Исследование и разработка портативных рентгеновских аппаратов для медицинской диагностики в неспециализированных условиях
1На правах рукописи
Потрахов Евгений Николаевич ИССЛЕДОВАНИЕ И РАЗРАБОТКА ПОРТАТИВНЫХ РЕНТГЕНОВСКИХ АППАРАТОВ ДЛЯ МЕДИЦИНСКОЙ ДИАГНОСТИКИ В НЕСПЕЦИАЛИЗИРОВАННЫХ УСЛОВИЯХ Специальность 05.11.17 Приборы, системы и изделия медицинского назначения
Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук
Санкт-Петербург 2013 2
Работа выполнена на кафедре электронных приборов и устройств Санкт Петербургского государственного электротехническом университета «ЛЭТИ» им. В.И. Ульянова (Ленина).
Научный консультант:
доктор технических наук Грязнов Артем Юрьевич, профессор кафедры электронных приборов и устройств
Официальные оппоненты:
доктор технических наук Блинов Николай Николаевич, профессор кафед ры лучевой диагностики Московского государственного медико стоматологического университет, кандидат технических наук Мазуров Анатолий Иванович, заместитель генерального директора по науке научно-исследовательской производственной компании «Электрон».
Ведущая организация:
Открытое акционерное общество "Научно-производственное предпри ятие «Буревестник»".
Защита диссертации состоится 20 февраля 2013 года в 16 часов на заседа нии совета по защите докторских и кандидатских диссертаций Д 212.238. Санкт-Петербургского государственного электротехнического университета «ЛЭТИ» им. В.И. Ульянова (Ленина) по адресу: 197376, Санкт-Петербург, ул.
Проф. Попова, 5.
С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Санкт-Петербургского государственного электротехническом университета «ЛЭТИ» им. В.И. Ульяно ва (Ленина).
Автореферат разослан 18 января 2013 года.
Ученый секретарь совета по защите докторских и кандидатских диссертаций Е.В. Садыкова
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
Актуальность работы Отечественная клиническая практика последних лет поставила задачу разработки нового класса диагностических средств – портативных рентгенов ских аппаратов. Необходимость проведения таких работ обусловлена как по требностью в рентгенодиагностических исследованиях, проводимых вне рент геновского кабинета (например, службой «скорой помощи» непосредственно на месте происшествия), так и широким внедрением новых методик лечения, при мером которых может служить операция хирургической имплантации, прово димая под рентгеновским контролем в стоматологическом кресле.
Эксплуатация в неспециализированных условиях помимо традиционных требований – малых габаритов и веса, низкой потребляемой мощности и других – выдвигает дополнительные требования к аппаратуре. В частности, поскольку оператор при проведении исследования держит аппарат в руках, чрезвычайно важно обеспечить минимальную радиационную нагрузку на персонал.
Опыт развития медицинской рентгенодиагностической аппаратуры, опи санный в трудах ведущих отечественных ученых и специалистов – Н.Н. Блинова (ст.), Н.Н. Блинова (мл.), Ю.А. Быстрова, Э.И. Вайнберга, Ю.В. Варшавского, Л.В. Владимирова, В.Я. Голикова, М.И. Зеликмана, С.А. Иванова, С.И. Иванова, В.Н. Ингала, Ю.К. Иоффе, Б.М. Кантера, В.В. Клюева, Э.Б. Козловского, Б.И. Леонова, А.И. Мазурова, Р.В. Ставицкого, А.Н. Черния, Г.А. Щукина, В.Л. Ярославского – показывает, что наиболее эф фективным путем дальнейшего развития является не модернизация хорошо из вестных методик диагностики, а разработка новых, включая оригинальную аппа ратуру для их реализации. Наиболее перспективной методикой, позволяющей реализовать на практике преимущества портативной аппаратуры при съемке в не специализированных условиях, является микрофокусной рентгенодиагностика.
Большой вклад в клинические исследования в этой области внесли из вестные российские специалисты Р.М. Акиев, А.Ю. Васильев, В.Н. Балин, Т.А. Гордеева, А.Л. Дударев, Н.А. Карлова, А.К. Карпенко, А.П. Медведев, Г.В. Петкевич, Н.А. Рабухина, А.Б. Ушаков, результаты исследований которых показывают, что возможности микрофокусной рентгенодиагностики позволяют существенно повысить диагностическую ценность снимков с одновременной минимизацией доз облучения.
Таким образом, проведение широкого круга физических, технологиче ских, а также медицинских исследований с целью создания нового класса диаг ностической аппаратуры – портативных рентгеновских аппаратов, является ак туальной научной проблемой.
Цель диссертационной работы – исследование методов рентгенодиаг ностики в неспециализированных условиях и разработка комплексных требова ний к портативной рентгенодиагностической аппаратуре.
Для достижения поставленной цели были решены следующие теоретиче ские и практические задачи:
- проведен анализ особенностей получения медицинских рентгеновских изображений способами стандартной и микрофокусной рентгенографии;
- определены и обоснованы режимы выполнения рентгеновских снимков в неспециализированных условиях;
- проведен анализ и дана количественная оценка просвечивающих воз можностей стандартного и микрофокусного способов съемки;
- разработана методика микрофокусной рентгенографии в неспециализи рованных условиях;
- разработаны структурные схемы портативных рентгеновских аппаратов, предназначенных для проведения диагностических исследований в неспециали зированных условиях.
Объект исследования – портативные рентгенодиагностические аппара ты на основе микрофокусных источников излучения.
Предмет исследования – эффекты и явления, возникающие при реализа ции методики микрофокусной рентгенографии на портативной рентгенодиаг ностической аппаратуре.
При решении поставленных задач применялись следующие методы ис следования: анализ и обобщение литературных данных в области создания и применения медицинской рентгенодиагностической аппаратуры;
методы мате матического анализа и компьютерного моделирования;
экспериментальные ис следования с использованием современных методов визуализации рентгенов ских изображений, контроля параметров рентгеновского излучении и т.д.
Научная новизна работы заключается в следующих результатах:
- математически обоснована возможность использования в медицинской рентгенодиагностике приемников изображения с низким разрешением;
- для сравнительного анализа различных методов рентгенографии в ме дицинской диагностике введено понятие просвечивающей возможности и раз работан аналитический метод ее оценки;
- теоретически и экспериментально обоснован выбор микрофокусной рентгенографии для проведения рентгенодиагностических исследований на портативной аппаратуре в неспециализированных условиях;
- разработан способ проведения рентгенодиагностических исследований в неспециализированных условиях с помощью микрофокусных источников из лучения с уменьшенного фокусного расстояния при повышенном напряжении;
- определены дозовые нагрузки при реализации метода микрофокусной рентгенографии в неспециализированных условиях и разработаны методиче ские указания для его реализации.
Практическая значимость подтверждается тем, что в процессе работы:
- создано семейство портативных цифровых рентгенодиагностических комплексов для стоматологии, челюстно-лицевой хирургии, травматологии и некоторых других областей медицины;
- проведены клинические испытания разработанных комплексов в неспе циализированных условиях и определены условия их безопасной эксплуатации;
- разработаны таблицы экспозиций и методические рекомендации по практическому применению портативных цифровых рентгенодиагностических комплексов в стоматологии и травматологии.
В результате проведенных экспериментальных и теоретических исследо ваний на защиту выносятся следующие научные положения:
1. Комплексное уменьшение размеров фокусного пятна источника излу чения, повышение напряжения и уменьшение фокусного расстояния позволяют более чем на порядок повысить просвечивающую возможность рентгеновских аппаратов при съемке биологических объектов.
2. Реализация метода микрофокусной рентгенографии в портативной ап паратуре обеспечивает повышение информативности снимков с одновремен ным снижением радиационной нагрузки на персонал при проведении исследо ваний в неспециализированных условиях.
При непосредственном участии автора были внедрены в клиническую практику первые отечественные портативные микрофокусные аппараты для травматологии и стоматологии. Указанная аппаратура используется в лечебном процессе в Военно-медицинской академии им. С.М.Кирова, Государственной медицинской академии им. И.И.Мечникова, Центральном военном клиниче ском авиационном госпитале МО РФ, Московском государственном медико стоматологическом университете и других клиниках.
В период с 2010 г. по 2012 г. для нужд МО РФ было поставлено более комплексов для стоматологии и травматологии.
Методика микрофокусной рентгенографии и связанные с ней наработки в области создания портативной рентгеновской аппаратуры используются при подготовке дипломированных специалистов в учебном процессе на факультете электроники СПбГЭТУ и в МИРЭА.
Апробация работы проводилась на международных, всероссийских и региональных конференциях, съездах и научных форумах: Межрегиональная НПК «Лучевая диагностика в стоматологии и челюстно-лицевой хирургии» (Мо сква, 2008-2012), Всероссийские конгрессы лучевых диагностов (Москва, 2008 2010), IV и V Международные конгрессы «Невский радиологический форум» (Санкт-Петербург, 2009-2011), Международные НТК «Медико VI-XIII технические технологии на страже здоровья» (Москва, 2004-2011), 63-68 НТК, посвященные Дню радио (Санкт-Петербург, 2007-2012), VIII Российско Баварская конференция (Санкт-Петербург, 2012) Разработанные под руководством и при непосредственном участии автора микрофокусные портативные рентгенодиагностические комплексы для стома тологии и травматологии демонстрировались на международных и всероссий ских выставках, в том числе «Российский промышленник» (Санкт- Петербург, 2005 – 2012), «Здравоохранение. Стоматология» (Воронеж, 2007 – 2009), «Здра воохранение» (Москва, 2006- 2010), где неоднократно награждались дипломами и медалями.
По теме диссертации опубликовано 16 печатных работ (из них 12 в ре комендованных ВАК изданиях), два методических пособия, получено 4 Патен та на изобретение и полезную модель, Свидетельство о регистрации программы для ЭВМ.
Структура и объем диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы (55 наименований) и приложений с актами внедрения. Основная часть работы изложена на 115 стра ницах машинописного текста, содержит 55 рисунков и 15 таблиц.
СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ
Первая глава посвящена описанию особенностей современных методов рентгенодиагностики, реализуемых в портативной рентгеновской аппаратуре.
Традиционная (стандартная) рентгенография предполагает использование аппаратов с размером фокусного пятна рентгеновской трубки около 1 мм. Для обеспечения необходимой резкости изображения величина фокусного расстоя ния составляет 200-400 мм в стоматологии или 600-1000 мм в травматологии.
При этом объект съемки располагают вплотную к приемнику для снижения влияния геометрической составляющей нерезкости изображения.
Использование точечного фокусного пятна позволяет исключить геомет рическую нерезкость при съемке объемных объектов даже при приближении объекта к источнику излучения и соответствующем его удалении его от прием ника. При таком способе съемки отношение расстояний между источником из лучения и объектом, а также объектом и приемником определяет коэффициент увеличения изображения объекта по сравнению с истинными размерами объекта.
Для реализации этого способа в практической рентгенодиагностике размер фо кусного пятна должен составлять менее 100 мкм, в связи с чем такой способ съем ки получил название микрофокусного, а рентгенография, построенная на его ос нове – микрофокусная рентгенография.
Клиническая практика показала, что в микрофокусной рентгенографии об наруживаются принципиальные особенности формирования рентгеновского изображения:
- эффект увеличения глубины резкости;
- эффект увеличения контраста;
- эффект малой экспозиционной дозы;
- эффект псевдообъемного изображения;
- эффект фазового контраста;
- эффект малой потребляемой мощности.
Указанные особенности микрофокусной рентгенографии позволяют ис пользовать при съемке приемники изображения с большими размерами пикселя, то есть с худшей разрешающей способностью, чем в стандартной рентгенографии, без потери резкости получаемых снимков. Как известно, в стандартной рентгено графии для получения резких изображений помимо съемки с большого фокусного расстояния необходимо использовать приемники с разрешением от 5 пар лин./мм.
На рис. 1 и 2 показаны снимки тест-объекта (скелетированная голова кош ки) с деталями размером от нескольких десятков микрон, полученные традици онным способом на приемники с разрешением 2,3 пар лин./мм и 5 пар лин./мм, а также в условиях микрофокусной рентгенографии с различными коэффици ентами увеличения на приемник с разрешением 2,3 пары лин./мм. Визуально оцениваемое качество снимка (рис. 1) на приемнике с большим разрешением выше. Это подтверждается и большим информационным индексом Q (275 про тив 232), который определяется по методу информативных участков с исполь зованием разработанного при участии автора программного обеспечения. На рис. 2 представлены снимки того же тест-объекта на приемник с разрешением 2,3 пар лин./мм, но при увеличении 2, 4 и 8 раз. Снимок, полученный при четы рехкратном увеличении на приемник низкого разрешения уже не уступает кон тактному снимку, полученному на приемник высокого разрешения, а при вось микратном увеличении его качество превышает качество контактного снимка.
х1, Q=232 х1, Q=245 х2, Q= х1, Q=275 х4, Q=289 х8, Q= Рис. 1 Снимки при фокус- Рис. 2 Снимки при фокуc ном пятне 1 мм на прием- ном пятне 0,1 мм на прием ник 2,3 и 5 пар лин./мм ник 2,3 пар лин./мм На основании описанных преимуществ при разработке методик рентгено диагностики в нестационарных условиях и портативной аппаратуры для ее реали зации был выбран способ съемки с увеличением изображения при малом фокус ном расстоянии (микрофокусный способ съемки), а в качестве источника рентге новского излучения - источник излучения с размером фокусного пятна менее 0,1 мм (микрофокусный источник).
Во второй главе дано математическое описание факторов, влияющих на качество изображения и дозовую нагрузку на пациента при реализации метода микрофокусной рентгенографии в портативной аппаратуре.
Как известно, одной из особенностей микрофокусных рентгеновских ап паратов является низкая интенсивность излучения, что можно скомпенсировать повышением напряжения и уменьшением фокусного расстояния:
Un I k i Z, (1) R где I –интенсивность излучения, k – коэффициент пропорциональности, i – ток трубки, Z – атомный номер материала мишени, U –напряжение трубки, R – рас стояние до объекта, n – показатель степени (в медицинской диагностике n=5).
Изменение напряжения на трубке ведет к изменению спектрального со става генерируемого излучения. Спектральную плотность потока квантов тор мозного излучения можно описать как E N T (E) k 1 Z i A 0 1 e (x 1 x) M (E) e x 2 ВО (E), (2) E а количество квантов характеристического излучения как 1. E0 k 1 e 1 M q e 2 ВО q, (x x) ( E ) x ( E ) iA N Xq (3) E Z q где x – пробег электронов [см], х1 – толщина мишени [см], х2 – толщина выходного окна [см], Е0 [кэВ] – максимальная энергия квантов излучения, М(E) и ВO(E) – ли нейные коэффициенты ослабления для мишени и выходного окна [см-1]. Используя (2) и (3), можно рассчитать интегральную интенсивность излучения:
E I ( N T (E) E)dE N X q E q. (4) q Учесть ослабление потока квантов в объекте толщиной d и изменение спектра излучения можно с помощью выражения N(E) N0 (E) ed( E) (5).
Из (4) и (5) может быть определена доза, поглощенная пациентом в ре зультате рентгенологического обследования. Для этого, с учетом данных по химическому составу тканей организма и спектральных зависимостей массово го коэффициента ослабления соответствующих химических элементов, рассчи тываются зависимости коэффициента ослабления рентгеновского излучения от энергии квантов для конкретных тканей или органов тела.
Описанным способом была рассчитана эквивалентная доза D для бльших значений напряжения на трубке, чем это принято в стандартной рент генографии, то есть в условиях «жесткой» съемки.
Расчеты проводились при условии фиксированного значения экспозици онной дозы за фантомом облучаемого участка челюстно-лицевого отдела голо вы в плоскости приемника изображения Dэксп.вх.= const, которое было определе но для «стандартной» цефалографической съемки: напряжение U = 70 кВ, экс позиция I·t = 100 мАс, кожно-фокусное расстояние (КФР) f = 100 см.
Таблица 1.
Эквивалентная доза при цефалографии для различных условий съемки U/f, кВ/см Фильтр 70 / 100 100 / 100 150 / Al, мм D, мкЗв / I·t, мА·с 190 / 100 85 / 23 38 / 5. 3 185 / 104 75 / 24 35 / 5. 4 172 / 106 70 / 25 32 / 5. 5 159 / 109 65 / 27 30 / 6. С целью выполнения условия постоянства входной экспозиционной дозы (Dэксп.вх.=const) для каждого значения напряжения, при котором рассчитывалась эквивалентная доза, в соответствии с выражением I·t·U2/f2=const рассчитыва лись ток рентгеновской трубки I и экспозиция I·t.
Расчеты показали, что величина экспозиционной дозы Dэксп.вх, соответст вующая условиям стандартной цефалографической съемки, может быть полу чена, например, при напряжении 100 кВ и экспозиции 1 мАс для КФР 20 см. В этом случае эквивалентная доза будет снижена почти в 3 раза.
Данные табл. 1 подтверждают бытующее мнение о том, что величину до зы облучения при рентгенологическом обследовании можно практически все гда уменьшить путем увеличения анодного напряжения и толщины фильтра.
При микрофокусной съемке в условиях ограничения тока рентгеновской трубки обоснованное повышение напряжения оправданно и весьма эффективно.
Кроме того, с использованием выражения (4) может быть рассчитан кон траст теневого рентгеновского изображения отдельной детали объекта как норми рованное отношение величин интенсивности рентгеновского излучения, прошед шего через разные участки объекта:
E0 E N (E) EdE N (E) EdE 1 K 0. (6) E N (E) EdE Приведенные в табл. 2 результаты расчета по (6) показывают, что повыше ние напряжения от 50 до 100 кВ обуславливает значительное снижение контраста.
Таблица 2.
Нормированный контраст рентгеновского изображения детали костной ткани, % Напряжение, кВ / толщина фильтра Al, мм Толщина детали h, мм (толщина объекта H=20 мм) 50/1,5 60/1,5 70/2,0 80/2,0 90/3,0 100/3, 0,1 1,4 1,1 0,9 0,8 0,6 0, 0,3 3,6 2,0 1,9 1,8 1,7 1, 0,5 6,0 3,9 3,4 3,3 3,2 3, 1,0 11,5 10,0 8,8 7,5 6,1 5, 3,0 29,6 25,6 21,8 18,3 17,4 15, Однако в клинической практике наибольший интерес представляют ма лоразмерные детали объекта, главную роль при формировании изображения которых играют высокие пространственные частоты. Расчеты, выполненные на основании выражения для контрастно-частотной характеристики (КЧХ), полу ченного при условии нормального распределения квантов по диаметру кругло го фокусного пятна ( md ), (7) A ( ) e где m – коэффициент увеличения, d – размер фокусного пятна, - пространст венная частота изображения, показывают, что при d = 1 мм контраст значи тельно уменьшается в области высоких пространственных частот (на частоте пар лин./мм – на 90% по сравнению с d=0,1 мм).
Рис. 3 КЧХ при различных Рис. 4 КЧХ стандартной и размерах фокусного пятна микрофокусной съемки Учет совместного влияния на КЧХ напряжения и размера фокусного пят на( рис. 3 и 4) показывает, что КЧХ микрофокусного аппарата при повышен ном в два раза по сравнению со стандартной рентгенографией напряжении ни же КЧХ аппарата со «стандартным» фокусным пятном только вблизи нулевой пространственной частоты, но превосходит последнюю, начиная уже с частоты 0,5 - 0,7 пар лин./мм. Это обосновывает возможность получения на портатив ных аппаратах с существенно сниженной интенсивностью излучения резких и контрастных изображений, содержащих малые детали структуры объекта, при реализации метода микрофокусной рентгенографии.
В третьей главе выполнен анализ особенностей реализации на портатив ной аппаратуре метода микрофокусной рентгенографии.
С учетом увеличения изображения при микрофокусной съемке непод вижного объекта, разрешающую способность рентгенографической системы можно определить как m Rc Rn, (8) 1 (m 1) 2 (dRn ) где Rn – разрешающая способность приемника рентгеновского изображения, пар лин/мм, m – коэффициент увеличения изображения просвечиваемого объ екта. Максимальная разрешающая способность системы будет обеспечена при коэффициенте увеличения изображения m = mопт (dR n ) 2 m опт. (9) (dR n ) С учетом (9) разрешающая способность микрофокусной рентгенографи ческой системы при оптимальном увеличении будет равна:
R R n R n m опт. (10) d В случае съемки с увеличением глубина резкости конкретной рентгено графической системы будет определяться диапазоном значений коэффициента увеличения изображения, при котором разрешающая способность системы R c больше разрешающей способности приемника изображения этой системы Rn:
(dR n ) 2 m. (11) (dR n ) 2 Расчеты по выражению (11) показывают, что глубина резкости микрофо кусной системы (d=0,1 мм, Rn= 10 пар лин/мм) не ограничивается коэффициен том увеличения изображения m (m), в то время как для аппарата с протяжен ным фокусным пятном (d=1,2 мм, Rn= 3,5 пар лин/мм) она ограничена значением m=1,12. Таким образом, в микрофокусных системах разрешающая способность приемника Rn «реализуется» по всему объему просвечиваемого объекта.
Большая глубина резкости микрофокусных рентгенографических систем позволяет использовать при съемке минимально возможные фокусные расстоя ния F с целью увеличения интенсивности излучения в плоскости приемника. В этом случае при выборе F необходимо учитывать максимальную величину до пустимых масштабных искажений, которая для стандартной рентгенографии равна 0,25. Оценивая масштабные искажения как m мин m Z макс, (12) F f макс m мин где Z – толщина просвечиваемого объекта, fмакс – расстояние от наружной поверх ности объекта до плоскости приемника изображения, mмакс = F/(F -fмакс), следует m макс Z F. (13) В том случае, когда значение превышает 0,25, на стандартных рентге нограммах возникают непривычно большие масштабные искажения, а также искажения формы проекций просвечиваемых объектов. Детали объекта, распо ложенные на разной глубине и не на оси пучка, на изображении объекта будут аномально смещены относительно друг друга. Эти искажения при недостаточ ном опыте рентгенолога могут толковаться как патологические изменения.
В микрофокусной рентгенографии резкость изображения деталей объекта не зависит от коэффициента увеличения. Поэтому из-за разного увеличения де талей, расположенных по всей толщине объекта, возникает эффект линейной перспективы, что дает возможность рентгенологу воспринимать глубину зале гания отображаемых деталей.
Для сравнения различных методик рентгенографии по общим критериям введено понятие «просвечивающая возможность», которое характеризуется мощностью, подводимой к мишени рентгеновской трубки для съемки объекта, при условии обеспечения необходимого качества изображения. При сравнении просвечивающих возможностей стандартной и микрофокусной рентгенографии учитывались следующие факторы (параметры для контактной съемки в стандарт ной рентгенографии обозначаются индексом «к», для микрофокусной рентгеногра фии – индексом «м»):
1. Доза, требуемая на входе приемника изображения, для регистрации малоразмерной и малоконтрастной детали, обратно пропорциональна квадрату увеличения ее изображения m. Следовательно, в микрофокусной рентгеногра фии при съемке с увеличением изображения можно в m2 раз снизить мощность источника излучения по сравнению со способом контактной съемки в стан дартной рентгенографии, при котором увеличения изображения не происходит.
2. Мощность источника излучения Р обратно пропорциональна квадрату фокусного расстояния, которое при съемке одних и тех же объектов в микро фокусной рентгенографии существенно меньше по сравнению со стандартной.
3. При съемке с увеличением изображения снижается уровень рассеянного излучения, которое ухудшает контраст обнаруживаемой детали в (1+) раз, – отношение интенсивности рассеянного излучения к первичному.
4. Микрофокусная рентгенография используется в основном при исследо вании неподвижных и малоподвижных органов, поэтому время экспозиции t при микрофокусной съемке может быть увеличено.
В целом, «выигрыш» по мощности микрофокусного аппарата может быть оценен с помощью следующего выражения:
m f 1 K t M 2 P K M K PM m K f M 1 M t K. (14) Расчеты в соответствии с (14) для усредненных условий микрофокусной съемки в травматологии дают величину =100. Номинальная мощность совре менного микрофокусного аппарата РМ в режиме повторно-кратковременного включения составляет 20 Вт. Таким образом, можно утверждать, что микрофо кусный аппарат мощностью 20 Вт теоретически имеет такую же эквивалентную просвечивающую возможность, что и аппарат мощностью 2 кВт в стандартной рентгенографии.
В четвертой главе описаны результаты разработки портативных цифро вых рентгенодиагностических комплексов для ряда областей медицины, в том числе, стоматологии, челюстно-лицевой хирургии и травматологии.
Разработанные и внедренные в практику при непосредственном участии автора комплексы предназначены для работы в неспециализированных услови ях: полевых, военно-полевых и т.д. В состав комплексов, помимо портативного рентгеновского аппарата, входят цифровая система визуализации, персональ ный компьютер и программное обеспечение. Отдельные узлы комплексов, в том числе рентгеновские трубки и моноблочные источники излучения, защи щены патентами РФ, программное обеспечение комплексов – соответствую щими свидетельствами. На рис. 5 и 6 приведены типовые конструкции рентге новской трубки и излучателя портативного рентгеновского аппарата.
Клинические испытания портативной аппаратуры, реализующей на прак тике метод микрофокусной рентгенографии проводились в условиях городско го многопрофильного стационара. Было обследовано более70 больных с раз личными заболеваниями костей и суставов. Выполнялись преимущественно снимки нижних конечностей – стопы, голени и коленного сустава.
В качестве источника излучения при микрофокусной съемке использо вался рентгеновский аппарат семейства «ПАРДУС», а при контактной съемке по методике стандартной рентгенографии – аппарат «Диагност-56». В качестве приемника рентгеновского изображения использовалась система визуализации AGFA CR 85. Физико-технические условия микрофокусной съемки: напряже ние от 80 до 125 кВ, ток 0,15 мА, время экспозиции от 0,5 до1,5 с, фокусное расстояние 200-250 мм, средний коэффициент увеличения 3.Типовые условия контактной съемки - напряжение 44 кВ, ток 40 мА, время экспозиции 0,6 сек, фокусное расстояние 1000 мм. Соотношение мощностей эксп в соответствии с (14) равно 88. На рис. 7 приведены примеры полученных микрофокусных снимков.
Рис. 5 Конструкция рентгеновской трубки 0,01БД57-70(90) Рис. 6 Конструкция излучателя (без корпуса) аппарата «ПАРДУС-Р» Рис. 7 Микрофокусная рентгенография стопы По оценкам ведущих российских специалистов полученные изображения имеют преимущество при оценке направления и взаимосвязи костных балок (трабекул), в определении малых очагов деструкции, а также при характеристи ке начальных изменений надкостницы. Снимки с увеличением позволяют луч ше выявить мелкие костные секвестры, а также участки разрушения кортикаль ного слоя костной ткани. Установлена высокая дифференциация мягких тканей, что позволяет говорить в этих случаях о сопоставимой информативности мик рофокусной рентгенографии и мультиспиральной компьютерной томографии.
Полученные результаты подтверждают целесообразность использования в неспециализированных условиях методики микрофокусной съемки при повы шенном напряжении с малого расстояния и прямом увеличении изображения.
Важнейшей задачей при эксплуатации портативного рентгеновского ап парата помимо получения высококачественных снимков является обеспечение радиационной безопасности для рентгенолаборанта, выполняющего рентгено логическое обследование. С целью определения безопасных условий работы медперсонала с портативным стоматологическим аппаратом на базе ФГУН НИИРГ были проведены измерения дозы излучения при имитации дентальной съемки на фантоме. В качестве фантома использовалась пластиковая емкость с водой диаметром 150 мм и высотой 200 мм. Режим работы аппарата соответст вовал максимальным значениям: напряжение 60 кВ, ток 0,1 мА. Дозиметром ДКС-1123 измерялась эффективная доза рентгеновского изучения в радиусе 0,5 1,5 м от аппарата в вертикальной и горизонтальной плоскостях (рис. 8).
Рис.8 Схема измерений дозы по оси пучка излучения При анализе полученных значений дозы учитывалось, что практика ве дущих российских лечебных учреждений стоматологического профиля отмеча ет выполнение до 80-100 прицельных дентальных снимков в день (10 снимков в час) при двухсменной работе рентгеновского аппарата. Максимально на одного рентгенолаборанта «приходится» 50 снимков в день. Исходными данными при расчетах дозы служили пределы эффективной дозы облучения персонала груп пы А. Эквивалентная доза облучения D, которую «получают» за год органы рентгенолаборанта, равна произведению измеренных значений дозы на количе ство снимков в год. Годовые дозы для кисти и хрусталика составят:
Dкисть =Dизм·10 снимков в час 1700 часов в год = 1,3 мЗв.
Dхрусталик =Dизм·10 снимков в час 1700 часов в год = 0,8 мЗв.
Полученные значения на два порядка ниже предела дозы облучения для персонала группы А. Мощность эффективной дозы излучения по оси пучка, определенная для максимального количества снимков в час и при максималь ной длительности одного снимка (0,3 с) на расстоянии 3 метра, составила 0, мкЗв. Эта величина не превышает значения мощности дозы, регламентирован ного для населения. Таким образом, полученные результаты показывают, что при съемке «с руки» портативным рентгеновским аппаратом в стоматологиче ском кабинете в соответствии с действующими нормативами рентгенолаборант находится в условиях, безопасных не только для персонала группы А, но и, в радиусе 3 метров, для всего остального населения.
Таблица Доза излучения при дентальной съемке портативным аппаратом «ПАРДУС-Р» С фантомом Без фантома, прямой пучок Доза Расстояние от торца тубуса, м Расстояние от торца тубуса, м 0,2 0,5 1,0 1,5 3,0 0,2 0,5 1,0 1,5 3, Доза изме 9,9 0,9 0,5 0,2 0,03 84,2 14,4 3,7 1,4 ренная, мкЗв Доза годовая, 148,2 13,6 8,2 2,7 0.45 1262 215,5 56 21,4 мЗв Мощность дозы приве денная к 10 97,8 9,0 5,4 1,8 0,3 833,4 142,2 36,9 14,1 снимкам за час, мкЗв/час В ходе клинических испытаний на базе крупных российских лечебных учреждений (МГМСУ, ВМА и др.) были разработаны таблицы экспозиций для проведения дентальной съемки на портативном стоматологическом аппарате и съемки конечностей на портативном травматологическом аппарате.
Заключение Результаты проведенных теоретических и экспериментальных исследова ний подтверждают, что при диагностических исследованиях в неспециализиро ванных условиях: полевых, военно-полевых, непосредственно на месте проис шествия, в домашних условиях пациента и т.д. цифровая микрофокусная рент генография является наиболее перспективным методом для создания на ее базе нового класса рентгенодиагностической аппаратуры - портативной.
Клинический опыт показывает, что портативные рентгенодиагностиче ские аппараты, использующие съемку при повышенном напряжении с малого расстояния и прямым увеличением изображения позволяют получать как до полнительную, так и новую информацию об объекте диагностики по сравнению со стандартной рентгенографией. Дальнейшее увеличение мощности сущест вующих микрофокусных источников рентгеновского излучения позволит рас ширить применение портативных аппаратов и на другие области медицины.
Основные результаты работы 1. На основании анализа известных способов получения рентгеновских изображений показано, что благодаря возможности получения резких изобра жений при повышенном напряжении с малого фокусного расстояния источни ками излучения меньшей мощности на приемник низкого разрешения, микро фокусный способ съемки может быть взят за основу при разработке портатив ной аппаратуры для рентгенодиагностических исследований в неспециализиро ванных условиях.
2. Теоретически обоснованы и экспериментально подтверждены режимы проведения медицинской рентгенографии в неспециализированных условиях.
3. Определены просвечивающие возможности микрофокусного рентге новского аппарата в медицинской диагностике.
4. Разработана методика рентгенодиагностики в неспециализированных условиях – методика цифровой микрофокусной рентгенографии.
5. Сформулированы технические требования к источникам рентгеновско го излучения и разработаны портативные цифровые рентгенодиагностические комплексы, предназначенные для проведения диагностических исследований в неспециализированных условиях.
6. Проведены клинические испытания портативных цифровых рентгено диагностических комплексов, в результате которых подтверждена безопасность их использования персоналом группы А и разработаны таблицы экспозиций при съемке в нестационарных условиях в стоматологии и травматологии.
7. Разработаны методические рекомендации по основам и особенностям применения микрофокусной рентгенографии в клинической практике.
Публикации по теме диссертации в журналах, рекомендованных ВАК 1. Потрахов Е.Н. Микрофокусная рентгенография – инновационная технология медицин ской диагностики [текст] // Медицинская техника. 2012, №5. – С.44-47.
2. Потрахов Е. Н. Радиационная нагрузка при применении портативных рентгеновских аппа ратов семейства «ПАРДУС» в стоматологии [текст] // Медицинская техника. 2012, №5. – С.37-40.
3. Бессонов Б.В., Баранов И.М., Потрахов Е.Н., Жамова К.К., Грязнов А.Ю. Программа для моделирования спектров излучения рентгеновских трубок [текст] // Известия СПбГЭТУ «ЛЭТИ». – 2012. – №3. – С. 8 – 12.
4. Коваленко Ю.Н., Мирошниченко С.И., Балашов С.В., Миронова Ю.А., Потрахов Е.Н., Потрахов Н.Н., Грязнов А.Ю. Перспективы клинического применения цифровой микрофокусной технологии визуализации рентгеновских изображений [текст] // Диагностическая и интервенционная радиология. – 2011. – №2. – Т. 5. – С. 210 – 211.
5. Васильев А.Ю., Бойчак Д.В., Петровская В.В., Потрахов Н.Н., Грязнов А.Ю., Потрахов Е.Н., Горюнов С.В. Малодозовая микрофокусная компьютерная рентгенография в диагностике измене ний костной ткани при различных заболеваниях [текст] // Биотехносфера. - 2011 – №6 – С. 39 – 43.
6. Васильев А.Ю., Петровская В.В, Перова Н.Г., Серова Н.С., Алпатова В.Г., Потрахов Н.Н., Грязнов А.Ю., Потрахов Е.Н., Селягина А.С. Малодозовая микрофокусная рентгенография в стома тологии и челюстно-лицевой хирургии [текст] // Радиология-практика. – 2011 – №6 – С. 26 – 33.
7. Потрахов Е.Н. Портативные рентгенодиагностические комплексы семейства «ПАРДУС» [текст] // Вестник Российской военно-медицинской академии. 2009, №4 (28), стр. 100-101.
8. Грязнов А.Ю., Потрахов Е.Н., Потрахов Н.Н. Особенности и физико-технические условия съемки на рентгеновский аппарат «ПАРДУС-Стома» [текст] // Медицинская техника. – 2009. – №3. – С.36 39.
9. Грязнов А.Ю., Потрахов Е.Н., Потрахов Н.Н. Портативная установка для рентгеновского экспресс-контроля качества пищевой продукции [текст] // Биотехносфера. - 2009 – №6 – С. 26-28.
10. Потрахов Н.Н., Грязнов А.Ю., Потрахов Е.Н. Эффект псевдообъемного изображения в микрофокусной рентгенографии [текст] // Известия СПбГЭТУ «ЛЭТИ». - 2009. - №2. - С. 18 - 24.
11. Васильев А.Ю., Потрахов Н.Н., Серова Н.С., Грязнов А.Ю., Буланова И.М., Потрахов Е.Н., Алпатова В.Г. Эффект «псевдообъемного» изображения в микрофокусной рентгенографии [текст] // Вестник рентгенологии и радиологии. – 2008. – №№4 – 6. – С. 46 – 49.
12. Грязнов А.Ю., Потрахов Е.Н., Потрахов Н.Н.Портативный рентгенодиагностический комплекс «ПАРДУС» для стоматологии и челюстно-лицевой хирургии [текст] // Медицинская техни ка. – 2008. – №5. – С.45-47.
Публикации по теме диссертации в других изданиях 13. Васильев А.Ю., Потрахов Н.Н., Бойчак Д.В., Петровская В.В., Горюнов С.В., Грязнов А.Ю., Потрахов Е.Н., Коваленко Ю.Н., Балашов С.В., Миронова Ю.А. Малодозовая цифровая микрофокусная рентгенография: лабораторные и клинические исследования возможностей диагностики повреждения костной ткани [текст] // Радиологический вестник. – 2011. – №1. – С. 13 – 16.
14. Gryaznov A.Y., Potrakhov N.N. and Potrakhov E.N. The Phase-Contrast in Microfocus X-diagnosis // Proceedings of the 6-th Russian-Bavarian Conference on Bio-Medical Engineering. – 2010. –Pp.76 – 78.
15. Pardus portable X-ray diagnostic system for dentistry and maxillofacial (Портативный рентге нодиагностический комплекс Пардус для стоматологии и челюстно-лицевой хирургии), A.Y.
Gryaznov, E.N. Potrakhov, N.N. Potrakhov, Biomedical Engineering, Vol 42, #5 2008, pp.270-271.
16. Эффект фазового контраста в медицинской рентгенографии. Васильев А.Ю., Потрахов Н.Н., Грязнов А.Ю., Серова Н.С., Потрахов Е.Н., МНПК «Лучевая диагностика в стоматологии и челюстно-лицевой хирургии», М., 2008, С. 26-28.
Патенты и свидетельства 17. Пат. на изобрет. 85292 РФ, МПК А01С 1/02 Устройство для рентгенодиагностических ис следований зерна и семян. / Архипов М.В., Демъянчук А.М., Великанов Л.П., Потрахов Н.Н., Грязнов А.Ю., Потрахов Е.Н.;
– № 2009113743;
заявл. 13.04.09;
опубл. 10.08.09.
18. Свид. об. офиц. рег. прог. для ЭВМ. 2010617671 РФ. Программа для моделирования спек тров излучения и расчета экспозиционной дозы (ИНФО-Спектр) / Баранов И.М., Грязнов А.Ю., Бес сонов В.Б., Жамова К.К., Потрахов Е.Н.;
- № 2010615931;
заявл. 28.09.10;
зарег. 19.11.10.
19. Пат. на изобрет. 105573, МПК А61В 6/14 Портативный рентгенодиагностический ден тальный аппарат / Грязнов А.Ю., Потрахов Н.Н., Потрахов Е.Н., Васильев А.Ю., Петровская В.В.;
№ 2011100580;
заявл. 11.01.11;
зарег. 20.06.11.
20. Пат. на полезн. мод. 107468. МПК А61В 6/00 Рентгеновская трубка с вращающимся ано дом / Потрахов Н.Н., Потрахов Е.Н.;
- № 2011108991;
заявл. 10.03.11;
зарег. 20.08.11.
21. Пат. на полезн. мод. 114156. МПК G01N23/00 Рентгенодефектоскопическая установка для автоматического контроля качества закаточного шва и содержимого движущихся на транспорте ре консервных банок / Нино В.П., Ратников В.И., Потрахов Н.Н., Потрахов Е.Н. Грязнов А.Ю., Ку пец В.Н.;
- № 2011128035;
заявл. 07.06.11;
зарег. 10.04.12.