Усилители рентгеновского изображения
Усилитель рентгеновского изображения (УРИ), или рентгеновский электронно-оптический преобразователь (РЭОП) представляет собой устройство с высоким коэффициентом усиления для целей получения рентгеновских изображений в условиях, когда доза облучения должна быть минимальной.
Усилитель изображения может давать одну рентгенограмму или серию рентгенограмм с низкой дозой облучения, а также работать во флуороскопическом режиме, когда рентгеновская трубка действует непрерывно, но при очень низком токе. Эта возможность особенно ценна при исследовании процессов течения рентгеноконтраста или заполнения им органов, для интраоперационного контроля в процессе хирургической операции, а также для флуороскопического контроля за введением катетера. УРИ применяются во многих цифровых рентгеновских системах.На рис. 2.21 показана схема усилителя изображения, состоящего из вакуумной колбы с люминесцентными экранами на концах, фотокатода и электронно-оптической системы.
Входное окно трубки должно иметь высокое пропускание для рентгеновского излучения и в современных РЭОП выполняется из тонкой металлической пластинки. Например, в усилителе фирмы “Сименс” применено алюминиевое окно с пропусканием 92 %.
После прохождения через входное окно рентгеновские фотоны бомбардируют поверхность флуоресцентного экрана, располагающегося на внутренней поверхности окна.
Световые фотоны, испускаемые этим экраном, затем бомбардируют фотокатод, в результате чего образуются фотоэлектроны, которые, в свою очередь, ускоряются разностью потенциалов 20 — 30 кВ и фокусируются электронно-оптической системой на выходном флуоресцентном экране.
Взаимодействие фотоэлектронов с этим экраном приводит к возникновению светового излучения, которое можно наблюдать на выходном экране тем или иным способом.
Рис.
2.21. Рентгеновский электронно–оптический преобразователь:1 – колба; 2 - рентгеновский экран; 3 - входной люминофор; 4 – фотокатод; 5 - выходной люминофор; 6 – электроды
Диаметр входного экрана ограничивает поле зрения усилителя и обычно составляет 12,5 – 35 см, хотя уже существуют усилители изображения с полем зрения 57 см. Диаметр выходного экрана обычно равен 2,5 см, и это уменьшение изображения в сочетании с ускорением электронов обеспечивает очень высокое усиление светового потока в усилителе изображения. Действительно, увеличение выходной интенсивности света в усилителе изображения по сравнению со стандартным флуоресцентным экраном может достигать десятков тысяч. Изображение, образующееся на выходном экране, регистрируется на фотопленке или с помощью телевизионной камеры.
Современные усилители изображения имеют входные экраны на основе йодида цезия, главным преимуществом которого является l00%-однородная плотность вещества, не требующая введения связывающей основы и гарантирующая высокую эффективность энергетического поглощения. На рис. 2.22, на котором приведена зависимость массового коэффициента ослабления экрана на основе йодида цезия от энергии квантов, видны пики, соответствующие К-краю поглощения для йода и цезия (соответственно 33,2 и 36,0 кэВ); при этом эффективность энергетического поглощения может достигать 0,6.
Рис. 2.22. Зависимость массового коэффициента энергетического поглощения от энергии фотонов для экранов на основе йодида цезия
Экран на основе йодида цезия имеет и то преимущество, что его кристаллы могут быть ориентированы вдоль оптической оси, что уменьшает поперечное рассеяние светового излучения на экране. Рассеяние также сводится к минимуму за счет обеспечения достаточно плотного контакта между экраном и фотокатодом.
Экран на основе йодида цезия обеспечивает выход до 2000 фотонов на один поглощенный рентгеновский фотон. Длина волны светового излучения согласуется со спектральной характеристикой фотокатода путем введения добавок натрия.
Эффективность фотокатода составляет около 0,1, так что на один поглощаемый рентгеновский фотон приходится примерно 200 фотоэлектронов, которые после фокусирования и ускорения направляются на выходной экран. Фокусирующие электроды предназначены для уменьшения размера изображения с минимально возможными искажениями. Выходной экран с люминофором должен иметь высокое разрешение, но при этом он все же будет негативно влиять на нерезкость изображения из-за уменьшения его размера. Особое преимущество от использования высокого фотонного усиления в усилителях изображения — малое время экспозиции при получении изображения, что очень важно при визуализации движущихся органов.Высокое быстродействие усилителя изображения позволяет вести киносъемку с выходного экрана на 35-миллиметровую фотопленку с частотой кадров 30 – 200 Гц. Нерезкость при этом становится больше по сравнению с той, которая имеет место при использовании крупноформатных зернистых фотопленок, что иллюстрирует табл. 2.5, в которой приведены характеристики различных устройств регистрации, работающих совместно с усилителем изображения.
Таблица 2.5
Типичные значения разрешения (пары линий/мм) для устройств регистрации флюорографических систем
| Размер усилителя изображения, см | Разрешение, пары линий/мм | ||||
| Выходной экран | Фотопленка шириной 100 мм | Фотопленка шириной 70 мм | Кинопленка шириной 35 мм | ТВ – монитор | |
| 15 25 | 5,0 4,2 | 4,2 3,7 | 3,5 3,1 | 2,5 2,2 | 1,5–2,0 1,2–1,5 |
Преимуществом телекамеры по сравнению с фотопленкой является возможность визуализации изображения в реальном масштабе времени на экране монитора. Изображение, регистрируемое телекамерой, может храниться на видеодиске или видеокассете, а также использоваться для ввода информации в цифровую рентгенографическую систему. Возможность запоминания кадра изображения приводит к дальнейшему снижению дозы облучения, поскольку на время анализа текущего кадра облучение может прекращаться.
Применение телевизионных систем приводит к ухудшению разрешения из-за построчного разложения изображения. Разрешение телевизионной системы может характеризоваться своими горизонтальной и вертикальной составляющими. Вертикальное разрешение V (число линий на изображении) можно охарактеризовать числом N линий развертки с помощью следующего соотношения:
V = kN. (2.35)
Параметр k называется коэффициентом Келла и обычно равен 0,7. При диаметре 20 см и числе строк 625 в телесистеме наименьший из разрешаемых по вертикали элементов будет иметь размер 200/(625´0,7) = = 0,45 мм. Соответственно при числе строк в изображении 1250 разрешение будет равным 0,22 мм. Горизонтальное разрешение ограничено полосой пропускания системы, причем число Н элементов разрешения по горизонтали дается выражением
Н = Полоса частот/[(Кадры/с) ´ (Линии/Кадр)]. (2.36)
Если полосу частот выбрать таким образом, чтобы Н=V, и использовать число строк разложения 625 при частоте 25 полукадров в секунду, то она окажется равной 6,8 МГц. Увеличение вдвое числа линий развертки расширяет вчетверо полосу частот, но также и уровень видеошумов в изображении.
Сочетание достаточно качественного РЭОП (с разрешением не менее 4 пар линий на мм), телевизионной системы и платы ввода видеосигнала в компьютер позволяет реализовать автоматизированное рабочее место - АРМ рентгенолога. Применение современных компьютерных технологий обработки и хранения изображений в базах данных, а также возможность работы в локальной компьютерной сети лечебного учреждения существенно повышает эффективность системы. Кроме того, становится возможным отказаться от дорогостоящей рентгеновской пленки, что позволяет быстро получить экономический эффект. Приведем примеры реальных рентгеноскопических снимков, полученных на диагностическом аппарате EDR–750 (рис. 2.23) [3, 4].
Известно большое количество компьютерных методов обработки изображений. Они направлены на коррекцию аппаратных искажений в аналоговом тракте, снижение шумов изображений, улучшение визуального восприятия последних, проведение измерений (линейных размеров объектов и их оптической плотности). Большая группа методов осуществляет сжатие файлов изображений для их экономного архивирования.
а) б)
в) г)
Рис. 2.23. Образцы рентгенограмм, полученных на аппарате EDR–750 в режиме рентгеноскопии: а - исследование желудка, б - исследование пищевода, в - ирригоскопия, г - бронхография
Эта область информационных технологий интенсивно развивается, и основные методы и практические результаты будут специально рассмотрены в следующих частях этого пособия.