Сканеры – их свойства и место в современной цифровой рентгенографии

Рентгеновское излучение, открытое Вильгельмом Рентгеном в 1895г., практически сразу же стало применяться для получения медицинских изображений, причем на протяжении десятилетий технология практически не менялась: рентгеновская трубка как источник излучения и рентгеновская пленка как его детектор. Конечно, происходило постепенное совершенствование этой техники – рос диапазон напряжений и токов трубки, уменьшались размеры фокального пятна, появились РЭОПы, но это были все же количественные изменения.

Качественный скачок произошел с появлением цифровых систем регистрации, отменивших пленку. От нее осталась только форма детектирующего устройства – прямоугольная, часто просто квадратная. Поэтому главный враг качества изображения – зарегистрированное рассеянное излучение – остался жив и не уступил своих позиций. Составляя 50-90% от величины полезного сигнала, это излучение вызывает появление «вуали» на изображении и заставляет поэтому значительно увеличивать дозу для получения снимка с высокими диагностическими характеристиками.

По нашему мнению, одной из основных причин появления сканирующих систем явилось именно стремление радикально решить эту проблему. Узкое щелевидное входное окно линейного детектора, действующее как отсеивающий растр, пропускает падающее на детектор прямое излучение и сводит регистрацию рассеянного в теле пациента излучения практически до нуля. В результате «вуаль», вызванная этой причиной, исчезла, что позволило значительно уменьшить дозу облучения. При грамотно реализованной рентгеновской оптической схеме и высокоэффективном детекторе эта доза может быть снижена до теоретически целесообразного предела, определяемого статистической ошибкой в пикселе. Чтобы не быть голословным, укажем, что для получения прямого снимка легких на сканирующем флюорографе ФМЦ-НП-О пациент получает дозу, эквивалентную часовой полетной дозе (от природного фона) на обычной высоте 10 км (~4 мкЗв).

Кроме радикального снижения дозы, сканеры позволили решить и другие проблемы рентгеновской диагностики:

1. При плоско-параллельном сканировании возможно получать снимки любых разумных размеров, например, 0,7х2м (система LODOX). Такие снимки пациента в лежачем положении полезны в приемных покоях больниц, медицине катастроф. «Протяженные» снимки (вдоль исследуемого объекта) целесообразно делать при некоторых исследованиях позвоночника, измерении длины нижних конечностей.

2. При применении плоско-параллельного сканирования на снимке отсутствуют искажения в направлении вдоль тела человека. Стало возможным видеть все позвонки под одним углом, лучше оценивать взаимное расположение органов, точно измерять размеры по вертикали (длины ног, высоту свода стопы и т.п.).

3. При применении «плоских» детекторов пространственное разрешение принципиально разное в направлении, параллельном оси трубки, что вызвано разным размером фокального пятна. Напротив, в сканерах с плоско-параллельным сканированием, где плоский луч перпендикулярен оси трубки, разрешение по вышеупомянутой координате совершенно одинаково по всему снимку.

4. В традиционных системах с «плоским» детектором интенсивность излучения в направлении, параллельном оси трубки, разная (~ 40%). Напротив, в сканерах с «параллельным» сканированием интенсивность излучения равномерна по всему полю снимка.

5. Стоимость сканирующих систем может быть существенно ниже других цифровых с традиционно двухкоординатным детектором, т.к. линейный детектор с высокими метрологическими характеристиками (в любом известном нам исполнении) дешевле своего плоского цифрового аналога.

Конечно, сканирующие системы имеют и очевидные (на первый взгляд) недостатки, но они не «перевешивают» их достоинств. Рассмотрим эти недостатки спокойно. К ним обычно относят:

1. Значительно большее время экспозиции (секунды вместо долей секунды).

Эту особенность сканирующих систем подробно и аргументировано комментировал А.Гуржиев. Коротко повторим его разъяснения (и немного их дополним). Разумеется, несколько секунд сканирования никакого влияния на пропускную способность рентгеновского кабинета оказать не могут. Остается «динамическая нерезкость». Поскольку противники сканеров не устают твердить о ней, возникает подозрение, что они ни разу не видели снимков, полученных на сканерах. Что же мы имеем реально? В традиционных двумерных системах (пленочных и цифровых) время экспозиции составляет десятки миллисекунд, а в сканирующих время экспозиции строки (каждая из которых последовательно фиксирует свою часть изображения) – единицы миллисекунд, т.е. на порядок меньше. Поэтому при съемке на сканерах пациент может вообще не задерживать дыхание, и снимок получится резким, в отличие от аппаратов с любым двумерным детектором. Изображение сердца и околосердечной области тоже будет резким, а кимографические зубцы на нем свидетельствуют лишь о том, что мы видим сердце в разных фазах его работы. Между прочим, амплитуда зубцов и их форма могут дать специалисту дополнительную полезную информацию. Кстати, при скорости сканирования 14 см/c и выше кимографических зубцов на сердце нет.

Т.е., вместо недостатка аппарата мы имеем еще одно достоинство – № 6, которое звучит так: практическое отсутствие динамической нерезкости по всему полю снимка.

2. Более сложная механика, что связано с необходимостью точного, синхронного и плавного движения частей системы (детектора, коллиматора, излучателя).

Здесь необходимы некоторые пояснения. Конечно, механика сканирующего флюорографа сложнее, чем у аппарата, построенного по схеме «Экран–оптика–ПЗС». Что касается пленочного флюорографа, здесь не все так очевидно. Необходимо учесть входящее в состав аппарата такое сложное оптико-механическое устройство, как специальная фотокамера. Напротив, детектор сканера ФМЦ-НП-О совсем не имеет движущихся частей. К тому же в этом сканере не нужно устройство позиционирования, т.к. эту операцию аппарат выполняет «по ходу дела», она перекрывается диапазоном сканирования. Теперь о РДК с поворотным штативом. Механика его сложна в любом случае – происходит ли в нем регистрация с помощью плоского детектора или методом сканирования. Разница для этих двух типов аппаратов незначительна.

Так что, при объективном подходе, рассматриваемый недостаток сканеров (более сложная механика) оказывается не таким серьезным.

Для реализации главного своего достоинства – предельно низких доз при высоком качестве снимка – сканирующая система должна удовлетворять следующим требованиям:

1. Ее оптика должна быть построена таким образом, чтобы в детектор попадало все излучение, прошедшее через пациента.

2. Детектор системы должен обладать высокой эффективностью (60÷70 %) и низким значением собственного шума (порядка нескольких рентгеновских квантов). Разумеется, при упоминании «эффективности» автор включает в это понятие и любые потери, связанные с промежуточными преобразованиями энергии рентгеновских квантов в заряд (например, потери света в фотодиодной линейке).

Примером современной сканирующей системы может служить флюорограф ФМЦ-НП-О. Это сканер с уже упоминавшимся выше плоско-параллельным сканированием. Его оптика построена так, что все излучение, прошедшее через пациента, попадает во входное окно детектора. В качестве детектора применена многоканальная ионизационная камера с высокой эффективностью регистрации (~70%) и очень низким уровнем собственного шума (sigma шума составляет ~ 3 рентгеновских кванта). В этом детекторе происходит прямое преобразование энергии Y-кванта в заряд, который измеряется электроникой регистрации и пропорционален интенсивности излучения. Т.е., такая система не обладает недостатком большинства «плоских» детекторов (а также сканеров на фотодиодных линейках) – двойным преобразованием энергии (рентген–свет–заряд) и связанными с ним неизбежными потерями сигнала. Низкий уровень шума в сочетании с полным отсутствием регистрации рассеянного излучения позволяет работать при предельно низких дозах и расширяет динамический диапазон в сторону низких доз.

Сверху динамический диапазон ограничен только мощностью источника излучения и разрядностью АЦП. Характеристика приемника излучения во всем динамическом диапазоне абсолютно линейна.

Характеристики флюорографа ФМЦ-НП-О
Размеры снимка (макс), мм 410х1200 (устанавливаются врачом)
Разрешение, п.л./мм 1,3 или 2
Контрастная чувствительность, % 0,5 (при дозе 100 мкР в плоскости приемника)
Скорость сканирования, см/c 14 или 7
Время получения прямого снимка легких, с 2,5 или 5
Динамический диапазон 1000
Доза при прямом снимке грудной клетки, мкЗв 4
Макс. напряжение на трубке, кВ 120
Производительность, снимков/час 60

Приведенные характеристики позволяют утверждать, что данный аппарат может быть использован существенно шире, чем флюорограф. К сожалению, в статье нельзя продемонстрировать высокое качество снимка, полученного при самых низких дозах в мире. Кстати, большинство рентгенологов довольно безразлично относятся к снижению доз, но для пациента этот вопрос крайне важен. Как можно использовать это важнейшее достоинство хорошего сканера в медицинской практике?

1. Появляется возможность возродить старую добрую советскую флюорографическую службу, но на качественно новом уровне – безвредную, с сиюминутной диагностикой, с легкодоступными архивами, без расходных материалов, с сетью для пересылки снимков с целью консультаций.

2. Можно значительно расширить контингент обследуемого населения (дети, беременные женщины).

3. Становиться возможным проводить рентгенографию пациента сколь угодно часто, отслеживая действие методик и лекарств.

И все же, несмотря на многочисленные достоинства сканирующих систем, автору неоднократно приходилось сталкиваться с необоснованной предубежденностью против сканеров со стороны, как рентгенологов, так и медицинских чиновников. Однако, похоже, сканеры все же придется применять. Дело в том, что, несмотря на упорное сопротивление «пленочников», к «цифре» все равно придется переходить. Однако в России разработчики и производители «плоских» детекторов располагают, практически, только одной, самой примитивной технологией: «Экран–оптика–ПЗС». Эта схема по дозам мало выигрывает по сравнению с современными пленками, но “flat panels” нашей промышленности пока «не по зубам», а покупателям – не по карману. А сканеры мы делаем не хуже, а лучше заграничных.

Действительно, в дальнем и ближнем зарубежье появилось несколько моделей рентгенографических сканеров разного назначения. Перечислим некоторые из них.

1. “Digidelca”, Голландия, фирма “Oldelft”. Сканер предназначен для диагностики органов грудной клетки.

2. “Thorascan”, США, фирма “Nucletron”. Сканер также предназначен для диагностики органов грудной клетки.

3. “Пульмоскан”, Беларусь, фирма “Adani”. Сканер создан для диагностики легких.

4. “Lodox”, ЮАР, фирма “Lodox Systems Ltd”. Сканер предназначен для применения в приемных отделениях клиник и может делать снимки размером 0,7х2м, т.е. всего тела человека.

Высокие диагностические качества снимков, получаемых на сканерах при минимальных дозах, были приняты во внимание и создателями цифровых маммографов. В последние годы появились сканирующие маммографы “SenoScan” фирмы “Fisher” и “Sectra MDM” фирмы “Mammea Imaging”, предназначенные для массовых обследований.

Все же следует отметить, что наибольшее распространение сканеры получили все-таки в России. Причина уже была названа – разработчики традиционных систем не располагают современной технологией производства «плоских» детекторов. Поэтому, кроме «Научприбора» (ФМЦ-НП-О), флюорографы выпускают также «Медрентех» (ФЦС–«Рентех»), «Амико» (ФЕНИКС-4000), «Рентгенпром» (Проскан–2000). Все эти системы – цифровые флюорографы и дают примерно одинаковое качество снимков. Но доза у ФМЦ-НП-О примерно в 10 раз меньше, чем у остальных.

Мы отнюдь не требуем запрета традиционных двухкоординатных систем. Как сказано, «пусть расцветают все цветы». Нужно помочь сканирующим технологиям занять свое, весьма почетное место в арсенале диагностических средств современной медицинской техники. В качестве аналога можно привести взаимоотношения двух типов томографов – компьютерного (КТ) и основанного на явлении ядерного магнитного резонанса (ЯМР). В первом изображение образуется за сравнительно короткое время (секунды), но дозы облучения весьма велики. Второй – безвреден, но время получения изображения драматически велико (на два порядка больше). Разумеется, есть и другие отличия, но главное в том, что два типа томографов состоят на вооружении врачей-диагностов в течение многих лет и можно в каждом конкретном случае делать оптимальный выбор.

Место современного цифрового сканера типа ФМЦ-НП-О очевидно – это флюорография. Этот сканер имеет оптимальные параметры для этой «ниши», и применять здесь другие аппараты с дозой в 10-20 раз большей – мягко говоря, неправильно. Флюорография должна быть эффективной и безопасной, т.к. обследуется здоровое население. Область применения традиционных систем остается весьма обширной – палатные аппараты, РДК и т.п., т.е. обследование больных людей, где доза не играет такой определяющей роли.

Другая область применения сканеров, связанная с их способностью получать снимки сколь угодно больших размеров, уже упоминалась в начале статьи. Мы имеем в виду рентгенографы с горизонтальным положением пациента для приемных покоев клиник. Применение таких установок также целесообразно в медицине катастроф.