ЦИФРОВОЙ СКАНИРУЮЩИЙ МАММОГРАФ Российский патент 2001 года по МПК A61B6/03 

Изобретение относится к устройствам для радиодиагностики со сканированием исследуемого объекта узким пучком рентгеновского излучения и цифровой регистрацией результатов сканирования, получением составного изображения и визуализацией его на экране монитора. Благодаря достигаемому пространственному разрешению при высокой чувствительности по контрасту и пониженной дозе облучения, устройство может быть использовано в маммографии для определения положения отличающихся по плотности малых непальпируемых повреждений грудной железы и диагностики заболеваний, излечиваемых на ранних стадиях.

В настоящее время для радиодиагностики заболеваний грудной железы применяются маммографы как с регистрацией рентгеновских изображений на фотопленку, так и с электронной цифровой регистрацией.

При исследовании грудной железы в системах с пленками [1] рентгеновское излучение, проникая через грудную железу, падает на фосфоресцирующий экран. Свет, излучаемый из экрана, детектируется чувствительной к свету пленкой, которая специально создана под размеры грудной железы и может быть после проявления показана на проекторе. Существенны следующие недостатки устройств с пленками:
- зернистость и шум пленок, ограничивающие пространственное разрешение;
- потеря контраста при одиночной экспозиции грудной железы для получения ее полного изображения из-за регистрации вместе с полезным сигналом рассеянного излучения;
- увеличение дозы облучения пациента при использовании пленок с более высоким разрешением и использовании сеток для защиты от рассеянного излучения.

Известны более совершенные маммографы [2] с электронной цифровой регистрацией рентгеновского изображения, в которых вместо пленки с фосфоресцирующим экраном используется позиционно чувствительный детектор излучения, вырабатывающий электронный сигнал, который может быть обработан цифровыми методами и выведен на экран монитора с высоким разрешением практически в реальном времени.

Недостатком устройства является ограниченность поля зрения позиционно чувствительного детектора, в результате чего с высоким разрешением может быть получено изображение только малой области грудной железы. При одиночной же экспозиции всей грудной железы для получения ее полного изображения, как и в маммографах с пленкой, из-за регистрации вместе с полезным сигналом рассеянного излучения, теряется контраст, а введение дополнительных сеток для защиты от рассеянного излучения приводит к увеличению дозы облучения пациента.

Наиболее близким техническим решением к предлагаемому является цифровое сканирующее устройство для маммографии [3], которое содержит:
- источник рентгеновского излучения на основе рентгеновской трубки,
- систему фильтрации рентгеновского излучения,
- коллиматор-формирователь узкого веерного пучка излучения для сканирования грудной железы пациента,
- компрессионный агрегат для сдавливания и ограничения подвижности грудной железы,
- сканирующий агрегат для сканирования и получения сигнала о прохождении излучения через грудную железу,
- позиционно чувствительный приемник излучения, прошедшего через ткань железы,
- цифровую систему компоновки составного изображения, вход которой связан с выходом позиционно чувствительного приемника излучения,
- блок синхронизации перемещения сканирующего агрегата со считыванием информации с приемника излучения,
- систему обработки и визуализации составного изображения, вход которой связан с выходом системы компоновки составного изображения.

В указанном устройстве сканирование грудной железы узким рентгеновским лучом уменьшает долю рассеянного излучения на входе позиционно чувствительного приемника излучения, улучшая тем самым отношение сигнал/шум, повышая чувствительность по контрасту и пространственное разрешение.

Однако регистрация повреждений грудной железы на ранней излечиваемой стадии заболевания требует большего контраста, поскольку характеристики поглощения рентгеновского излучения этими повреждениями подобны характеристикам окружающей ткани и различия заметны только для мягкой компоненты излучения, и при большем пространственном разрешении, ввиду малости повреждений.

Недостатками прототипа являются:
- веерность пучка, создаваемая коллиматором под размер грудной железы, что вызывает дисторсионные искажения по краям поля зрения и оставляет долю рассеянного излучения, понижающего контрастную чувствительность и пространственное разрешение;
- использование части фокусного пятна рентгеновского источника, а не всей его площади при коллимации излучения в веерный пучок, что приводит к потере эффективности использования излучения;
- "размытость" спектрального распределения рентгеновских квантов при использовании фильтров (или наличие неотфильтрованной "жесткой" компоненты), что препятствует улучшению контраста.

Техническим результатом, обеспечиваемым заявляемым изобретением, является улучшение качества изображения, заключающееся в улучшении пространственного разрешения, увеличении чувствительности по контрасту и уменьшении дисторсионных искажений без увеличения дозы облучения пациента.

Технический результат достигается тем, что в цифровом сканирующем маммографе, содержащем источник рентгеновского излучения на основе рентгеновской трубки, компрессионный агрегат, позиционно чувствительный приемник излучения, прошедшего через ткань железы, сканирующий агрегат, выполненный с возможностью синхронного перемещения механически связанных источника и приемника излучения, цифровую систему компоновки составного изображения железы, один вход которой связан с выходом позиционно чувствительного приемника излучения, а второй - с выходом синхронизации сканирующего агрегата, и систему обработки и визуализации составного изображения, вход которой связан с выходом цифровой системы компоновки составного изображения железы, к источнику рентгеновского излучения подсоединена система рентгеновской поликапиллярной коллимирующей оптики, входные сечения каждого капилляра которой на некотором расстоянии ориентированы на фокусное пятно рентгеновской трубки источника, а их выходные сечения образуют профиль квазипараллельного пучка излучения, соответствующий входному окну позиционно чувствительного приемника излучения.

Сущность изобретения заключается в том, что устройство сканирует грудную железу узким квазипараллельным пучком "мягкого" рентгеновского излучения, и проекция железы в направлении падения излучения детектируется за счет этого с улучшенным пространственным разрешением с повышенным отношением сигнал/шум при пониженной дозе облучения пациента перемещающимся синхронно с источником излучения позиционно чувствительным приемником с приемной площадью, аналогичной профилю пучка. Электронная цифровая система компоновки изображений в процессе сканирования грудной железы узким квазипараллельным пучком "мягкого" излучения компонует ее составное изображение с большей контрастной чувствительностью, которое отображается системой обработки и визуализации изображений с высоким разрешением на экране видеоконтрольного устройства.

На чертеже изображена схема цифрового сканирующего маммографа.

Маммограф содержит источник рентгеновского излучения 1 на основе рентгеновской трубки, систему рентгеновской поликапиллярной коллимирующей оптики 2, компрессионный агрегат 3 для ограничения подвижности грудной железы 4 пациента, позиционно чувствительный приемник излучения 5, сканирующий агрегат 6 для одновременного перемещения источника излучения 1 с системой рентгеновской поликапиллярной коллимирующей оптики 2 и приемника излучения 5, систему 7 компоновки составного изображения железы по результатам сканирования и систему 8 обработки и визуализации составного изображения железы.

К источнику рентгеновского излучения 1 на основе рентгеновской трубки подсоединена система рентгеновской поликапиллярной коллимирующей оптики 2, вход которой ориентирован на действительное фокусное пятно рентгеновской трубки источника и имеет профиль, подобный фокусному пятну, а выход направлен на входное окно позиционно чувствительного приемника излучения 5 и имеет профиль, соответствующий входному окну. Система рентгеновской поликапиллярной коллимирующей оптики 2 состоит из большого количества (несколько тысяч на квадратный сантиметр) каналов капилляров с высоким коэффициентом прозрачности (до 70%), ориентированных так, что входные сечения каждого капилляра системы на некотором расстоянии сходятся в некоторое виртуальное фокусное пятно, совмещаемое с фокусным пятном рентгеновской трубки источника, а выходные сечения капилляров системы направлены на входное окно позиционно чувствительного приемника излучения 5, образуя соответствующий ему профиль квазипараллельного пучка излучения, формируемого системой 2. Материал и размеры капилляров и их допустимый изгиб выбраны для предельных углов полного внешнего отражения, соответствующих диапазону энергий квантов 15 - 21 кэВ. Позиционно чувствительный приемник излучения 5 расположен за компрессионным агрегатом 3 и представляет собой линейку приборов с зарядовой связью (линейку ПЗС - матриц) с общим волоконно-оптическим входным окном, покрытым сцинтиллятором. Выход линейки ПЗС- матриц позиционно чувствительного приемника излучения 5 присоединен ко входу системы 7 компоновки составного изображения. Источник излучения 1 с системой рентгеновской поликапиллярной коллимирующей оптики 2 и приемник излучения 5 жестко связаны между собой сканирующим агрегатом 6, который обеспечивает их механическое перемещение и вырабатывает сигналы синхронизации. Выход синхронизации сканирующего агрегата 6 соединен со входом системы 7 компоновки составного изображения, выход которой связан со входом системы 8 обработки и визуализации изображений, выполненной на основе компьютера ПК и видеоконтрольного устройства ВКУ. Система 7 компоновки составного изображения выполнена с использованием методов и элементной базы цифровой техники - процессора, аналого-цифрового преобразователя, усилителей и интерфейса для обмена информацией с компьютером ПК и видеоконтрольным устройством ВКУ системы 8 обработки и визуализации изображений.

Устройство работает следующим образом.

Излучение от фокусного пятна рентгеновской трубки источника излучения 1 попадает как скользящий пучок на вход системы рентгеновской поликапиллярной коллимирующей оптики 2. За счет многократного полного внешнего отражения на выход проходят только кванты мягкого излучения, которые узким квазипараллельным пучком, профиль которого определен размещением капилляров на выходе системы 2, проникают через грудную железу 4, закрепленную компрессионным агрегатом 3, и попадают на входное окно приемника излучения 5. Прошедшее через грудную железу 4 излучение в сцинтилляторе входного окна приемника 5 преобразуется в световое излучение, которое линейка из ПЗС-матриц преобразует в заряд, а затем в выходном устройстве ПЗС - в напряжение. ПЗС работает в режиме временной задержки и накопления, при котором заряд в ПЗС перемещается синхронно с механическим перемещением приемника излучения 5 и источника излучения 1 с системой рентгеновской поликапиллярной коллимирующей оптики 2 по сигналу от сканирующего агрегата 6. При механическом перемещении приемника излучения 5 и источника 1 с системой 2 на расстояние, равное одному элементу сканирования, заряд в ПЗС сдвигается также на один элемент. Из элементов сканирования в системе 7 компонуется составное изображение, которое после его обработки в системе 8 может быть представлено на экране видеоконтрольного устройства ВКУ.

В предлагаемом устройстве, в отличие от прототипа, для сканирования формируется не веерный пучок, который вносит дисторсионные искажения и рассеянное излучение, понижающее контрастную чувствительность и пространственное разрешение, а квазипараллельный узкий пучок. Узкий квазипараллельный пучок "мягкого" излучения от источника на основе рентгеновской трубки с конечным размером фокусного пятна формируется при помощи системы рентгеновской поликапиллярной коллимирующей оптики, основанной на эффекте полного внешнего отражения излучения от внутренней поверхности стенок капилляров. В результате полный угол поворота рентгеновского излучения, захваченного от расходящегося неточечного рентгеновского источника, определяется изгибом и сечением каналов капилляров и может намного превышать критический угол полного внешнего отражения θ (для стекла θ = 30/E радиан). Величина критического угла зависит от энергии излучения, состава, плотности и качества поверхности внутренних стенок капилляра. Система рентгеновской поликапиллярной коллимирующей оптики в маммографе используется и как фильтр для подавления высокоэнергетической части рентгеновского излучения, поскольку вне рабочего диапазона длин волн интенсивность излучения ослабляется не менее чем на порядок. Достигаемое ограничение спектрального состава сканирующего излучения за счет уменьшения доли высокоэнергетических квантов повышает чувствительность регистрации по контрасту в мягкой ткани. Имеющая место расходимость пучка рентгеновских квантов порядка 10^-3 рад в диапазоне энергий (15-21) кэВ позволяет рассчитывать на пространственное разрешение ~ 20 штрих/мм. При одинаковом пространственном разрешении в предлагаемом устройстве при формировании профиля пучка используется вся площадь фокусного пятна рентгеновской трубки источника, а не его часть, как при коллимации в прототипе, что позволяет использовать традиционные рентгеновские источники с протяженным фокусным пятном и низкой удельной мощностью. Неоспоримым преимуществом является неизменная расходимость порядка 10^-3 рад по сечению пучка рентгеновских квантов на выходе системы рентгеновской поликапиллярной коллимирующей оптики. Чувствительность по контрасту предлагаемого устройства выше, так как система рентгеновской поликапиллярной коллимирующей оптики не пропускает жесткую компоненту спектра и нет его размытости, вносимой системой фильтрации прототипа.

Таким образом, в предлагаемом устройстве в сравнении с прототипом улучшено качество изображения за счет улучшения пространственного разрешения, увеличения чувствительности по контрасту и уменьшения дисторсионных искажений.

Источники информации
1. Патент США N 4998270 3/1991 Scheid et al. 378/37.

2. Патент США N 5844242 12/1998 Jalink Jr. et al.

3. Патент США N 5526394 6/1996 Siczek В. et al. (прототип).

Изобретение относится к устройствам для радиодиагностики со сканированием исследуемого объекта узким пучком рентгеновского излучения и может быть использовано в маммографии для определения положения отличающихся по плотности малых непальпируемых повреждений грудной железы и диагностики заболеваний, излечиваемых на ранних стадиях. Маммограф содержит источник рентгеновского излучения на основе рентгеновской трубки, систему рентгеновской поликапиллярной коллимирующей оптики - компрессионный агрегат, позиционно-чувствительный приемник излучения, прошедшего через ткань железы, сканирующий агрегат для синхронного перемещения механически связанных источника излучения и приемника излучения, систему компоновки составного изображения железы по результатам сканирования и систему обработки и визуализации составного изображения железы. Вход рентгеновской поликапиллярной коллимирующей оптики сфокусирован на действительном фокусном пятне рентгеновской трубки источника и имеет профиль, подобный фокусному пятну, а выход направлен на входное окно позиционно-чувствительного приемника излучения, имеет профиль, соответствующий профилю входного окна. Изобретение позволяет улучшить качество изображения, заключающееся в улучшении пространственного разрешения, увеличении чувствительности по контрасту и уменьшении дисторсионных искажений без увеличения дозы облучения пациента. 1 ил.

Цифровой сканирующий маммограф, содержащий источник рентгеновского излучения на основе рентгеновской трубки, компрессионный агрегат, позиционно-чувствительный приемник излучения, прошедшего через ткань железы, сканирующий агрегат, выполненный с возможностью синхронного перемещения механически связанных источника и приемника излучения, цифровую систему компоновки составного изображения железы, один вход которой связан с выходом позиционно-чувствительного приемника излучения, а другой - с выходом синхронизации сканирующего агрегата, и систему обработки и визуализации составного изображения железы, вход которой соединен с выходом цифровой системы компоновки составного изображения, отличающийся тем, что к источнику рентгеновского излучения подсоединена система рентгеновской поликапиллярной коллимирующей оптики, каналы капилляров которой ориентированы с возможностью совмещения на некотором расстоянии фокусного пятна их входных сечений с фокусным пятном рентгеновской трубки источника, а их выходные сечения образуют профиль квазипараллельного пучка излучения, соответствующий профилю входного окна позиционно-чувствительного приемника излучения.