способ регистрации рентгеновского изображения с использованием двух и более областей энергетического спектра рентгеновского излучения

Формула изобретения

1. Способ регистрации рентгеновского изображения (РИ) объекта в различных диапазонах спектра РИ, включающий облучение пациента РИ, прием прошедшего через объект РИ при помощи люминесцентного экрана (ЛЭ), чувствительного к различным участкам спектра РИ, и получение оптического изображения с ЛЭ, отличающийся тем, что в качестве ЛЭ, чувствительного к различным участкам спектра РИ, используют многослойный экран, каждый слой которого поглощает рентгеновское излучение в своей части спектра РИ, таким образом, чтобы каждый слой экрана, расположенный ближе к объекту, служил фильтром для рентгеновского излучения для последующего слоя, при этом каждый предыдущий слой рентгеновского экрана излучает свет в более длинноволновой оптической области по сравнению с последующим слоем, а получение оптического изображения с ЛЭ производят при помощи цветочувствительного фотоприемника.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что в качестве цветочувствительного фотоприемника использована оптическая матрица, каждый элемент которой снабжен своим оптическим фильтром.

3. Способ по п.1, отличающийся тем, что в качестве цветочувствительного фотоприемника используется цветная фотопленка.

4. Способ по п.1, отличающийся тем, что фильтрующие свойства слоя ЛЭ устанавливают изменением толщины слоя люминофора или нагрузки светосостава.

5. Способ по п.1, отличающийся тем, что фильтрующие свойства слоя ЛЭ устанавливают введением в его состав дополнительных добавок, например солей тяжелых металлов.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к рентгенотехнике, а именно к рентгеновской денситометрии, исследующей плотность костной ткани с целью диагностики остеопороза, и может использоваться в современных рентгенографических диагностических комплексах при проведении обследований с целью профилактики остеопороза, что позволяет избежать переломов тел позвонков, костей конечностей, шейки бедра и т.п.

В настоящее время широкое распространение получили многофункциональные рентгенодиагностические комплексы (РДК) типа - РУМ-20, ТУР-800, ЕДР-750, которые обеспечивают практически все виды рентгенодиагностических исследований за исключением рентгеновской денситометрии. Поэтому пациенту приходится проходить дополнительное обследование в специализированных медицинских учреждениях для диагностики остеопороза.

Известен способ получения рентгеновских изображений для рентгеновской денситометрии при двух энергиях рентгеновского излучения (см. патент США №6285740, H05G 1/64, 2001 г.), включающий облучение пациента рентгеновским излучением (РИ), прием прошедшего через объект РИ, содержащего излучение как низкой, так и высокой энергии, получаемой за счет создания короткого (короче 200 нсек) импульса РИ, при этом напряжение на рентгеновской трубке меняется за время импульса таким образом, что генерируется широкий энергетический спектр излучения. После прохождения исследуемого объекта РИ попадает на приемную систему, состоящую из двух последовательно установленных рентгеновских приемников, каждый из которых включает в себя оптический матричный детектор и люминесцентный экран, при этом между двумя рентгеновскими приемниками помещен дополнительный рентгеновский фильтр с целью выделения нужной области рентгеновского спектра.

Основными недостатками известного способа являются, во-первых, необходимость применения полупроводниковых матриц большого размера (порядка 400×400 мм), что существенно увеличивает стоимость рентгеновского приемника.

Во-вторых, установка дополнительного рентгеновского фильтра приводит к поглощению заметной доли энергии излучения, прошедшего через объект, не давая вклад в оптическое изображение, но приводящее к увеличению получаемой объектом рентгеновской дозы.

Наиболее близким к заявляемому способу и принятым в качестве прототипа является способ получения за один снимок рентгеновского изображения для двух различных энергий излучения, включающий облучение пациента РИ, прием прошедшего через объект РИ, имеющего низко- и высокоэнергетические компоненты, регистрируемые при помощи люминесцентного экрана (ЛЭ), состоящего из двух типов люминофора, чувствительных к различным участкам спектра РИ, и получение оптического изображения путем совмещения двух изображений, получаемых с ЛЭ с помощью двух оптических приемников, каждый из которых снабжен своим оптическим фильтром. Известный способ позволяет, не повышая дозы РИ на пациента, получать снимок объекта, который акцентирует внимание оператора на участки изображения с различной плотностью костной ткани.

Основными недостатками известного способа являются, во-первых, сложность изготовления ЛЭ с использованием двух различных люминофоров, чувствительных к различным участкам рентгеновского излучения. При необходимости получения изображения более чем в двух участках спектра РИ задача становится практически не выполнимой.

Во-вторых, каждый люминофор жестко связан с конкретным участком спектра РИ, что не позволяет в случае необходимости осуществлять перестройку выбранных спектральных окон.

Кроме того, совмещение двух полученных изображений в одно может приводить к ухудшению качества изображения, связанного с пространственным разнесением приемников, а именно появление геометрических искажений, нерезкостей и эффектов виньетирования.

Задачей, решаемой настоящим изобретением, является получение качественного изображения с возможностью визуализации двух и более различных участков спектра РИ, которые по желанию оператора могут быть выбраны своими в каждом конкретном случае.

Предложен способ регистрации рентгеновского изображения объекта в различных диапазонах спектра РИ, включающий: облучение пациента РИ, преобразование прошедшего через объект РИ в видимое оптическое изображение при помощи люминесцентного экрана, чувствительного к различным участкам спектра РИ, и последующая регистрация оптического изображения с люминесцентного экрана. При этом указанная задача решена тем, что в качестве люминесцентного экрана, чувствительного к различным участкам спектра РИ, используют многослойный экран, каждый слой которого поглощает рентгеновское излучение в своей части спектра РИ, таким образом, что бы каждый слой экрана, расположенный ближе к объекту, служил фильтром для рентгеновского излучения для последующего слоя. Кроме того, каждый предыдущий слой рентгеновского экрана (РЭ) излучает свет в более длинноволновой оптической области по сравнению с последующим слоем, а получение оптического изображения с люминесцентного экрана производят при помощи цветочувствительного фотоприемника.

Использование многослойного экрана позволяет полностью использовать весь спектр РИ, прошедший исследуемый объект.

Для получения цифрового изображения обследуемого объекта в качестве цветочувствительного фотоприемника использована оптическая матрица, каждый элемент которой снабжен своим оптическим фильтром, при этом для изменения масштаба изображения в состав цветочувствительного фотоприемника введен ахроматический объектив.

Для упрощения получения изображения обследуемого объекта в качестве цветочувствительного фотоприемника используется цветная фотопленка, изображение на которой, при необходимости, может быть оцифровано существующими сканерами изображения.

Для повышения информативности получаемого изображения фильтрующие свойства слоя ЛЭ устанавливают изменением толщины слоя люминофора. Используя набор люминофоров различной толщины, можно получать изображения с различными характеристиками минерального состава костных тканей.

Аналогичным образом, для повышения информативности получаемого изображения фильтрующие свойства слоя ЛЭ устанавливают введением в его состав дополнительных добавок, например солей тяжелых металлов.

Заявляемый способ позволяет за один рентгеновский снимок получать неискаженное качественное изображение объекта в двух и более спектральных областях РИ, что не имеет аналогов среди известных технических решений, а значит, соответствует критерию «изобретательский уровень».

На фиг.1 приведена схема устройства для получения изображения заявленным способом с помощью цветной фотографической пленки. Устройство включает: рентгеновский излучатель 1; объект исследования 2; первый слой люминофора 3; второй слой люминофора 4; цветная фотопленка 5.

На фиг.2 приведена оптическая схема устройства для реализации заявляемого способа с использованием ахроматического объектива и оптической матрицы-фотоприемника, каждый элемент которой снабжен своим оптическим фильтром. Устройство включает дополнительно: свинцовое стекло 6; ахроматический объектив 7; матрица фотоприемника 8; компьютер 9.

На фиг.3 приведена схема устройства для получения изображения заявленным способом с помощью цветной фотографической пленки, устройство позволяет выбирать различные энергии РИ путем выбора РЭ различной толщины и состава. Устройство включает дополнительно: третий слой люминофора 10 и устройство револьверного типа для смены рентгеновских экранов 11.

На фиг.4 приведены спектры РИ после прохождения РЭ разной толщины, где: 12 - спектр РИ, падающего на первый слой РЭ; 13 - спектр РИ, падающего на второй слой РЭ; 14 - спектр РИ, падающего на третий слой РЭ.

На фиг.5 приведена схема устройства для реализации заявляемого способа с использованием оптической матрицы-фотоприемника, каждый элемент которой снабжен своим оптическим фильтром, причем многослойный РЭ соединяется с матрицей фотоприемника при посредстве волоконно-оптической шайбы 15. Устройство включает дополнительно: волоконно-оптическую шайбу 15 между РЭ и фотоприемником. Относительно небольшие размеры устройства позволяют использовать его, например, в стоматологии для обнаружения у пациентов пародонтоза.

Устройство, представленное на фиг.1, работает следующим образом. Рентгеновская трубка в рентгеновском излучателе 1 работает при фиксированном анодном напряжении и излучает широкий спектр РИ, ограниченный по энергиям сверху величиной приложенного напряжения, а снизу - поглощением материалов излучателя. Спектр излучения представлен на фиг.4 - кривая 12. РИ проходит через исследуемый объект и частично поглощается или рассеивается в зависимости от минерального состава и плотности его тканей. За исследуемым объектом располагается многослойный рентгеновский экран, преобразующий невидимое изображение в рентгеновской области в видимое оптическое изображение, которое затем регистрируется при помощи цветной фотопленки. Первый слой люминофора 3 поглощает преимущественно низкоэнергетическую часть спектра РИ. Кривая 13 на фиг.4 показывает вид спектра РИ, падающего на второй слой РЭ, а кривая 14 - падающего на третий слой соответственно. При этом РИ, поглощенное 1-м слоем, представляет собой разность кривых 12 и 13, поглощенное вторым слоем - разность кривых 13 и 14 и т.д. Первый слой РЭ излучает в более длинноволновой оптической области, чем второй и последующие слои, поэтому оптическое излучение первого слоя не будет поглощаться вторым, третьим и последующими слоями. Второй слой РЭ излучает в длинноволновой оптической области по сравнению с третьим и последующими слоями и т.д. Это позволяет получать цветное изображение объекта, каждый цвет которого соответствует своей области энергетического спектра РИ. Путем сравнения интенсивностей в разных областях спектра РИ, прошедшего исследуемый объект, можно рассчитать плотность и минеральный состав его компонентов, что необходимо при выполнении остеоденситометрии.

Устройство на фиг.2 работает аналогично устройству, представленному на фиг.1. Отличие состоит в том, что цветное изображение с многослойного РЭ регистрируется при помощи полупроводникового матричного детектора 8, оборудованного RGB фильтром и снабженного объективом 7 для масштабирования оптического изображения. Для защиты полупроводникового матричного детектора 8 от прошедшего и рассеянного РИ служит свинцовое стекло 6. Сигналы с матричного детектора после оцифровки передаются в компьютер 9 для последующей обработки, хранения и печати.

Устройство на фиг.3 работает аналогичным образом с представленным на фиг.1. Отличие состоит в том, что вместо двухслойного РЭ с фиксированной толщиной слоев 3 и 4 здесь использован трехслойный РЭ, набираемый из экранов с разной толщиной слоев. Выбор нужного РЭ из представленных в наборе производится перед проведением исследования при помощи устройства револьверного типа 11.

Устройство на фиг.5 работает аналогично устройству, представленному на фиг.1. Отличие состоит в том, что вместо фотографической пленки для регистрации оптического изображения использован матричный фотоприемник, каждый пиксель которого снабжен оптическим фильтром, а перенос изображения с РЭ на фотоприемник производится при помощи волоконно-оптической пластины 15, которая дополнительно служит для защиты фотоприемника от рассеянного РИ. Сигналы с матричного детектора после оцифровки передаются в компьютер 9.

Рассмотрим реализацию заявляемого способа на конкретных примерах.

Пример 1.

В качестве многослойного РЭ использовали двухслойный экран, состоящий из монокристаллов цезий-иод, модифицированных таллием CsJ(Tl), и цезий-иод, модифицированных натрием CsJ(Na). Толщина переднего слоя из CsJ(Tl) составляла 0.2 мм, заднего (CsJ(Na)) - 0.5 мм. При этом первый слой поглощал примерно 50% энергии падающего на него рентгеновского излучения при напряжении на трубке 100 кВ. Второй слой поглощал до 60% излучения, прошедшего через первый слой. Оптический спектр люминесценции первого слоя имеет максимум при 550 нм и второй слой (с максимумом люминесценции при 420 нм) для него практически прозрачен. Передняя поверхность первого люминофора покрывалась черной краской для предотвращения появления отражений от нее и повышения разрешающей способности экранов.

В макете устройства в качестве источника рентгеновского излучения нами применялся палатный рентгеновский аппарат АРА-110/160-1, оборудованный рентгеновской трубкой 0,6-3 БДМ29-125(П) с фиксированным вольфрамовым анодом. Диапазон регулировки анодного напряжения составлял 40-110 кВ, точность установки напряжения была не хуже 5%.

Было изготовлено устройство револьверного типа для смены ЛЭ. В качестве приемника оптического изображения использовалась кассета с набором из 16 фрагментов стандартной цветной фотопленки с форматом кадра 36×24 мм фирмы Кодак, чувствительностью 400 ед.

Пример 2.

Использована установка, аналогичная примеру 1, но в качестве РЭ экрана использовали трехслойный экран, первый слой которого состоял из монокристалла цезий-иод, активированного таллием CsJ(Tl), второй слой из монокристалла литий-иод, активированного таллием LiJ(Tl) и третий слой представлял собой монокристалл цезий-иод, активированный натрием CsJ(Na). Толщина каждого слоя составляла 0.2 мм. Первый слой CsJ(Tl) имеет максимум длины волны спектра люминесценции при 550 нм, второй слой при 450 нм и третий при 420 нм. Регистрация изображения осуществлялась также при помощи цветной фотографической пленки.

Пример 3.

Использована установка, аналогичная примеру 1, но в качестве приемника оптического изображения нами был взят цифровой фотографический аппарат Canon 20D, оборудованный объективом Canon EF 50 mm F1.8II. Чувствительным элементом аппарата служила КМОП матрица размером 22×15 мм, которая имела 8 мегапикселей и встроенный RGB фильтр. Полученные цифровые изображения с КМОП матрицы по кабелю связи передавались непосредственно в компьютер PENTIUM 4.

Таким образом, заявляемый способ позволяет получать за один рентгеновский снимок качественное изображение объекта в двух и более спектральных областях РИ.