Способ рентгеновской компьютерной томографии Российский патент 2024 года по МПК G01N23/46 A61B8/13 

Изобретение относится к медицине, а именно к лучевой диагностике, и предназначено для получения качественных томограмм при обследовании различных органов и систем.

На настоящий момент известны несколько способов визуализации внутренних органов пациентов с использованием проникающего излучения.

Известен способ позитронной эмиссионной томографии (ПЭТ), она же двухфотонная компьютерная томография, позволяющая получать данные о биохимических и физиологических функциях и диагностировать опухоль на «нулевой» стадии развития (М.Я. Марусина, А.О. Казначеева. Современные виды томографии, гл. 3, стр. 84-103, ИТМО, 2006).

ПЭТ заключается во введении внутрь организма пациента радиофармпрепаратов на основе радиоактивного изотопа, распадающегося через эмиссию позитрона. Позитрон далее аннигилирует с ближайшим электроном, при этом испускается два фотона излучения энергией 511 кэВ строго в противоположном направлении друг от друга, что позволяет при их детектировании и компьютерной обработке получить более точное (по сравнению с однофотонной эмиссионной компьютерной томографией - ОФЭКТ) пространственное расположение целевого органа или его части с новообразованиями. Разрешение данного способа составляет 2-4 мм и практически всегда сопровождается рентгеновской компьютерной томографией (РКТ). Доза, получаемая пациентом при проведении ПЭТ, составляет 10-15 мЗв, а доза при совместном исследовании с РКТ может достигать 30 мЗв.

По сравнению с ОФЭКТ поскольку энергия фотонов при проведении ПЭТ высокая - 511 кэВ, то и доза выше, несмотря на применение короткоживущих изотопов, например, фтора-18. Но, поскольку имеется два фотона, строго ориентированных друг относительно друга, то, несмотря на «засветку», разрешение выше.

Известен способ использования радиоактивного изотопа в капсулах как источника рентгеновского излучения для внутрипросветной визуализации внутренних органов (Radiation source for intra-lumen capsule, ЕР 31021042014-04-08), заключающийся во введении внутрь организма пациента, в частности, в желудочно-кишечный тракт (ЖКТ) капсулы, содержащей радиоактивный изотоп вольфрам-181, с последующим детектированием и компьютерной обработкой данных для получения визуализации.

Данный метод имеет ряд существенных недостатков. Капсула находится в организме несколько часов и выводится естественным образом, то есть облучение организма идет не только в процессе исследования, но и после - до выведения капсулы из организма. Передвижение капсулы происходит естественным путем, и, несмотря на установленные внутри капсулы коллиматоры (в описании их три), невозможно получить фокусировку на всех исследуемых участках. То есть существует вероятность прохождения капсулы мимо новообразований без их визуализации и получения ложноположительного заключения, особенно, если заболевание находится на начальной стадии и новообразования имеют незначительный размер.

В противном случае капсула должна стать управляемой со всеми сложностями такой реализации, достоинствами и недостатками.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату к предложенному способу является способ рентгеновской компьютерной томографии, заключающийся в просвечивании тела пациента внешним рентгеновским излучением, детектированием прошедшего через тело излучения с последующей компьютерной обработкой зафиксированных сигналов детекторов и получением изображения при просвечивании пациента внешним рентгеновским излучением, получаемом на рентгеновской трубке (М.Я. Марусина, А.О. Казначеева «Современные виды томографии», гл. 1, стр. 8-39, ИТМО, 2006 г. ).

Разрешение данного вида томографии ~ 0,3 мм, однако доза радиации, получаемая пациентом в зависимости от исследуемого органа, может достигать 13-15 мЗв даже при использовании самых современных мультиспиральных импульсных томографов. Данный способ имеет ряд существенных недостатков.

Современная рентгеновская трубка - это технически сложное дорогостоящее изделие. Кроме мощной в десятки киловатт высоковольтной аппаратуры (на трубку подается напряжение до 145 кВ) необходима также мощная система охлаждения. Это связано с тем, что необходимое рентгеновское излучение по своей природе является в основном тормозным излучением вольфрамового анода. Вольфрам применяют как один из самых тугоплавких тяжелых металлов. Электроны, разогнанные высоким напряжением в трубке, примерно 99% своей энергии теряют на ионизацию - преодоление электронной оболочки вольфрама, и в конечном итоге их энергия превращается в тепло, которое надо отводить, и лишь примерно 1% подводимой энергии превращается в нужное тормозное рентгеновское излучение. Кроме тормозного меньшая часть рентгеновского излучения имеет другую природу. Когда налетающие электроны сталкиваются с электронами нижних электронных оболочек, они могут их выбить из атома. Образуется вакансия, которая в последствии заполняется электроном с более высокой орбитали. Разность энергии между орбиталями выделяется в виде характеристического рентгеновского излучения.

На фиг.1 изображены графики, показывающие изменение относительной интенсивности фотонов от их энергии до и после просвечивания тела при использовании рентгеновской трубки с вольфрамовым анодом с подачей на нее напряжения 100 кВ (Е.В. Вихарева и др. Специальные методы медико-биологических исследований, 2002).

На фиг.2 представлена таблица, в которой отражены характеристики предлагаемых изотопов.

На графиках (фиг.1) видно, что фотоны с энергией до 35 кэВ практически не дают информации, так как почти полностью поглощаются телом. С другой стороны этого непрерывного спектра, фотоны с энергией более 80 кэВ дают информацию, их относительная интенсивность увеличивается, но их энергия избыточна. Два высоких узких пика это и есть характеристическое рентгеновское излучение вольфрама. Оно состоит из пяти характеристических К-линий: k_α2 - 56,28 кэВ, интенсивностью -18,7%, k_α1 - 57,535 кэВ, интенсивностью -32,0%, k_β3 - 64,948 кэВ, интенсивностью - 3,6%, k_β1 -65,222 кэВ, интенсивностью - 7,0%, k_β2 - 66,982 кэВ, интенсивностью - 2,4%. Сдвоенная линия k_α выше, а строенная линия k_β ниже соответственно их исходным интенсивностям. В прошедшем тело излучении доля последней увеличивается, так как ее энергия выше и, соответственно, коэффициент ослабления ниже. Энергии фотонов в характеристическом диапазоне 56,28-66,982 кэВ достаточно для просвечивания тела, и она не избыточна. То есть даст информацию и не даст не нужной «засветки» и дополнительной дозовой нагрузки. Однако при использовании рентгеновской трубки выделить этот узкий диапазон до просвечивания тела невозможно. Нужен источник, который изначально будет эмитировать фотоны в узком нужном диапазоне энергии.

Из графиков (фиг.1) видно, что излучение рентгеновской трубки имеет непрерывный спектр. Низкоэнергетические фотоны, не отсеянные фильтром, имеют высокий коэффициент ослабления и до детектора практически не доходят, при этом создавая вклад в дозовую нагрузку на пациента и не давая полезной информации. С другой стороны этого непрерывного спектра высокоэнергетические фотоны проходят тело с более низким коэффициентом ослабления, дают информацию, но их энергия избыточна. Это, кроме того, что дает излишний вклад в дозовую нагрузку на пациента, дает также излишнюю засветку при визуализации, снижая разрешение и четкость. Наиболее оптимальная область спектра в зависимости от исследуемого органа -35÷80 кэВ.

Технический результат, на достижение которого направлено настоящее изобретение, заключается в снижении дозовой нагрузки на пациента, увеличении четкости и разрешения визуализации и удешевлении продуцирования необходимого рентгеновского излучения.

Указанный технический результат достигается тем, что в способе рентгеновской компьютерной томографии, заключающемся в просвечивании тела пациента внешним рентгеновским излучением, детектированием прошедшего через тело излучения с последующей компьютерной обработкой зафиксированных сигналов детекторов и получением изображения, согласно изобретению, просвечивание тела пациента ведется в дискретном режиме характеристическим рентгеновским излучением в диапазоне энергий 35÷80 кэВ испускаемым радиоактивным изотопом, который распадается через электронный захват и имеет период полураспада более 3 месяцев.

Кроме того, указанный технический результат достигается тем, что в качестве внешнего источника характеристического рентгеновского излучения используется радиоактивный изотоп из ряда: Sm-145 (самарий-145), Eu-149 (европий-149), Gd-151 (гадолиний-151), Gd-153 (гадолиний-153), Dy-159 (диспрозий-159), Та-179 (тантал-179), W-181 (вольфрам-181), Au-195 (золото-195) (фиг.2).

Радиоактивный изотоп в данном источнике должен иметь достаточно длинный период полураспада во избежание частой замены. Это, по нашему мнению, не менее трех месяцев. Слишком длинный период полураспада также не оптимален, так как потребует большого количества изотопа в источнике для достижения необходимой эмиссии фотонов. Изотоп не должен давать эмиссии фотонов других энергий в значительном количестве вовне нужного диапазона. Требуемая энергия фотонов - 35÷80 кэВ. Этим условиям соответствует ряд радиоактивных изотопов, распадающихся через электронный захват. Это: Sm-145 (самарий-145), Eu-149 (европий-149), Gd-151 (гадолиний-151), Gd-153 (гадолиний-153), Dy-159 (диспрозий-159), Та-179 (тантал-179), W-181 (вольфрам-181), Au-195 (золото-195).

Поскольку радиоактивные изотопы излучают во времени непрерывно, то использовать их необходимо в дискретном режиме.

При проведении компьютерной томографии с помощью известного способа в качестве источника рентгеновского излучения используют рентгеновские трубки в основном с вольфрамовым анодом. Разность напряжения, подаваемая на трубку в зависимости от исследуемой части тела пациента, находится в диапазоне 25-145 кВ. Рентгеновское излучение формируется за счет тормозного излучения, и его спектр носит непрерывный характер. Зависимость количества эмитируемых фотонов от их энергии носит экстремальный характер с максимумом около половины приложенного напряжения. То есть, при напряжении в 100 кВ максимальное количество фотонов будет с энергией 40÷60 кэВ. При этом значительная доля фотонов будет иметь как низкую (до нуля), так и высокую (до приложенного напряжения) энергию. Низкоэнергетические фотоны создают значительную дозовую нагрузку на пациента - полностью поглощаются телом и не доходят до детектора. Самые низкоэнергетические фотоны отсекаются фильтрами на выходе рентгеновского источника излучения. Однако полностью убрать из спектра это излучение невозможно, так как в фильтре фотоны с большей энергией рассеиваются (эффект Комптона) и пополняют низкоэнергетическую часть спектра. С другой стороны спектра высокоэнергетические фотоны, хотя и дают вклад в визуализацию, но также дают еще больший вклад в дозовую нагрузку и, более того, засвечивают картинку, уменьшая контрастность изображения. При проведении КТ необходимо получить более сотни срезов, и при непрерывном облучении доза, получаемая пациентом, недопустимо большая. Поэтому используют импульсные системы с кратковременной экспозицией. Это частично снизит дозовую нагрузку, но она все равно может составить более 10 мЗв за процедуру. Поэтому более одной процедуры компьютерной томографии (КТ) в год делать не рекомендуют. В рамках использования рентгеновских источников с непрерывным спектром излучения дальнейшее существенное снижение дозовой нагрузки на пациента при проведении КТ невозможно.

Выход видится в применении источников рентгеновского излучения с дискретным спектром фотонов. Подобными свойствами обладают некоторые радиоактивные изотопы, приведенные в таблице (фиг.2), имеющие достаточно длительный период полураспада (от нескольких месяцев до нескольких лет) и излучение фотонов в требуемом энергетическом диапазоне.

Поскольку радиоактивные изотопы излучают во времени непрерывно, то использовать их надо в дискретном режиме с применением диафрагмы с затвором (наподобие фотоаппарата и кинокамеры). Диафрагма будет приоткрываться шире в процессе эксплуатации, так как изотопы с течением времени будут распадаться, и их активность будет падать. То есть, в начальный момент радиоактивный источник должен иметь повышенную эмиссию фотонов, и до нужного уровня его можно отрегулировать диафрагмой с переменным диаметром или перемещением самого источника относительно неподвижной диафрагмы или выдержкой затвора. Затвор будет синхронизован с детектором фотонов и будет открываться только на момент производства снимка.

Используя предложенный нами способ рентгеновской компьютерной томографии, удастся полностью избавиться от низкоэнергетических и высокоэнергетических фотонов, а также до 2-х раз снизить дозовую нагрузку на пациента. При этом можно будет получить более контрастное изображение, так как детектор будет работать в узком энергетическом диапазоне.

Основное оборудование томографа не претерпевает изменений. Они коснутся только той части томографа, которая связана с продуцированием проникающего излучения.

Рентгеновская трубка довольно сложное изделие. Это связано с тем, что на продуцирование непосредственно рентгеновского излучения приходится 1-2% подводимой энергии. Остальная основная часть выделяется в виде теплоты. Поэтому применяются сложные системы охлаждения и вращающиеся электроды для эффективного рассеяния выделяемой теплоты.

Стоимость трубки составляет значительную часть в стоимости всего комплекса. Следует отметить, что для работы трубки требуется также источник высоковольтного питания.

В случае применения изотопного источника рентгеновского излучения, его стоимость будет значительно дешевле, даже если его придется чаще менять. Например, один раз в год. Для разных изотопов и их исходной активности этот срок будет различный.

Таким образом, применение предложенного способа рентгеновской компьютерной томографии позволяет снизить дозовую нагрузку на пациента, увеличить четкость и разрешение визуализации при удешевлении продуцирования необходимого рентгеновского излучения.

Изобретение относится к медицине, а именно к лучевой диагностике. Способ рентгеновской компьютерной томографии заключается в просвечивании тела пациента внешним рентгеновским излучением, детектированием прошедшего через тело излучения с последующей компьютерной обработкой зафиксированных сигналов детекторов и получением изображения. При этом просвечивание тела пациента ведется в дискретном режиме с применением диафрагмы с затвором характеристическим рентгеновским излучением в диапазоне энергий 35-80 кэВ, испускаемым радиоактивным изотопом, который распадается через электронный захват и имеет период полураспада более 3 месяцев. Технический результат заключается в снижении дозовой нагрузки на пациента, увеличении четкости и разрешения визуализации и удешевлении продуцирования необходимого рентгеновского излучения. 1 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. Способ рентгеновской компьютерной томографии, заключающийся в просвечивании тела пациента внешним рентгеновским излучением, детектированием прошедшего через тело излучения с последующей компьютерной обработкой зафиксированных сигналов детекторов и получением изображения, отличающийся тем, что просвечивание тела пациента ведется в дискретном режиме с применением диафрагмы с затвором характеристическим рентгеновским излучением в диапазоне энергий 35-80 кэВ, испускаемым радиоактивным изотопом, который распадается через электронный захват и имеет период полураспада более 3 месяцев.

2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что в качестве источника внешнего характеристического рентгеновского излучения используется радиоактивный изотоп из ряда: Sm-145 (самарий-145), Eu-149 (европий-149), Gd-151 (гадолиний-151), Gd-153 (гадолиний-153), Dy-159 (диспрозий-159), Та-179 (тантал-179), W-181 (вольфрам-181), Au-195 (золото-195).