Вторичные преобразователи в интроскопии. УРИ. Принцип действия

Вторичные преобразователи в интроскопии. УРИ. Принцип действия. Вторичные преобразователи. В многозвенных системах медицинской интроскопии после взаимодействия первичного излучения с исследуемым объектом формируемое изображение часто преобразуется в световое, видимое изображение.

Для преобразования светового изображения в электрические сигналы используют вторичные преобразователи преобразователи свет-сигнал. Например, в системах телевизионной эндоскопии и офтальмологии используется преобразование в сигнал изображения, сформированного оптической системой. К числу основных проблем, возникающих проблем, возникающих при проведении рентгенологических исследований любым методом, в том числе методом рентгеноскопии, относятся задача максимального снижения дозы рентгеновского облучения, получаемой пациентом и рентгенологом, и задача увеличения яркости наблюдаемого изображения. Наиболее полно эти обе задачи могут быть решены при использовании телевизионного способа регистрации.

В настоящее время рентгеноскопия осуществляется при помощи обычных флюоресцирующих экранов, электролюминесцентных преобразователей, электронно-оптических преобразователей, а также путем сочетания флюороресцирующих экранов с электронно-оптическими усилителями с применением промежуточной оптики.

Рентгеноскопия с использованием обычного флюоресцирующего экрана является наиболее простым и распространенным методом рентгенодиагностики. Однако возможности метода ограничиваются малой яркостью изображения. Наблюдение изображения производится лишь в затемненном помещении после определенного времени, необходимого для темновой адаптации глаз наблюдателя.

Анализ изображения, имеющего малую яркость свечения, затруднен даже после длительной адаптации глаз, так как при уменьшении яркости значительно ухудшаются острота зрения и контрастная чувствительность глаза. Использование электролюминесцентных преобразователей позволяет увеличить яркость наблюдаемого изображения в 30-100 раз по сравнению с яркостью обычных флюоресцирующих экранов. В результате наблюдение можно проводить в незатемненном помещении. Значительно большее увеличение яркости изображения дает использование электронно-оптических преобразователей по сравнению с флюоресцирующим экраном примерно в 1000 раз, при этом может быть достигнуто высокое качество наблюдаемого изображения.

Однако создание электронно-оптического преобразователя, имеющего большую площадь, чувствительную к рентгеновским лучам, представляет технологически сложную задачу. Поэтому получившие распространение ЭОП имеют диаметр входной рабочей части от 150 до 320 мм. Повысить величину просматриваемой при рентгеноскопии области можно путем сочетания флюоресцирующего экрана с электронно-оптическим усилителем.

Работающие в настоящее время электронно-оптические усилители дают примерно 50 000-кратное увеличение света. Электронно-оптические усилители и преобразователи имеют весьма малые размеры наблюдаемого изображения диаметром 10-15 мм, что затрудняет использование их в рентгеноскопии. Для получения наибольшей чувствительности в системе с рентгенотелевизионной установкой, использующей высокочувствительную передающую трубку в сочетании с обычным флюоресцирующим экраном, целесообразно использовать светосильный зеркальный объектив.

Электрический сигнал, образованный передающей трубкой, усиливается и модулирует электронный луч приемной трубки, создавая на экране изображение, имеющее яркость примерно в 10 000 раз выше яркости флюоресцирующего экрана. Такое изображение можно наблюдать в хорошо освещенном помещении. Роль вторичного преобразователя играет передающая ТВ трубка.

Одним из достоинств такого построения системы является возможность изменения масштаба съемок путем замены объектива или изменения расстояния от экрана до передающей трубки. Это дает возможность производить обзор большой площади обследуемого объекта. В настоящее время созданы образцы передающих телевизионных трубок, непосредственно чувствительных к рентгеновским лучам. Необходимо отметить, что при создании передающей трубки, имеющей большую площадь рентгеночувствительной поверхности и обладающей высокой эффективностью преобразования, встречается ряд технических трудностей.

Эффект, получаемый при использовании телевидения, не ограничивается снижением требуемой интенсивности пучка рентгеновских лучей и увеличение яркости наблюдаемого изображения. Преимуществом телевизионного метода рентгеноскопии является возможность изменения в широких пределах контрастности изображения путем регулировки характеристик усилительного канала, а также изменение контрастности отдельных участков например, светлых или темных.

Использование телевизионных методов в рентгенотехнике позволит усовершенствовать томоскопию и получить в перспективе объемное изображение исследуемого объекта. Телевизионные способы микрофильмирования рентгенограмм позволяют производить изменение градационных характеристик с целью улучшения качества рентгенограмм. Существенно упростить процесс исследования можно путем использования телевизионного устройства для преобразования яркостного контраста в цветовой цветового кодирования.

Последние два метода имеют особо важное значение при рентгенологических исследованиях мягких тканей. В качестве вторичных преобразователей в настоящее время используются фотоэлектрические преобразователи с внутренним фотоэффектом, матричные преобразователи на базе ППЗ, усилители света и др. 2.2. УРИ. Принцип действия. Рентгеновский усилитель изображения объединяет функции рентгеновского детектора и усилителя яркости в одном стеклянном корпусе см. рисунок 1. Рентгеновские лучи бомбардируют входной экран обычно это слой йодида цезия, который флюоресцирует пропорционально интенсивности рентгеновского излучения.

Входной люминофор Рис. 1 Схема УРИ расположен в максимальной близости к фотокатоду, так что свет стимулирует испускание электронов. Эти электроны ускоряются напряжением 25 кВ и фокусируются электрическим полем. Они бомбардируют входной люминофор, который формирует изображение, которое является меньшим по размеру, но более ярким, чем полученное во входном люминофоре. Отношение яркости изображений, полученных двумя люминофорами, называется усилением яркости трубки усилителя.

Необходимость широкого внедрения УРИ общеизвестна Ш во-первых, это увеличение примерно на три порядка по сравнению с экраном яркости рентгеновского изображения и обеспечение тем самым оптимальных условий рассматривания изображений рентгенологом и возможность извлечения из изображения максимума диагностической информации Ш во-вторых, внедрение УРИ позволяет снизить в 4-5 раз дозу облучения пациента и за счет дистанционного наблюдения вывести врача из зоны действия ионизирующего излучения Эти достоинства УРИ являются настолько важными, что они значительно компенсируют их основные недостатки сложность и высокую стоимость.

Конструктивно УРИ состоит из электронно-оптического блока, камерного канала, монитора и АРМ рентгенолога. Электронно-оптический блок крепится на штативе рентгеновского аппарата. Камерный канал и монитор устанавливаются на подвижной тележке в непосредственной близости от рентгенолога.

В некоторых конструкциях УРИ камерный канал устанавливается в электронно-оптическом блоке. АРМ рентгенолога может быть вынесен из рентгеновского кабинета в удобное для врача место. Основные параметры и характеристики УРИ нормированы российским стандартом ГОСТ 26141-84. К ним относятся диаметр рабочего поля, геометрические искажения, динамический диапазон, неравномерность сигнала по полю изображения, отношения сигналшум и ряд других.

В мировой практике УРИ на первом рабочем месте рентгенолога стал рутинным прибором, благодаря тому, что с помощью УРИ только за счет усиления яркости рентгеновского изображения информативность рентгенологического исследования повышается в несколько раз при мощности дозы, в 3-5 раз меньшей, чем на рентгеновском экране. Также рентгенологу нет надобности адаптироваться к полной темноте, он может работать в полузатененном помещении. Одним из основных функциональных элементов УРИ является рентгеновский электронно-оптический преобразователь РЭОП, который преобразует рентгеновское изображение в видимое см. рисунок 2. РЭОП представляет собой электровакуумный прибор, внутри колбы 1 которого создается вакуум около 10-7 мм рт.ст. В непосредственной близости от входного окна колбы расположен экранно-катодный узел, состоящий из флюоресцентного экрана 2, обеспечивающего превращение рентгеновского потока в световой, и находящегося с ним в оптическом контакте фотокатода 3. Испускаемые экраном под действием рентгеновских лучей кванты света бомбардируют фотокатод, образуя электронное изображение, которое электростатическим полей, создаваемым электронно-оптической системой, переносится на выходной экран 4. Электростатическое поле создается электронными линзами, образованными подбором соответствующих напряжений на электродах РЭОП. В большинстве РЭОП электростатическое поле создается четырьмя электродами катодом, Рис. 2 Схема РЭОП которым служит экранно-катодный узел, фокусирующим электродом 5, дополнительным 7 и основным 6 электродами анода.

Электронное изображение, образуемой фотокатодом, при переносе на выходной экран ускоряется за счет приложенных к электродам высоких напряжений и уплотняется, масштаб переноса изображения увеличивается приблизительно в 10 раз, если на выходной экран фокусируется все рабочее поле. Сжатое электронное изображение бомбардирует выходной экран 4, изготовленный из мелкозернистого люминофора, на внутренней стороне выходного окна колбы.

В результате на выходном экране создается яркое уменьшенное изображение.

Таки образом, в РЭОП имеет место тройное преобразование изображения рентгеновского в световое, светового в электронное и электронного вновь в световое.

Входное окно РЭОП должно иметь высокое пропускание для рентгеновского излучения и выполняется из стекла или тонких металлических пластинок алюминий, сталь. Например, в РЭОП фирм Thomson и Siemens применены алюминиевые окна с коэффициентом пропускания около 0,9 для рентгеновских лучей со слоем половинного ослабления 7 мм Al таблица 1. Таблица 1. Основные параметры 9 РЭОП Тип РЭОП HIDEQ 23-3 ISXTH 9438 HXРЭП-1ФирмаSiemensThompsonМЭЛЗРазмеры рабочих полей, мм215160120215160120215165Размер выходного экрана, мм252525Толщина стекла за экраном, мм141414Люминофор входного экранаHDQE CsI layerCsICsIТип выходного экранаР43Р20Р20Максимум спектра излучения, нм548550550Разрешающая способность на рабочих полях, мм-15,26,06,55,25,86,82,53,8Дисторсия, интегральная дифференциальная 5 18 4 15 5 20Квантовая эффективность при энергии рентгеновских фотонов 59,5 кэВ 0,65 0,65 0,65Коэффициент сохранения контраста на детали диаметром 10 мм детали, занимающей 10 рабочего поля 0,95 0,97 0,95 0,97 0,92 0,94 Диаметр входного окна РЭОП определяет рабочее поле УРИ и у разных типов составляет от 120 до 570 мм. Наиболее распространены 9-дюймовые РЭОП с входным экраном номинальным диаметром 230 мм. Диаметр выходного экрана составляет 15, 20, 25, 30 или 35 мм. Входные экраны у современных РЭОП изготавливают из йодида цезия CsI, главным преимуществом которого является 100 однородная плотность вещества, не требующая введения связывающей основы и гарантирующая высокую эффективность поглощения рентгеновского излучения.

Экран CsI обеспечивает выход до 2000 фотонов на один поглощенный рентгеновский квант.

Длина волны светового излучения согласуется со спектральной характеристикой фотокатода путем введения активатора Na натрия.

К выходным экранам РЭОП предъявляются повышенные требования по разрешающей способности. Большинство РЭОП изготавливают с несколькими рабочими полями.

Часто в оптическом узле УРИ устанавливается световая диафрагма, позволяющая контролировать освещенность на фотоприемнике. Именно с ее помощью при настройке режима рентгеноскопии устанавливается компромисс между разрешающей способностью и чувствительностью. Уменьшение диаметра диафрагмы приводит к повышению разрешения и дозовой нагрузки на пациента. В некоторых типах УРИ с целью полного использования фоточувствительной поверхности преобразователя свет-сигнал используют оптику, которая трансформирует круглое изображение РЭОП в эллипсоидальное.

Восстановление осуществляется электронным путем. В УРИ некоторых фирм оптика рассчитана с учетом компенсации дисторсии РЭОП. Такие объективы применены, например, фирмой НИПК Электрон Санкт-Петербург в усилителях рентгеновских изображений серии УРИ-612. До недавнего времени в качестве преобразователей изображения в видеосигнал в УРИ на РЭОП использовались исключительно передающие телевизионные трубки класса видикон видиконы, плюмбиконы, кремниконы и кадмиконы и др. Название этих трубок определяется типом используемого фотослоя мишени.

Например, у видикона используется мишень из трехсернистой сурьмы, у плюмбикона из оксида свинца, а у кадмикона из сернистого кадмия. В настоящее время применение передающих телевизионных трубок в УРИ практически вытеснено ПЗС-матрицами. Прибор с зарядовой связью ПЗС изобретен в 1969г основой элемента пиксела ПЗС является конденсатор со структурой металл-окисел-полупроводник МОП-конденсатор.

Именно этот конденсатор является элементом, способным хранить заряды, образуемые под действием света. Цепочка из связанных друг с другом пикселов обладает способностью под воздействием управляющих напряжений передавать пакеты зарядов на выход, где они преобразуются в выходной видеосигнал. В ПЗС максимальный накапливаемый в пикселе заряд может достигать несколько сотен тысяч.

С другой стороны, возможности ПЗС в части регистрации неярких изображений ограничиваются шумами, основными из которых являются шумы светового потока, шумы теневого тока, шумы считывания. Время передачи заряда из пиксела в пиксел характеризуется тактовой частотой, максимальное значение которой обуславливает допустимое время передачи зарядового сигнала из одного пиксела в другой. В УРИ с телевизионными камерами первого стандарта время передачи строки 64 мкс используется тактовая частота около 14,5 МГц, а для УРИ с камерами высокой четкости время передачи строки 32 мкс около 40 МГц. ПЗС-матрицы это безынерционные приборы.

Их влияние на динамическую нерезкость зависит от времени экспозиции кадра. В таблице 2 приведены параметры ПЗС-матрицы, которые использованы в УРИ-612 производства НИПК Электрон и в ряде других УРИ, например УРИ Аметист ЗАО Амико. Таблица 2. Параметры ПЗС-матриц, используемы в УРИ Тип ПЗС FT 800PICX039BLAFT-12ФирмаPHILIPSSONYPHILIP SТип переноса зарядовКадровыйСтрочно-кадровыйКадровыйР азмер пиксела, мкм8,516,88,68,37,515Размер растра, мм4,86,44,86,47,77,7Число пикселов в строке7547521024Число строк5765821024Емкость пиксела, ке70-75Динамический диапазон, раз3900-5800Чувствительность, келк4,0-2,7 Если сопоставить параметры и характеристики ПЗС с видиконами, то можно отметить следующее.

Работа видикона базируется на наличии фоточувствительной мишени и ее сканировании в вакууме электронным лучом. Таким образом видикон является представителем вакуумной электроники со всеми ее недостатками Ш полная электрическая несовместимость с современной микроэлектроникой высоковольтное питание, необходимость фокусирующей и отклоняющей систем, значительная потребляемая мощность, аналоговая форма сигнала Ш электронно-лучевую трубку с ее фокусирующей и отклоняющей системой не сделать сверхминиатюрной не сделать.

Вакуум накладывает ряд ограничений вибрация вызывает микрофонный эффект, сильные удары могут разбить трубку Ш из-за сложности, разнородности, конструкции, а также трудоемкости монтажно-сборочных работ видиконы всегда останутся дорогими приборами с ограниченной долговечностью. Таким образом, ПЗС идеально подходят для высоконадежных цифровых технологий.

Это не только твердотельный аналог видикона, но и следующее за электронно-лучевыми передающими телевизионными трубками поколение преобразователей свет-сигнал. Примерами отечественных УРИ с ЗТС на ПЗС-матрицах являются УРИ-612 НИПК Электрон и УРИ Аметист ЗАО Амико. 3. Классы виды УРИ По функциональным возможностям УРИ делятся на два класса Ш усилители, предназначенные только для рентгеноскопии с возможностью запоминания последнего кадра при выключении просвечивания Ш усилители, в которых, кроме режима рентгеноскопии, предусмотрен режим цифровой рентгенографии, в ряде случаев заменяющий прицельные снимки на пленку.

Для осуществления второго режима УРИ комплектуются аппаратно-программным комплексом, который позволяет записать изображение в память компьютера и при необходимости получить твердую копию. Класс УРИ с компьютерным аппаратн0-программным комплексом является наиболее перспективным и позволяет внедрить на первое рабочее место РДК беспленочную техенологию получения прицельных рентгеновских снимков, которая имеет ряд преимуществ перед пленочной технологией.

Цифровые УРИ резко сокращают эксплуатационные расходы за счет отказа от пленки, фотореактивов и пленочного архива. В несколько раз увеличивается пропускная способность первого рабочего места и производительность рентгенологов, уменьшается трудоемкость получении рентгеновских снимков, так как цифровые рентгеновские снимки получаются в считанные секунды даже после компьютерной коррекции, согласования качества снимка со свойствами зрения.

В УРИ используются три модификации цифровых телевизионных систем. Телевизионными системами на полудюймовых ПЗС-матрицах с числом пикселов 776582 оснащаются УРИ на РЭОП номинальным диаметром 230 мм. Эти системы имеют малошумящий усилительный тракт с регулируемым цифровым шумоподавлением.

Подавление шума происходит без смазывания контуров движущихся органов. Степень подавления шума может быть увеличена с пульта усилителя. С пульта УРИ можно изменять полярность изображения позитив-негатив, осуществлять инверсии изображения верх-низ, право-лево, задавать уровни шумоподавления в зависимости от подвижности просвечиваемых органов. Телевизионные системы на ПЗС-матрицах с числом пикселов 10241024 предназначены для УРИ высокого разрешения, например для ангиографических комплексов или УРИ с большими рабочими полями диаметром 290 мм и более.

Телевизионные системы сверхвысокого разрешения 20482048 и 30722048 пикселов используются в УРИ для поворотных столов-штативов, которые могут не комлектоваться стандартными ЭСУ для прицельных снимков на пленку. При рентгеноскопии УРИ сверхвысокого разрешения работают в импульсном режиме пульс-флюоро с максимальной частотой смены кадров 20 кадров в секунду.

Большинство современных УРИ оборудованы системами стабилизации мощности дозы во входной плоскости РЭОП, что автоматически оптимизирует качество изображения. Уровень установленной мощности дозы отображается на экране монитора. Система стабилизации легко адаптируется под конкретные типы питающих устройств. Использование в УРИ цифровых телевизионных камер позволяет снизить дозовые нагрузки до 10 раз, улучшить качество изображений и резко сократить эксплуатационные расходы. 4.