РЕНТГЕНОТЕЛЕВИЗИОННЫЙ ДИАГНОСТИЧЕСКИЙ КОМПЛЕКС И СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ РЕНТГЕНОВСКОГО ИЗОБРАЖЕНИЯ Российский патент 2002 года по МПК H04N5/32 

Изобретение относится к рентгеновской технике и может быть использовано при создании средств исследования в области радиологии.

Известно, что основными проблемами рентгеновской диагностики, в которой используются свойства физических объектов ослаблять проходящее через них рентгеновское излучение в зависимости от состава, плотности и структуры материала (вещества) объекта, являются проблемы оптимизации параметров экспозиции и лучевой нагрузки на исследуемый объект. Многие из известных в радиологической практике аппаратурных средств используют программированное управление напряжением и током рентгеновской трубки в связи с заданием времени экспозиции, определяемого по критериям сравнения полученной дозы облучения с заданной дозой, визуализацию и оптический контроль за получаемым изображением.

Известен рентгеновский диагностический аппарат с трактом, включающим усилитель изображений и передающую телевизионную камеру для наблюдения усиленного изображения, а также с устройством управления мощностью дозы облучения за счет изменения силы тока рентгеновской трубки /ФРГ, заявка 2010360, H 05 G 1/36, Н 05 G 1/64, публ. 28.04.77/.

Известен рентгеновский диагностический аппарат с усилителем рентгеновского изображения, выходное изображение которого регистрируется кинокамерой, а также с блоком регулировки яркости /ФРГ, заявка 2216838, Н 05 G 1/64, публ. 30.08.77/, в котором при получении рентгеновского изображения изменяют яркость для поддержания постоянства экспозиции регистратора и выбирают масштаб экспозиции с учетом размеров объекта исследования.

Известна рентгеновская диагностическая установка с переключающими органами для получения из напряжения для рентгеновской трубки последовательности прямоугольных импульсов и с визуальным прибором - видеоусилителем с телевизионной линией, переключаемым синхронно с этими импульсами так, что обеспечивается наложение изображения, создаваемого жестким излучением, на изображение, создаваемое мягким излучением /ФРГ, заявка 2365510, Н 05 G 1/60, 1/32, публ. 05.05.77/.

Общим недостатком известных рентгеновских установок и способов получения изображения с их использованием является отсутствие контроля лучевой нагрузки на. объект, а также отсутствие воздействия излучением с оптимальным для объекта спектром, что в итоге снижает качество получаемого изображения.

Известна рентгеновская диагностическая установка, содержащая высоковольтный генератор, рентгеновскую трубку, усилитель рентгеновского изображения, видеокамеру, видеоусилитель с управляемым входом, интегрирующую цепь и цепь управления, которая связана с высоковольтным генератором для управления скоростью изменения дозы облучения /США, патент 5479468, Н 05 G 1/64, публ. 26.12.95/. Известная установка реализует способ получения изображения, в котором сигнал на видеоусилителе возрастает в соответствии со скоростью изменения дозы облучения, однако при этом отсутствуют контроль за лучевой нагрузкой на объект и оптимизация спектра воздействующего излучения.

Известен рентгеновский диагностический комплекс, включающий источник рентгеновского излучения, усилитель и регистратор для преобразования прошедшего через объект излучения в излучение флуоресценции, систему переноса оптического изображения, выполненную в виде оптической системы линз, средства преобразования излучения флуоресценции в изображение, учитывающие заданный уровень оптимума излучения, средства фотодетектирования для определения полного потока излучения флуоресценции, счетно-решающее устройство (компаратор) для сравнения потока излучения флуоресценции с заданным уровнем(оптимумом) полного потока излучения флуоресценции, средства управления источником рентгеновского излучения, предусматривающие прекращение возбуждения рентгеновского излучения в случае, когда полный поток излучения флуоресценции достигнет заданного оптимума, телевизионный монитор для визуализации рентгеновского изображения /США, патент 5187730, Н 05 G 1/42, публ. 16.02.93/.

Недостаток известного устройства состоит в том, что в нем не предусмотрены средства реализации эффективного спектрального распределения рентгеновского излучения и отсутствует эффективная обратная связь для выбора параметров экспозиции с учетом индивидуальных свойств объекта в ходе самого обследования.

Известное устройство, включающее источник рентгеновского излучения, средства управления источником рентгеновского излучения, регистратор радиолюминесценции, усилитель, систему оптического переноса изображения, средства фотодетектирования радиолюминесценции, автоматизированную систему обработки изображения и телевизионный монитор (дисплей), может быть выбрано в качестве наиболее близкого аналога заявляемого устройства.

Известное устройство реализует способ получения рентгеновского изображения, предусматривающий получение коллимированного рентгеновского импульсного излучения, облучение обследуемого объекта, прием прошедшего через обследуемый объект излучения, его преобразование во флуоресценцию (радиолюминесценцию) и усиление, формирование пучка оптических лучей из излучения флуоресценции и перенос оптического изображения посредством линзовой оптической системы, интегрирование флуоресцентной эмиссии и сравнение интегрального потока флуоресценции с заданным его значением, обеспечивающим получение качественного изображения, и прекращение возбуждения рентгеновского излучения, когда интегральный поток флуоресценции достигает заданного значения.

Недостаток известного способа состоит в том, что при экспонировании объекта не учитываются индивидуальные особенности объекта, а заранее заданные предельные величины светового потока, по которым идет сравнение, могут не быть оптимальными и не соответствовать оптимальной лучевой нагрузке на объект.

Известный способ получения рентгеновского изображения, включающий получение коллимированного рентгеновского импульсного излучения, облучение обследуемого объекта, прием прошедшего через обследуемый объект излучения, его преобразование в радиолюминесценцию (люминесценция (флуоресценция), вызываемая рентгеновским излучением), перенос оптического изображения, его усиление, детектирование и интегрирование потока излучения радиолюминесценции, сравнение полного потока излучения радиолюминесценции с заданным его значением, обеспечивающим получение качественного изображения, и прекращение получения рентгеновского излучения когда интегральный поток, флуоресценции достигает заданного значения, выбран в качестве наиболее близкого аналога заявляемого способа.

Задача изобретения заключается в улучшении эксплуатационных характеристик комплекса за счет оптимизации параметров рентгеновского излучения и снижения лучевой нагрузки.

Задача решена тем, что в известном рентгенотелевизионном диагностическом комплексе, включающем источник рентгеновского излучения с рентгеновской трубкой и системой формирования рентгеновского луча, блок управления источником рентгеновского излучения, регистратор с преобразователем изображения, усилителем, фотодетектором радиолюминесценции, устройство оптического переноса изображения, автоматизированную систему обработки изображения, связанную с блоком управления источником рентгеновского излучения, регистратором изображения, и телевизионным монитором, в соответствии с изобретением, преобразователь изображения выполнен в виде экрана, имеющего люминесцентное покрытие полиморфной структуры с различными спектрами свечения компонентов, при этом рентгеновская трубка выполнена с системой электродных сеток, образующих модулятор фокуса трубки.

Кроме того, блок управления источником рентгеновского излучения выполнен в виде программируемого контроллера.

Кроме того, толщина экрана составляет 50-400 мкм.

Кроме того, усилитель изображения выполнен в виде электронно-оптического преобразователя.

Кроме того, устройство переноса оптического излучения выполнено волоконно-оптическим и оптически связано с телемонитором.

Кроме того, автоматизированная система обработки изображения выполнена на базе ЭВМ.

Задача решена тем, что в известном способе получения рентгеновского изображения, включающем возбуждение рентгеновского излучения, формирование импульсов излучения, экспонирование объекта для диагностического исследования, регистрацию изображения, прошедшего через объект излучения посредством радиолюминесценции, оптический перенос и обработку изображения, его аналитическую оценку и автоматическое регулирование характеристик рентгеновского излучения на основании критерия сравнения, в соответствии с изобретением, при экспонировании объекта для диагностического исследования предварительно формируют серии калибровочных изоэнергетических импульсов одинаковой длительности на разных частотах, проводят облучение объекта сериями калибровочных импульсов последовательно в порядке возрастания их частоты, регистрируют изображение объекта по характеристикам радиолюминесценции экрана регистратора на частотах калибровочных импульсов рентгеновского излучения, причем в качестве упомянутой характеристики используют полный поток излучения радиолюминесценции, сопоставляют полученные изображения и выбирают оптимальную для экспонирования объекта частоту импульсов рентгеновского излучения по критерию достижения наивысшей прозрачности объекта в заданном спектральном диапазоне, на которой далее ведут экспонирование объекта для диагностического исследования.

Кроме того, регистрацию радиолюминесценции производят полихромной смесью люминофоров с разной длиной волны свечения.

Кроме того, в качестве калибровочных импульсов используют прямоугольные импульсы длительностью 10-500 нс и мощностью 100-150 кВт.

Сущность изобретения заключается в выявлении оптимальной частоты импульсного рентгеновского облучения объекта исследования с малым лучевым воздействием на него в ходе предварительного экспонирования серией калибровочных импульсов малой длительности (порядка нескольких наносекунд) и большой мгновенной мощности (порядка сотен кВт) с заданным пространственным разрешением, что позволяет снизить (оптимизировать) лучевую нагрузку на объект в ходе диагностических исследований. При этом обеспечивается поддержание и быстрая коррекция требуемых характеристик рентгеновского излучения и аппаратуры автоматически по схеме с обратной связью, управляемой ЭВМ по ходу исследования.

Сущность изобретения поясняют фиг. 1 и 2, на которых представлены: блок-схема комплекса (фиг.1), схема формирования калибровочных импульсов и проведения экспонирования объекта (фиг.2).

Рентгенотелевизионный диагностический комплекс содержит (фиг.1) источник рентгеновского излучения (ИРИ) 1, соединенный с блоком управления ИРИ 2 и системой формирования рентгеновского луча (его спектра излучения и геометрии пучка) 3, а также связанный оптически через размещаемый по ходу рентгеновского пучка объект исследования 4 с регистратором 5, усилителем 8 и устройством переноса оптического изображения 28 для ввода информации в телевизионный канал телемонитора 7, подключенного к системе сбора и обработки информации 8, к которой присоединен также блок управления ИРИ 2.

Источник рентгеновского излучения 1 содержит заключенную в защитный кожух 9 рентгеновскую трубку 10 с катодом 11, анодом 12 и системой межэлектродных сеток 13, при этом высоковольтное напряжение на катоде 11 обеспечивается высоковольтным генератором 14, соединенным с входом и выходом блока управления ИРИ 2 и с катодом 11 через подключенные последовательно повышающий трансформатор 15 и каскадный умножитель 16. Выход каскадного умножителя 16 посредством измерителя анодного напряжения 17 соединен с одним из входов блока управления ИРИ 2, с другим входом которого соединено шунтирующее сопротивление 18 через измеритель анодного тока 19.

Другие входы и выходы блока управления ИРИ 2, выполненного в виде программируемого контроллера, соединены с элементами системы формирования рентгеновского луча 3 по спектру излучения и геометрии пучка 3, а именно с генератором накала катода 20, подключенным к катоду 11, с генератором электростатического смещения 21, соединенным с системой межэлектродных сеток 13, образующих модулятор фокуса рентгеновского излучения трубки 10, и с генератором статора анода 22, подключенным к обмотке статора анода 23, обеспечивающим его вращение. Выходное окно рентгеновской трубки 10 снабжено частотным фильтром (на фиг.1 не показан), имеющим полосу пропускания, соответствующую диапазону длин волн характеристического излучения материала анода 12, и ослабляющим длинноволновую часть спектра рентгеновского излучения для уменьшения лучевой нагрузки на объект. Система 3 обеспечивает также задание поля облучения объекта посредством створчатого формирователя поля облучения (на фиг. 1 не показан), выполненного в виде системы ортогональных створок, установленных с возможностью взаимного относительного перемещения.

Трубка 10 связана оптически посредством выходного окна с регистратором 5, который размещен за местом расположения объекта 4 по ходу луча.

Регистратор 5 содержит размещенный в кожухе 24 на фронтальной поверхности преобразователь рентгеновского изображения 25, выполненный в виде экрана с люминесцентным покрытием полиморфной структуры (радиолюминесцентный экран), и образующие усилитель изображения 8 с оптическим каналом, установленные последовательно за экраном 25 широкоформатный широкоугольный светосильный объектив 28 и электронно-оптический преобразователь 27, передающий информацию через волоконно-оптическое устройство переноса изображения 26 в телевизионный канал телемонитора 7, подключенного ко входу (интерфейсу) системы сбора и обработки информации 8, к которой подключен также блок управления ИРИ 2. В кожухе 24 регистратора 5 размещен также фотодетектор радиолюминесценции 29, подключенный к соответствующему входу системы 8 для ввода информации о потоке излучения радиолюминесценции от экрана преобразователя изображения 25. Телемонитор 7 и электронно-оптический преобразователь 27 подключены к автономному блоку питания 30.

Система 8 выполняет функции цифровой обработки всей поступающей в нее информации и синхронизации работы элементов комплекса и состоит из ЭВМ и периферийных устройств, обеспечивающих визуализацию, накопление и архивирование информации в цифровой или аналоговой форме, а также анализ и обработку текущей информации в реальном времени с целью формирования команд блока управления ИРИ 2 в ходе диагностического обследования.

Экран 25 имеет покрытие с чувствительным к рентгеновскому излучению материалом - смесью люминофоров (например, соединения цезия Сs), свечение которых с разной длиной волны возбуждает падающее рентгеновское излучение на различных частотах, что дает возможность выявить оптимальную частоту излучения по характеру и детализации получаемого изображения. При этом компоненты смеси люминофоров могут образовывать или мозаичное или слоистое покрытие, поскольку они подбираются так, чтобы спектры возбуждаемой люминесценции не перекрывались. Общая толщина эффективно действующего полиморфного экрана 25 составляет 50-400 мкм.

Способ получения рентгеновского изображения объекта с использованием комплекса осуществляют следующим образом.

Выпрямленное напряжение от сети подают на вход высоковольтного генератора 14, который на выходе вырабатывает переменное напряжение частотой 20-100 кГц, поступающее на первичную обмотку повышающего трансформатора 15 резонансного типа, который за счет работы резонансного контура во вторичной обмотке вырабатывает токи и напряжения почти синусоидальной формы, поступающие в первый каскад каскадного умножителя 16, обеспечивающего выпрямление сигнала и повышение его амплитуды перед подачей на катод рентгеновской трубки 10. Рентгеновское излучение, генерируемое как тормозное и близкое по спектру к характеристическому излучению вещества анода 12, перед выходом из трубки 10 формируют по спектру и геометрии (расходимости) пучка посредством подачи электростатического потенциала смещения (положительного или отрицательного; на межэлектродные сетки 13 (модулятор фокуса) для задания частоты (жесткости) генерируемого излучения и фокусирования пучка лучей. Подачу на объект сканирующих импульсов и частоту следования импульсов рентгеновского излучения обеспечивают вращением анода 12 и заданием скорости его вращения соответственно. Таким образом, управляя работой трубки 10, можно получать за короткое время большие анодные токи, генерировать импульсы высокой интенсивности, формировать серии импульсов с нарастающим по заданной программе анодным током и напряжением, а также плавно изменять размеры эффективного фокусного пятна на аноде 12.

Для определения эффективной для диагностики объекта частоты излучения перед началом рабочего цикла проводят пробное облучение (сканирование) объекта калибровочными импульсами. Для задания калибровочных импульсов формируют серии импульсов рентгеновского излучения на заданной частоте (число импульсов в серии не менее двух), причем длительность импульса выбирается с учетом времени обработки изображения системой 8 и составляет, как правило, 10-500 нс (но не менее 3 нс). Частоту рентгеновского импульса выбирают в соответствии с частотой возбуждения спектра люминесценции компонента покрытия экрана регистратора 5.

Энергии всех импульсов Е в серии одинаковы (изоэнергетические импульсы) и удовлетворяют соотношению
Е(i)=N(i)•h•v(i),
где i - номер импульса, v - частота, рентгеновских квантов в импульсе, h - постоянная Планка, N - число рентгеновских квантов с частотой v. Длительность изоэнергетических импульсов Е(1), E(2) и т.д. также одинакова для создания равных начальных условий пробного исследования (фиг.2).

Импульсный пучок рентгеновского излучения, сформированный в трубке 10, облучает (сканирует) объект 4 в пределах поля облучения (заданной зоны обследования объекта, части тела пациента). Теневое изображение объекта в прошедших через него рентгеновских лучах падает на плоскость экрана преобразователя рентгеновского изображения 25 регистратора 5, преобразуется в свечение люминесценции компонент материала покрытия экрана 25. Фотодетектор 29 регистрирует уровень освещенности и передает информацию о потоке эмиссии радиолюминесценции в виде электрических импульсов на вход электронно-вычислительной машины системы 8, которая хранит в памяти сигнал сравнения - заданный уровень оптимальной освещенности объекта, с которым она сравнивает величину кумулятивной суммы потока излучения на основании поступающих сигналов.

Серии импульсов разной частоты подают в порядке возрастания их частоты, что обеспечивает постепенное увеличение жесткости излучения и глубины его проникновения и позволяет в ряде случаев ограничиться лучевым воздействием с более мягким спектром, учитывая критерии оценки воздействия.

Критерием достижении оптимума в выборе частоты калибровочных импульсов является близость освещенности объекта от серии калибровочных импульсов к заданному значению освещенности.

Исходя из представлений о вольтамперных характеристиках рентгеновской трубки 10, равенство энергий калибровочных импульсов предполагает задание соответствующих неравных анодных токов и неравных напряжений на аноде для возбуждения импульсов различной частоты. При этом характеристика зависимости освещенности объекта от напряжения на трубке 10 является нелинейной. Задаваясь некоторой величиной освещенности объекта (оптимумом по критерию сравнения), можно определить оптимальное напряжение на трубке, используя упомянутую зависимость, а по величине напряжения определить оптимальную частоту рентгеновского импульса и необходимый анодный ток.

При проведении предварительного исследования необходимо, чтобы импульсы рентгеновского излучения имели максимально крутые фронты (прямоугольные импульсы), что исключает переходные процессы, и соответствовали бы по энергиям максимумам возбуждения в спектрах радиолюминесценции.

Информацию, получаемую во время подачи калибровочной серии импульсов, усиливают и передают электронно-оптическим преобразователем 27 и волоконно-оптическим устройством переноса изображения 28 в телевизионный канал телемонитора 7, где информация накапливается и визуализируется, регистрируют и анализируют изменения, а также транслируют накопленные данные в систему 8 для принятия управленческих решений по комплексу. Регистрация изображения на материальный носитель производится обычными средствами - печать принтером для ЭВМ, запись на магнитный или оптический носитель (дискета, видеоизображения, фотография), сохранение в памяти ЭВМ.

После определения оптимума, прозрачности объекта в рабочем диапазоне длин волн задают управляющий сигнал от ЭВМ системы 8 на блок управления ИРИ 2 на формирование рабочего импульса с заданными характеристиками и экспонирование объекта для проведения диагностики (рабочий цикл). В ходе рабочего цикла прошедшее через объект излучение накапливается и анализируется системой 8 в реальном времени, а после получения контрастной картины и качественного изображения экспозиция прерывается автоматически, а изображение фиксируется в какой-либо из описанных выше стандартных форм.

Это позволяет максимально повысить контрастную чувствительность рентгенологического обследования при снижении лучевой нагрузки на объект и регистрировать квазиобъемное изображение объекта, поскольку соответствующее изображение может быть получено в лучах разных длин волн оптического спектра - синих, зеленых, красных, в зависимости от вида люминофора, что увеличивает контрастную чувствительность способа в сравнении с известными приемами регистрации изображения по флуоресценции, не менее чем на 25%, при обеспечении высокого пространственного разрешения.

Заявляемый рентгенотелевизионный комплекс является многофункциональным цифровым рентгенотелевизионным диагностическим аппаратом, а реальные образцы могут иметь массу от 40 кг в зависимости от конфигурации. Он может быть рекомендован для работы как в полевых условиях, так и в стационаре, поскольку отличается устойчивостью к механическим воздействиям и условиям внешней среды, а кроме того позволяет решать ряд практических задач по технической диагностике, помимо медицинских исследований, что расширяет сферу его применения и номенклатуру средств рентгенодиагностики.

Изобретение относится к рентгеновской технике и может быть использовано при создании средств исследования в области радиологии. Техническим результатом является улучшение эксплуатационных характеристик путем оптимизации параметров излучения и снижения лучевой нагрузки. Технический результат достигается тем, что при исследовании объекта предварительно формируют серии калибровочных изоэнергетических импульсов на разных частотах путем варьирования напряжения смещения на межэлектродных сетках и токов в трубке, облучают ими объект, регистрируют изображение по свечению люминесценции на разных длинах волн оптического диапазона и устанавливают оптимальную частоту лучевого воздействия из сравнения прозрачности объекта на разных частотах и отклонения от заданного значения освещенности. Рабочий цикл ведут на оптимальной частоте с автоматической коррекцией воздействия через обратную связь системы формирования рентгеновского луча и блока управления. 2 с. и 6 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. Рентгенотелевизионный диагностический комплекс, включающий источник рентгеновского излучения с рентгеновской трубкой, соединенные с ним блок управления источником рентгеновского излучения и систему формирования рентгеновского излучения, а также связанные оптически с рентгеновской трубкой регистратор изображения с преобразователем излучения в радиолюминесценцию и фотодетектором радиолюминесценции и установленные последовательно с упомянутым регистратором усилитель оптического изображения с электронно-оптическим преобразователем, устройство переноса оптического изображения и телевизионный монитор, а также систему сбора и обработки информации, которая соединена с упомянутым блоком управления источником рентгеновского излучения, фотодетектором радиолюминесценции и телевизионным монитором, отличающийся тем, что рентгеновская трубка выполнена с системой межэлектродных сеток, образующих модулятор фокуса трубки, а преобразователь излучения в радиолюминесценцию выполнен в виде экрана, имеющего люминесцентное покрытие полиморфной структуры с различными спектрами свечения компонентов. 2. Комплекс по п. 1, отличающийся тем, что блок управления источником рентгеновского излучения выполнен в виде программируемого контроллера. 3. Комплекс по п. 1, отличающийся тем, что толщина экрана упомянутого блока преобразователя излучения составляет 50-400 мкм. 4. Комплекс по п. 1, отличающийся тем, что устройство переноса оптического изображения выполнено волоконно-оптическим. 5. Комплекс по п. 1, отличающийся тем, что система сбора и обработки информации выполнена на базе ЭВМ. 6. Способ получения рентгеновского изображения, включающий возбуждение рентгеновского излучения, формирование импульсов рентгеновского излучения, экспонирование диагностируемого объекта, прием и регистрацию прошедшего через упомянутый объект излучения посредством преобразования его в излучение радиолюминесценции с получением оптического изображения, последующее усиление оптического излучения и перенос оптического изображения в телевизионный канал телевизионного монитора, а также обработку изображения путем детектирования, накопления, визуализации и регистрации информации, определение величины полного потока излучения радиолюминесценции и аналитическую оценку изображения по критерию сравнения упомянутой величины с заданным значением, обеспечивающим получение качественного изображения, и прекращение возбуждения рентгеновского излучения после получения качественного изображения, отличающийся тем, что при экспонировании диагностируемого объекта предварительно формируют серии калибровочных импульсов рентгеновского излучения одинаковой длительности на разных частотах, производят экспонирование сериями калибровочных импульсов последовательно в порядке возрастания их частоты и в каждой серии регистрируют оптическое изображение объекта во всех спектральных диапазонах излучения радиолюминесценции экрана регистратора на соответствующих частотах калибровочных импульсов, определяют величины полного потока излучения радиолюминесценции на каждой частоте калибровочных импульсов, по ним сопоставляют полученные изображения и на основании упомянутого критерия определяют оптимальную частоту калибровочного импульса, соответствующего достижению наивысшей прозрачности объекта в заданном спектральном диапазоне излучения радиолюминесценции, и далее регулируют характеристики рентгеновского излучения для получения рентгеновского излучения на оптимальной частоте, на которой ведут диагностическое экспонирование объекта. 7. Способ по п. 6, отличающийся тем, что преобразование прошедшего через объект излучения в излучение радиолюминесценции производят полиморфной смесью люминофоров с разной длиной волны свечения. 8. Способ по п. 6, отличающийся тем, что в качестве калибровочных импульсов используют прямоугольные импульсы длительностью 10-500 нс и мощностью 100-150 кВт.