3], в которых в зависимости от типа телевизионной системы имеются: электронно-оптический преобразователь с блоком питания и потолочным креплением, передающая камера, монитор и пульт дистанционного управления. Кроме того, известны также управляемые полупроводниковые вентили [6].

Однако предлагаемое устройство более просто и надежно, так как не имеет электронно-оптических преобразователей и оптических систем, а выбранные параметры дросселя и конденсатора позволяют реализовать высоковольтный импульс наносекундной длительности и мощности, достаточной для получения четкого изображения на позиционно-чувствительном детекторе. При этом полупроводниковый размыкатель на основе высоковольтных диодов выбран с такими параметрами, которые обеспечивают формирование высоковольтного импульсного напряжения, обеспечивающее формирование рентгеновского излучения, в то время, как обычно, он служит высокоскоростным сетевым предохранителем постоянного тока. Другими словами, управляемый полупроводниковый вентиль проявляет в данном случае новое свойство, которое ранее не было известно, что ведет к возможности получения положительного эффекта, заключающегося в возможности получения информации от однократного рентгеновского импульса.

Предлагаемое техническое решение промышленно применимо, так как может быть использовано для изготовления малогабаритных рентгеновских аппаратов, которые найдут широкое применение в медицине, в частности в стоматологии.

На чертеже показана принципиальная схема импульсного рентгеновского аппарата для дентальной диагностики.

Импульсный рентгеновский аппарат для дентальной диагностики содержит высоковольтный блок 1, включающий первичный источник высокого напряжения 2, высоковольтный датчик 3 и токоограничивающий резистор 4. Токоограничивающие резистор 4 и высоковольтный датчик 3 соединены с быстродействующим управляемым коммутатором 5 и накопительным конденсатором 6, вторая обкладка которого соединена с дросселем 7. Второй выход дросселя 7 соединен с незаземленным электродом импульсной рентгеновской трубки 8 и незаземленным выводом полупроводникового размыкателя на основе высоковольтных диодов 9. На пути импульса рентгеновского излучения установлен позиционно-чувствительный детектор 10, выполненный на основе матричной фоточувствительной схемы с зарядовой связью. Первый выход позиционно-чувствительного детектора 10 соединен с входом устройства синхронизации 11, а второй - с входом аналого-цифрового преобразователя 12. Первый выход устройства синхронизации 11 соединен с входом блока управления 13, а второй через интерфейс 14 - с высоковольтным датчиком 3 и персональной электронно-вычислительной машиной 15. Первый выход блока управления 13 соединен с быстродействующим управляемым коммутатором 5, второй выход - с первичным источником высокого напряжения 2, а третий через интерфейс 9 - с персональной электронно-вычислительной машиной 15.

Устройство работает следующим образом, реализуя предлагаемый способ.

По команде управляющей программы через интерфейс 14 на блок управления 13 поступает сигнал разрешения. По этому сигналу блок управления 13 запускает первичный источник высокого напряжения 2, который через токоограничивающий резистор 4 начинает заряжать конденсатор 6, напряжение на котором контролируется высоковольтным датчиком 3. После достижения заданного значения напряжения датчик 3 через интерфейс 14 выдает сигнал готовности в управляющую программу, а также переводит первичный источник высокого напряжения 2 в режим стабилизации напряжения. После получения сигнала готовности первичного источника высокого напряжения 2 управляющая программа через интерфейс 14 разрежает циклическую работу устройства синхронизации (УС) матричного фоточувствительного прибора с зарядовой связью (ФПЗС) 11, которое посылает в блок управления 13 сигналы, соответствующие временным интервалам синхросигналов ФПЗС. По сигналу готовности первичного источника высокого напряжения 2 управляющая программа через интерфейс 14 разрешает работу аналого-цифрового преобразователя (АЦП) 12. Цифровой код, соответствующий аналоговому выходному сигналу ФПЗС, через интерфейс 14 поступает в управляющую программу. После выполнения описанных выше действий аппарат готов к рентгенографическому исследованию.

Получив от оператора ПЭВМ команду на проведение исследования, управляющая программа через интерфейс 14 выдает на блок управления 13 команду запуска и переводит ПЭВМ 15 в режим записи цифрового кода в запоминающее (ЗУ) устройство ПЭВМ 15. Получив команду запуска, блок управления 13 синхронно с ближайшим синхросигналом ФПЗС, соответствующим остановке выходного регистра ФПЗС, формирует импульс управления быстродействующим коммутатором 5, который замыкает цепь колебательного контура, вызывая разряд конденсатора 6 через дроссель 7 и полупроводниковый размыкатель 9. В момент, соответствующий максимуму тока, полупроводниковый размыкатель 9 разрывает цепь. При этом за счет самоиндукции дросселя 7 формируется высоковольтный импульс напряжения с амплитудой 65 кВ и длительностью около 60 нс, который вызывает в импульсной рентгеновской трубке 8 генерацию рентгеновского излучения длительностью около 40 нс и мощностью порядка 10 Р/с на срезе рентгеновской трубки 8 и дозой в плоскости ФПЗС менее 10 мР. Рентгеновское излучение, пройдя через исследуемый объект 16 и ослабляясь соответственно структуре объекта 16, попадает на ФПЗС. Изображение объекта 16, сформированное на ФПЗС, преобразуют в аналоговый электрический сигнал, амплитуда которого пропорциональна интенсивности рентгеновского излучения. Цифровой код, соответствующий аналоговому сигналу ФПЗС, с выхода АЦП 12 через интерфейс 14 поступает в управляющую программу и его записывает ЗУ ПЭВМ 15. После окончания считывания изображения управляющая программа отменяет режим записи цифрового кода в ЗУ ПЭВМ 15, выдает сообщение оператору об успешном завершении этапа исследования, переносит полученную цифровую информацию на ЗУ на внешних носителях, входящих в состав ПЭВМ 15, и по команде оператора ПЭВМ либо проводят подготовку к следующему исследованию, либо на экране дисплея отображается рентгенограмма, либо она выводится на печатающее устройство.

Таким образом, использование предлагаемого способа дентальной диагностики и устройства для осуществления этого способа позволяет перевести дентальную рентгенографию в число безбумажных технологий, дает возможность включить этот вид исследований в сферу информационных баз данных и информационных сетей.

Источники информации:
1. Симсон С.Г., Механик Р.С. Рентгенодиагностика заболеваний зубов и челюстей. Наркомздрав СССР. Л.: 1939.

2. Коваль Г.Ю. Основы медицинской рентгенотехники и методики рентгенологического исследования в клинической практике. Киев.: "Здоровье". 1961.

3. Кишковский А. Н. , Тютин Л. А. Медицинская рентгенотехника. Л.: "Медицина". 1983.

4. Авторское свидетельство СССР N 1 363 543, кл. H 05 G 1/24, 1986.

5. Патент США N 4670893, кл. H 05 G 1/20, 1987.

6. Джентри Ф. , Гутцвиллер Ф., Голоньяк Н., фон Застров Э. Управляемые полупроводниковые вентили. М.: Мир. 1967, 450 с.

Использование: медицинская техника, а именно диагностика в стоматологии. Технический результат: повышение информативности изображения при исследовании до линейных размеров 60-100 мкм при радиационном контрасте менее 1-5 %. Сущность: способ дентальной диагностики включает облучение рентгеновскими лучами исследуемого объекта импульсами наносекундной длительности, регистрацию прошедшего излучения на приемнике электронно-оптического преобразователя и запись его на носителе информации, отличающийся тем, что облучение осуществляют в течение 20-50 нс при мощности экспозиционной дозы в плоскости приемника (1-5)•10⁵ Р/с. Для его осуществления используется импульсный рентгеновский диагностический аппарат, содержащий высоковольтный блок, накопительный конденсатор, дроссель, быстродействующее коммутирующее устройство, рентгеновскую трубку, связанную анодом с высоковольтным блоком, блок обработки изображения с позиционно-чувствительным элементом, соединенный с ЭВМ, и блок управления, при этом между первым выходом высоковольтного блока и анодом рентгеновской трубки дополнительно установлены последовательно соединенные накопительный конденсатор и дроссель, быстродействующее коммутирующее устройство подсоединено входом к первому выходу высоковольтного блока, а выходом - к первому входу блока управления, который вторым входом соединен с высоковольтным блоком, третьими - с блоком обработки изображения, а четвертыми - с ЭВМ, при этом к аноду подключен заземленный полупроводниковый размыкатель, выполненный на основе высоковольтных диодов с рабочей частотой свыше 20 кГц. Индуктивность дросселя выбрана в пределах 6-21 мГн, а емкость накопительного конденсатора 900-2000 пФ. Кроме того, позиционно-чувствительный детектор может быть выполнен на основе матричной фоточувствительной системы, а высоковольтный блок содержит токоограничивающий резистор и высоковольтный датчик, соединенные с источником высокого напряжения. 2 с. и 4 з. п. ф-лы, 1 ил.

1. Способ дентальной диагностики, включающий облучение рентгеновскими лучами исследуемого объекта импульсами наносекундной длительности, регистрацию прошедшего излучения на приемнике электронно-оптического преобразователя и запись его на носителе информации, отличающийся тем, что облучение осуществляют в течение 20 50 нс при мощности экспозиционной дозы в плоскости приемника (1 5)•10⁵ Р/с. 2. Импульсный рентгеновский диагностический аппарат, содержащий высоковольтный блок, накопительный конденсатор, дроссель, быстродействующее коммутирующее устройство, рентгеновскую трубку, связанную анодом с высоковольтным блоком, блок обработки изображения с позиционно-чувствительным элементом, соединенный с ЭВМ, и блок управления, отличающийся тем, что между первым выходом высоковольтного блока и анодом рентгеновской трубки дополнительно установлены последовательно соединенные накопительный конденсатор и дроссель, быстродействующее коммутирующее устройство подсоединено входом к первому выходу высоковольтного блока, а выходом к первому входу блока управления, который вторым входом соединен с высоковольтным блоком, третьим с блоком обработки изображения, а четвертым - с ЭВМ, при этом к аноду подключен заземленный полупроводниковый размыкатель, выполненный на основе высоковольтных диодов с рабочей частотой свыше 20 кГц. 3. Аппарат по п.2, отличающийся тем, что индуктивность дросселя выбрана в пределах от 6 до 21 мГц. 4. Аппарат по п.2, отличающийся тем, что емкость накопительного конденсатора выбрана в пределах от 900 до 2000 пФ. 5. Аппарат по п.2, отличающийся тем, что позиционно-чувствительный детектор выполнен на основе матричной фоточувствительной схемы. 6. Аппарат по п.2, отличающийся тем, что высоковольтный блок содержит токоограничивающий резистор и высоковольтный датчик, соединенные с источником высокого напряжения.