Рентгеновские и гамма-изображения в медицине
Рентгеновское и гамма-излучения являются наиболее распространенными видами излучения, при помощи которых получают световые изображения в медицинской диагностике.
Радиационное изображение в большинстве случаев представляет собой карты интегралов коэффициентов ослабления рентгеновского излучения изучаемой средой, которые зависят от ее химического состава и физического состояния. Поэтому в радиационных изображениях в основном представлена морфологическая информация. Например, рентгеновский снимок грудной клетки дает в большинстве случаев информацию об ее анатомическом строении. Однако в части изображений содержится информация о физиологическом состоянии органов человека. Так, если пациент ингалирует воздух, содержащий нуклид 133Хе, то в этом случае вариации распределения нуклида в легких будут давать информацию о пространственных характеристиках воздушного потока в легких. Указанное распределение может быть визуализировано при помощи гамма-излучения, испускаемого ксеноном.
Как и любую систему передачи информации систему радиационной диагностики можно представить в виде пространственно-временного фильтра, составленного из нескольких каскадов:
- каскада генерации ионизирующего излучения (рентгеновская трубка, гамма-источник или радионуклид);
- каскада модуляции, который представляется неравномерностью исследуемого объекта или пространственно-временной вариацией распределения радионуклида в органах пациента;
- каскада детектирования (канала регистрации радиационного изображения);
- каскада преобразования в световое изображение и его диагностической оценки.
Представленным выше каскадам соответствуют процессы генерации излучения, его взаимодействия с органами пациента и формирования радиационного изображения, преобразование последнего в световое, просмотр светового изображения и его профессиональная оценка.
Первые три процесса имеют физико-технический смысл, хотя некоторые из них связаны с физиологическими функциями органа или анатомической системы пациента; четвертый, помимо физических проблем, включает и физиологические, связанные со зрительным аппаратом рентгенолога. Пятый процесс – чисто профессиональный – заключается в том, чтобы из всего многообразия отображенных деталей в световом изображении правильно выделить необходимые, руководствуясь опытом и знанием других клинических данных, поставить правильный диагноз и путем обратной связи помочь в будущем при решении задач оптимизации первых трех процессов. В течение почти 50 лет рентгеновская диагностика осуществлялась только при помощи трех основных функциональных компонентов: рентгеновских трубок, флюороскопических экранов и фотоэмульсии (рис. 3).
Рис. 3. Рентгеновский интроскоп. 1 – генератор; 2 – катодный узел; 3 – анодный узел; 4 - пучок излучения; 5 – пациент 6 – чувствительный к излучению элемент.
Наиболее ранним устройством визуализации в медицинской радиологии был подвижный коллиматор с одним отверстием (рис. 4, а), в котором в качестве детектора мог использоваться счетчик гамма-квантов, например, сцинтилляционный кристалл с фотоумножителем. Указанное устройство детектирует кванты внутри достаточно малого телесного угла с вершиной в противоположной точке тела пациента и, следовательно, изображение содержит очень малое число сигнальных фотонов. Чтобы увеличить их число, требуется большое время экспозиции или большая доза радионуклида или же используется коллиматор с большим отверстием, искажающий пространственное разрешение. Указанные недостатки такого устройства стимулировали разработку целого ряда систем визуализации, которые имеют те или иные преимущества по сравнению с описанным выше.
Рис. 4. Виды радиационной интроскопии с использованием: а – подвижного коллиматора с одним отверстием; б – подвижного коллиматора с рядом отверстий; в – неподвижного коллиматора с параллельными отверстиями; г – неподвижного сходящегося коллиматора; д – неподвижного расходящегося коллиматора; е – диафрагмы с точечным отверстием. 1 – пациент; 2 – область с повышенной концентрацией радионуклида; 3 – гамма-лучи; 4 – диафрагма; б – преобразователь «гамма-лучи – свет».
Так, устройство (рис. 4, б) обладает увеличенной эффективностью регистрации гамма-квантов, так как N отверстий функционируют параллельно, и кроме того, резко отображается структура распределения радионуклида только в одной плоскости – фокальной плоскости коллиматора. Устройство, схематически изображенное на рис. 4, в, часто имеет много отверстий и в связи с этим время экспозиции может быть уменьшено, что позволяет использовать такие устройства для динамических исследований, например, получать информацию о кровоснабжении сердечной мышцы. Для исследования небольших по размерам органов может быть эффективно использовано устройство, изображенное на рис. 4, г, которое увеличивает масштаб изображения. Устройство, изображенное на рис. 4, б, наоборот, уменьшает масштаб изображения.
В устройстве, схематически представленном на рис. 4, е, содержащем диафрагму с точечным отверстием, при изменении расположения диафрагмы относительно объекта и преобразователя можно изменять масштаб изображения.
С принципиальной точки зрения между системами (см. рис. 3, 4, а–д) нет существенной разницы. Действительно, если просвечиваемая среда (см. рис. 4, е) имеет точечную неоднородность, то в плоскости преобразователя радиационное изображение этой неоднородности по своей конфигурации будет конгруэнтно активной части источника излучения, т. е. просвечиваемая среда с точечной неоднородностью будет эквивалентна системе с диафрагмой, имеющей точечное отверстие. Направленный моноэнергетический пучок рентгеновских квантов в однородной среде ослабляется по экспоненциальному закону
I = Io ехр[–p,d]. (13)
Однако используемое в медицинской диагностике рентгеновское излучение не моноэнергетическое, а состоит из тормозного имеющего непрерывный спектр, и характеристического излучений.
Распределение потока в спектре тормозного рентгеновского «излучения по энергии или в шкале линейных коэффициентов ослабления моноэнергетических излучений определяется спектральной плотностью.
Далее приводятся основные характеристики параметров рентгеновских и гамма-преобразователей в соответствии с определениями, приведенными в разделе 1.1.
Рабочее поле радиационно-оптического преобразователя – это участок поверхности входной плоскости преобразователя, который может быть использован для получения выходного изображения при заданных участках контроля объектов. Размеры рабочего поля определяются в основном размерами входных экранов преобразователей радиационных изображений.
На входном экране происходит первичное преобразование радиационного изображения в изображение другого вида (яркость, проводимость, электронный поток и т. п.).
Масштаб преобразования радиационного изображения, т. е. отношение линейного размера элемента преобразованного выходного изображения к аналогичному линейному размеру соответствующего элемента исходного радиационного изображения, в основном определяется размерами входных и выходных экранов радиационных преобразователей. Выходным экраном радиационного преобразователя называют такой, на котором формируется изображение, непосредственно воспринимаемое глазом человека, или изображение другого вида, удобное для регистрации и анализа. Если для преобразования радиационного изображения в световое используют рентгеновский электронно-оптический преобразователь (РЭОП) или электронно-оптический преобразователь (ЭОП) или рентгенотелевизионные установки, то масштаб преобразования можно изменять с помощью их фокусирующих систем.
Световое изображение, сформированное видимым излучением, непосредственно воспринимаемое глазом человека, отличается по спектральному составу от радиационного изображения, сформированного ионизирующим излучением, поэтому в качестве метрологических характеристик используют как коэффициент усиления яркости, так и коэффициент радиационно-оптического преобразования, под которым понимают отношение значения максимальной яркости выходного изображения преобразователя к мощности экспозиционной дозы ионизирующего излучения исходного изображения при условии равномерного облучения входной плоскости преобразователя.
На рис. 5 показана типичная зависимость коэффициента радиационно-оптического преобразования от максимального напряжения на рентгеновском излучателе [3]. Видно, что кривые имеют максимум при U= (80-90) кВ. Характер кривых определяется тем, что при возрастании пикового напряжения на излучателе происходят два противоположных физических процесса: с одной? стороны, в радиационно-оптическом преобразователе при поглощении высокоэнергетического кванта возникает больше световых квантов, чем при поглощении кванта меньшей энергии, с другой стороны, доля поглощенных высокоэнергетических квантов: уменьшается.
Рис. 5. Зависимость коэффициента радиационно-оптического преобразования от пикового напряжения на рентгеновском излучателе.
Коэффициент усиления яркости радиационно-оптического преобразователя. Этот параметр определяется отношением значения1 яркости выходного экрана радиационно-оптического преобразователя к значению яркости эталонного флюоресцентного экрана при одинаковых заданных условиях радиационного облучения входной плоскости преобразователя и флюоресцентного экрана. Современный РЭОП с масштабом преобразования 1:10 и коэффициентом радиационно-оптического преобразования (примерно 4-10* кад-м_2/А-кг-1) обладает коэффициентом усиления яркости порядка 104.
Пределом разрешения радиационного преобразования называют наибольшее число штрихов в 1 мм исходного изображения, созданного штриховой радиационной мерой, которое обнаруживается раздельно при анализе выходного изображения, когда условия работы преобразователя оптимальны. Обычно обнаруживаемое число штрихов в 1 мм принято выражать в парах линий/мм, считая штрих и промежуток за пару линии. Штриховая радиационная мира представляет собой совокупность свинцовых полос толщиной 50-100 мкм, расположенных относительно друг Друга с зазором, равным ширине полос. Группа секций миры обеспечивает необходимый набор пространственных частот, предъявляемых для оценки предела разрешения радиационного» преобразователя. Если предел разрешения анализируется глазом человека, то он в значительной степени зависит от характеристик наблюдателя. Кроме того, он сильно зависит от контраста изображения миры, непосредственно воспринимаемого глазом человека и, таким образом, от характеристик ионизирующего излучения. При использовании излучения малых энергий (30-50 кэВ) детали миры различаются обычно значительно лучше, чем при высоких энергиях (60-80 кэВ). На предел разрешения влияет также случайный характер флюктуаций квантов ионизирующего излучения. Астигматизм проявляется в том, что предел разрешения R в какой-либо точке светового изображения не одинаков элемента выходного преобразованного изображения к: значению контраста соответствующего элемента исходного изображения. Указанная характеристика зависит от размеров элементов исходного изображения. Так, коэффициент передачи контраста протяженных элементов, площадь которых составляет примерно 10% рабочего поля, для современных РЭОП приближенно равен 0,8. Основные причины снижения контраста протяженных элементов в этом случае – отражение света внутри РЭОП и его рассеяние в выходном стекле.
Рис. 7. Характеристика РЭОП. а – зависимость, относительной яркости выходного экрана от времени; 1 – при нарастании яркости, 2 – при спаде яркости; б – зависимость относительного коэффициента передачи контраста от частоты модуляции радиационного изображения.
Временное разрешение. Реакция радиационно-оптического преобразователя во времени зависит от скорости протекания физических процессов в его элементах, в частности от соответствующих реакций его входного и выходного экранов. Реакция преобразователя на изменение радиационного изображения может характеризоваться временем нарастания и временем спада яркости выходного экрана при скачкообразном изменении мощности дозы излучения и зависимостью коэффициента передачи контраста от временной модуляции радиационного изображения. Графики рис, 7, а, б характеризуют временное разрешение современных РЭОП.
Вследствие взаимосвязанности отмеченных выше характеристик выработка единого для всех радиационно-оптических преобразователей критерия их качества представляет значительные трудности.
