2.7. Приемники изображения

В рентгенодиагностике применяют большое число различных типов приемников изображения, каждый из которых формирует изображение при поглощении энергии рентгеновского излучения и отличается от других способом преобразования падающего распределения энергии в какую-либо другую форму, воспринимаемую глазом.

Рентгеновская пленка прямого экспонирования

Рентгеновская пленка прямого экспонирования из-за ее низкой эффективности поглощения фотонов в необходимом энергетическом диапазоне применяется для специальных задач рентгенографии. Однако она широко используется в качестве материала для документирования изображений во многих системах визуализации, поэтому целесообразно изучить ее свойства более подробно.

На рис.2.17 изображена структура рентгеновской пленки прямого экспонирования. Пленка обычно содержит два слоя фотоэмульсии, нанесенной на обе стороны прозрачного полистиролового или ацетатного слоя - пленочной основы.

Слои эмульсии отделены от пленочной основы разделительным слоем и имеют тонкое поверхностное покрытие для защиты эмульсии от стирания. Каждый слой эмульсии состоит из зерен бромистого серебра, распределенных в слое желатины, причем зерна имеют размеры порядка единиц микронов. Два слоя эмульсии используют, чтобы увеличить эффективность поглощения рентгеновского излучения.

На первом этапе формирования изображения происходит взаимодействие рентгеновских фотонов с атомами эмульсии. Поскольку сечения фотоэффекта на атомах серебра и брома в зернах значительно больше, чем на других легких элементах, составляющие желатину, то большинство взаимодействий будет осуществляться внутри частиц бромистого серебра.

В результате каждого из взаимодействий образуется один или два электрона, которые замедляются и за счет ионизации высвобождают новые электроны.

Рис.

Некоторые из этих электронов в конечном счете захватываются активными центрами в зернах бромистого серебра. Этот процесс захвата сенсибилизирует зерна, вследствие чего на них формируется скрытое изображение. После проявления эмульсии сенсибилизированные частицы превращаются в серебро, а в результате фиксирования несенсибилизированные частицы удаляются.

Почернение экспонированной и проявленной пленки обычно характеризуют оптической плотностью D, которая определяется как

D = lg(I0/I), (2.24)

где I0 и I — интенсивности светового пучка соответственно до и после прохождения через пленку. Определим связь между оптической плотностью и экспозицией пленки.

Предположим, что пленка состоит из одного слоя эмульсии, в котором на единицу площади приходится G зерен бромистого серебра, и что после облучения единицы ее площади N рентгеновскими фотонами сенсибилизируется g зерен. Обозначим через b площадь поперечного сечения одного зерна. Допустим, что для сенсибилизации отдельного зерна достаточно лишь одного взаимодействия с фотоном. Коэффициент поглощения рентгеновских фотонов невелик, так что можно не учитывать перекрытия зерен. Изменение dg числа сенсибилизированных зерен на единице площади, вызванное изменением dN числа падающих на единицу площади фотонов, записывается в виде

dg = (G – g)b dN, (2.25)

откуда находим

g = G[1 – exp(–bN)] (2.26)

или

g = G [1 – exp(–kX)]; (2.27)

Здесь выражение (2.25) мы переписали через дозу Х для пленки, а размерный коэффициент k определяет пропорциональность между числом фотонов и дозой. Свяжем теперь число сенсибилизированных зерен с оптической плотностью проявленной фотопленки.

Предположим, что каждое сенсибилизированное зерно образует после проявления серебряное пятно с площадью поперечного сечения s, и направим на фотопленку световой пучок интенсивностью I0.

dI = – I(y)(g /t)s dy, (2.28)

где t — общая толщина слоя эмульсии. Последнее уравнение можно проинтегрировать, и мы получим

I = I0 exp(–g s). (2.29)

Используя формулу (2.24) для оптической плотности, имеем

D = 0,434 gs (2.30)

Это выражение известно как закон Наттинга. Подставляя g = G, получаем выражение для максимально возможной плотности почернения пленки:

Dmax = 0,434 Gs. (2.31)

Характерный размер проявленного зерна составляет 2,5 мкм, так что максимальной оптической плотности, равной 3,0, соответствует плотность 1,1?108 зерен/см2.

Объединяя далее выражения (2.27), (2.30) и (2.31), получаем искомое соотношение между оптической плотностью и дозой, поглощаемой пленкой:

D = Dmax [1 – exp(–kX)]. (2.32)

С учетом всех принятых допущений это выражение выглядит очень просто. Тем не менее оно дает хорошее описание характеристик фотопленки [2]. На рис. 2.18 соотношение (2.32) представлено в графической форме.

Как и в стандартной практике, здесь доза приведена в логарифмическом масштабе. Кроме того, учтено также то, что при проявлении неэкспонированной пленки некоторые из зерен все же превращаются в серебро, поэтому к выражению (2.32) добавлена небольшая величина фона. Величина этого фона или “вуали” будет зависеть как от типа эмульсии, так и от способа проявления пленки.

Выражение (2.32) было получено в предположении, что одного взаимодействия с фотоном достаточно для сенсибилизации зерна эмульсии. Это допущение справедливо для пленок прямого экспонирования, но не годится для фотопленок, облучаемых светом, поскольку при этом необходимо применять модель большого числа столкновений. Поэтому на рис. 2.18 приведена также кривая почернения для фотопленки, экспонированной светом от усиливающего экрана.

Кривые, которые выражают связь между оптической плотностью и экспозицией пленки, называются характеристическими кривыми.

Рис. 2.18. Характеристические кривые рентгеновской пленки прямого экспонирования (кривая А - выражение (2.32)) и системы “экран—пленка” (кривая В). Обе пленки имеют одну и ту же плотность вуали и максимальную оптическую плотность

Важными особенностями этих кривых являются следующие:

а) характеристическая кривая пленки имеет среднюю часть, для которой соотношение между оптической плотностью и логарифмом дозы является приблизительно линейным, т. е.

D = Г lg(X/X0). (2.33)

Для малых значении контраста DX/Х логарифм можно разложить в ряд и получить соответствующее изменение оптической плотности DD:

DD = 0,434 Г DX/X . (2.34)

Постоянная Г называется гамма-контрастом пленки и обычно находится в пределах 2 – 3. Гамма-контраст пленки можно повысить за счет увеличения размера зерен;

б) для экспозиций, при которых оптическая плотность не лежит на линейном участке логарифмической характеристики пленки, реакция пленки является слабой. При больших экспозициях большинство зерен будет сенсибилизировано, что приведет к насыщению при Dmax. При малых экспозициях, когда для сенсибилизации требуется несколько столкновений с зернами, на характеристике имеется участок, на котором приращения плотности будут малы, а контраст низким.

Поэтому важно экспонировать пленку таким образом, чтобы части тела пациента, представляющие интерес, создавали такие оптические плотности, которые находились бы на линейном участке логарифмической характеристики пленки. Диапазон значений экспозиций, для которых это условие выполняется, называется широтной характеристикой пленки. Высококонтрастные пленки с большими значениями гамма-контраста имеют узкую широтную характеристику, а слабоконтрастные пленки с малыми Г – наоборот, широкую характеристику.

Передержка и недодержка при экспозиции приводят к потере контраста и, возможно, к потере полезной диагностической информации.

Система “экран – пленка”

Приемная система типа “экран – пленка” формирует изображение в четыре этапа. Рентгеновские фотоны поглощаются люминесцентным экраном, при этом часть поглощенной энергии преобразуется в световое излучение, которое засвечивает эмульсию пленки, находящуюся в плотном контакте с экраном. Затем пленка проявляется и просматривается обычным способом. На рис. 2.19 изображена структура стандартного флуоресцентного экрана. Слой люминофора состоит из активных частиц люминофора в связующей основе. Средний размер этих частиц составляет около 10 мкм при толщине слоя 70 – 300 мкм и средней поверхностной плотности слоя 50 – 170 мг/см2. Содержание фосфоресцирующих частиц в связующей основе равно приблизительно 50 %.

Активный слой экрана наносится на пластмассовую подложку. Часто слой между люминофором и подложкой выполняется отражающим для увеличения световой отдачи экрана.

Рис. 2.19. Структура флуоресцентного экрана

Нерезкость для рентгеновской пленки прямого экспонирования очень мала. Влиянием характеристик пленки на нерезкость в системе “экран – пленка” также можно пренебречь. Разрешение системы при этом определяется конструкцией экрана и, в частности, поперечным рассеянием света при его прохождении от флуоресцирующего экрана к пленке. Рассеяние растет с увеличением расстояния между точкой излучения света и эмульсией, поэтому необходимо обеспечить хороший контакт между экраном и пленкой. Последнее достигается экспонированием пленки в специальных светозащищенных кассетах.

Флуоресцирующие экраны можно выполнить в виде двойных экранов (с каждой стороны пленки, имеющей два слоя эмульсии) или же экрана, располагаемого за пленкой с плотным поверхностным контактом со слоем эмульсии.

Чувствительность приемной системы “экран – пленка” зависит от коэффициента поглощения рентгеновского излучения экраном, эффективности преобразования поглощенной энергии в световую, вероятности достижения рентгеновскими фотонами эмульсии, чувствительности самой эмульсии, а также от способа проявления пленки. Доля поглощения рентгеновского излучения эмульсией в общем почернении пленки составляет всего несколько процентов.

Существует несколько типов люминофоров, которые можно использовать в флуоресцирующих экранах, но мы рассмотрим лишь два из них - вольфрамат кальция и оксисульфиды, активированные редкоземельными элементами (X2O2S, причем Х может быть либо гадолиний, либо лантан, либо иттрий). Оба этих люминофора содержат атомы с большими атомным числом и коэффициентом энергетического поглощения.

На рис. 2.20 приведены графики для коэффициентов поглощения экранов на основе вольфрамата кальция и оксисульфида гадолиния. Кривые иллюстрируют влияние края поглощения на эффективность экрана, поскольку К-край поглощения для гадолиния равен 50,2 кэВ, а для вольфрама – 69,5 кэВ, так что экраны на основе редкоземельных элементов имеют более высокий коэффициент поглощения для фотонов средней энергии.

Рис. 2.20 Изменение массового коэффициента поглощения с энергией фотонов для люминофоров на основе вольфрамата кальция и оксисульфида гадолиния

Предельная эффективность экрана составляет: на основе вольфрамата кальция 3,5, на основе лантана 12, на основе гадолиния 15 и иттрия 18%. Вероятность достижения рентгеновскими квантами пленки зависит от конструкции экрана, но обычно равна 0,5.

Это значение можно использовать для расчета числа достигающих эмульсии световых фотонов, отнесенных к одному поглощенному рентгеновскому фотону. При энергии падающих рентгеновских фотонов 50 кэВ для экранов на основе оксисульфида гадолиния, излучающего в зеленой области спектра с длиной волны 0,5 мкм (2,5 эВ), число световых фотонов, достигающих эмульсии, можно оценить как отношение энергий рентгеновского и светового фотонов, умноженное на эффективность образования световых фотонов и эффективность их регистрации, что составляет

(50?103?0,15?0,5)/2,5 = 1500,

т. е. при поглощении одного рентгеновского фотона образуется 1500 световых фотонов.

Последняя стадия получения изображения – экспонирование и проявление пленки. При этом важно согласовать характеристики экрана и пленки, поскольку излучение экрана на основе вольфрамата кальция лежит в голубой области спектра, тогда как свечение экранов на основе редкоземельных элементов, активированных иттрием, – в зеленой области спектра. В то же время обычная фотопленка чувствительна к голубому свету и хорошо согласуется с характеристиками экранов на основе вольфрамата кальция, а для экранов на основе редкоземельных элементов необходимо применять специальную фотопленку, содержащую молекулы чувствительного к зеленому свету красителя, адсорбированные на поверхности частиц серебра.