Обзор рынка рентгеновского оборудования или как выбрать рентгеновский аппарат

В настоящее время самым оперативным из инструментальных средств диагностики являются исследования с использованием рентгеновского излучения.

Что же такое рентгеновский аппарат? В первую очередь - это генератор ионизирующего излучения (ионизирующее излучение — потоки фотонов, элементарных частиц или осколков деления атомов, способные ионизировать вещество).

В. Б. Чернецов

Генеральный директор ООО  «НОЭЛСИ»

Какой рентгеновский аппарат  лучше?
( Из писем)

Изучением  ионизации  (ионизация — эндотермический процесс образования ионов из нейтральных атомов или молекул) занимались  такие учёные как  Отто фон Герике ( 1602- 1686), Михаил Васильевич Ломоносов ( 1711-1765), Уильям Крукс (1832-1919), Вильге́льм Ко́нрад Рентге́н (1845-1923), Антуа́н Анри́ Беккере́ль (1852-1908), Ге́нрих Ру́дольф Герц (1857-1894), Альбе́рт Эйнште́йн (1879-1955) и другие видные учёные из разных стран.

В 1895 году, проводя эксперименты с катодной трубкой разработанной Уильямом Круксом, Вильге́льм Ко́нрад Рентге́н обратил внимание на возникающие, при включении катодной трубки, свечение экрана покрытого сульфидом цинка. Продолжая свои эксперименты, он определил, что невидимое излучение способно проникать сквозь предметы и предложил использовать это явление для медицинских целей. 

Рис. 1 Публикация Вильгельма Конрада Рентгена об открытии Х-лучей

Позже невидимые лучи, были названы  X-ray, (Х-лучами), в России их стали называть «рентгеновским лучами».

Рис. 2 Солнце - тоже источник ионизирующего излучения

В 1896 году практически сразу после обнаружения Х-лучей, русский учёный и инженер Александр Сергеевич Попов изготовил аппарат предназначенный  для медицинского использования.

В 1916 году производством передвижных и переносных рентгеновских аппаратов занимались компании  Siemens & Halske  (Германия), Sanitas (Германия ), Victor (США), Завод Н.А.Федорицкого (Россия ).

До 1946 года все производимые рентгеновские аппараты имели идентичные конструктивные технические решения и состояли из  отдельных элементов; высоковольтного генератора (высоковольтного трансформатора), рентгеновской трубки, пульта управления и приёмного устройства.

Рис. 3 Варианты исполнения рентгеновских аппаратов  в 1-ой половине ХХ  столетия.

В 1946 компания Mikasa (Япония) начала производство переносных рентгеновских аппаратов моноблочного типа. В отличии от передвижных и переносных рентгеновских аппаратов начала 20 века разработанный компанией  Mikasa переносной рентгеновских аппарат имел в одном корпусе высоковольтный генератор с элементами управления и рентгеновскую трубку (рентгеновский моноблок), что значительно сократило размер и вес рентгеновских аппаратов.

Рис. 4 Моноблочный аппарат Mikasa

В настоящее время производятся различные рентгеновские аппараты, которые можно условно поделить на аппараты для использования в условиях стационарного медицинского учреждения ( в пределах лечебного учреждения), находящиеся в специальных (рентгеновских) кабинетах или передвижные, которые можно использовать в палатах и  операционных, а так же аппараты переносные, которые могут использоваться вне пределов лечебного учреждения (имеющие собственные источники питания или возможность подключения к бытовой электросети).

Рис. 5-1      Стационарный рентгеновский аппарат 

Рис. 5-2      Передвижной рентгеновский аппарат

Рис. 5-3      Переносной рентгеновский аппарат

Кроме способов размещения рентгеновские аппараты отличаются по габаритным размерам, мощности и функциональным возможностям.

За последние 10 лет производство рентгеновского оборудования сделало резкий скачок  в сторону снижения дозы рентгеновского излучения и повышения качества рентгеновского изображения, обеспечив возможность более тщательного и детального изучения патологических изменений в организме пациента  не рискуя при этом, иметь последствия для его здоровья.

В зависимости от целей рентгенологических исследований рентгеновские аппараты могут оснащаться разнообразными столами (поворотными и неподвижными), вспомогательными штативами (напольными, настольными и потолочными), различными по мощности высоковольтными генераторами и рентгеновскими трубками,  а также различными типами приёмных рентгеновских устройств : аналоговыми кассетами, цифровыми приёмниками, сканерами и видео регистраторами.

Обобщая можно сказать, что выбирая рентгеновский аппарат для диагностики необходимо определиться с  технологией  использования рентгеновского аппарата и способом получения рентгеновского изображения.  С этой целью Всемирная организация здравоохранения (World Health Organization) выпустила методические рекомендации по технологии выполнения рентгенографических исследований, а также режимов (напряжения, тока, времени) необходимых для  получения качественного рентгеновского изображения.

Особо внимание уделяется развитию приёмных  устройств, так как от них зависит необходимая, для получения изображения,  доза излучения и диагностическое качество изображения.

По способу получение изображения приёмники рентгеновского излучения можно поделить на аналоговые, в которых изображение фиксируется на фоточувствительных материалах (стеклянных пластинах, фото бумаге, рентгеновской плёнки) и цифровые, в которых изображение отображается на экране  (мониторе) компьютера.

Фоточувствительные материалы наиболее требовательны к параметрам рентгеновского аппарата, так как для получения качественного изображения необходимо большое количество энергии рентгеновского излучения.

Цифровые системы менее требовательны к энергии рентгеновского излучения  в связи со своей более высокой чувствительностью к нему. В рентгенологии применяются несколько типов цифровых систем, это  CR  система (Computed Radiography), CCD матрица (сокр. от англ. CCD, «Charge-Coupled Device») или PSA модули (Photo-diode Sensors Array/ Multi-CCD Detector Method), DR детектор (сокр. от англ. DR, «Digital Radiography»).

Работа CR  системы (Computed Radiography) основана на фиксации пространственного рентгеновского изображения запоминающими люминофорами. Приёмник изображения представляет собой гибкую пластину, покрытую люминофором с вынужденной люминесценцией, способной хранить поглощённую энергию падающего рентгеновского излучения в квазиустойчивом состоянии, а также излучать эту энергию в виде фотонов при облучении светом видимого или ИК-диапазона. Люминофор должен иметь высокий коэффициент поглощения рентгеновского излучения, а также большую световую отдачу на единицу поглощённой энергии.

Для быстрого считывания изображения постоянная времени люминофора должна быть менее 10мкс. Хорошо удовлетворяет этим требованиям фторид бария, активированный европием, который является основой для выпускаемых промышленностью приёмников с вынужденной люминесценцией.

Экран (пластина), покрытый запоминающим люминофором, внешне похож на обычный усиливающий экран. Скрытое изображение на таком экране способно сохраняться, в зависимости от вида люминофора, от нескольких минут до нескольких дней, прежде чем качество его упадёт ниже приемлемого уровня. Это скрытое изображение может быть считано с экрана сканирующей системой и воспроизведено электронно-лучевой трубкой.

Считывание скрытого изображения производится инфракрасным лазером, который стимулирует люминофор и он отдаёт накопленную им энергию в виде видимого света (рис. 8-3). Этот феномен называется фотостимулированной люминесценцией. Она, как и свечение обычных усиливающих экранов, пропорциональна числу рентгеновских фотонов, поглощённых запоминающим люминофором.

В процессе считывания высвобождается не вся накопленная экраном энергия. Чтобы полностью очистить люминесцентный экран от скрытого изображения, он подвергается в процессоре кратковременному интенсивному облучению видимым светом, после чего экран можно использовать повторно.

Процесс считывания изображения осуществляется сканирующим лазером, световой поток которого сканирует поверхность экрана в растровой последовательности, подобно электронному пучку телевизионного кинескопа. Лазерный пучок имеет размер пятна приблизительно 0,1 мм, поэтому разрешение в изображении достигает 5-10 элементов/мм. Возбуждаемый в люминофоре лазером свет из каждой точки экрана фокусируется и трансформируется в электрический сигнал с помощью специальной оптической системы и фотоумножителя. Перед фотоумножителем располагается фильтр, ослабляющий стимулированный свет, так как его интенсивность на несколько порядков выше чем у света, эмитируемого обычным усиливающим экраном.

Фотоумножитель, обладающий широким динамическим диапазоном, конвертирует варьирующийся по интенсивности световой поток с экрана в изменяющийся электрический сигнал, который усиливается, измеряется и проходит через аналого-цифровой преобразователь, чтобы сформировать бинарную (цифровую) матрицу, отражающую яркостные показатели каждого пиксела,  12-битная система представляет эти показатели в диапазоне от 0 до 4095 (2№І = 4096).  Сигнал, переведённый в цифровую форму, передаётся в процессор (буфер) изображения. Таблицы перекодировки процессора обеспечивают преобразование содержимого памяти изображения в требуемый диапазон яркости и контраста.

Основным звеном, связывающим обычные рентгеновские аппараты с CR комплексом, являются стандартного вида рентгеновские кассеты, содержащие специальные многоразовые фосфорсодержащие пластины. Рабочий процесс выглядит следующим образом: после сделанного обычным способом снимка пациента на кассету, последняя помещается в Дигитайзер, где из кассеты автоматически изымается или считывается пластина, изображение переводится в цифровой вид и отправляется на Рабочую станцию для компьютерной обработки. затем в дигитайзере считанное с пластины изображение стирается, а кассета готова к следующему снимку.

Работа приборов с зарядовой связью (ПЗС) (сокр. от англ. CCD, «Charge-Coupled Device») или PSA модуля (Photo-diode Sensors Array/ Multi-CCD Detector Method),  принцип всех приборов с зарядной связью (ПЗС) основан на фотоэлектрическом эффекте — испускании электронов веществом под действием электромагнитных излучений (видимо света, инфракрасного,  ультрафиолетового, рентгеновского излучений и других типов электромагнитных волн). Электроны, вылетающие из вещества при внешнем фотоэффекте, называются фотоэлектронами, а электрический ток, образуемый ими при упорядоченном движении во внешнем электрическом поле, называется фототоком.

ПЗС матрица (CCD) - специализированная аналоговая интегральная микросхема, состоящая из светочувствительных фотодиодов, выполненная на основе кремния, использующая технологию приборов с зарядовой связью (ПЗС). В оптическом блоке приёмника входящие рентгеновские лучи преобразуются усиливающим экраном в видимый свет, который одновременно накапливается в видео сенсорах.

Каждый из датчиков обрабатывает относительно маленькое поле обзора на усиливающем экране, что обеспечивает высокое разрешение изображения. Чем больше количество видео датчиков, установленных в оптический блок, тем выше пространственное разрешение диагностических изображений обеспечивается приёмником. Качество изображений может быть улучшено с помощью алгоритмов масштабирования, выбором интересующей области, настройкой яркости и контраста, инверсии цвета и т.д. Полученное с датчиков и изображение непосредственно поступает на компьютер, обрабатывается и выводиться на монитор  в течении нескольких секунд.

Принцип работы DR детектора (сокр. от англ. DR, «Digital Radiography»). В настоящее время производство плоскопанельных DR детекторов развивается по двум технологиям:

TFT  основана на использовании разновидность полевого транзистора, при которой как металлические контакты, так и полупроводниковый канал проводимости изготавливаются в виде тонких плёнок (от 1/10 до 1/100 микрона).

CMOS (Complementary metal–oxide–semiconductor) (КМОП) технология производства светочувствительных матриц из полевых транзисторов с изолированными затворами и каналами разной проводимости.

Сравнительный анализ этих технологий показывает, что у каждой из них есть преимущества и недостатки.

Например, TFT-фотоприёмники более радиационно-стойкий и по этой технологии легче изготовить панели больших размеров. У CMOS - фотоприёмников меньше аддитивные шумы, они позволяют обеспечить высокое быстродействие, что особенно важно в интервенционной рентгенологии. Важным преимуществом КМОП–фотопреобразователей является возможность выполнения цепей управления, усилителей и аналогово-цифровых преобразователей на том же кристалле. Однако как TFT, так и CMOS панели в режиме рентгеноскопии (при малых дозах на кадр) имеют низкое отношение сигнал/шум за счёт аддитивных шумов. Это сильно снижает качество изображения. Этот недостаток имеют также панели прямого преобразования. Поэтому для исключения влияния на качество изображения аддитивных шумов ведутся интенсивные исследования по электронному усилению (умножению) сигнала изображения в полупроводниках.

Заключение :

При выборе рентгеновского аппарата для медицинского лечебно-профилактического учреждения необходимо руководствоваться экономической целесообразностью использования конфигурации и мощности аппарата, а так же его загруженностью.

Как показывает практика приобретение и эксплуатация автоматизированного рентгеновского диагностического комплекса стоимостью более $300 000 не эффективно для небольших городских и сельских больниц или фельдшерско-акушерских пунктов, так как использование такого оборудование будет не только затратным фактором для бюджета медицинского учреждения, но приведёт к его преждевременному «старению» ввиду малой загруженности, а вот использование мобильного рентгеновского аппарата с цифровой  обработкой изображение не только позволит оперативно решать вопрос о проведении необходимых медицинских манипуляциях, но и приблизит к удалённым поселениям высококачественную медицинскую помощь, так как позволит получать  консультацию профильного специалиста  по результатам рентгенологических исследований, переданных по сети Интернет, а затраты на такое оборудование не превысят и $ 25 000.