Особенности контроля характеристик рентгено-диагностической аппаратуры

Современная рентгенодиагностическая аппаратура представляет собой достаточно сложные технические средства требующие наличия соответствующих систем контроля их основных характеристик в процессе эксплуатации и на этапах заводских и приемочных технических испытаний. В первую очередь это касается характеристик приемников-преобразователей, которые в значительной степени определяют качество формируемых «картин» в системе изображения.

Одним из основных параметров рентгеновского изображения являются пространственная способность, контрастная чувствительность и динамический диапазон. Кроме этого для контроля качества изображения в цифровых системах дополнительно вводят такие показатели как: геометрические искажения (дисторсия); характеристика деталь-контраст; неравномерность распределения яркости в поле изображения; отношение сигнал/шум; квантовая эффективность детектора.

Для измерения параметров характеризующих качество рентгеновского изображения используют специально разрабатываемые фантомы, тест-объекты состоящие из вещества, имитирующего по плотности тело человека (вода, плексиглас), в котором находятся специальные эталоны – миры и градационные поглотители.

Миры представляют собой периодическую систему взаимно параллельных полосок из свинцовой фольги, закрепленных на подложке из рентгенопрозрачного материала. Ширина полосок равна промежутку между ними, а их длина на порядок и более превосходит их ширину. Величину пространственной разрешающей способности системы определяют по количеству различаемых на снимке линий в пределах 1 мм:

где  - ширина полоски миры, мм.

Работы в области повышения качества оценки разрешающей способности цифровых систем привели к разработке различных конструкций мир. Например, известны рентгеновские миры, в которых группы полосок одинаковой ширины располагаются на подложке таким образом, чтобы расстояние между группами монотонно нарастало (убывало), причем это расстояние не должно быть равно целому числу четвертей периода миры. Недостаток предложенного метода заключается в том, что его реализация на практике может привести к необходимости увеличения количества используемых тест-объектов.

Для оценки пространственной разрешающей способности дискретных периодических структур, каковыми являются практически все виды цифровых многоканальных приемников-преобразователей, может быть также использован тест-объект деталь-контраст, который представляет собой пластину из рентгенопрозрачного материала, в которую нерегулярным образом относительно сетки расположения каналов приемника (например, вдоль окружностей с изменяемым радиусом) вмонтированы металлические диски различного диаметра и толщены, причем толщины подбираются таким образом, чтобы обеспечить калиброванные уровни контраста для определенного качества излучения. При оценке с помощью данного тест-объекта пространственной разрешающей способности необходимо оценивать её по элементам с максимальным уровнем контраста, а при попытке интерпретировать результаты проверок необходимо учитывать различия в восприятии человеческим глазом предметов вытянутой, прямоугольной и круглой формы. В этих случаях оценки корректируют при использовании поправочного коэффициента, значение которого приблизительно равно 1,1.

Градационный поглотитель представляет собой ступенчатый клин из рентгенопоглощающего материала, например алюминия. Часто используют и набор алюминиевых дисков различной толщины, диаметром не менее 10 мм. На рентгеновском снимке контрольные элементы (ступеньки клина или диски) создают изображение различной контрастности. Тот из калиброванных по контрасту контрольных элементов, который ещё воспринимается наблюдателем, и определяет контрастную чувствительность рентгенографической системы.

Рассмотрим вариант конструкции рентгеновского клина используемого для определения контрастной чувствительности и динамического диапазона цифровых рентгеновских аппаратов (ЦРА) (рис. 2.25.) [5].

Рис. 2.25. Устройство для определения контрастных характеристик.

Это устройство (рентгеновский клин) содержит подложку из рентгенопрозрачного материала и жестко закрепленный на ней -ступенчатый клин. Толщина каждой ступеньки  градационного клина 3 выбирается из условия обеспечения калиброванного значения контраста в изображении, соответствующего рентгеновскому излучению заданного энергетического состава, например с 0,5, 1,0, 2,0, 3,0, 4,0, 5,0% и т.д. поглощением. Между каждой парой рядом расположенных ступенек выполнены поперечные пазы  на всю толщину градационного клина (до подложки 2), при этом длина пазов равна ширине градационного клина, а их ширина  в 5 -10 раз меньше ширины  ступеньки градационного клина.

Устройство размещается в рабочей области контролируемого ЦРА таким образом, чтобы центральная ось клина совпадала с одной из вертикальных или горизонтальных осей детектора. Затем производится стандартное включение контролируемого ЦРА, в результате чего в память компьютера записывается цифровое изображение указанного устройства в режиме, соответствующем СПО -7 мм Al (70 кВ, фильтр 20 мм Al). В режиме контроля специальная программа анализирует строку этого изображения, проходящего вдоль поглотителя по его центру. Далее последовательно определяются с требуемой точностью усредненные значения сигналов, соответствующие интенсивностям потока рентгеновского излучения, прошедшего через каждую ступеньку градационного клина, а также усредненные значения сигналов, соответствующие интенсивностям потока рентгеновского излучения, прошедшего через каждый паз. Затем последовательно определяется разность усредненных сигналов, прошедших через соответствующую ступеньку градационного клина и рядом расположенный паз и эта разность сравнивается с заданным пороговым сигналом . В результате исключается погрешность измерений, связанная с неоднородностью распределения интенсивности по поверхности поглотителя. После этого определяется наименьший номер ступеньки клина, для которой указанная выше разность сигналов меньше порогового значения. На основании полученных данных определяется требуемая контрастная характеристика.

По определению под динамическим диапазоном понимают отношение максимальной интенсивности рентгеновского излучения к минимальной при облучении площади рентгеновского преобразователя, при котором различаются тесты заданной геометрической величины 5% радиационного контраста.

Для определения этой характеристики в [5] предлагается использовать градационный поглотитель в виде -ступенчатого клина из меди (Cu) частично поглощающей рентгеновское излучение. Причем толщина каждой ступени такова, что каждое ослабление потока рентгеновского излучения осуществляется на одну и туже величину относительно уровня ослабления предыдущей ступени в режиме соответствующем СПО = 7 мм Al (70 кВ, фильтр 20 мм Al). Кроме того, клин содержит - пластинок практически полностью поглощающих рентгеновское излучение (из Pb). Они расположены в начале каждой ступени и имеют длину, равную ширине ступеньки клина, а ширину меньшую, чем ширина ступеньки (рис. 2.26). Свинцовые пластинки позволяют четко выделять границы изображения каждой из ступеней измерительного клина для дальнейшего учета геометрических искажений каждой зоны при автоматическом определении динамического диапазона цифровой системы с помощью модуля порогового сравнения средних значений яркостей изображения.

Клин помещается в рабочую область рентгенодиагностического аппарата и затем производится стандартное включение аппарата при дополнительной фильтрации исходного рентгеновского излучения фильтром из алюминия толщиной 20 мм в указанном выше режиме.

Рис. 2.26. Градационный -ступенчатый клин для определения динамического диапазона.

1 – пластинка из свинца; 2 – образцовый медный клин со ступенями; 3 – подложка.

После съемки градационного клина (или только центрального продольного среза этого клина для сканирующих ЦРА) программа контроля анализирует информацию строки, содержащей цифровое представление указанного центрального продольного среза градационного клина и рассчитывает соответствующий динамический диапазон.

Геометрические искаженияопределяются путем измерения длин отрезков, ограниченных двумя наперед заданными точками.

Метод оценки характеристики деталь-контрастосновывается на экспертном (субъективном) оценивании получаемых изображений специально разрабатываемых тест-объектов.

Неравномерность распределения яркости изображения рассмотрим на примере цифровых систем с введением понятия пиксела. Специфика расчета заключается в том, что после регистрации изображения “чистого поля” при заданном значении дозы в плоскости детектора в середине изображения задают область размером примерно  мм (например,  пиксела) и оценивают среднее значение яркости пикселов в этой области :

                                               (2.3)

где  и  - количество пикселей в выбранной области вдоль каждой из координат;  - яркость пикселя с координатами (ij).

Аналогично получают оценки средней яркости пикселей в областях, расположенных ближе к краю зарегистрированного изображения (например, на расстояниях от центра, соответствующих 0,7 и 0,9 полуширины изображения вдоль соответствующей координаты).

Полученные значения яркости в центре и на периферии определяют соответствующую неравномерность. Методы контроля отношения сигнал/шум сводятся к оценке среднего уровня сигнала яркости и среднеквадратического значения сигнала яркости (характеризующего разброс яркостей) в выбранной области зарегистрированного в системе изображения “чистого поля” и определения их отношения, т.е.:

.

В качестве области может быть задана любая строка изображения, область может быть прямоугольной и захватывать либо часть, либо всё изображение целиком (выбор области интереса должен быть определен соответствующей методикой).

Среднеквадратическое значение сигнала яркости получают при использовании стандартных процедур либо по формуле:

 может быть получено при использовании выражения (2.3). Как правило, в цифровых рентгенопреобразующих системах принимаются специальные меры по компенсации составляющей сигнала яркости, возникающей при отсутствии рентгеновского излучения (обычно вызываемой так называемыми “темновыми токами”). Если в штатном программном обеспечении подобная функция отсутствует, необходимо оценить постоянную составляющую (среднее значение) сигнала яркости в отсутствии рентгеновского излучения и сделать соответствующую поправку при расчете .

Квантовая эффективность детектора и в особенности её зависимость от пространственных частот является обобщенной характеристикой качества формирования цифрового рентгеновского изображения. Эта характеристика не исчерпывает всего многообразия параметров, описывающих качество формирования изображения в цифровых рантгенопреобразующих системах, однако позволяет проанализировать ряд из них (например, оценить уровень дозы в плоскости детектора, необходимый для формирования изображения заданного качества, оценить реализуемые в системе пространственное разрешение, выходное отношение сигнал/шум, контрастную чувствительность, частотно-контрастную характеристику).

Методы контроля зависимости квантовой эффективности от пространственных частот громоздки, однако оценка “частотно-независимой” квантовой эффективности детектора (или как её ещё называют “квантовой эффективности детектора в области нулевых пространственных частот”) не представляется сложной.

Испытания целесообразно проводить при качестве излучения, соответствующем по эффективной энергии слою половинного ослабления 7 мм Al. Изменение дозы в плоскости детектора регулируют изменением силы тока рентгеновской трубки либо количества электричества. Квантовую эффективность детектора в области нулевых пространственных частот определяют при использовании следующего выражения:

                                        (2.4)

где  - доза в плоскости приемника, мкГр;  - площадь приемного канала (размер пиксела), мм².

Представленный в выражении (2.4) коэффициент 29400 характеризует квадрат отношения сигнал/шум на входе приемника-преобразователя при заданном качестве излучения (приведенный к дозе 1 мкГр и площади 1 мм²).

При выполнении приемосдаточных испытаний, настройки, ремонта и эксплуатации рентгенодиагностических аппаратов в соответствии с САНПиН 2.6.1.802-99 необходимо проводить периодический контроль радиационного выхода по следующим параметрам:

- воспроизводимости дозы излучения в режиме рентгенографии как при свободном выборе уставок анодного напряжения ( ) и количества электричества (в мА∙с), так и при работе с автоматическими системами экспонирования;

- линейности дозы излучения в зависимости от уставок мА∙с во всем диапазоне уставок количества при различных уставках анодного напряжения ;

- формы кривой и пульсаций анодного напряжения;

- значений радиационного выхода при различных уставках анодного напряжения, нормированных к единичному значению количества электричества – 1 мА∙с и к фокусному расстоянию 1м.

Такой контроль осуществляется с использованием специальных приборов – дозиметров.

Большинству вышеуказанных требований отвечают отечественные приборы типа ИД – 03, ДЭР – 01 м и др. разработанные в НИИ интроскопии и МНПО “Спектр”, Москва [10].

На рис. 2.27 приведена блок-схема одного из таких приборов типа ДЭР – 01М.

В этом приборе в качестве детектора используется ионизационная камера, чувствительный объем которой заполнен воздухом, а её электроды выполнены из металлов с высокоатомными номерами для обеспечения повышенной эмиссии электронов при воздействии рентгеновского излучения. Этим достигается повышение чувствительности ионизационной камеры до необходимого уровня в пределах допустимых отклонений по спектральной чувствительности.

Дозиметр ДЭР – 01 М позволяет осуществлять контроль за :

- повторяемостью радиационного выхода излучения в режиме рентгенографии;

- линейностью дозы в зависимости от изменения количества электричества, прошедшего через рентгеновскую трубку;

- дозой излучения в плоскости приемника излучения;

- дозой излучения на рабочем месте врача;

- дозой излучения на заданном расстоянии от фокуса рентгеновского излучателя;

- мощностью дозы в плоскости приемника излучении при рентгеноскопии с целью недопущения переоблучения пациента;

- мощностью дозы на рабочих местах обслуживающего персонала с целью недопущения переоблучения персонала.

Управление дозиметром осуществляется тремя псевдосенсорными кнопками: "Сброс/Измерение", "мкГр/нГр" и "мкГр/с/нГр/с". Кнопка "Сброс/Измерение" включает режим "Измерение" и сбрасывает набранное значение дозы перед проведением очередного измерения. Кнопка "мкГр/нГр" служит для включения необходимого диапазона измерения, а с помощью кнопки "мкГр/с/нГр/с" производится измерение мощности дозы на установленном ранее диапазоне. Четвертая псевдосенсорная кнопка -"Контроль" служит для проверки корректности функционирования всех узлов прибора перед проведением измерений. Индикация состояния кнопок светодиодная. Состояние кнопки "Сброс/Измерение" осуществляется светодиодом двойного свечения: красного в положении "Сброс" и зеленого в положении "Измерение". Включение диапазона измерений индицируется соответствующей кнопкой красного свечения.

При включении режима "Контроль" производится электрическая проверка функционирования и правильности подключения ионизационной камеры, рабочего состояния всех измерительных цепей дозиметра начиная от наличия необходимого питания ионизационной камеры, работоспособности всех электронных цепей и элементов и заканчивая проверкой корректности вывода показаний на цифровой дисплей. Это достигается путем формирования и подачи на высоковольтный электрод ионизационной камеры специального тестового импульса.

Для удобства эксплуатации в приборе предусмотрена сигнализация пределов рабочих мощностей доз, гарантирующих заявленную повторяемость измерений: при недостаточной мощности дозы (или отсутствии излучения) зеленое свечение индикатора "Измерение" включается в пульсирующий режим, а при превышении допустимого уровня включается звуковой сигнал.

Прибор позволяет измерять величину дозы и мощности дозы, обеспечивая расположение контроллера вне зоны прямого либо рассеянного потока рентгеновского излучения, так как длина соединительного кабеля между детектором излучения и пультом управления с дисплеем индикации составляет 8 м. По требованию заказчика длина кабеля может быть изменена как в сторону увеличения, так и уменьшения.

В табл. 2.17 представлены основные технические характеристики дозиметра ДЭР-01М.

Таблица 2.17

Основные технические характеристики дозиметра ДЭР-01М.

Отличительной особенностью прибора НД-03 является использование полупроводникового детектора на основе Si (Li) с p-i-n структурой обладающего малыми габаритами.

В современных дозиметрах все большее распространение начинают получать применение микроконтроллеры (например в приборе типа УКРЭХ научно-практического центра медицинской радиологии), которые помимо функций по расчету и запоминанию множества получаемых результатов решают задачи контроля работоспособности дозиметра, выхода параметров излучения за допустимые пределы, автоматического определения времени экспозиции и т. д.