Материал: Оценка дозовых нагрузок пациентов при использовании конвенциональных и цифровых методов регистрации изображений в рентгенодиагностике

, (1.13)

Где wRi есть радиационной взвешивающий коэффициент для каждого из видов излучений.

Единица измерения эквивалентной дозой - зиверт (Sv), 1 Sv = 1 J.kg-1.

Эффективная доза равна сумме произведений эквивалентных доз в органах и/или тканях на соответствующие взвешивающие коэффициенты ткани:

, (1.14)

где HT, это эквивалентная доза в ткани или органе Т, a wT - взвешивающий коэффициент для ткани Т стандартного человека.

Таблица 1.1.

Значения взвешивающего коэффициента излучения wR

*исключая электроны Оже, спускаемые ядрами, связанными с ДНК, для которых требуется особый микродозиметрический анализ.

При равномерном облучение всего тела эффективная доза численно равна эквивалентной.

Единица эффективной дозой - зиверт (Sv).

Таблица 1.2. Значения тканевого весового коэффициента wT для отдельных органов и биологических тканей тела человека.

Коллективная эффективная доза есть суммарная эффективная доза группы населения, которая определяется по формулу:

 (1.15)

где есть средняя эффективная доза подгруппы населения (i), а  - число людей в подгруппе. Вышеуказанная зависимость можно выразить и в интегральной форме:

 (1.16)

Где  есть число лиц, получившие эффективная доза в интервал от

 до .

Единица измерения коллективной эффективной дозой - man.Sv.

2. Устройство и принцип действия рентгенографических и рентгеноскопических аппаратов

.1 Рентгенография. Основные принципы рентгенографии

Рентгеновские аппараты - устройства для получения и использования рентгеновских излучений в технических и медицинских целях [8]. Рентгеновские аппараты в зависимости от своего назначения разделяются на диагностические и терапевтические. По условиям, в которых они эксплуатируются, они подразделяются на стационарные, передвижные и переносные.

Стационарные рентгеновские аппараты, предназначены для постоянного использования в специально приспособленном помещении - рентгеновском кабинете.

Передвижные рентгеновские аппараты в зависимости от условий их использования делятся на палатные, которые являются приспособленные для перемещения в пределах лечебного учреждения с целью рентгенологического исследования больных непосредственно в палатах, и переносные, которые являются рассчитанные на применение вне лечебного учреждения. Переносные рентгеновские аппараты предназначены для проведения простейших видов рентгенологических исследований в условиях скорой и неотложной помощи, а также помощи при полевых условиях или на дому.

.1.1 Формирование изображения

Рентгеновское изображение формируется в результате взаимодействия квантов рентгеновского излучения с приемником и представляет собой распределение квантов, которые прошли через тело пациента и были зарегистрированы детектором. Последние делятся на первичные кванты (прошедшие через тело пациента без взаимодействия с тканями) и вторичные кванты, образующиеся в результате взаимодействия с тканями тела пациента и, как правило, отклоняющиеся от направления своего первоначального движения. Вторичные кванты несут мало полезной информации. Первичные кванты несут полезную информацию о вероятности того, что квант проходит через тело пациента без взаимодействия. Получаемое изображение является проекцией характеристики ослабления во всех тканях, лежащих на направлении распространения рентгеновских лучей. Таким образом, изображение представляет собой двухмерную проекцию трехмерного распределения ослабления рентгеновских лучей в теле.

Рентгеновские кванты в теле пациента могут поглотиться, рассеяться или пройти без изменения. Первичные кванты, регистрируемые приемником, образуют изображение, а рассеянные кванты создают фон, который ухудшает контраст изображения. В большинстве случаев основная часть рассеянных квантов возможно устранить с помощью устройства, отсеивающих их в пространстве между пациентом и приемником изображения.

.1.2 Рентгеновская трубка

Рентгеновская трубка (рис. 2), состоит из наполненного маслом кожуха с колбой, который представляет собой вакуумированный сосуд из термостойкого стекла, внутри которого размещены накаливаемый катод и анод. Катод накаливается за счет прохождения через вольфрамовую спираль электрического тока, в результате чего создается узконаправленный поток электронов, ускоряемых разностью потенциалов 25-150 кВ и бомбардирующих анод. Электроны взаимодействуют с материалом анода, тормозятся и останавливаются. Большая часть энергии, передаваемая электронами аноду, обращается в тепловую, только малая ее часть (менее 1%) преобразуется в рентгеновское излучение.

Рис. 2. Рентгеновская трубка

Конструкция катода прямого накала и электронно-оптической системы, которая направляет поток электронов к аноду, играет очень важную роль, т. к. нерезкость изображения может ограничиться за счет сокращения размеров рентгеновского источника, а выходная мощность излучения от трубки определяется электрическим током, проходящем на аноде. Катод прямого накала представляет собой вольфрамовую спираль (температура плавления вольфрама 3410^оС), который устанавливается в никелевой капсуле. Эта капсула поддерживает нить накала и имеет такую форму, что создаваемое электрическое поле фокусирует электроны в узкий пучок. Анод имеет скошенную поверхность, которая составляет тупой угол с направлением электронного пучка. В выходное окно поступают те рентгеновские лучи, которые идут приблизительно под прямым углом к направлению электронов, так что на поверхности приемника рентгеновское излучение имеет квадратное сечение, даже если поток электронов, бомбардирующих мишень, хорошо отколлимирован. Для трубок общего назначения величина угла скоса составляет 17^о. Во многих случаях анод имеет скос под двумя различными углами и две нити накала для выбора либо узкого, либо широкого пятна.

Большая часть энергии, отдаваемая потоком электронов аноду, преобразуется в тепло, поэтому одной из проблем является уменьшение теплоты, попадающей на мишень, и ее быстрый отвод. Использование щелевого источника электронов частично решает эту проблему путем увеличения площади мишени. Более эффективно проблема решается с помощью вращающегося анода, а полоска фокуса двигалась по периферии анодного диска.

Анод изготавливают, как правило, из вольфрама (W), хотя для специальных применений, в которых требуется рентгеновское излучение малой энергии, используется молибден (Мо).

Таблица 2.1.

Свойства Мо и W

Важно, чтобы атомный номер материала анода был большим, поскольку выход тормозного излучения с анода увеличивается с атомным номером, а спектр рентгеновского излучения, создаваемого элементом с большим атомным номером, хорошо подходит для получения изображения более массивных частей тела.

.1.3 Спектр рентгеновского излучения

Форма спектра рентгеновского излучения зависит от материала анода, величины и формы прикладываемого к трубке напряжения, а также от характеристики фильтров, помещенных на пути прохождения рентгеновского излучения.

Трубки с вольфрамовым анодом целесообразно использовать для получения изображений более массивных участков тела благодаря высокому энергетическому выходу рентгеновских лучей для вольфрама. Молибден дает рентгеновское излучение с более низкой энергией, которое лучше подходит для получения контрастных изображений более тонких частей тела. Рентгеновские трубки с молибденовым анодом применяются в установках, сконструированных специально для маммографии.

Большое различие между рентгеновскими спектрами до и после прохождения излучения через тело пациента обусловлено взаимодействием рентгеновских квантов с биотканями тела и поглощенной дозой. Если излучение слишком "мягкое", то низкоэнергетические кванты будут давать вклад лишь в дозу облучения, не обеспечивая высокий контраст изображения. Поэтому очень важно, чтобы такие кванты были отфильтрованы, прежде чем они достигнут поверхности тела пациента. Это реализуется путем введения алюминиевого или медного (в зависимости от величины потенциала, прикладываемого к трубке) фильтра.

.1.4 Пленочные рентгеновские детекторы

Традиционно в качестве детекторов рентгеновского излучения используется пленка прямого экспонирования. Пленка содержит два слоя фотоэмульсии, нанесенной на обе стороны прозрачного полистирольного или ацетатного слоя, который называется пленочной основой. Слои эмульсии отделены от пленочной основы разделительным слоем и имеют тонкое поверхностное покрытие для защиты эмульсии от стирания. Каждый слой эмульсии состоит из зерен бромистого серебра, распределенных в слое желатины, причем каждое зерно имеет диаметр около 1 мкм. Чтобы увеличить эффективность поглощения рентгеновского излучения, используют два слоя эмульсии.

На первом этапе формирования изображения происходит взаимодействие рентгеновских фотонов с атомами эмульсии. Поскольку атомы серебра и брома в зернах имеют значительно большие сечения взаимодействия, чем другие легкие элементы, составляющие желатину, то большинство взаимодействий будет осуществляться внутри частицы бромистого серебра. В результате каждого из взаимодействий образуется один или два электрона, которые замедляются и за счет ионизации высвобождают новые электроны. Некоторые из этих электронов, в конечном счете, захватываются в центры - "ловушки" в зернах бромистого серебра. Этот процесс захвата сенсибилизирует зерна, вследствие чего на них формируется скрытое изображение. После проявления и фиксирования эмульсии, сенсибилизированные частицы превращаются в серебро, а несенсибилизированные удаляются.

В системе "экран - пленка" рентгеновские кванты поглощаются экраном, при этом часть поглощенной энергии преобразуется люминесцентным экраном в световое излучение, которое засвечивает эмульсию пленки, находящейся в плотном контакте с экраном. Затем пленка проявляется и просматривается обычным образом.

.1.5 Цифровые детекторы, используемые в рентгенодиагностики

.1.5.1 Виды цифровых систем для рентгенодиагностики

Разработанные к настоящему времени и находящиеся в эксплуатации приемники - преобразователи рентгеновского излучения для цифровых медицинских диагностических систем различаются как по физическим принципам преобразования, так и по видам обрабатываемых на каждой стадии преобразования сигналов (например, поток фотонов рентгеновского излучения - в поток фотонов оптического диапазона длин волн, оптический сигнал - в поток электронов, поток электронов - в оптический сигнал, оптический сигнал - в электрический сигнал; поток фотонов рентгеновского излучения - в поток электронов, поток электронов - в оптический сигнал с последующей трансформацией в электрический; поток фотонов рентгеновского излучения - непосредственно в электрический сигнал и т.д.). Различаются эти приемники-преобразователи и по области их применения - это могут быть общая рентгенодиагностика, маммография дентальная рентгенодиагностика, ангиография, флюорография и тому подобное.

Классификацию приемников - преобразователей проводят с учетом метода детектирования рентгеновского излучения и способа дальнейшего преобразования сигналов [8, 9], ориентируясь на область применения тех или иных систем [3]. Однако ни одна из этих классификаций не исчерпывает всего многообразия методов и технических средств, которые могут быть использованы и используются для получения цифровых рентгеновских изображения. Ниже приведена классификация, охватывающая все известные на сегодняшний день методы получения полноформатных цифровых рентгеновских изображений, включая оцифровку экспонированных рентгеновских пленок. Данная классификация дополнительно учитывает возможность (или ее отсутствие) формирования изображений в режиме реального масштаба времени, то есть возможность регистрировать и отображать 25 и более изображений в секунду (режим цифровой рентгеноскопии), а также в режиме квазиреального масштаба времени, при котором отрезок времени от начала экспозиции до появления первичного изображения на экране монитора не превышает 20-30 секунд. В соответствии с этой классификацией все методы получения и регистрации цифровых рентгеновских изображений и, реализующие эти методы технологические разработки можно условно разделить на две группы: