УСТРОЙСТВО ФОРМИРОВАНИЯ СКАНИРУЮЩЕГО РЕНТГЕНОВСКОГО ПУЧКА ПИРАМИДАЛЬНОЙ ФОРМЫ (ВАРИАНТЫ) Российский патент 2010 года по МПК H05G1/02 

Изобретение относится к рентгенотехнике, в частности к радиографическим сканирующим устройствам, и может быть использовано в сканирующей флюорографии, сканирующей маммографии и сканирующей таможенной интроскопии.

Среди требований, предъявляемых к рентгеновским аппаратам, особо выделяются два требования, определяющие достоинство рентгеновских аппаратов: первое - хорошее качество получаемых рентгеновских изображений и второе - как можно меньшая доза облучения, которую получают при медицинских исследованиях обследуемые пациенты и обслуживающий медицинский персонал, а при рентгеновском таможенном контроле багажа - как можно меньшая доза облучения, которую получает работающий вблизи интроскопа таможенный инспектор.

Излучение на выходе рентгеновского излучателя является двухкомпонентным и состоит из первичного, представляющего собой часть исходного излучения, испускаемого из действительного фокусного пятна анода рентгеновской трубки и прошедшего на выход без взаимодействия с веществом излучателя, и вторичного, образовавшегося в результате рассеяния оставшейся части исходного излучения на веществе материалов, из которых изготовлено выходное окно излучателя.

Апертура (угловая расходимость) первичного излучения определяется в основном размером и формой выходного окна излучателя и расстоянием от окна до центра действительного фокусного пятна анода. Вторичное излучение имеет значительно большую по сравнению с первичным излучением апертуру и распространяется из выходного окна излучателя в полусферу.

Первичное рентгеновское излучение, проходя сквозь объект исследования, частично рассеивается на веществе объекта, в результате чего к приемнику рентгеновского излучения поступает пучок с определенной примесью рассеянного излучения. При этом чем больше по направлению пучка глубина объекта исследования, тем больше примесь рассеянного излучения, поступающего к приемнику рентгеновского излучения. В свою очередь, чем больше примесь рассеянного излучения, поступившего к приемнику рентгеновского излучения, тем хуже качество цифрового рентгеновского изображения. При фиксированной глубине объекта исследования примесь рассеянного излучения, поступающего к приемнику излучения, в первом приближении, пропорциональна площади поперечного сечения рентгеновского пучка, пересекающего объект исследования. Это объясняет, почему качество цифрового рентгеновского изображения, полученного с использованием узкого сканирующего рентгеновского пучка, существенно лучше качества цифрового рентгеновского изображения, полученного с использованием стационарного широкоапертурного рентгеновского пучка.

При использовании сканирующего рентгеновского пучка для обеспечения качественного рентгеновского изображения необходимо, чтобы при сканировании была обеспечена постоянная загрузка первичным излучением всей площади детектирующей части приемника рентгеновского излучения. При перемещении элементов системы формирования пучка и приемника рентгеновского излучения неизбежны их механические вибрации. Это означает, что форма пучка первичного излучения в плоскости приемника излучения в определенной пропорции, учитывающей механические вибрации, должна превышать форму детектирующей части приемника рентгеновского излучения.

При медицинских исследованиях обследуемые пациенты основную дозу получают от разового облучения пучком первичного рентгеновского излучения, а обслуживающий медицинский персонал (и таможенный инспектор в случае рентгеновского таможенного контроля багажа) - под многократным воздействием на протяжении рабочей смены вторичного излучения, как исходящего из выходного окна излучателя, так и образующегося в результате рассеяния части первичного излучения на обследуемых объектах и элементах конструкции рентгеновского аппарата. Поэтому для минимизации дозы облучения как пациентов, так и обслуживающего персонала желательно иметь сканирующий рентгеновский пучок как можно меньшей апертуры и по первичному, и по вторичному излучению.

Исходя из вышеизложенного, требование к форме сканирующего рентгеновского пучка можно сформулировать следующим образом. Сканирующий рентгеновский пучок и по первичному, и по вторичному излучению должен иметь форму пирамиды, у которой вершина находится в центре действительного фокусного пятна анода рентгеновской трубки, а основанием в плоскости приемника излучения является фигура, повторяющая форму детектирующей части приемника излучения в пропорции, учитывающей механические вибрации при сканировании как приемника излучения, так и элементов формирования пучка.

Из уровня техники известно устройство формирования рентгеновского пучка пирамидальной формы, являющееся ближайшим аналогом к предлагаемому техническому решению, - патент США 7106831, Sep.12, 2006, "X-Ray diaphragm, X-Ray irradiator, and X-Ray apparatus" (Рентгеновская диафрагма, рентгеновский излучатель и рентгеновский аппарат).

Известное устройство содержит источник излучения в виде рентгеновской трубки, из действительного фокусного пятна анода которой исходит рентгеновское излучение, узел формирования пучка пирамидальной формы и приемник рентгеновского излучения.

В соответствии с техническим решением по патенту США пирамидальный пучок формируется диафрагмой и коллиматором из свинца, расположенным за диафрагмой. Диафрагма выполнена из четырех свинцовых пластин правильной трапецеидальной формы с боковыми краями в виде гребенки. При сборке зубцы гребенки каждой пластины входят в прорехи между зубцами гребенки соседних пластин. В собранном виде четыре пластины представляют собой полую усеченную пирамиду. Длина зубцов позволяет при сборке варьировать угловые растворы пирамидального пучка, то есть формировать пирамидальный пучок как квадратной, так и прямоугольной формы в основании. Диафрагма жестко связана с коллиматором.

В устройстве по патенту США пирамидальной пучок формируется двумя объектами - диафрагмой и коллиматором, но, поскольку для каждой из четырех свинцовых пластин диафрагмы и для коллиматора требуется своя геодезическая юстировка, в формировании пирамидального пучка реально задействовано пять элементов. Удаление хотя бы одного из них приводит к невозможности формирования пучка пирамидальной формы по первичному и по вторичному излучению одновременно.

Известно, что чем больше элементов задействовано в формировании пучка, тем сложнее осуществить их совместную юстировку, обеспечивающую заданную точность транспортировки пучка определенной формы от источника к приемнику рентгеновского излучения.

В описании устройства по патенту США форма пирамидального пучка в плоскости приемника излучения не привязана к форме детектирующей части приемника излучения и к величине неизбежных при сканировании механических вибраций приемника излучения и элементов формирования пучка. Это оставляет нерешенным вопрос о стабильности загрузки первичным излучением всех ячеек детектирующей части приемника излучения в процессе сканирования и вопрос о минимизации дозы облучения пациентов и обслуживающего персонала.

Таким образом, к основным недостаткам устройства по патенту США можно отнести многокомпонентность (пять элементов) системы формирования рентгеновского пучка пирамидальной формы и отсутствие привязки формы пирамидального пучка в плоскости приемника излучения к форме детектирующей части приемника излучения, что в конечном итоге не решает вопрос, связанный с выполнением одного из самых главных требований, предъявляемых к рентгеновским аппаратам - минимизация дозы облучения пациентов и обслуживающего персонала.

Технической задачей изобретения является улучшение эксплуатационных качеств устройства за счет повышения функции защиты пациентов и обслуживающего персонала от излишней дозы облучения при одновременном упрощении конструкции устройства и обеспечении стабильности загрузки первичным излучением всей площади детектирующей части приемника рентгеновского излучения во время сканирования.

Решение технической задачи достигается тем, что в устройстве формирования сканирующего рентгеновского пучка пирамидальной формы, включающем источник излучения в виде рентгеновской трубки, из действительного фокусного пятна анода которой исходит рентгеновское излучение, узел формирования пучка пирамидальной формы и приемник рентгеновского излучения, узел формирования пучка пирамидальной формы состоит из двух коллиматоров, имеющих по одному сквозному отверстию, повторяющему по форме геометрическую фигуру, образованную пересечением корпуса коллиматора с пирамидой, у которой вершина находится в центре действительного фокусного пятна анода, а основанием является детектирующая часть приемника рентгеновского излучения.

В первом варианте устройства, реализующем вращательное сканирование, приемник рентгеновского излучения и оба коллиматора жестко закреплены на держателе, установленном с возможностью вращения вокруг вертикальной оси, проходящей через центр действительного фокусного пятна анода рентгеновской трубки, а источник рентгеновского излучения с защитной ширмой установлены неподвижно.

Во втором варианте устройства, реализующем комбинированный способ сканирования (вращательное движение коллиматоров и возвратно-поступательное движение приемника излучения), оба коллиматора закреплены на держателе, установленном с возможностью вращения вокруг вертикальной оси, проходящей через центр действительного фокусного пятна анода рентгеновской трубки, источник рентгеновского излучения с защитной ширмой установлены неподвижно, а приемник рентгеновского излучения установлен с возможностью возвратно-поступательного перемещения, причем линейное движение приемника рентгеновского излучения синхронизировано с вращательным движением коллиматоров таким образом, чтобы обеспечить неискаженную транспортировку пучка пирамидальной формы от источника к приемнику рентгеновского излучения.

В третьем варианте конструкции, реализующем линейное сканирование, источник рентгеновского излучения с защитной ширмой, приемник рентгеновского излучения и оба коллиматора установлены неподвижно.

Варианты предлагаемого устройства формирования сканирующего рентгеновского пучка пирамидальной формы поясняются чертежами, где на фиг.1 в верхней части в боковой проекции, в нижней части в проекции сверху изображена схема устройства (вариант 1), реализующего вращательное сканирование при флюорографическом обследовании грудной клетки пациента, на фиг.2 в верхней части в боковой проекции, в нижней части в проекции сверху приведена схема устройства (вариант 2), реализующего комбинированный способ сканирования при маммографическом обследовании молочной железы пациентки, находящейся в горизонтальном положении, на фиг.3 в верхней части в боковой проекции, в нижней части в проекции сверху показан вид устройства (вариант 3), реализующего линейное сканирование багажа, перемещающегося на конвейере поступательно, на фиг.4 для пояснения приведена геометрия выходного окна рентгеновского излучателя и коллиматоров, формирующих пучок пирамидальной формы.

Устройство (варианты 1, 2 и 3) содержит источник излучения в виде рентгеновской трубки 1 с действительным фокусным пятном 2 анода 3, из которого рентгеновское излучение через выходное окно 4 поступает наружу, далее по направлению распространения излучения следуют первый формирующий коллиматор 5, второй формирующий коллиматор 6 и приемник рентгеновского излучения 7 (фиг.1, 2, 3 - показана детектирующая часть прямоугольной формы приемника рентгеновского излучения 7). Источник излучения находится в защитном кожухе 8, пропускающем первичное рентгеновское излучение 9 (фиг.1, 2, 3, 4 - показано сплошными линиями со стрелками) наружу только через выходное окно 4. Защитная ширма 10 служит для поглощения вторичного рентгеновского излучения 11 (фиг.1, 2, 3, 4 - показано точечными линиями), поступающего наружу из материала выходного окна 4.

Каждый из коллиматоров 5 и 6 имеет сквозное отверстие, соответственно 12 и 13, повторяющее по форме геометрическую фигуру, образованную пересечением корпуса коллиматора с пирамидой, у которой вершина находится в центре действительного фокусного пятна 2 анода 3, а основанием является детектирующая часть приемника рентгеновского излучения 7. Каждый из коллиматоров 5 и 6 выполнен радиально изогнутой формы. Радиально изогнутые формы коллиматоров 5 и 6 и элементов защитной ширмы 10 (фиг.1, 2) обусловлены вращательным движением коллиматоров.

Коллиматоры 5 и 6 кроме функции формирования пучка определенной формы несут еще и функцию защиты пациентов и обслуживающего рентгеновские аппараты персонала от излишней дозы облучения. К приемнику излучения 7 через отверстия коллиматоров 12 и 13 должна поступать только та часть исходного излучения, которая в плоскости приемника излучения 7 соответствует форме его детектирующей части, оставшаяся часть излучения, не являющаяся рабочей для приемника излучения 7, но дающая избыточную дозу облучения пациентам и обслуживающему персоналу, должна быть поглощена материалом защитной ширмы 10 и коллиматоров 5 и 6 - в этом и состоит основная задача формирования рентгеновского пучка строго определенной пирамидальной формы. В конструкции по патенту США, взятой в качестве ближайшего аналога, такая задача отсутствует.

Первый формирующий коллиматор 5 обеспечивает пирамидальную форму только пучку первичного излучения 9, исходящего из действительного фокусного пятна 2 анода 3. Вторичное излучение 11, поступающее в полусферу из выходного окна 4, имеет после коллиматора 5 существенно большую угловую расходимость по сравнению с пучком первичного излучения 9. Второй формирующий коллиматор 6 практически обеспечивает такую же, как у пучка первичного излучения 9, пирамидальную форму и для пучка вторичного излучения 11. В итоге, после двух формирующих коллиматоров, пучок 14 имеет необходимую пирамидальную форму, как по первичному 9, так и по вторичному 11 излучению.

Вариант 1 (см. фиг.1)

Устройство по варианту 1 предназначено для медицинского флюорографического обследования грудной клетки человека.

Коллиматоры 5 и 6 и приемник рентгеновского излучения 7 жестко закреплены на держателе, выполненном, например, в виде двухплечевого кронштейна 15, установленного с возможностью вращения вокруг вертикальной оси, проходящей через центр действительного фокусного пятна 2 анода 3. Источник излучения 1 с защитной ширмой 10 неподвижны. Дугообразные стрелки на фиг.1 показывают угловые интервалы перемещения коллиматоров 5, 6 и приемника излучения 7 при вращательном сканировании пирамидальным пучком 14 объекта исследования 16, в данном случае пациента.

Вариант 2 (см. фиг.2)

Устройство по варианту 2 предназначено для медицинского маммографического обследования молочной железы у женщин.

Коллиматоры 5 и 6 закреплены на держателе, выполненном, например, в виде одноплечевого кронштейна 15, установленного с возможностью вращения вокруг вертикальной оси, проходящей через центр действительного фокусного пятна 2 анода 3. Источник рентгеновского излучения 1 с защитной ширмой 10 установлены неподвижно, а приемник рентгеновского излучения 7 перемещается линейно, причем линейное движение приемника рентгеновского излучения 7 синхронизировано с вращательным движением коллиматоров 5 и 6 таким образом, чтобы обеспечить неискаженную транспортировку пучка пирамидальной формы от источника излучения 1 к приемнику рентгеновского излучения 7. Дугообразные стрелки на фиг.2 обозначают вращательное перемещение коллиматоров 5 и 6, а прямые стрелки вверх-вниз обозначают возвратно-поступательное перемещение приемника излучения 7 при комбинированном сканировании пирамидальным пучком 14 объекта исследования 16, в данном случае пациента.

Вариант 3 (см. фиг.3)

Устройство по варианту 3 предназначено для таможенного контроля багажа рентгеновским пучком.

Коллиматоры 5 и 6, источник излучения 1 с защитной ширмой 10 и приемник рентгеновского излучения 7 установлены неподвижно. На участке между коллиматором 6 и приемником рентгеновского излучения 7 расположено устройство, выполненное, например, в виде конвейера 17, для установки и линейного перемещения в направлении, перпендикулярном плоскости развертки рентгеновского пирамидального пучка, объекта исследования 16, в данном случае багажа.

На фиг.4 для пояснения в двух проекциях - слева вид сверху, справа по направлению рентгеновского пучка - показаны выходное окно 4 рентгеновского излучателя и коллиматоры 5 и 6, формирующие пучок пирамидальной формы. Размеры сквозных отверстий 12 и 13 коллиматоров 5 и 6 в пропорции повторяют размер детектирующей части приемника излучения 7. Коэффициенты пропорции задаются расстояниями (варианты 1, 2, 3) от коллиматоров 5, 6 и приемника излучения 7 до действительного фокусного пятна 2 анода 3 рентгеновского излучателя и величинами механических вибраций (варианты 1 и 2) коллиматоров и приемника излучения при их движении.

Стеклянная колба рентгеновской трубки 1 (варианты 1, 2 и 3) отделена от корпуса защитного кожуха 8 слоем трансформаторного масла 18, выполняющего функцию электроизолятора и теплообменника. Защитный кожух 8 выполнен из сочетания стали и свинца со сквозным окном 4. При сборке рентгеновского излучателя окно 4 закрывается двухслойной структурой из винипласта и алюминия, предотвращающей утечку трансформаторного масла. Таким образом, часть исходного излучения на своем пути от действительного фокусного пятна 2 анода 3 до наружной поверхности выходного окна 4 испытывает взаимодействие с веществом стекла, трансформаторного масла, винипласта и алюминия. Это взаимодействие является источником вторичного рентгеновского излучения 11, поступающего наружу из выходного окна 4.

Предлагаемое устройство формирования сканирующего рентгеновского пучка пирамидальной формы (варианты 1 и 2) функционирует следующим образом.

Держатель 15 перед началом сканирования занимает исходное крайнее положение, при котором воображаемый пучок пирамидальной формы 14 (источник излучения отключен) не пересекает объект исследования 16. Приводное устройство (на чертеже не показано) приводит в движение (вращательное) держатель 15. В устройстве (вариант 2) второе приводное устройство (на чертеже не показано) синхронно приводит в движение (поступательное) приемник излучения 7. На заданном угловом расстоянии от ближнего края воображаемого пирамидального пучка 14 до объекта исследования 16 на рентгеновскую трубку 1 подаются рабочее напряжение и ток, приводящие к появлению реального рентгеновского пучка 14, пирамидальную форму которому обеспечивают перемещающиеся синхронно с держателем 15 коллиматоры 5 и 6. С приемника рентгеновского излучения 7 начинает считываться информация о поступившем на него рентгеновском излучении. По окончании сканирования, как только пирамидальный пучок 14 уходит на противоположную сторону объекта исследования 16 и перестает его облучать, прекращается подача напряжения и тока на рентгеновскую трубку 1, что приводит к исчезновению рентгеновского пучка 14, и приводное устройство возвращает держатель 15 в исходное положение. В устройстве (вариант 2) второе приводное устройство синхронно возвращает в исходное положение приемник излучения 7.

Предлагаемое устройство формирования сканирующего рентгеновского пучка пирамидальной формы (вариант 3) функционирует следующим образом.

Багаж 16 устанавливается в начале неподвижного конвейера 17. Включается приводное устройство (на чертеже не показано), которое приводит в движение с постоянной скоростью конвейер 17 и находящийся на нем багаж 16. На заданном линейном расстоянии от багажа 16 до ближнего края воображаемого пирамидального пучка 14 на рентгеновскую трубку 1 подаются рабочее напряжение и ток, приводящие к появлению реального рентгеновского пучка 14, пирамидальную форму которому обеспечивают коллиматоры 5 и 6. С приемника рентгеновского излучения 7 начинает считываться информация о поступившем на него рентгеновском излучении. По окончании сканирования, как только пирамидальный пучок 14 перестает облучать багаж 16, прекращается подача напряжения и тока на рентгеновскую трубку 1, что приводит к исчезновению рентгеновского пучка 14. Конвейер 17 продолжает движение с багажом до тех пор, пока багаж не окажется на противоположном конце конвейера. Приводное устройство конвейера отключается.

Предлагаемое устройство формирования сканирующего рентгеновского пучка пирамидальной формы имеет следующие преимущества.

1. Требуемая пирамидальная форма пучка и по первичному, и по вторичному рентгеновскому излучению достигается минимально необходимым и достаточным количеством формирующих элементов - два коллиматора (упрощение конструкции).

2. Минимальное количество формирующих рентгеновский пучок пирамидальной формы коллиматоров делает более простой процедуру их геодезической юстировки относительно действительного фокусного пятна источника излучения и приемника рентгеновского излучения.

3. Размеры коллиматоров и форма в них сквозных отверстий, повторяющих в заданной пропорции форму детектирующей части приемника излучения, обеспечивают как стабильность загрузки первичным излучением всей детектирующей площади приемника излучения в процессе сканирования, так и минимально возможную дозу облучения пациентов и обслуживающего персонала.

Использование: для сканирования объектов рентгеновским излучением. Сущность: заключается в том, что устройство формирования сканирующего рентгеновского пучка пирамидальной формы включает источник излучения в виде рентгеновской трубки, из действительного фокусного пятна анода которой исходит рентгеновское излучение, узел формирования пучка пирамидальной формы и приемник рентгеновского излучения, при этом узел формирования пучка пирамидальной формы состоит из двух коллиматоров, имеющих по одному сквозному отверстию, повторяющему по форме геометрическую фигуру, образованную пересечением корпуса коллиматора с пирамидой, у которой вершина находится в центре действительного фокусного пятна анода, а основанием является детектирующая часть приемника рентгеновского излучения, при этом приемник рентгеновского излучения и оба коллиматора жестко закреплены на держателе, установленном с возможностью вращения вокруг вертикальной оси, проходящей через центр действительного фокусного пятна анода рентгеновской трубки, а источник рентгеновского излучения с защитной ширмой установлены неподвижно. Технический результат: повышение функции защиты пациентов и обслуживающего персонала от излишней дозы облучения при одновременном упрощении конструкции устройства и обеспечении стабильности загрузки первичным излучением всей площади детектирующей части приемника рентгеновского излучения во время сканирования. 3 н.п. ф-лы, 4 ил.

1. Устройство формирования сканирующего рентгеновского пучка пирамидальной формы, включающее источник излучения в виде рентгеновской трубки, из действительного фокусного пятна анода которой исходит рентгеновское излучение, узел формирования пучка пирамидальной формы и приемник рентгеновского излучения, отличающееся тем, что узел формирования пучка пирамидальной формы состоит из двух коллиматоров, имеющих по одному сквозному отверстию, повторяющему по форме геометрическую фигуру, образованную пересечением корпуса коллиматора с пирамидой, у которой вершина находится в центре действительного фокусного пятна анода, а основанием является детектирующая часть приемника рентгеновского излучения, при этом приемник рентгеновского излучения и оба коллиматора жестко закреплены на держателе, установленном с возможностью вращения вокруг вертикальной оси, проходящей через центр действительного фокусного пятна анода рентгеновской трубки, а источник рентгеновского излучения с защитной ширмой установлены неподвижно.

2. Устройство формирования сканирующего рентгеновского пучка пирамидальной формы, включающее источник излучения в виде рентгеновской трубки, из действительного фокусного пятна анода которой исходит рентгеновское излучение, узел формирования пучка пирамидальной формы и приемник рентгеновского излучения, отличающееся тем, что узел формирования пучка пирамидальной формы состоит из двух коллиматоров, имеющих по одному сквозному отверстию, повторяющему по форме геометрическую фигуру, образованную пересечением корпуса коллиматора с пирамидой, у которой вершина находится в центре действительного фокусного пятна анода, а основанием является детектирующая часть приемника рентгеновского излучения, при этом оба коллиматора жестко закреплены на держателе, установленном с возможностью вращения вокруг вертикальной оси, проходящей через центр действительного фокусного пятна анода рентгеновской трубки, источник рентгеновского излучения с защитной ширмой установлены неподвижно, а приемник рентгеновского излучения установлен с возможностью возвратно-поступательного перемещения, причем линейное движение приемника рентгеновского излучения синхронизировано с вращательным движением коллиматоров таким образом, чтобы обеспечить неискаженную транспортировку пучка пирамидальной формы от источника к приемнику рентгеновского излучения.

3. Устройство формирования сканирующего рентгеновского пучка пирамидальной формы, включающее источник излучения в виде рентгеновской трубки, из действительного фокусного пятна анода которой исходит рентгеновское излучение, узел формирования пучка пирамидальной формы и приемник рентгеновского излучения, отличающееся тем, что узел формирования пучка пирамидальной формы состоит из двух коллиматоров, имеющих по одному сквозному отверстию, повторяющему по форме геометрическую фигуру, образованную пересечением корпуса коллиматора с пирамидой, у которой вершина находится в центре действительного фокусного пятна анода, а основанием является детектирующая часть приемника рентгеновского излучения, при этом источник рентгеновского излучения с защитной ширмой, приемник рентгеновского излучения и оба коллиматора установлены неподвижно.