Рентгеновское изображение

Wilhelm Conrad Röntgen

Рис.1,Рентгеновский снимок руки (1895 год)

Рис.2,Получение рентгеновского изображение, 19 век.

X-лучи с космоса

Рентгеновское изображение — изображение, образующееся на флюоресцирующем покрытии или светочувствительном материале под воздействием рентгеновского излучения, прошедшего через исследуемый объект. Первоначально выглядело, как чёрно-белое теневое изображение (проекция), так как формировалось с помощью непосредственного облучения объекта, лежащего на фотопластинке или на фотобумаге (либо расположенного перед флюоресцентным экраном). Изборажение создавалось без использования таких традиционных оптических элементов, как объектив (линзы для рентгеновских лучей не были разработаны). В дальнейшем появилась возможность получения цветных рентгеновских изображений, с помощью алгоритмов перевода нескольких частных монохромных изображений, сделанных на разной длине волны, и преобразования их суммы в цветное изображение. Это преобразование проводилось вначале механически, а позже - на компьютере, с помощью разных алгоритмов, аналогично созданию цветного изображения в видимых лучах по аддитивному способу.

История

Для получения рентгеновского изображения Немецкий физик Вилхелм Конрад Рентген (1845-1923) 8 ноября 1895 года произвел и обнаружил электромагнитное излучение в диапазоне длин волн рентгеновского излучения. За это открытие он был удостоен первой Нобелевской премии в области Физики в 1901 году.. Это открытие стало началом применения рентгеновских лучей в медицине (См. Рис.1, Рис.2). Способность рентгеновских лучей проходить сквозь мягкие и костные ткани и при столкновении на свём пути с разной их плотностью и составом терять при этом часть своей лучевой энергии образовывадо на флюоресцентеом материале или фотоматериале — фотопластинке или фотоплёнке теневое рентгеновское изображение просвеченной части исследуемого тела. При этом исследуемый объект размещался между излучателем и флюоресцентным экраном или фотоматериалом (Фотоплёкой). Данный способ диагностики открыл возможность врачам взглянуть во внутрь организма и определять его состояние при здоровом образе жизни или при нарушении этого состояния. Данный метод диагностики несмотря на свои недостатки широко используется в настоящее время. Главными недостатками способа являются:

• Повышенная доза радиации при диагностике;
• Большой расход серебра при применении фотопластин, фотоплёнок;
• Облучение врачей-рентгенологов.

С момента открытия рентгеновского излучения для рентгеноскопии применялся флюоресцентный экран, представлявший из себя в большинстве случаев лист картона с нанесенным на него слоем специального флюоресцирующего вещества.

В современных условиях применение флюоресцентного экрана не актуально в связи с его малой светимостью, что вынуждает проводить диагностику, исследования в затемненном помещении с длительной адаптацией исследователя к темноте (10-15 минут). В настоящее время рентгеновское изображение получают на базе различных методов, включающих прямые аналоговые, непрямые аналоговые и цифровые технологии. В конечном итоге можно рентгеновские изображения разделить на:

• Аналоговые рентгеновские изображения на флюоресцентном экране и на фотоэмульстонном слое прозрачных материалов (фотопластинке, фотоплёнке);
• Цифровые рентгеновские изображения на матрицах фотосенсоров.

Главный принцип прямого аналогового изображения, куда входят обычная рентгенография и рентгеноскопия, состоит в том, что фиксируемое оптическое рентгеновское изображение объекта создаётся на рентгеновской плёнке или флюоресцентном экране точками, плотность — (яркость) которых отражает степень поглощения объектом квантов рентгеновского излучения. Размер этих точек зависит от физико-химических свойств рентгеновской плёнки и флюоресцентных экранов. В результате это определяет пространственное и контрастное разрешение способа. Рентгенография является надежным и испытанным методом, который совершенствовался на протяжении ста лет. Он характеризуется быстродействием и обладает самым высоким объёмным разрешением.

Недостатки аналоговой рентгенографии

Техническими недостатками метода с применением систем экран-плёнка является низкая квантовая эффективность и малый диапазон яркости (плотности) изображения. Низкие квантовые показатели рентгеновской плёнки требуют применения больших экспозиционных доз при получении рентгенограмм. Это в свою очередь ведет к повышенному радиационному облучению пациента. Дополнительно ограниченный диапазон яркости рентгеновской плёнки исключает возможность различить на одном снимке мягкие и плотные ткани, что затрудняет выбор оптимальной экспозиции.

Непрямые аналоговые технологии позволяют получать рентгеновские изображения, которые также первоначально создаются на флюоресцентном экране. Для получения изображения информация с экрана проходят через усилитель (УРИ), где его яркость увеличивается в тысячи раз, после чего она фиксируются приемной ТВ - камерой с последующим выводом уже на экран монитора или записывается видеомагнитофоном. Качество любого непрямого аналогового изображения, особенно его пространственное разрешение, заметно уступает классической рентгенографии. Но однозначным преимуществом этой технологии является уменьшение дозы облучения пациента и возможность использования дистанционного управления при рентгеноскопии.

Цифровое рентгеновское изображение

Современный рентгеноскоп

Цифровое рентгеновское изображение в «цифровой рентгенографии» созвучно с методами, при которых оптическое изображение и в данном случае рентгеновское изображение преобразуется в цифровой сигнал. Принцип оцифровки изображений в том числе рентгеновских на всех приборах аналогичен.

Так как диапазон плотностей серого цвета намного меньше зарядовой ёмкости фотодиода оцифровка определяет главную информацию рентгеновского изображения объекта. Для детального просмотра изображения требуется выразить верхний и нижний уровни визуализации серого цвета. Для этого пиксели, числовые значения которых находятся в диапазоне от верхнего до нижнего уровня, преобразуются в полутона серого, а всё что выше или ниже заданных уровней — в белый и чёрный цвета. Таким образом достигается хорошее разрешение, увеличение диапазона яркости(контрастности) изучаемых элементов исследуемого объекта.

Рентгеновские фотодатчики (фотосенсоры)

Цифровая полупроводниковая рентгенография включает:

• Цифровую селеновую рентгенографию;
• Цифровую рентгенографию на основе линейки детекторов;
• Цифровую рентгенографию на основе полноформатной матрицы фотосенсора.

Качество цифрового изображения зависит от применения способа его формирования. Рентгеновское излучение с технологией электронного детектирования, работающего в непосредственной связи с компьютером с вариантом прямого детектирования рентгеновского излучения является цифровая селеновая рентгенография. Она представляет собой систему, основной частью которой — детектор — конденсатор в виде барабана со слоем селена. Под действием рентгеновского излучения на поверхности селенового покрытия возникает электрический заряд (по принципу разряда в открытой цепи), величина которого зависит от энергии излучения. C помощью специальных преобразователей производится считывание сигнала и формирование цифровой матрицы изображения. Селеновая рентгенография в настоящее время используется только в системах для рентгенографии грудной клетки, например, установка Thoravision (Philips).

Лучшим вариантом фотодатчика прямого детектирования рентгеновского изображения выбран полномасштабный, твердотельный фотоприёмник — фотосенсор, который на площади (400х400) мм формирует рентгеновское цифровое изображение (грудной клетки) с числом пикселей более (4000x4000) и зарядной емкостью более 12 бит. Такая матрица фотосенсора поштучно регистрирует предметные точки — рентгеновские кванты. Фотосенсор представляет собой двумерную поверхность, содержащую рентгеночувствителные пиксели — фотодиоды. Каждый зафиксированный в нём квант адресуется к конкретнму пикселю и суммируется с ранее накопленными в нём квантами (электронами). Фотосенсор с необходимыми для рентгенографии размерами составляет (40х40)см, — прямой аналог рентгеновской фотоплёнки. При двумерном детекторе применяются коллиматоры, которые отсекают рассеянное в теле пациента рентгеновское излучение, ухудшающее яркость (контрастность) изображения.

В 1998 году создан твердотельной фотосенсор форматом 1К, который имеет размер пикселя 20 мкм (Для сравнения: размер пикселя матрицы фотосенсора цифроваго фотоаппарата колеблется в пределах 4-9мкм). Детектор матрицы состоит из сцинтилляционного экрана, напрямую соединенного с комплексом фотодиодов посредством оптоволокна. Сцннтилляционный слой матрицы фотосенсора выполнен из соединений кристаллов цезия, активированных таллием (CsI:Tl). Детектирование рентгеновских квантов происходит за счет их конверсии сцинтилляционным покрытием в видимый свет с последующим детектированием света кремниевым фотодиодом. Уникальной особенностью матрицы является быстрое считывание информации — до 30 изображений (кадров) в секунду, что обеспечивает ее применение для рентгенографии и рентгеноскопии.

Трудности изготовления полноформатной твердотельной матрицы с прямым детектированием рентгеновского излучения, обладающей необходимыми характеристиками для медицинской рентгенологии, обусловили появление фотодатчиков, работающих по принципу сканирования. В этих приборах они располагаются в виде линейки и представляют собой счетчики, измеряющие интенсивность рентгеновского излучения. В качестве детекторов используются кремниевые фотодиоды и сцинтилляторы (Gd2O2S, GdWO4). Детектирование рентгеновских квантов, также как н в полноформатной матрице фотосенсора, происходит за счет их конверсии в сцинтилляторе в видимый свет с последующим детектированием света кремниевым фотодиодом.

Сканирование осуществляется посредством одновременного, равномерного «перемещения рентгеновского излучателя, коллиматора и детектора. При этом исследуемая область просвечивается плоским веерообразным рентгеновским пучком, перемещающимся по площади снимка.

Оцифрованное рентгеновское изображение считываеться с высокой точностью, даже если каждая самая мелкая деталь объекта сканируется дважды. Для хорошего пространственного разрешения размер (пикселя) матрицы фотосенсора цифрового рентгеновского изображения должен быть меньше или одного порядка самого мелкго по размеру значения исследуемых элементов. Если в обычной рентгенографии пространственное разрешение определяется зернистостью фотоматериалов и экрана, то в цифровой рентгенографии оно определяется размерами, количеством фотодиодов — пикселей матрицы фотосенсора. Рентгеновское изображение чаще формируется на квадратной матрице фотосенсора и содержит число пикселей пропорционально двум. Матрица фотосенсора разных габаритв может содержать 512x512, 1024x1024 (1К), 2048х2048 (2К) или 4096х4096 (4К) и т.д. пикселей.

Пространственное разрешение на практике определяется количеством пар линий, которое можно различить в 1мм (единица измерения – количество пар линий/мм). Для рентгеновской плёнки пространственное разрешение наибольшее - 20 пар линий/мм. Для систем экран-плёнка - 10 пар линий/мм (появляется шум). Для устройств с усилителем рентгеновского изображения (ЭОП, РЭОП) — 1-2 пары линий/мм. В цифровом изображении пространственное разрешение в зависимости от свойств детекторов и размеров пикселя колеблется от 0,7 до 5 - 6 пар линий/мм.

Рентгеновское цифровое изображение выводится на экран монитора. Вывод рентгеновского изображения на экран монитора решил главную из задач — устранение световой адаптации работающего персонала и затемненния помещения, и что важно — исключил облучение рентгенологов за счет вынесения рабочего места за пределы комнаты с рентгеновским оборудованием. И ещё, создана возможность дополнительной обработки рентгеновского изображения и его регистрации на видеоплёнке или памяти аппарата, а также передачи изображения в любое место по теле-коммуникационной сети и интернета.

Цифровая рентгеноскопия, применив метод цифровой многострочной технологии сканирования рентгеновского изображения, позволила в сотни раз уменьшить вторичное рассеянное облучение и во столько же раз снизить интенсивность рентгеновского луча. Одновременно улучшены все прочие показатели получаемого рентгеновского изображения: диапазон яркости, контрастности и разрешение. Данный метод впервые разработан русскими учёными и приоритет этого метода защищён патентом «Устройство для регистрации и формирования рентгеновского изображения» . Пат. РФ № 2130623 от 21.02.97).

См. также

• Рентгеновское излучение
• Рентгенография
• Рентгеноскопия
• Диапазон яркостей (контрастности) изображения