ТОПОМЕТРИЧЕСКАЯ СИСТЕМА С ФУНКЦИЕЙ ТОМОГРАФИИ Российский патент 2008 года по МПК A61B6/03 A61N5/10 G01N23/04 G01T1/166 H04N5/32 

Предлагаемое устройство относится к области медицинской диагностической техники и предназначено для получения проекционных рентгеновских изображений тела пациента в геометрии терапевтической установки (расстояние «источник-поверхность тела» РИП, расстояние «источник-ось вращения» РИО, проекция границ тела облучения, положение укладочного стола и т.п.) в процессе предлучевой топометрической подготовки онкологических больных.

Известна лучевая система генерации изображений и способ ее реализации [1], обеспечивающие получение плоского изображения тела испытуемого пациента. Система включает источник облучения, укладочный стол для закрепления тела пациента в разных позициях, компьютерную систему для получения, обработки и передачи проекционных изображений, устройство для хранения полученных изображений и устройство для моделирования источника облучения. Известные система и способ ее использования могут обеспечить множество томографических положений от вращательного просмотра тела пациента, что обеспечивает трехмерное всестороннее представление о его состоянии. Однако известная система не позволяет получать достаточно высокого качества полной информации для сокращения дозовых значений облучения.

Известен терапевтический тренажер [2], который содержит лучевой источник, расположенный в головной части радиатора. Тренажер имеет устройство, регулирующее размеры диафрагмы, и устройство, обеспечивающее такое регулирование, что позволяет делать более компактным проектирование тела пациента и позволяет получать больше информации при одной дозе облучения и при более простой конструкции. Однако известное устройство имеет достаточно высокие дозовые нагрузки при обследовании и ограниченную область реконструкции.

Известен компьютерный томограф, использующий датчик усилителя изображения [3], наиболее близкий к предлагаемому изобретению по достижению технического результата и конструктивному исполнению и принятый в качестве прототипа. Известный компьютерный томограф содержит рентгеновский излучатель, рентгеновскую головку, ротационную консоль, устройство для перемещения рентгеновской головки вдоль консоли, устройство детектирования рентгеновского излучения, прошедшего через тело пациента, механизм перемещения устройства детектирования, стол для укладки пациента с рентгенопрозрачной декой, станину с приводом вращения консоли. Многоканальные фотодатчики позволяют произвести статистические ограниченные изображения. Используемое программное обеспечение минимизируют геометрические искажения.

Недостатками известного устройства являются высокая стоимость диагностической системы, ограниченная область реконструкции, достаточно высокие дозовые нагрузки на пациента при проведении его обследования.

Предлагаемое изобретение лишено указанных недостатков.

Техническим результатом предлагаемого изобретения является создание значительно более дешевой по сравнению с зарубежными аналогами диагностической топометрической системы с функцией томографии, которая одновременно позволит существенно расширить область выявления потенциальных очагов заболевания онкологических больных за одно исследование, исключая тем самым многоразовое его облучение, а также осуществлять с высокой точностью и надежностью планируемые максимально щадящие дозы облучения при исследовании и терапии, а также позволяет получать поперечные реконструктивные (вычислительные) томограммы на выбранных уровнях тела пациента. Получаемые данные используются для имитации облучения на терапевтической установке и расчета дозных полей терапевтического луча при планировании лучевой (радиационной) терапии. Кроме того, заявленное изобретение позволяет осуществлять верификацию (контроль точности укладки пациента) и расчетного плана облучения.

Указанный технический результат достигается тем, что в предлагаемой топометрической системе с функцией томографии, содержащей рентгеновский излучатель, рентгеновскую головку, ротационную консоль, устройство для перемещения рентгеновской головки вдоль консоли, устройство детектирования рентгеновского излучения, прошедшего через тело пациента, механизм перемещения устройства детектирования, стол для укладки пациента с рентгенопрозрачной декой, станину с приводом вращения консоли, в соответствии с предлагаемым изобретением, рентгеновская головка содержит сканирующий щелевой коллиматор, вырезающий из апертуры рабочего пучка узкий веерный пучок, щелевой коллиматор оснащен приводом, обеспечивающим синхронность перемещения пучка и регистрирующего элемента, устройство детектирования рентгеновского излучения, перемещаемое синхронно со сканирующим щелевым коллиматором, содержит крейт, подвешенный на подвижной каретке с возможностью качания вокруг оси, проходящей через центральный детектор, и снабженный приводом, обеспечивающим ориентации линейки на точку фокуса при любом положении каретки, регистрирующий элемент, вторичный щелевой коллиматор, устройство передачи данных в электронно-вычислительное устройство, в качестве регистрирующего элемента используется линейка детекторов, радиус линейки в центральном положении равен расстоянию от точки фокуса до центра линейки в режиме томографии, аналого-цифровые преобразователи, систему управления сбором данных, синхронность перемещения устройства детектирования рентгеновского излучения и щелевого коллиматора обеспечивается устройством синхронизации, обеспечивающим ориентацию крейта в зависимости от положения щелевого коллиматора таким образом, что линейка детекторов всегда расположена в плоскости веерного пучка и различных расстояниях от точки фокуса рентгеновской трубки до изоцентрической оси.

Кроме того, указанный технический результат достигается тем, что в предлагаемой топометрической системе устройство синхронизации выполнено в виде механических тяг, образующих параллелограммы, имеющих общую вершину, расположенную на уровне точки фокуса рентгеновской трубки и вынесенную за область укладки пациента в сторону ротационной консоли, один из параллелограммов образован тягой щелевого коллиматора, второй параллелограмм образован тягой, на которой закреплен крейт, третий параллелограмм образован тягой, обеспечивающей наклон крейта.

Помимо этого, указанный технический результат достигается тем, что в предлагаемой топометрической системе устройство синхронизации выполнено в виде сервоприводов, размещенных в рентгеновской головке и на подвижной каретке, обеспечивающих перемещение щелевого коллиматора и наклон крейта.

Сущность предлагаемого устройства поясняется фиг.1-4. На фиг.1 представлен общий вид предлагаемого устройства. На фиг.2 - рентгеновский блок, щелевой коллиматор с системой приводов. На фиг.3 - блок-схема имитатора поля облучения предлагаемой топометрической системы с функцией томографа. На фиг.4 - схема крейта системы сбора данных.

Предлагаемое устройство (фиг.1) состоит из станины с приводом вращения консоли (1), ротационной консоли (2) (ротационная консоль включает консоль рентгеновского блока (3), механизм перемещения устройства детектирования (4), синхронизирующую рычажную систему (5)), рентгеновского излучателя (6), рентгеновской головки (7), устройства детектирования рентгеновского излучения (8), прошедшего через тело пациента, стола для укладки пациента с рентгенопрозрачной декой (9). Синхронизирующее устройство выполнено в виде сервоприводов, размещенных в рентгеновской головке и на подвижной каретке; фактически это система механических тяг, образующих параллелограммы, имеющие общую вершину, расположенную на уровне точки фокуса рентгеновской трубки и вынесенную за область укладки пациента в сторону ротационной консоли. Один из параллелограммов (ABCD) образован тягой щелевого коллиматора, второй (ABC'D') образован тягой, на которой закреплено устройство детектирования рентгеновского излучения (8), третий параллелограмм (ABC''D'') образован тягой, обеспечивающей наклон устройства детектирования рентгеновского излучения (8).

Рентгеновская головка содержит сканирующий щелевой коллиматор (10) (фиг.2), оснащенный приводом, обеспечивающим синхронность перемещения пучка регистрирующего элемента, установленный на подвижной каретке (11) (каретка снабжена приводом перемещения (12) щелевого коллиматора (10)), основную апертурную диафрагму (13), имитаторы поля облучения (14) и (15) (фиг.3), охранное кольцо антиколлизионной системы (16) (фиг.3), съемный рентгеноконтрастный центральный крест (17) (фиг.3).

Устройство детектирования рентгеновского излучения, перемещаемое синхронно со сканирующим щелевым коллиматором, содержит крейт, показанный на фиг.4. Крейт (18) подвешен на подвижной каретке с возможностью качания вокруг оси, проходящей через центральный детектор, и снабжен приводом, обеспечивающим ориентацию линейки на точку фокуса при любом положении каретки. В крейте (18) установлен регистрирующий элемент - линейка твердотельных детекторов (19), типа сцинтиллятор-фотодиод; радиус линейки в центральном положении равен расстоянию от точки фокуса до центра линейки, вторичный щелевой коллиматор (20), аналого-цифровые преобразователи (АЦП) (21), система управления сбором данных и устройство передачи данных в электронно-вычислительное устройство (22).

Работа предлагаемого устройства осуществляется в режимах проекционного рентгеновского цифрового изображения и поперечных рентгеновских компьютерных томограмм.

Получение проекционного изображения основано на принципе «сканирующей щели»: щелевой коллиматор (10) вырезает из широкого рентгеновского пучка плоский веерный пучок, который после прохождения сквозь тела пациента регистрируется устройством детектирования излучения (8); при перемещении щелевого коллиматора (10) формируется сканирующий рентгеновский пучок. Синхронное согласованное перемещение пучка и линейки детекторов (19) обеспечивается кинематической связью. Кинематическая связь (5) щелевого коллиматора (10) рентгеновской головки (7), крейта (18), каретки крейта, входящей в состав механизма перемещения (4) устройства детектирования (8), осуществляет перемещение щелевого коллиматора (10) в соответствии с перемещением оси (С') подвески крейта (18) и согласованное изменение угла наклона линейки детекторов (19). Крейт (18) подвешен на каретке, входящей в состав механизма перемещения (4), и наклоняется в зависимости от положения каретки таким образом, чтобы его апертура была ориентирована на точку фокуса рентгеновской трубки. Конструктивные элементы, обеспечивающие реализацию кинематической связи, вынесены за пределы области размещения пациента, чтобы не ограничивать возможности его укладки на терапевтическом столе с рентгенопрозрачной декой (9). При изменении положения штанги AD'' синхронно меняется положение закрепленных на штанге точек крепления тяг DC, D'C', D''C''. Тяга DC осуществляет перемещение щелевого коллиматора (10), тяга D'C' осуществляет перемещение крейта (18) с линейкой детекторов (19), а тяга D''C'' синхронизирующей системы (5) задает наклон крейта (18) по принципу «параллелограмма».

Прошедший тело пациента пучок регистрируется детекторами (19), сигнал с которых преобразуется с помощью аналого-цифровых преобразователей [АЦП (21)] в цифровой код и передается для реконструкции изображения в компьютер. Процесс сканирования начинается из начального положения синхронизирующей рычажной системы (5) и устройства детектирования рентгеновского излучения (8), показанного на фиг.1 в виде сплошной линии, а заканчивается в конечном положении, показанном в виде пунктирной линии (фиг.1).

В топометрической системе синхронное согласованное перемещение пучка и крейта (18) с линейкой детекторов (19) может быть реализовано также и на основе сервоприводов, содержащих датчики перемещения и сервомоторы, управляемые от компьютера. Связь в данном случае обеспечивается компьютерной программой, реализующей принцип «параллелограмма».

Получение поперечных томограмм основано на просвечивании пациента вращающимся веерным пучком в геометрии компьютерного томографа третьего поколения (ротационно-ротационный томограф). Точка фокуса трубки (6) и линейка детекторов (19) вращаются синхронно вокруг пациента. При вращении ротационной консоли (2) регистрируется ее угол поворота и распределение интенсивности прошедшего через тело пациента рентгеновского пучка. Для снятия томограммы механизм перемещения устройства детектирования (8) устанавливается в среднее положение, при котором веерный пучок перпендикулярен оси вращения ротационной консоли (2). На основе измеренных под разными углами проекций обследуемого пациента методом вычислительной томографии реконструируется изображение поперечного сечения тела пациента, на основе которого осуществляется планирование лучевой терапии онкологических больных. Кроме того, при планировании лучевой (радиационной) терапии предлагаемое устройство позволяет осуществлять минимально необходимый (щадящий) расчет дозовых полей терапевтического луча за счет получения более полной информации, в том числе, о поперечных реконструктивных (вычислительных) томограммах для разных выбранных уровней тела пациента; получаемые данные предварительно используются для имитации облучения на терапевтической установке.

Прошедший тело пациента пучок регистрируется детекторами, представляющими собой линейку твердотельных детекторов типа сцинтиллятор-фотодиод. Сигнал детекторов с помощью АЦП преобразуется в цифровой код и передается для реконструкции изображения в компьютер (фиг.5, 6, на которых представлены проекционные изображения цифровой информации).

Таким образом, заявляемая топометрическая система с функцией томографии за счет оригинального исполнения кинематической связи основных узлов устройства и программного обеспечения позволяет:

- получать проекционные рентгеновские изображения тела пациента в геометрии терапевтической установки (расстояние «источник-поверхность тела» РИП, расстояние «источник-ось вращения» РИО, проекция границ тела облучения, положение укладочного стола и т.п.) в процессе предлучевой топометрической подготовки онкологических больных;

- получать поперечные реконструктивные (вычислительные) томограммы на выбранных уровнях тела пациента, которые используются для имитации облучения на терапевтической установке и расчета дозовых полей терапевтического луча при планировании лучевой (радиационной) терапии;

- осуществлять верификацию (контроль точности укладки пациента) и расчетного плана облучения.

К наиболее важным достоинствам предлагаемого устройства, по сравнению с прототипом, следует отнести:

1. Максимальное увеличение диаметра области реконструкции изображения топометрической проекции пациента за счет увеличения области просвечивания, что позволяет осуществлять полную телеметрическую съемку пациентов крупных габаритов, не вписывающихся в стандартное европейское оборудование (фиг.6, на которой представлена).

2. Существенное сокращение дозовых нагрузок облучения на пациента при его обследовании, что стало возможным при применении новой конструкции линейки, позволяющей в сочетании с другими элементами устройства поглощать до 95% рентгеновского излучения детекторами.

3. Значительное повышение информативности и качества изображения за счет уменьшения вклада рассеянного излучения.

4. Сокращение времени обследования за счет получения томограмм в течение до 30-35 с.

4. Автоматизация процесса перехода от режима проекционного изображения к томографии (в то время как в прототипе усилитель дает только проекционное изображение и переход к томографии у прототипа очень сложный).

5. Снижение стоимости установки за счет, в частности, использования одного регистрирующего элемента (вместо двух - у прототипа). Стоимость одного такого элемента составляет порядка 150 тыс. долл. США. Стоимость одной из наиболее передовых по технологии телеметрических систем фирмы «Филипс» стоит 1 млн. 200 тыс. долл. США. В развитых странах одна такая установка, в целях профилактики, предупреждения и своевременной диагностики онкозаболевания, рассчитана в среднем на 100 тыс. населения. В нашей стране это несопоставимый показатель по числу диагностируемого населения.

Вместе с тем хотелось бы отметить, что стоимость предлагаемой установки примерно в два раза ниже, а такие ее показатели - как область реконструкции (60), где получается изображение; свободное пространство, где можно разместить пациентов (95), время получения томограммы (30); контрастное разрешение - превосходят по аналогичным показателям телеметрическую систему той же фирмы «Филипс».

Более низкая стоимость предлагаемой установки и ее более высокие качественные показатели могли бы позволить сделать доступным для населения России (в настоящее время 1 топометрическая система приходится в РФ, в среднем, на 1-2 млн. чел.) такое необходимое и важное для оздоровления нации системное профилактико-онкодиагностическое обследование.

Источники информации

1. Патент США №5247555 «Radiation image generating system and method».

2. Патент США №4943990 «Therapy simulator».

3. WO 92/00567 «Computer tomografy apparatus using image intensifier detector» (прототип).

Изобретение относится к области медицинской диагностической техники и предназначено для получения проекционных рентгеновских изображений тела пациента в геометрии терапевтической установки в процессе предлучевой топометрической подготовки онкологических больных. Топометрическая система с функцией томографии содержит рентгеновский излучатель, рентгеновскую головку, ротационную консоль, устройство для перемещения рентгеновской головки вдоль консоли, устройство детектирования рентгеновского излучения в виде линейки детекторов, механизм перемещения устройства детектирования, стол для укладки пациента с рентгенопрозрачной декой, станину с приводом вращения консоли, устройство передачи данных в электронно-вычислительное устройство, аналого-цифровые преобразователи и систему управления. Рентгеновская головка содержит сканирующий щелевой коллиматор, вырезающий из апертуры рабочего пучка узкий веерный пучок, оснащенный приводом, обеспечивающим синхронность перемещения пучка и устройства детектирования рентгеновского излучения, содержащего крейт с линейкой детекторов, подвешенный на подвижной каретке механизма перемещения устройства детектирования с возможностью качания вокруг оси, проходящей через центральный детектор линейки, и снабженный приводом, обеспечивающим ориентацию линейки на точку фокуса при любом положении подвижной каретки. Радиус линейки детекторов в центральном положении равен расстоянию от точки фокуса до центра линейки в режиме томографии, а механизм перемещения устройства детектирования включен в устройство синхронизации, выполненное с возможностью ориентации крейта в зависимости от положения щелевого коллиматора так, что линейка детекторов расположена в плоскости веерного пучка, а апертура крейта ориентирована на точку фокуса рентгеновской трубки. Использование изобретения позволяет расширить область выявления потенциальных очагов заболевания онкологических больных за одно исследование, исключая тем самым многоразовое его облучение, а также осуществлять с высокой точностью и надежностью планируемые максимально щадящие дозы облучения при исследовании и терапии. 2 з.п. ф-лы, 6 ил.

1. Топометрическая система с функцией томографии, содержащая рентгеновский излучатель, рентгеновскую головку, ротационную консоль, устройство для перемещения рентгеновской головки вдоль консоли, устройство детектирования рентгеновского излучения в виде линейки детекторов, механизм перемещения устройства детектирования, стол для укладки пациента с рентгенопрозрачной декой, станину с приводом вращения консоли, устройство передачи данных в электронно-вычислительное устройство, аналого-цифровые преобразователи и систему управления, отличающаяся тем, что рентгеновская головка содержит сканирующий щелевой коллиматор, вырезающий из апертуры рабочего пучка узкий веерный пучок, оснащенный приводом, обеспечивающим синхронность перемещения пучка и устройства детектирования рентгеновского излучения, содержащего крейт с линейкой детекторов, подвешенный на подвижной каретке механизм перемещения устройства детектирования с возможностью качания вокруг оси, проходящей через центральный детектор линейки и снабженный приводом, обеспечивающим ориентацию линейки на точку фокуса при любом положении подвижной каретки, радиус линейки детекторов в центральном положении равен расстоянию от точки фокуса до центра линейки в режиме томографии, а механизм перемещения устройства детектирования включен в устройство синхронизации, выполненное с возможностью ориентации крейта в зависимости от положения щелевого коллиматора так, что линейка детекторов расположена в плоскости веерного пучка, а апертура крейта ориентирована на точку фокуса рентгеновской трубки.2. Топометрическая система по п.1, отличающаяся тем, что устройство синхронизации выполнено в виде механических тяг, образующих параллелограммы, имеющие общую вершину, расположенную на уровне точки фикуса рентгеновской трубки и вынесенную за область укладки пациента в сторону ротационной консоли, один из параллелограммов образован тягой щелевого коллиматора, второй параллелограмм образован тягой, на которой закреплен крейт, третий параллелограмм образован тягой, обеспечивающей наклон крейта.3. Топометрическая система по п.1, отличающаяся тем, что устройство синхронизации выполнено в виде сервоприводов, размещенных в рентгеновской головке и на подвижной каретке.