Н. Н. Блинов (мл.), А. Н. Гуржиев, С. Н. Гуржиев, М. Г. Кириченко, А. В. Кострицкий
ЗАО "Рентгенпром", Москва"
Журнал "Медицинская техника" № 5, 2004 г.
ЗАО "Рентгенпром" выпускает два наиболее распространенных в России вида цифровых флюорографов: с камерами, использующими ПЗС (прибор с зарядовой связью), и сканирующие аппараты с линейкой кремниевых детекторов [1]. Поэтому у нас есть возможность выполнить объективное исследование этих флюорографов.
Целью данного исследования является сравнение наиболее часто приводимых характеристик, таких как пространственное разрешение и контрастная чувствительность. На сегодняшний день эти характеристики измеряют по методическим рекомендациям Минздрава РФ от 11.11.80. Основной особенностью этих измерений является то, что они проводятся без объекта, имитирующего присутствие пациента в рентгеновском пучке.
Будет показано, что и пространственное разрешение, и контрастная чувствительность существенно ухудшаются для флюорографа с ПЗС при помещении перед экраном 75 мм воды, т. е. в случае имитирования реальной ситуации, при которой происходит снимок, и не меняются для сканирующего аппарата.
Рассмотрим процесс получения изображения во флюорографе с ПЗС (АПЦФ-01) [2]. Рентгеновское излучение проходит через грудную клетку пациента и попадает на переизлучающий экран (400 на 400 мм²). На нем рентгеновское излучение преобразуется в видимое изображение. С помощью системы линз (объектива) изображение легких, полученное на переизлучающем экране, уменьшается до размера детектирующей площади ПЗС (около 25 на 25 мм²). С ПЗС сигналы считываются электроникой и передаются в компьютер. После соответствующей обработки на экране монитора появляется рентгеновское изображение (рис. 1).
В данном типе аппарата на пространственное разрешение и контрастную чувствительность влияют следующие процессы:
В сканирующем флюорографе "ПроСкан" снимок выполняется следующим образом: линейный детектор размером около 500 мм движется одновременно с веерообразным пучком рентгеновского излучения, который формируется узкой щелевой диафрагмой, вдоль грудной клетки пациента. Детектор может содержать от одной до нескольких тысяч независимых элементов. За время движения детектора электроника несколько тысяч раз считывает со всех элементов сигналы, передавая данные в компьютер. По окончании движения данные обрабатываются и изображение появляется на экране монитора (рис. 2).
В данном случае доза меньше, чем в аппарате с ПЗС, примерно, в 5 раз. Это достигается за счет отсутствия растра, снижения потерь на переизлучающем экране и исключения оптической системы (объектива). Например, на флюорографе "Про-Скан-2000®" прямой снимок получается всего при 150 мкР в плоскости пациента в отличие от 700 мкР для флюорографа с ПЗС.
Рассеянное в теле пациента излучение не может попасть на детектор и создать ложный образ, поэтому не нужен растр и контрастная чувствительность определяется только характеристиками детектора.
Пространственное разрешение не ухудшается дополнительными средами и определяется только параметрами самого детектора. Например, во флюорографе "ПроСкан-7000®" разрешение превышает 3 пары линий на 1 мм.
Для имитации прямой проекции легких среднего человека использовался специальный фантом, представляющий собой тонкостенную пластмассовую емкость размером 40 x 40 x 7,5 см³, заполненную водой. Фантом помещался на расстоянии 10 см от экрана аппарата.
Для контроля технических характеристик использовались миры пространственного и контрастного разрешения, которые прикреплялись в левом нижнем углу, в центре и правом верхнем углу снимка непосредственно на экране, а также на передней плоскости фантома.
Экспозизионная доза рентгеновского излучения измерялась посредством дозиметра, чувствительный элемент которого крепился к экрану аппарата. Использовался дозиметр 706L фирмы "Unfors Instruments".
Были сделаны несколько серий снимков при различных напряжениях и значениях анодного тока (величин мАс), при наличии фантома и без него.
На рис. 3 приведены зависимости пространственного разрешения от количества мАс для флюорографа с ПЗС с фантомом и без него при анодном напряжении 100 кВ. Видно, что при появлении фантома разрешение резко ухудшается. В отличие от 2,8 пар линий на 1 мм при отсутствии фантома (квадратики) с фантомом разрешение выходит на 2,0 при дозе в плоскости приемника, примерно равной 1000 мкР, и далее не улучшается (треугольники). Этот эффект может быть объяснен только наличием в зарегистрированном сигнале существенной доли излучения, рассеянного на веществе фантома.
Ухудшение пространственного разрешения при значениях мАс меньше 30 единиц объясняется не только наличием рассеянного излучения, но и одновременным ухудшением контрастной чувствительности вследствие поглощения пучка рентгеновского излучения в водяном фантоме и уменьшении дозы, зарегистрированной детектором.
Использование растрового фильтра способно улучшить показатели пространственного разрешения, но не устраняет полностью этот эффект: разрешение выходит на значение 2,2 пар линий на 1 мм при дозе около 2000 мкР.
На рис. 4 приведены зависимости пространственного разрешения от значения анодного тока сканирующего флюорографа "ПроСкан-7000®" с фантомом и без него при анодном напряжении 100 кВ. Видно, что разрешение практически не меняется при помещении фантома во флюорограф и уже при 400 мкР в плоскости приемника выходит на максимально возможное для данного аппарата значение 3,1 пар линий на мм. Это соответствует току 10 мА. Незначительное изменение пространственного разрешения при дозе меньшей, чем 400 мкР, при наличии фантома также объясняется ухудшением контрастной чувствительности аппарата.
На рис. 3, 4 приведено пространственное разрешение, снятое по мирам, которые были прикреплены непосредственно на экране аппарата. Как было указано выше, в дополнение к ним во всех измерениях были использованы миры, которые крепились на передней плоскости фантома. Таким образом, фантом располагался между двумя мирами, и предоставлялась возможность сравнить их изображения. В случае аппарата с камерой на ПЗС-матрице изображение миры, расположенной "до фантома", всегда визуально выглядело хуже миры "после фантома", а иногда даже имело показания пространственного разрешения на 0,1-0,2 хуже. Для сканирующего аппарата "ПроСкан-7000®" наблюдался обратный эффект: изображение не только было лучше, но и происходило увеличение разрешения до 3,4-3,7 пар линий на 1 мм за счет эффекта проекционного увеличения.
На рис. 5 приведена зависимость отношения сигнал/шум от экспозиционной дозы для флюорографа "ПроСкан-7000®" при наличии фантома. Величина шума в регистрируемом сигнале вычислялась как дисперсия сигнала на прямоугольном участке (размером примерно 30 на 30 пикселей), произвольно выбранном на снимке. На рис. 6 приведены аналогичные зависимости для аппарата с камерой на ПЗС при использовании растрового фильтра (ромбики) и без него (квадратики).
Из сравнения рис. 5 и 6 можно сделать следующие выводы:
1. Для достижения одинакового отношения сигнал/шум на "ПроСкан-7000®" и аппарата с ПЗС экспозиционная доза последнего должна быть примерно в 5 раз больше.
2. Использование растрового фильтра для аппарата с камерой, использующей ПЗС, приводит либо к резкому ухудшению отношения сигнал/шум при одинаковой экспозиционной дозе, либо к увеличению дозы примерно в два раза для достижения равного контраста (соотношения сигнал/шум).
В качестве характеристики цифровой регистрирующей системы, отражающей общую эффективность ее работы, в мире уже давно принято использовать детектируемую квантовую эффективность DQE (Detective Quantium Efficience) [5, 6]. Она определяется как DQE = (So/so)²/( Si/si)², где S- сигнал, s - шум, а подстрочные индексы относятся соответственно к регистрируемому и входному сигналам. В качестве входного сигнала в нашем случае выступает рентгеновское излучение.
Из приведенных на рис. 3, 4 данных можно оценить отношение DQEСКАН/ DQEПЗС, где DQEПЗС - характеристика для аппарата с камерой на ПЗС, а DQEСКАН - характеристика "Проскан-7000". Следует отметить, что DQE по своей природе должна слабо зависеть от экспозиционной дозы, если во время измерений использовались одинаковые значения анодного напряжения (100 кВ), а также толщина и тип материала фильтров (75 мм воды). Поэтому сделаем нашу оценку для дозы, примерно равной 0,9 мР. Соотношение сигнал/шум при этой дозе для "Проскан-7000" равно 30,3, а для аппарата с ПЗС - 11,36. Следовательно, мы имеем DQEСКАН/ DQEПЗС = ((30,3)/(11,4))² =7,11. Таким образом, детектируемая квантовая эффективность аппарата с камерой, использующей ПЗС-матрицу, примерно в 7 раз меньше DQE сканирующей системы, использующей в качестве детектора рентгеновского излучения линейный кремниевый детектор.
Такая драматическая разница в эффективностях регистрации рентгеновского изображения между двумя исследуемыми системами не удивительна. Самым "слабым звеном" в камерах, использующих ПЗС-матрицы, является оптический объектив, с помощью которого изображение уменьшается в несколько десятков раз (в нашем случае 25 мм/400 мм = 1/16). Эффективность сбора света с переизлучающего экрана для объективов, которые обладают даже очень хорошими характеристиками, составляет несколько процентов [3].
Результаты проведенных измерений показывают, что пространственное разрешение флюорографов с камерами, использующими ПЗС-матрицы, критичным образом зависит от присутствия в пучке объекта, например пациента. Разрешение существенно ухудшается при помещении объекта, имитирующего плотность среднего человека, в данном случае с 2,8 пар линий на 1 мм до 2,2. Увеличение дозы не исправляет этой ситуации.
В сканирующем флюорографе такого явления нет, и пространственное разрешение без объекта и с объектом остается практическим неизменным.
Основываясь на результатах измерений, была сделана оценка отношения детектируемой квантовой эффективности сканирующей системы на основе линейки кремниевых детекторов и камеры с ПЗС-матрицей. DQE сканирующей системы примерно в 7 раз выше.
Учитывая эти особенности оборудования, использующие различные методы и детекторы при получении рентгеновского изображения, разумно предложить всем производителям выполнять измерения пространственного разрешения и контрастной чувствительности, имитируя реальные условия, например водным фантомом, чтобы не вводить в заблуждение потребителей сильно завышенными значениями параметров, которые никогда не будут получены в реальности.
1. Гуржиев А. Н. // Мед. бизнес. - 2003. - № 9. - 10. - 50- 53.
2. Основы рентгенодиагностической техники / Под ред. Н. Н. Блинова. - М., 2002. - 130-138.
3. Gruner S.M., Tale M.W., EikenberryE.F. // Rev. Scient. In-str. - 2002. - Vol. 73, N 8. - P. 2815.
4. Hasegawa B. H. Physics of Diagnostic Imaging. Course of Lectures. Chapt. IV. P. 17. (http://ric.uthscsa.edu/personalpages/ lancaste/DI-II_Chapter/DI_chap4.pdf)
5. Oba K., Ito M., Tanaka M. // Adv. Electron. Electron Phys. - 1988, - Vol. 74. - P. 247.