Лекция ИИ61 (Электронные лекции)

Лекция ИИ6

Использование ионизирующих излучений

в терапии и диагностике.

§1. Применение рентгеновского излучения в медицине

Одно из наиболее важных медицинских применений рентгеновского излучения – просвечивание внутренних органов с диагностической целью (рентгенодиагностика). Для неё используют фотоны с энергией порядка 60-120 кэВ. При этой энергии массовый коэффициент ослабления потока излучения в основном определяется фотоэффектом.

,

где  - плотность поглотителя, x – толщина поглощающего слоя. Значение _m обратно пропорционально третьей степени энергии фотона (т. е. пропорционально длине волны фотона в кубе - ³), в чем проявляется большая проникающая способность жесткого излучения, и третьей степени атомного номера вещества поглотителя:

,

где k – коэффициент пропорциональности.

Поглощение рентгеновских лучей почти не зависит от того, в каком соединении находится атом в веществе. Это позволяет сравнивать массовые коэффициенты ослабления, например, для кости Ca₃(PO₄)₂ и мягкой ткани (воды H₂O):

Существенное различие поглощения рентгеновского излучения (РИ) различными тканями позволяет в теневой проекции видеть изображение внутренних органов человека.

Е

Рис.2.1.

Схема установки для

рентгенодиагностики.

сли исследуемый орган и окружающие ткани примерно одинаково ослабляют РИ, то применяют специальные контрастные вещества. Например, для желудка и кишечника – это кашеобразная масса сульфата бария. При этом можно видеть их теневое изображение.

Рентгенодиагностику используют в двух вариантах: рентгеноскопия – изображение рассматривают на рентгенолюминесцирующем экране, рентгенография – изображение фиксируется на фотопленке. При массовом обследовании населения широко используется вариант рентгенографии – флюорография, при которой на чувствительной малоформатной пленке фиксируется изображение с большого рентгенолюминесцирующего экрана. При съемке используют линзу большой светосилы, готовые снимки рассматривают на специальном увеличителе.

Одним из вариантов рентгенографии является рентгеновская томография и рентгеновская компьютерная томография. Слово “томография” в переводе означает послойная запись. Томография позволяет получать послойные изображения тела на экране электронно-лучевой трубки или на бумаге с деталями меньше 2 мм при различии поглощения РИ до 0.1%. Это позволяет различать серое и белое вещество мозга и видеть очень маленькие опухолевые образования.

За открытие РИ В.К. Рентгену в 1901 г была присуждена Нобелевская премия. В 1979 г. аналогичную премию присудили Г. Хаунсфилду и Мак-Кормаку за разработку компьютерного рентгенотомографа.

С лечебной целью рентгеновское излучение применяют главным образом для уничтожения злокачественных образований – рентгенотерапия.

§2. Подбор рентгеновской аппаратуры для оптимизации

изображения различных биоструктур.

п. 1. Рентгеновская установка.

На рис. 2.1 показана схема рентгеновской установки для рентгенодиагностики. Квант A при рентгенодиагностике поглотится телом пациента, C, E – рассеянные кванты; B, D – кванты, прошедшие через тело без взаимодействия. Сетка препятствует попаданию рассеянного излучения на приёмник изображения.

Первичные кванты (B,D) регистрируются приемником и образуют изображение, а рассеянные создают фон, который ухудшает контрастность изображения. Полученное изображение является проекцией характеристики ослабления РИ во всех тканях, лежащих в направлении распространения РИ. Таким образом, изображение представляет собой двумерную проекцию трёхмерного распределения ослабления рентгеновских лучей в теле пациента.

Проникающая способность РИ растет с ростом энергии квантов и уменьшается с ростом толщины слоя биоткани.

При низкой проникающей способности лишь небольшая часть квантов доходит до приемника излучения, и радиационная нагрузка на ткани будет очень высокой. С другой стороны, если коэффициент прохождения излучения близок к единице, то различия в проникающей способности через разные ткани будут слишком малыми, а контраст изображения будет низким. Поэтому при выборе энергии квантов следует искать компромисс между требованием малой дозы облучения и высокого контраста изображения. Более высокие энергии квантов используются для получения изображения крупных органов.

Итак, контраст резко уменьшается с увеличением энергии квантов, т.е. для получения бόльшего контраста необходимо использовать излучение низкой энергии.

Еще один важный фактор – нерезкость рентгеновской системы излучения. Она обусловлена 1) наличием фокусного пятна от рентгеновской трубки, которое дает полутень на изображении (геометрическая нерезкость); 2) самим приемником; 3) движением пациента во время обследования. Последнее существенно при получении изображения движущихся органов (сердце и связанные с ним кровеносные сосуды).

Даже если система получения изображения обладает высоким контрастом и хорошим разрешением, в случае очень большого уровня шумов возникают серьезные проблемы идентификации даже крупных биоструктур.

Механизмы возникновения шумов в рентгеновском изображении:

1) флуктуация числа квантов, регистрируемых единицей площади поверхности приемника (квантовый шум);

2) флуктуации, обусловленные характеристиками приемника и системы отображения.

Уровень квантового шума можно снизить за счет увеличения числа квантов, формирующих изображение. Однако при этом растет также и доза облучения пациента, следовательно, необходимо принимать во внимание соотношение между двумя этими величинами.

п. 2. Рентгеновские трубки: целевое использование.

Рентгеновские трубки состоят из наполненного маслом кожуха с колбой в виде вакуумированного сосуда из термостойкого стекла, внутри которого размещены накаливаемый катод и анод.

Катод накаливается за счёт прохождения через вольфрамовую спираль электрического тока, в результате чего создается узконаправленный поток электронов, ускоряемый разностью потенциалов в 25-150 кВ и бомбардирующий анод. Менее 1% энергии, передаваемой электронами аноду, преобразуется в рентгеновское излучение. Некоторая часть РИ проходит через выходные окна колбы кожуха и используется в рентгенографии, остальная часть поглощается кожухом трубки. Вся конструкция трубки устанавливается на штативе и снабжена коллиматором, так что размеры и направление рентгеновского луча можно изменять по необходимости.

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

Трубки с вольфрамовым анодом целесообразно использовать для получения изображения более массивных участков тела благодаря высокому энергетическому выходу рентгеновских лучей для вольфрама. Молибден дает РИ с более низкой энергией, которая лучше подходит для получения контрастных изображений более тонких частей тела. Если излучение слишком “мягкое”, то низкоэнергетические кванты будут давать вклад лишь в дозу облучения и не будут обеспечивать высокий контраст изображения, поэтому важно, чтобы такие кванты были отфильтрованы прежде, чем они достигнут тела пациента. Это реализуется путем введения алюминиевого или медного фильтра.

Размеры фокального пятна в рентгенографических устройствах общего применения со сдвоенным фокусом составляют 0,61,0 мм. Нерезкость, обусловленная приемником на основе рентгеновской пленки, - 0,10,2 мм.

п. 3. Приемники изображения в рентгеновских установках.

Приемники изображения различаются способом преобразования падающего распределения энергии в какую-либо другую форму, воспринимаемую человеческим глазом.

Рентгеновская плёнка прямого экспонирования имеет высокий контраст в изображении и максимальное разрешение. Применяется в тех случаях, когда эти показатели более важны, чем относительно высокая общая доза облучения (кисти рук, зубы).

Система “экран-пленка” обладает более высокой скоростью экспонирования, но худшим разрешением. Применяется, когда ограничение дозы облучения более важно, чем потеря мелких деталей в изображении.

Усилитель рентгеновского изображения (рис.2.2). Доза облучения минимизирована, однако при этом возникает дополнительная нерезкость и шум, превышающий соответствующие значения для системы “экран-пленка”. Используется для исследования процессов движения, течения и заполнения в организме.

После прохождение через входное металлическое окно рентгеновские фотоны бомбардируют поверхность флуоресцирующего экрана, располагающегося на внутренней поверхности окна. Фотоны, испускаемые этим экраном бомбардируют фотокатод, в результате чего образуются фотоэлектроны, которые в свою очередь ускоряются разностью потенциалов 20-30 кВ и фокусируются электронно-оптической системой на выходной флуоресцирующий экран. Диаметр входного экрана 12,535 (до 57) см, диаметр выходного экрана около 2,5 см, и это уменьшение изображения, связанное с ускорением электронов, гарантирует очень высокое усиление светового потока в усилителе изображения. Это изображение регистрируется на фотопленке или с помощью телекамеры.

Фокусирующие электроды предназначены для уменьшения размера изображения с минимальными искажениями. Выходной экран с люминофором должен иметь высокое разрешение, но при этом он всё же будет вносить значительный вклад в нерезкость изображения из-за уменьшения его размера. Кроме того, происходит потеря контраста и возникновение бликов из-за рассеяния и преломления светового излучения в люминофоре выходного экрана.

Преимущество использования высокого фотонного усиления в усилителях изображения – малое время экспозиции при получении изображения (высокое быстродействие).

Ц
ифровые системы обладают следующими преимуществами: цифровое отображение изображения; пониженная доза облучения; цифровая обработка изображений; цифровое хранение и улучшение качества изображений.

п. 4. Принципы рентгеновской трансмиссионной компьютерной

томографии. Разрешающая способность метода.

Как было уже сказано ранее, с помощью обычной рентгенографии легко различить костную и мышечную ткань, трахею, заполненную воздухом. Однако различить кровь в кровеносных сосудах и структуры мягких тканей с помощью обычной рентгеновской пленки с контрастным разрешением 2% не удается.

П

Рис.2.2.

Схема усилителя рентгеновского изображения.

ри применении обычной рентгенографии теряется информация о трехмерной структуре изучаемого объекта.

Р ентгеновское изображение, полученное с помощью компьютерной томографии (КТ), представляет собой изображение некоторого среза толщиной в несколько миллиметров с пространственным разрешением порядка 1 мм и разрешением по плотности (коэффициенту линейного поглощения) лучше 1%.

КТ-сканер – это аппарат с большим отверстием, внутрь которого помещается тело или голова пациента для того, чтобы получить изображение (рис.2.3). Источник формирует остронаправленный пучок рентгеновских лучей, параметры которых потом измеряются детектором. Эта пара источник-приемник последовательно измеряет параллельные проекции, перемещаясь линейно поперёк тела пациента. После снятия каждой проекции рама, на которой размещены источник и детектор, поворачивается на некоторый угол для получения следующей проекции. Время функционирования такой системы довольно велико – около 4 минут.

КТ-сканер 4-го поколения оснащен стационарным кольцом из 1000 детекторов, а вращается только один источник, который создает веерный пучок РИ (раствор пучка перекрывает ширину объекта) в непрерывном режиме сканирования. Время обследования около 0,1 с, что позволяет “замораживать” изображения движения фаз сердца и пр.

Аппараты 5-го поколения не имеют движущихся частей (рис.2.4). Мишень рентгеновской трубки имеет форму дуги окружности величиной 210. Пациент помещается в центр этой дуги, а эффективный рентгеновский источник заставляют двигаться по поверхности мишени. При этом время сканирования можно снизить до миллисекунд.

В системе компьютерного томографа имеется также компьютер, управляющий работой механической части и обрабатывающий полученные данные, и выносная консоль, обеспечивающая визуализацию информации.

п. 5. Способы уменьшения доз облучения.