способ формирования рентгеновского изображения для диагностики и дозированного воздействия на биологическую ткань и система для его осуществления

Формула изобретения

1. Способ формирования рентгеновского изображения для диагностики и дозированного воздействия на биологическую ткань путем контролируемого воздействия энергетического пучка на среду формирования рентгеновского изображения, отличающийся тем, что энергетический пучок локально воздействует на кристалл активной среды и вызывает локальное рассогласование брэгговского отражения областей дифрагирующего кристалла.

2. Система формирования рентгеновского изображения для диагностики и дозированного воздействия на биологическую ткань, включающая источник рентгеновского излучения и устройство реконструкции образов, отличающаяся тем, что она дополнительно содержит блок монохроматора, блок активной среды с кристаллом активной среды, снабженный стабилизатором температуры и позиционером, и, квантрон, соединенный через устройство реконструкции образов с компьютером, подключенным к регистрирующей камере, и установленный с возможностью энергетического воздействия на кристалл активной среды.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к медицине, в частности к радиологии и рентгенодиагностике, и может быть использовано в медицинских рентгеновских установках для пространственно-модулированного и дозированного воздействия ионизирующего излучения на биологическую ткань.

Известен способ формирования дозного поля при облучении биологического объекта, заключающийся в том, что исходный пучок тяжелых заряженных частиц делят на несколько элементарных пучков меньшего диаметра сечения. Перемещают их друг относительно друга по параллельным траекториям с разделенным и одновременно регулированием энергии частиц в элементарных пучках, а ротационное сканирование облучение объекта проводят, вращая объект под лучом вокруг вертикальной оси и перемещая его вдоль оси ротации. Недостатками известного способа также являются невозможность создания сложных дозных полей и необходимость вращения кресла с пациентом на ротационном стенде (А.с. СССР 1662587, кл. A 61 N 5/10, опубл. 15.07.91 г.).

Известен способ формирования рентгеновских лучей, заключающийся в применении многомерного множества регулярно раздельных перемещающихся апертур, имеющих различное поглощение рентгеновского излучения (РИ). Перемещения апертур производится посредством электромеханического привода головок. Таким образом, достигается заданное распределение интенсивности РИ, прошедшего через систему апертур (патент США 6157703, МКИ G 21 K 003/00, опубл. 5 декабря 2000 г.).

Недостатками известного способа также являются невозможность создания сложных дозных полей и необходимость использования системы электромеханического привода апертур.

Наиболее близкими к предлагаемому изобретению по совокупности признаков являются способ формирования рентгеновского изображения для дозированного воздействия на биологическую ткань и система его осуществления, защищенная патентом США (патент США 5,729,584, МКИ G 21 K 005/10, 17 марта 1998 г.). Способ включает контролируемое сканирование пучком электронов анода рентгеновской трубки. Рентгеновское изображение, получаемое при торможении электронов в поле анода, соответствует входному сигналу, подаваемому на электронную пушку. Система формирования рентгеновского изображения представляет собой ступенчатый сканирующе-лучевой рентгеновский источник (рентгеновская трубка с электронной пушкой), мульти-детекторный приемник и коллиматорный элемент в форме перфорированной сетки содержащей набор апертур, располагаемых между источником рентгеновского излучения и облучаемым объектом. Для контроля положения пучка электронов на поверхности анода рентгеновской трубки используется мультидетекторный приемник, выходной сигнал которого подается на устройство реконструкции образов. Устройство реконструкции образов комбинирует выходные сигналы с матрицы детекторов от нескольких положений рентгеновского луча и направляет луч электронов поперек анода рентгеновской трубки заданным образом.

Однако известным способом формирования рентгеновского изображения сложно получать рентгеновские изображения с заданным пространственным распределением интенсивности в рентгеновском пучке, что делает его использование в целях снижение дозы облучения неэффективным. Недостатком системы для формирования рентгеновского изображения является требование специальных источников рентгеновского излучения в виде рентгеновской трубки с встроенной в ней управляемой электронной пушкой. Вторым недостатком данной системы является применение элементов коллимации рентгеновского излучения, необходимого для достижения необходимой разрешающей способности формируемого рентгеновского изображения. Перечисленные недостатки данного способа и системы для его осуществления делают его затруднительным в широком использовании в серийных медицинских рентгеновских установках.

Задача, решаемая предлагаемым изобретением, - совершенствование способа формирования рентгеновского изображения при облучении биологических объектов и системы для его осуществления.

Технический результат от использования изобретения - снижение дозы воздействия рентгеновского излучения на человека при радиологических исследованиях и облучении злокачественных опухолей (рентгеноскопия, рентгенография, маммография, литотрипсия, урология и т.д.), повышение информативности рентгеновских снимков и возможность использования системы в серийных медицинских рентгеновских установках.

Указанный результат достигается тем, что в способе формирования рентгеновского изображения для диагностики и дозированного воздействия рентгеновским изображением на биологическую ткань путем контролируемого воздействия энергетического пучка на среду формирования рентгеновского изображения энергетический пучок локально воздействует на кристалл активной среды и вызывает локальное рассогласование брэгговского отражения от областей дифрагирующего кристалла.

Указанный результат достигается также тем, что система формирования рентгеновского изображения для диагностики и дозированного воздействия рентгеновским изображением на биологическую ткань, включающая источник рентгеновского излучения и устройство реконструкции образов, дополнительно содержит монохроматор, блок активной среды с устройством стабилизации температуры, квантрон, соединенный через устройство реконструкции образов с компьютером, соединенным с регистрирующей камерой, а в качестве источника излучения используется серийная медицинская рентгеновская трубка.

Способ и система для его осуществления предполагают строго локализованное и дозированное воздействие рентгеновского пучка на исследуемые области органов человека. Для осуществления такого воздействия используются разработанные нами способ и система формирования пространственного распределения интенсивности РИ с энергиями квантов в диапазоне 5 -150 кэВ.

Схема способа и система для его осуществления показана на фиг.1. Система содержит источник рентгеновского излучения с блоком монохроматора (на фиг.1 монохроматор и источник РИ совмещены в блок 1), блок активной среды 2 с устройством стабилизации температуры и позиционером, квантрон 3, соединенный через устройство реконструкции образов 4 с компьютером 5, соединенным с регистрирующей камерой 6. На фиг.1 изображен биологический объект 7 в виде кисти руки.

В качестве источника РИ используются медицинские трубки, входящие в состав радиологической установки. В качестве монохроматора используются пластины кремния (Si) или германия (Ge). В качестве кристалла активной среды (КАС) используются кристаллы, обладающие определенными значениями кристаллофизических параметров (теплопроводность, коэффициент теплового расширения и т. д. ). Например, в качестве КАС можно использовать кристаллы СаСО₃, ZrO₂, LiNbO₃ и др. В качестве устройства стабилизации температуры используется термостат с водяной системой охлаждения или любое другое устройство, например устройство, работающее с использованием термоэлектрического эффекта Пельтье. В качестве позиционера используется устройство, собранное, например, на пьезодвигателях, позволяющее проводить подстройку КАС под Брэгговский угол дифракции. С помощью КАС формируется пространственно-модулированный по интенсивности рентгеновский пучок, именуемый в дальнейшем как модулированный пучок (МП). Выбор индексов плоскостей отражения для монохроматоров определяется длиной волны рентгеновского (синхротронного) излучения, интенсивностью и шириной дифракционных максимумов. Управление апертурой и распределением интенсивности в МП осуществляют как в автоматическом (на основе комплекса программ), так и в ручном (оператором-медиком) режимах с помощью графического интерфейса программного обеспечения компьютера. Управление МП может осуществляться следующим образом. На КАС 2 от источника РИ с блока 1 направляют рентгеновский пучок под углом к его поверхности, удовлетворяющему Брэгговскому условию дифракции. Одновременно на поверхность КАС 2 воздействуют модулированным по энергии или интенсивности энергетическим (электронным, световым, инфракрасным и т.д.) пучком, способным локально изменять температуру поверхности КАС. Например, энергетическое воздействие может быть осуществлено через квантрон 3, представляющий собой блок, в который входит оптическое устройство (лазер, проекционная лампа и т.д.), и устройство для управления положением светового пучка на поверхности КАС (рефлекторы и оптические модуляторы). Способ подведения энергии для воздействия на КАС может быть выполнен также с помощью мультимедийного проектора (например, VPL-CS1, Barco SLM G5, BarcoGraphics 9300/BarcoReality 9300 и т.д.). Воздействие может быть осуществлено непосредственно на КАС 2 или через волоконную оптику (световоды), светодиодную матрицу и т.д. Квантрон 3 и компьютер 5 соединяются через устройства реконструкции образов 4. В качестве устройства реконструкции образов используется электронная плата, размещаемая в системном блоке компьютера 5, функциональные возможности которого не ниже Pentium 4.

Модулированный энергетический пучок создает на поверхности КАС 2 температурное поле, вызывающее локальное смещение дифракционных максимумов КАС, функционально связанное с распределением энергетического воздействия на поверхности КАС. За счет рассогласования брэгговских отражений рентгеновских лучей от участков КАС создается пространственно-модулированный по интенсивности рентгеновский пучок (рентгеновское изображение), распределение интенсивности в котором функционально связано с распределением температурного поля в кристалле и, следовательно, с величиной энергетического воздействия на КАС. В случае, когда используемое энергетическое воздействие слабо поглощается КАС, используется предварительное "чернение" освещаемой поверхности КАС (на поверхность КАС наносится поглощающий оптическое излучение слой, например PbS). Реализуется условие дифракции РЛ на КАС, при которой величина максимального энергетического воздействия на области КАС будет отвечать точному брэгговскому положению этой области. Области КАС, в которых энергетическое воздействие отличается от максимального, будут формировать полутоновые рентгеновские изображения за счет рассогласования брэгговских отражений (области будут находиться в разной части кривой дифракционного отражения). Формируемое рентгеновское изображение будет прямым по отношению к энергетическому воздействию, т.е. освещенным участкам поверхности кристалла соответствуют области повешенной интенсивности. В данной схеме возможно создание рентгеновских изображений инверсным по отношению к энергетическому воздействию, т. е. освещенным участкам поверхности кристалла соответствуют области пониженной интенсивности. В этом случае в точное брэгговское положение выводится неосвещенная часть КАС. Вывод различных областей кристалла (освещенных и неосвещенных) в разные части кривой дифракционного отражения производится изменением угла падения РЛ на поверхность КАС. Рентгеновское изображение, формируемое КАС и прошедшее через биологический объект 7, фиксируется регистрирующей камерой 6. В качестве регистрирующей камеры может быть использована, например, рентгеновская цифровая камера SMART (The Small Molecule Analytical Research Too), производимая фирмой Siemens.

Модулирующим сигналом, управляющим апертурой и распределением интенсивности в диагностирующем рентгеновском пучке, будет являться выделенный участок для облучения или диагностирования объекта 7. Выделение участка осуществляется с помощью графического интерфейса программного обеспечения компьютера 5, руководствуясь диагностическими сведениями, полученными с помощью различных методов (УЗИ, цистоскопии, компьютерной томографии, магнитно-резонансной томографии и т.д.).

Оператор имеет возможность контролировать область падения диагностирующего пучка, изменять размер его апертуры и пространственное распределение интенсивности внутри апертуры пучка. Рентгеновское изображение исследуемого объекта либо ее фрагментов оператор наблюдает на дисплее компьютера, сигнал на который поступает с регистрирующей камеры 6.

На фиг. 2 приведено рентгеновское изображение, полученное заявляемым способом.

Пример а. Рентгеновское изображение сформировано с использованием в качестве КАС кристалла СаСО₃ (а, b). В качестве энергетического воздействия нами использовался полихроматический световой пучок от проекционной лампы накаливания мощностью 300 Вт, пропущенный через трафарет создающий нагрев поверхности кристалла СаСО₃ в области освещения 10 ^oC.

Примеры с и d. Формирование рентгеновских изображений проведено аналогично с использованием в качестве КАС кристаллов ZrO₂ и LiNbO₃ соответственно. Во всех случаях световой пучок, воздействующий на поверхность активной среды, пропускался через трафарет. Структура формируемых рентгеновских изображений, показанных на фиг.2, соответствовала формам используемых трафаретов.

Заявляемый способ и система для его осуществления позволяют гибко моделировать пространственно-временные параметры терапевтических пучков, сочетать статические и подвижные варианты облучения, формировать дозное поле принципиально любой геометрической формы и протяженности, что позволяет:

1. Облучать опухоли с различными анатомо-топографическими параметрами первичного очага и обеспечивать эффективную защиту органов высокого радиационного риска за счет ограничений поглощенных доз в заданных направлениях.

2. Проводить интерактивные, локальные радиологические исследования внутренних органов за счет строгой локализации диагностирующего пучка, его контролируемого перемещения и дозного распределения в диагностирующем пучке.

3. Возможность использования системы в серийных медицинских рентгеновских установках и согласования ее работы с другими медицинскими приборами, например УЗИ.

4. Создания пространственного распределения интенсивности РИ в строгом соответствии с картой дозного облучения пациента с повышением информативности рентгеновских снимков.

Реализация в заявляемом способе и системе заложенных возможностей при проведении радиологических исследований и облучении позволяет снизить уровни поглощенных доз в конкретных анатомических областях на 30-70% по сравнению с обычными способами, используемыми в радиологии.

Снижение дозы облучения достигается за счет уменьшения площади облучаемых участков внутренних органов, а также за счет дозированного распределения интенсивности в рентгеновском пучке внутри облучаемых участков.

Заявляемый способ и система обеспечивают широкие возможности формирования дозных полей с учетом индивидуальных характеристик опухолевого очага. Способ и система позволяют повысить контраст и информативность рентгеновских снимков за счет строгой монохроматизации РИ и применения модулированного распределения интенсивности в диагностирующем пучке.