Использование методов интроскопии

Размещено на http://www.allbest.ru/

Введение

Одной из актуальнейших проблем развития общества была и остается его безопасность: это борьба с преступностью, терроризмом и экономическими правонарушениями, предупреждение и предотвращение техногенных и экологических катастроф. Эффективность решения этих проблем неразрывно связана с уровнем оснащенности соответствующих структур техническими средствами, важное место среди которых принадлежит информативным устройствам, основанным на методах интроскопии и неразрушающего контроля (НК).

Глава 1. ПОИСКОВЫЕ ТЕХНИЧЕСКИЕ СРЕДСТВА НА ОСНОВЕ

МЕТОДОВ ИНТРОСКОПИИ

Одной из актуальнейших проблем развития общества была и остается его безопасность: это борьба с преступностью, терроризмом и экономическими правонарушениями, предупреждение и предотвращение техногенных и экологических катастроф. Эффективность решения этих проблем неразрывно связана с уровнем оснащенности соответствующих структур техническими средствами, важное место среди которых принадлежит информативным устройствам, основанным на методах интроскопии и неразрушающего контроля (НК).

Контроль багажа и почтовых отправлений, различных контейнеров и транспортных средств, продуктов питания и сыпучих грузов, строительных конструкций, мебели и предметов обихода, судебно-медицинская экспертиза и анализ подлинности произведений искусства, ценных бумаг, банкнот и документов -- все это осуществляется в настоящее время с помощью технических средств интроскопии. Помимо вышеперечисленного такая аппаратура обеспечивает решение задачи поиска и выявления взрывчатых веществ и взрывных устройств, оружия и боеприпасов, пресечения попыток нелегального провоза запрещенных предметов, контрабанды и наркотиков; выявления систем подслушивания и передачи информации; обнаружения подделок, фальшивок и т.п.

Методы и аппаратура, решающие изложенные выше задачи, получили название поисковые. Отдельные специалисты называют их досмотровыми, что практически является идентичным и отличаются нюансами, связанными с применением.

Многообразие поисковых задач, особенности объектов контроля, специфические условия применения поисковых аппаратурных средств, высокие требования по функциональным возможностям, чувствительности, надежности, весогабаритным и эксплуатационным характеристикам обусловили необходимость и целесообразность формирования самостоятельного научного направления. Его основной целью является разработка и создание портативных и безопасных для персонала средств поиска в оптически непрозрачных средах посторонних включений методами интроскопии и НК.

Не вызывает сомнения, что заложение основ этого направления и рождение интроскопии как науки, относится к одному периоду. Хотя следует отметить, что до настоящего времени однозначного ответа о дате рождения интроскопии нет. Мнение ученых и специалистов, работающих в этой области, разделились. Одни считают моментом рождения интроскопии период разработки и постройки в СССР в 1934 году первых радиолокационных станций, другие, к мнению которых склоняется и автор, день, когда В.К. Рентген сделал снимок руки своей супруги. Есть и такие, кто склонен считать, что для установления истоков интроскопии, следует заглянуть в историю средних веков.

Для понимания этапов и путей формирования этого научного направления целесообразно совершить небольшой исторический экскурс.

Интроскопия (от латинского intro -- внутри) -- это визуальное наблюдение предметов или процессов внутри оптически непрозрачных тел, в непрозрачных средах (веществах). Наблюдение осуществляется путём преобразования невидимого глазом изображения исследуемого объекта, полученного в фиксированном диапазоне электромагнитного излучения, в видимое изображение на экране специального устройства, называемого интроскопом.

Рождение и развитие интроскопии как науки, определяется, прежде всего, главным её свойством -- аппаратурным расширением возможностей человеческого зрения. Следует отметить, что человеческий глаз воспринимает весьма узкий диапазон электромагнитного излучения, границы которого определяются длиной волны от 400 до 800 нм, а его разрешающая способность не превышает десятых долей градуса углового размера наблюдаемых предметов (объектов), при достаточном уровне контраста.

Создание устройств, расширяющих возможности человеческого зрения и позволивших увидеть то, что было скрыто в силу удаленности или малости, относится к XV веку. Однако эти устройства лишь улучшали характеристики зрения без расширения диапазона видимого спектра электромагнитного излучения.

Первым таким устройством явился микроскоп. По некоторым данным первый двухлинзовый микроскоп построил З. Янсен (Нидерланды) в 1590 году. Применение микроскопа, далеко несовершенного, позволило англичанину Г. Гуку (1665г.) открыть клеточное строение животной и растительной ткани, голландскому пастору А. Левенгуку (1673-1677г.г.) -- открыть микроорганизмы, а немецкому физику Э. Аббе (1872-1873г.г.) -- разработать и развить основы теории методов микроскопических исследований. Другим важным этапом на этом пути явилось создание телескопа, построенного Галилеем в 1609 году, усовершенствованным и улучшенным Гюйгенсом и Рамсденом, с помощью которого был совершен ряд замечательных астрономических открытий.

Рубеж конца XIX начала XX веков ознаменовался рядом великих открытий, бурным развитием физики, потоком новых фактов и идей, опережавших самые смелые предпосылки и ожидания. Научная деятельность в этот период целой плеяды знаменитых ученых заложила основы методов той науки, которая впоследствии получит название интроскопии.

Г. Герц в 1886-1889 годах впервые доказал на опыте существование электромагнитных волн, установив их тождественность со световыми. Английский физик Дж. Дж. Томпсон в 1897 году открыл электрон, а в 1895 году сделал своё знаменательное открытие В. К. Рентген. В 1896 году А. Беккерель открыл радиоактивность. Вскоре мир узнал об альфа- и бета- лучах, а в 1901году П. Виллард открыл гамма-излучение. Через три десятилетия супруги Ф. и И. Жолео-Кюри открывают позитрон (1934 год), а двумя годами ранее Дж. Чедвик -- нейтрон.

Открытие новых видов электромагнитного излучения и выявление закономерности его взаимодействия с различными материалами стимулировало создание устройств, преобразующих различные виды излучения (от гамма квантов высоких энергий до радиоволн и от упругих колебаний до корпускулярных излучений) в оптически видимое, тем самым, обеспечив рождение науки о видении в оптически непрозрачных средах.

Своим рождением и бурным развитием интроскопия как прикладная наука обязана, прежде всего, научно-техническому прогрессу, который выдвинул принципиально новые требования к качеству материалов и изделий. Разнообразие практических задач, решаемых на основе методов и средств интроскопии, как по своей цели и содержанию, так и по своим условиям, предполагает решать конкретную проблему с помощью различных физических методов. Современные методы интроскопии основаны на использовании практически всего частотного диапазона электромагнитного спектра, а современные интроскопы позволяют осуществлять прямое оптическое видение в прошедших и рассеянных лучах с заданным коэффициентом трансформации размеров изображения внутренней структуры практически любого объекта. Все зависит от выбора первичного излучения, его интенсивности и спектрального состава.

Наряду с перечисленными видами электромагнитного излучения в интроскопии широко используются методы на основе акустических волн, ведутся работы по исследованию возможности использования корпускулярных излучений (нейтроны, электроны, протоны, позитроны), а также электростатического поля.

Перечисленные виды излучения лежат в основе различных методов интроскопии.

Одним из наиболее универсальных и информативных методов интроскопии является радиационный, занимающий ведущее место в неразрушающем контроле материалов и изделий, а технические средства, основанные на данном методе, отличаются широким многообразием типов.

Современная технология, контроль качества продукции, анализ функционирования узлов и механизмов, контроль багажа, почтовых отправлений, грузовых контейнеров и транспортных средств, продуктов питания и сырья, судебно-медицинская экспертиза и анализ произведений живописи, регистрация быстропротекающих процессов и физических явлений в оптически непрозрачных средах -- вот далеко неполный перечень сфер применения средств радиационной интроскопии.

История развития метода радиационной интроскопии берёт своё начало с того знаменательного дня, который открыл новую эпоху в развитии естествознания, определил направление и характер развития технических средств медицины и неразрушающего контроля. 8 ноября 1895 г., В. Рентген в своей маленькой лаборатории впервые зафиксировал действие излучения круксовой трубки на кристаллы платиносинеродистого бария. Всякий раз, когда через трубку проходил ток, она испускала невидимое глазом излучение, способное проходить сквозь непрозрачную для света преграду и вызывать свечение кристаллов двойной соли цианистого бария и платины. Трубки с катодными лучами использовались в опытах уже около 40 лет, но никто из экспериментаторов не обратил внимания на излучение, зафиксированное Рентгеном.

В течение 50 суток Рентген исследовал свойства лучей и искал объяснение открытому явлению, превратившись в затворника, работая день и ночь и практически не выходя из лаборатории. Такое поведение ученого вызвало бурные протесты жены -- фрау Марты. Следует объяснение, в процессе которого Рентген делает фантастический снимок: на нём видны тёмные силуэты костей кисти жены, а на одной из фаланг -- чёрное пятно обручального кольца. Эта фотография, представленная на фото 1, стала исторической -- первой рентгенограммой человеческого органа. 28 декабря 1895 года В. Рентген отправляет в Физико-медицинское общество Вюрцбурского университета 30 страниц рукописи “О новом роде лучей” с припиской “Предварительное сообщение”.

Фото 1. Одна из первых рентгенограмм: изображение “руки без мяса”

9 марта 1896 года В. Рентген завершил вторую статью об открытой радиации, а 10 марта 1897 года -- третью (и последнюю) -- “Дальнейшие наблюдения над свойствами икс-лучей”. В этих трех небольших статьях, опубликованных практически в течение одного года, в виде четко сформулированных тезисов дано исчерпывающее описание икс-лучей:

прозрачность объектов, через которые проходит рентгеновское излучение, зависит от свойства объекта (атомного номера его элементов), его плотности, толщины и разности потенциалов, приложенных к трубке;

рентгеновское излучение распространяется прямолинейно, давая достаточно резкую тень объекта на экране;

оно электрически нейтрально и не отклоняется магнитным полем;

та часть излучения, которая поглощается объектом, может производить физическое (ионизация, флуоресценция), химическое (воздействие на фотопленку) и биологическое действия.

Непосредственно за открытием икс-лучей Рентген создал и технику получения открытого им излучения, а также установил, что икс-лучи возникают в том месте, куда попадают катодные лучи и интенсивность их растёт с увеличением плотности материала антикатода. Открытие В. Рентгена всколыхнуло учёный мир. Появилась масса публикаций по исследованию и применению икс-лучей. В России А. С. Попов одним из первых создал аппаратуру для получения и исследования икс-лучей, а профессор Петербургской военно-медицинской академии И. Т. Егоров уже во второй половине 1896 года делал пациентам рентгенодиагностические снимки.

Не обошлось без курьёзов. В 1896 году власти штата Нью-Джерси (США) со всей серьёзностью приняли на обсуждение законопроект депутата Рида, запрещавший применение икс-лучей в театральных биноклях. Ибо они способны проникать не только через одежду, но и в душу.

Пресса Нового и Старого света забила тревогу, предупреждая, что с помощью икс-лучей можно читать чужие мысли, притом самые затаенные.

Появились околонаучные исследования и публикации, утверждающие, что с помощью икс-лучей можно вернуть юность дряхлым и едва ли не жизнь умирающим и т.д. и т.п.

Однако все чаще появлялись материалы, демонстрирующие эффективность практического применения рентгеновских лучей. Интересная публикация появилась в газете “Русские ведомости” за 1896 год. В заметке “В мире новых эфирных вибраций” описывалось “новейшее применение радиографии при посредстве икс-лучей” для выявления поддельных бриллиантов. Описанный метод и сегодня используется для решения аналогичных задач.

Бурное распространение и развитие рентгеновской техники во всём мире отчасти объясняется отсутствием ограничений, связанных с монополией на её выпуск, что обуславливалось отказом В. Рентгена на приоритет открытия, от привилегий, лицензий, патентов и т.п.

Помимо медицинских целей уже в 1896 году рентгеновские икс-лучи используются при создании специальной аппаратуры, предназначенной для контроля багажа и почтовых отправлений.

Одно из первых применений простейшего рентгеновского флуороскопа - контроль багажа. Характеристики таких устройств, появление которых относится к 1896-1897 годам, были весьма низкими, а высокие радиационные нагрузки ограничивали их применение. Яркость экрана первых флуороскопов лежала в пределах от 10-3 до 5· 10-2кд м-2, а эффективность преобразования не превышала 5· 10-2 кд м-2 Р. мин.

С момента первого применения рентгеновских лучей в течение почти 50 лет радиационно-оптическое преобразование проводилось только с помощью двух основных функциональных компонентов: флюоресцирующих экранов и фотоэмульсии.

Устройства на основе таких преобразователей обладали ограничениями по диапазону толщин контролируемых изделий, чувствительности, а также из-за трудностей в обеспечении безопасности контроля, ограничениями в применении источников излучения с максимальной энергией более 200кэВ. В таблице 2 приведены основные достижения радиационной интроскопии к концу 40-х годов.

Пятидесятилетняя история разработки и создания, радиационных интроскопов характеризовалась одновременными интенсивными исследованиями по усовершенствованию преобразователей и построению математической модели процесса радиационно-оптического преобразования. Важным итогом этих исследований явилось установление связи между контрастом, минимальным размером разрешаемого элемента и потоком квантов (1948 год).

В 1949 году Штурм и Морган, анализируя процесс радиационно-оптического преобразования, пришли к выводу о необходимости энергетического усиления при формировании светотеневой картины.

Мощным толчком в развитии рентгеновской интроскопии послужили успехи, достигнутые в разработке усилительных устройств, к которым, в первую очередь, относятся электронно-оптические (ЭОПы) и радиационные электронно-оптические преобразователи (РЭОПы).

ЭОП был изобретен Холстом де Бургом в 1934 году. В течение примерно 10 лет разрабатывались теоретические основы его работы, возможные варианты и способы применения. В середине 40-х годов в ряде стран был освоен выпуск однокамерных ЭОПов с разрешением 30-50 пар лин. мм-1. А с середины 40-х до середины 50-х годов были созданы многокамерные ЭОПы (2-х -- 6-ти) с коэффициентом преобразования 107 -- 108. Одновременно было установлено, что увеличение числа каскадов нецелесообразно, т.к. пятикамерные ЭОПы достигли предельного усиления по свету.

В начале 50-х годов Тевис и Тул изобрели РЭОП, который постоянно совершенствовался, и в настоящее время выпускается уже третье его поколение.

Первое поколение РЭОПов охватывает исторический период с пятидесятых по конец шестидесятых годов. Первые РЭОПы имели диаметр входного окна 110-120 мм, коэффициент усиления не более 800, а в качестве радиационно-оптических преобразователей использовался слой люминофора из ZnS или CdS. В конце пятидесятых годов были разработаны РЭОПы с диаметром входного окна 160-220 мм и усилением до 3000. А к концу первого периода появились РЭОПы с диаметром входного окна до 320 мм и переменным усилением.

Второе поколение РЭОПов характеризуется применением в качестве преобразователя сцинтиллятора на основе CsJ (1969 год), что резко улучшило такие характеристики радиационных систем как квантовая эффективность и разрешение.

Следующим этапом усовершенствования РЭОПов было повышение контраста изображения путём применения “тёмного экрана” (1971 год).

Третье поколение РЭОПов отличается высоким разрешением, достигнутым за счёт совершенствования технологии нанесения люминофора при изготовлении входного сцинтилляционного экрана и существенной модификации электронной оптики. В конце 70-х -- начале 80-х годов были созданы РЭОПы с достаточно большим полем входного экрана (например, фирмы Philips или CJR), достигающем в диаметре 360-370 мм и разрешением порядка 1-2 пар лин. мм-1. Однако их пространственная частотно-контрастная характеристика (ЧКХ) не превышает 50% при разрешении 1 пар лин. мм-1. В последние годы решаются технологические проблемы, связанные с необходимостью разработки РЭОПов с диаметром входного окна до 560-600 мм, обеспечивающих величину ЧКХ более 50% при разрешающей способности от 4 до 5 пар лин. мм-1. Создание таких устройств обеспечивается за счёт применения радиационно-оптических преобразователей эпитаксиальной структуры, обеспечивающих формирование достаточно толстого слоя флуоресцирующего вещества с высоким коэффициентом поглощения ионизирующего излучения.

Следует отметить, что прогресс радиационной интроскопии с конца 30-х годов до середины 60-х был весьма медленным. В этот период для решения специальных поисковых задач использовались, как правило, несколько видоизмененные рентгеновские установки медицинского и промышленного назначения.

Начало интенсивного развития рентгеновской техники, значительный импульс в расширении и углублении работ по разработке методов и созданию специальных поисковых средств радиационной интроскопии как в России, так и за рубежом, происшедшие во второй половине 60-х годов, были обусловлены в немалой степени нарастанием в этот период количества террористических актов, связанных с вооруженным захватом и угоном самолетов, подготовкой и проведением серии взрывов в ряде европейских стран, резким увеличением контрабандной торговли оружием и наркотиками, а также усилением международной напряженности.

К этому времени были созданы, и стали серийно выпускаться рентгеновские трубки на 200-250 кВ с током до 8 мА, а также первая трубка на 300 кВ с током на 6 мА. В это же время начинает бурно расширяться сфера применения ранее разработанных РЭОПов, а метод радиационной интроскопии становится одним из основных инструментов неразрушающего контроля.

Успехи, связанные с созданием промышленных систем радиационной интроскопии, оказали своё влияние на разработку специальных систем контроля. Создание и первое применение специальных флуороскопических систем для обеспечения безопасности охраняемого персонала сразу же продемонстрировало их высокую эффективность. Так в процессе контроля ручной клади посетителей, только за один день, было выявлено пять человек, пытавшихся негласно пронести оружие в здание конгресса США.

На рис. 1 показаны модели простейших мобильных рентгеновских систем, предназначенных для контроля ручной клади и мелкого багажа.

Рис. 1 Модели мобильных рентгеновских систем.

С начала 70-х годов арсенал средств радиационной интроскопии начал пополнятся системами цифровой радиографии, в основе которых лежит метод косвенного получения цифрового изображения путём оцифровки рентгеновского снимка или телевизионного сигнала, передающего изображение с флуоресцентного экрана. Цифровая рентгенография позволила расширить возможность метода за счёт увеличения динамического диапазона и применения электронных ВКУ, а использование таких простых приёмов математической обработки изображения как повышение чёткости, дискретизация по размеру и увеличение контрастности обеспечили получение гораздо больше информации о внутренней структуре объекта контроля, чем при прямом визуальном просмотре.

Возрастающие требования к качеству изображения, необходимость расширения функциональных возможностей аппаратуры, реализация режима получения и первичной обработки информации в реальном масштабе времени привели в начале 80-х годов к существенному улучшению метода цифровой радиографии за счёт прямого преобразования распределения радиационного поля в цифровой вид с помощью детекторов ионизирующего излучения.

Поиск путей улучшения чувствительности и информативности радиационного контроля привёл в середине 80-х годов к разработке метода и созданию аппаратуры, осуществляющей формирование радиационно-оптического изображения объекта контроля на основе рассеянного излучения. Это обеспечило качественно новые возможности радиационного контроля, расширило функциональные возможности и поставило новые вопросы перед разработчиками и исследователями.

Весьма перспективным путем улучшения характеристик радиационных систем контроля явилось создание нового поколения флуороскопических систем, в основе которых лежит использование видеопластин и фотоэлектролюминисцентных экранов, временно хранящих радиационное изображение, и считывание изображения с помощью He-Ne лазера путём последовательного сканирования.

В арсенале средств радиационной интроскопии следует особо выделить устройства динамической радиографии, основанные на использовании импульсного ионизирующего излучения. Создание в конце 40-х годов импульсных рентгеновских трубок, а 60-е годы -- портативных импульсных рентгеновских аппаратов обеспечило становление динамической радиографии, как вполне самостоятельного вида неразрушающего контроля.

Применение импульсного рентгеновского излучения (ИРИ) открыло новые возможности радиационного контроля, обеспечило, наряду с изучением баллистических и взрывных процессов, возможность анализа последовательных фаз быстропротекающих процессов в оптически непрозрачных средах.

Со второй половины 60-х годов стали интенсивно разрабатываться и выпускаться специальные радиационные средства контроля, обеспечивающие безопасность полетов. Оборудование аэропортов устройствами радиационной интроскопии позволило резко снизить количество диверсий, связанных с вооруженным нападением на экипажи и угоном самолетов. Эффективность работы радиационных средств интроскопии демонстрирует таблица 3, где приведено количество террористических актов на авиалиниях США до и после оборудования аэропортов системами контроля.

В это время работы по созданию радиационных средств интроскопии развернул достаточно большой ряд зарубежных фирм, обладающих значительным научным потенциалом и передовыми технологиями. Необходимость решения все усложняющихся задач, появление новых преобразователей и возможности цифровой обработки сигнала и изображения, привели к значительному прогрессу метода “цифровой радиографии”, который стал доминирующим при создании систем радиационного контроля. В начале 70-х годов созданы радиационные интроскопы на основе “бегущего”, а затем “веерного” луча с преобразованием протяжёнными и многоэлементными детекторами. Целью создания таких устройств был контроль багажа и ручной клади. Затем усовершенствование и модернизация позволили применять эти системы для контроля человека, крупногабаритных грузов и транспортных средств. Ведущими зарубежными фирмами, стоящими у истоков создания поисковых систем радиационного контроля, обладающими значительным научным потенциалом и современными технологиями и сегодня широко представленными на рынке радиационных средств, являются HEINMANN, SEIFERT, PHILIPS, BUCKY, AS&E, BALTEAU и ряд других.

В России (в то время -- СССР) к решению вопросов, связанных с созданием специальных поисковых средств радиационной интроскопии, приступили в 1965-1967г.г. Эти вопросы решались на государственном уровне, с соответствующими постановлениями, поручениями, заданиями и т.п., что обеспечило создание в короткие сроки целой серии рентгеновских систем широкого назначения.

Уже в начале 70-х годов на заводах “Актюбрентген” и Запорожском опытном заводе дефектоскопии начался серийный выпуск установки РИ-10Т, а несколько позднее РИ-10Ф

При анодном напряжении 20-90 кВ и токе не более 5 мА такие установки позволяли контролировать объекты размером 300х300х120 мм с чувствительностью не хуже 4% и разрешением ~ 3 лин/мм.

Дальнейший выпуск радиационных систем контроля осуществлялся на опытном заводе “Контрольприбор” МНПО “СПЕКТР” (установки РИ-60ТЭ, РИ-60ТК), ПО “Волна”, г. Новгород (установка “Интроскоп”), заводе “Актюбрентген” (РИ-60Ф, РИ-61РТМ). Выпускаемые установки имели двойное назначение и использовались как для решения задач дефектоскопии и технической диагностики, так и в качестве поисковых средств. Рентгенотелевизионного интроскопа РИ-61РТМ был предназначен для контроля багажа и ручной клади. Камера интроскопа позволяла контролировать объекты габаритом 600х400х300 мм за время не более 10 с. Номинальное напряжение рентгеновского аппарата составляло 120 кВ, ток не более 5 мА. Предельное разрешение не превышало 0,2 пар лин./мм, а чувствительность -- 4%.

Такие установки предназначались для оборудования аэропортов, таможенных и контрольно-пропускных пунктов.

С середины 70-х годов начали выпускаться современные рентгенотелевизионные интроскопы типа МТР-3И и МТР-4, а экспериментальным отделом СКБ “Газоприборавтоматика” были выпущены установки “Луч”, которые предназначались для решения специальных поисковых задач.

Основные достижения метода радиационной интроскопии на примере контроля стальных изделий в период с начала 70-х и до конца 80-х годов приведены в таблице 4.

Следует отметить, что уже в 70-е годы делались попытки применения вычислительной техники в системах радиационной интроскопии как для управления процессом контроля, так и для обработки полученного изображения. Это было вызвано, в первую очередь, тем, что даже такие простые приемы обработки изображения как повышение четкости, дискриминация по размеру и форме, увеличение контраста, позволяет резко поднять информативность первичного изображения и выявляемость дефектов. Уже с начала 80-х годов практически все типы создаваемых радиационных средств интроскопии оснащались микро-ЭВМ или микропроцессорными средствами, что обеспечивало повышение качества изображения контролируемых объектов и автоматизацию процесса контроля.

Поисковые аппаратурные средства радиационного контроля, пройдя путь от простейших систем, разработанных в конце 19-го столетия, до современных средств, оснащенных вычислительной техникой, производятся в настоящее время в достаточно широкой номенклатуре. Однако все устройства, реализующие метод радиационной интроскопии, объединяются в два типа: флуороскопические и сканирующие системы или устройства цифровой радиографии, которые, в свою очередь, делятся на портативные или мобильные и стационарные.

Необходимость и целесообразность разработки обоих типов аппаратурных средств определяется широким разнообразием поисковых задач, различными условиями их решения, экономическими и другими требованиями. Оптимальный компромисс между информативностью системы, уровнем лучевой нагрузки на объект контроля, стоимостью, комфортной эксплуатацией и другими параметрами, достигается при разработке портативных средств на основе флуороскопических систем, принцип цифровой радиографии предпочтительнее для стационарных устройств. Однако следует отметить, что окончательный выбор принципа построения радиационных систем контроля определяется исходя из целей и задач контроля, условий эксплуатации, требований по чувствительности, радиационной нагрузке и ряда других параметров.

безопасность интроскопия рентгенодиагностический ультразвуковой

Глава 2. АППАРАТУРА ДЛЯ ИНТРОСКОПИИ

2.1 Рентгенодиагностические устройства и рентгенопринадлежности

Рентгенодиагностические устройства предназначены для просвечивания, осмотра и фиксации на рентгеновской пленке состояния внутренних органов. Они относятся к приборам, поскольку служат для получения информации. Рентгеновские лучи имеют свойство проникать через тела различной плотности. Степень проникновения зависит от плотности и физических свойств этих тел. Некоторые среды легко пронизываются лучами, другие задерживают (поглощают) часть этих лучей. Это обстоятельство и дает возможность использовать рентгеновские лучи для целей диагностики. Рентгеновские лучи невидимы для глаза, поэтому для того, чтобы увидеть рентгеновское изображение, необходимо специальное устройство--экран, покрываемый составом, способным светиться под действием рентгеновских лучей. Те участки экрана, на которые падает неослабленное излучение, светятся более ярко, а те участки, на которые падают лучи, ослабленные плотными тканями, остаются более темными. В результате на экране получается некоторое изображение исследуемого объекта. Так, например, при просвечивании рентгеновскими лучами кисти руки на экране можно увидеть контуры костей, так как костные ткани в большей степени поглощают рентгеновские лучи, чем мягкие ткани. При просвечивании хорошо видны инородные тела в организме, особенно металлические.

Диагностика заболеваний при помощи просвечивания и наблюдения просвечиваемых участков часто сопровождается получением рентгеновского снимка, так как последний можно более детально изучить. Снимки делают на рентгеновской пленке, и при непосредственном воздействии на пленку рентгеновских лучей получают обычную рентгенограмму.

Все большее распространение получает другой метод-- флюорография, заключающийся в том, что с изображения на светящемся флюоресцирующем экране делают снимок на пленку малого размера при помощи фотоаппарата. Этот метод вследствие быстроты получения снимков нашел широкое применение для массовых обследований населения. Длительное воздействие рентгеновских лучей на организм вредно, поэтому существуют специальные правила защиты при работе на рентгеновских установках и различное защитное оборудование.

Рентгенодиагностические устройства включают целый комплекс технических устройств. В состав каждой рентгеновской диагностической установки входят:

1. Рентгеновский излучатель (рентгеновская трубка) со стойкой, на которой укреплен излучатель.

2. Рентгеновское питающее устройство, с помощью которого на трубку подается высокое электрическое напряжение, необходимое для получения рентгеновского излучения. Питающее устройство состоит обычно из пульта управления и генераторного устройства, состоящего из трансформатора и выпрямителя.

3. Рентгеновский стол (штатив), на который помещают пациента и в котором располагаются приемники излучения--экран для просвечивания или рентгеновская кассета с пленкой для снимков. Кроме того, для улучшения качества изображения на пленке помещают перед ней, на пути рентгеновских лучей рентгеновскую решетку или растр.

Сложные рентгеновские установки снабжены автоматическими реле экспозиции -- рентгеноэкспонометрами, позволяющими ограничивать экспозицию при заданной дозе облучения.

Рентгенопринадлежности. Рентгеновские экраны выпускают двух основных видов: экраны для рентгеноскопии и флюорографии (ЭРС) и экраны, усиливающие для рентгенографии-(РУ). Экраны первого вида ЭРС-220 предназначены для высвечивания рентгеновского изображения при визуальном обследовании. Представляют собой листы картона, на которые тонким слоем нанесен специальный светосостав желто-зеленого цвета из цинк-кадмий сульфита. На задней белой стороне нанесена заводская маркировка. Экраны упаковывают по одному в картонные рамки и. вкладывают в конверты из плотной бумаги. В этикетке на конверте указывают яркость свечения в условных единицах и дату Выпуска. Обычные экраны имеют яркость свечения не менее 220 единиц, а экраны с повышенной яркостью свечения -- до 300 единиц.

Срок службы экранов 4 года. Экраны выпускают следующих размеров: 15х20; 28х24; 24х30; 30х40; 35,6х35,6 и 40х40 см.

Рентгеновские медицинские усиливающие экраны предназначены для производства рентгеновских снимков (рентгенография). Представляют собой картон с нанесенным на нем тонким слоем люминофора, дающим при воздействии рентгеновских лучей сине-фиолетовое свечение. Рабочая сторона экрана белого цвета, блестящая, покрыта защитной пленкой. На задней нерабочей стороне нанесена заводская маркировка. Поставляют и применяют комплектом из двух экранов, между которыми при съемке закладывают рентгеновскую пленку. Экраны выпускают пяти типов: три типа с люминофором из вольфрамата кальция, один -- с боритовым и один -- с сульфидным люминофором, контрастирующих рентгеновское изображение и уменьшающих экспозицию при рентгеновских съемках. Экраны не должны иметь дефектов на рабочей поверхности. Защитная пленка предохраняет экран при очистке его ватой, смоченной мыльной водой. Средний срок службы экрана 4 года. Качество и яркость свечения экрана проверяет завод-изготовитель по эталону.

Рентгеновские решетки служат для поглощения вторичных рентгеновских лучей при рентгенографии и способствуют получению более резкой и контрастной рентгенограммы. Основным элементом решетки служит плоский растр, состоящий из поставленных на ребро тонких свинцовых полосок, непрозрачных для рентгеновских лучей, с прокладкой между ними полосок из пластмассы, дерева или легких металлов, пропускающих лучи, воздействующие на пленку. Во избежание получения на пленке изображения непрозрачных свинцовых полосок растр во время экспозиции движется в плоскости пленки.

Промышленность выпускает несколько видов решеток: плоские для рентгеноснимков внутренних органов, решетки для черепных снимков и др. Показатели качества решеток проверяют при эксплуатации на рентгеноустановке.

Приспособления для защиты. Выпускают для защиты персонала, обслуживающего рентгеновские установки от действия рентгеновских лучей. Специальные приспособления и оборудование (защитные ширмы) изготовляют с применением просвинцованной резины или свинцового стекла. Защитные свойства материалов для изготовления приспособлений характеризуются так называемым эквивалентом свинца. Если, например, резина имеет эквивалент свинца 0,5, это означает, что ее защитные свойства аналогичны защитным свойствам свинцового листа толщиной 0,5 мм.

Промышленность выпускает защитные ширмы большие и малые, а также разборные для флюорографов. Ширмы имеют каркас из дерева или металла, окна из свинцового стекла и облицованы просвинцованной резиной. Выпускают защитные перчатки и фартуки из просвинцованной резины.

Оборудование и принадлежности для снимков и обработки рентгеновской пленки. Кассеты рентгеновские выпускают с размерами, соответствующими размерам рентгеновских экранов. Кассеты изготовляют из алюминия и гетинакса; они должны быть непроницаемы для видимых лучей. Гетинакс, из которого изготовляют дно кассеты, должен иметь ровную поверхность, при просвечивании рентгеновскими лучами не должен давать пятен, теней и точек, искажающих изображение на пленке.

Пленка рентгеновская выпускается тех же стандартных размеров, что и кассеты, в пачках по 20 листов. Кроме того, выпускают пленку для зубных снимков размером 3х4 и 4х7 см в коробках по 20 штук. Для флюорографии выпускают пленки шириной 35,5 мм и длиной 30 м, намотанные на катушку. Необходимо учитывать, что чувствительность пленки понижается со временем и после хранения в течение года падает на 30%.

2.2 Понятие об ультразвуковых диагностических приборах

К ультразвуковым относят все механические упругие волны, находящиеся за верхним пределом слышимости уха человека, т. е. колебания с частотой более 20 кГц (более 20 тысяч кол/с). Оказалось, что ультразвуковые колебания, ненамного превышающие порог слышимости (25--40 кГц), могут быть применены для разделения тканей и используются в аппаратуре типа УЗ-скальпель для разрезания их, а также в аппаратах для снятия зубных отложений (скалывание зубных отложений). Ультразвуковые волны значительно большей частоты от 800 кГц и выше применяют для ультразвуковой диагностики и терапии. Для диагностики применяют слабые по интенсивности (мощности) колебания, для терапии -- более интенсивные.

УЗ-диагностика основана на том, что УЗ-волны имеют свойство отражаться на границе сред разной плотности. Так, например, они хорошо отражаются от границ злокачественной опухоли, гематомы, костных тканей. Отраженные импульсы хорошо видны на экране осциллоскопа. На этом основана так называемая эхолокация.

УЗ-колебания малой интенсивности (до 15 мВт/см2), применяемые в диагностике, не могут оказать вредного воздействия на живые ткани. Они применяются даже в акушерстве и гинекологии для определения положения плода. Для этой цели выпускают эхоскопы акушерские ЭСМ-01.

Эхоскоп представляет собой генератор УЗ-волн, частотой 880, 1760 и 2640 кГц, работающий от сети (сетевая мощность 75 Вт). Аппарат установлен на столике-подставке и снабжен пятью зондами: три зонда диаметром 26 мм работают на частотах, указанных выше, и два--диаметром 10 мм--на частотах 1760 и 2640 кГц. Зонды, работающие на больших частотах, дают и более высокую точность локации -- определения расстояния до-головки плода или размеров этой головки. Так, зонд, работающий на частоте 1760 кГц, дает точность (разрешающая способность) 5,5 мм, а на частоте 2640 кГц --3,5 мм. Однако увеличение-частоты приводит к уменьшению глубины проникновения луча в. ткани. Там, где не нужно большой глубины проникновения, например при локации инородных тел в глазу, применяют еще большие частоты. Так, эхоофтальмоскоп ЭОС-21 работает на частотах 5280 кГц с разрешающей способностью 1,6 мм и 10560 кГц (10,56 МГц) с разрешающей способностью 0,8 мм. Зонды в этом случае применяют более миниатюрные, диаметром 3 и 5 мм. Прибор выпускают со столиком.

Для неотложной диагностики при травмах и заболеваниях головного мозга выпускают эхоэнцефалограф переносный «ЭХО-12» (рис. 116). Это небольшой прибор, работающий на частотах 880 и 1760 кГц. Масса 11 кг; габариты 230х260х450 мм. Комплектуют двумя зондами диаметром 26 мм.

2.3 Понятие о радиоизотопной диагностике и аппаратуре

Изотопами называют атомы одного элемента, содержащие в: ядре различное количество нейтронов и имеющие вследствие этого различный атомный вес. Многие из этих изотопов являются радиоактивными. В настоящее время получены радиоактивные изотопы всех элементов периодической системы.

Радиоизотопная диагностика основана на принципе контроля поведения введенных в организм химических соединений, меченных радиоактивными изотопами. Чаще всего применяют соединения, обладающие свойством к преимущественному накоплению в. тканях определенного органа, т. е. специфической органотропностью. Так, например, краситель бенгальский розовый (бенгал-роза), меченный радиоактивным йодом, при внутривенном введении поглощается в тканях печени, т. е. обладает гепатотропностью. Радиоактивный йод, так же как и стабильный изотоп этого элемента, обладает свойствами тиреотропности, т. е. поглощается преимущественно щитовидной железой и т. п.

Особый интерес для изотопной диагностики представляют паренхиматозные органы, заболевания которых почти не поддаются рентгенодиагностике в связи с малой рентгеноконтрастностью этих органов.

Изучение распределения радиоактивных препаратов в паренхиматозных органах: печени, почках, щитовидной железе, селезенке и др. дает возможность получить изображение самой ткани органов, поглотивших радиоактивный препарат, и по его распределению судить о наличии патологических дефектов или об отсутствии таковых. Одновременно измерение количества радиоактивного препарата, поглощенного тем или иным органом, определяет его физиологическую активность.

Таким образом, радиоизотопное исследование может быть или топографическим, дающим представление о структуре органа, или функциональным, а иногда сочетает в себе и то и другое.

Радиоактивные препараты, часто называемые индикаторами, могут быть жидкими или газообразными. Они вводятся преимущественно путем инъекции. Радиоактивность препарата, вводимого в организм, очень мала и совершенно безопасна для пациента, тем более что для изотопной диагностики чаще всего применяют так называемые короткоживущие изотопы, период распада которых составляет от нескольких часов до нескольких суток. Применение индикаторов малой активности несколько усложняет аппаратуру для диагностики, так как в схему аппарата включают усилитель радиосигнала, но аппаратура для диагностики в нашей стране создается по принципу максимума безопасности для пациента.

Аппаратура для радиоизотопной диагностики основана на восприятии излучений от изотопов-индикаторов, введенных в организм. Кванты излучения воспринимаются датчиком-детектором, чаще всего представляющим собой кристалл, который под влиянием излучения люминесцирует, давая вспышки света. Световой сигнал преобразуется с помощью специального устройства -- фотоэлектрического умножителя в электрический и усиливается. Количество вспышек пропорционально активности излучения и регистрируется с помощью счетного устройства. Большое накопление молекул радиоактивного изотопа на каком-либо участке тканей или органа ведет к увеличению количества вспышек в единицу времени и позволяет судить о степени сосредоточения (накопления) радиоактивного вещества. Именно так изучают расположение некоторых злокачественных новообразований, которые в ряде случаев накапливают препараты в больших количествах, чем здоровые ткани.

По описанному принципу работают как одноканальные (один датчик и одна сцинтилляционная головка), так и многоканальные радиометрические или сцинтилляционные установки.

Кристалл помещается в корпусе головки с защитой толстым слоем свинца, а сама головка укрепляется на штативе радиодиагностического устройства. Больной как и при рентгеновском исследовании, как правило, укладывается на стол.

Наряду с радиометрическими приборами выпускают гамма-топографы, в которых с помощью головки производится скеннирование, т. е. постепенный обход головкой значительного участка тела человека с получением топограммы, представляющей собой картину распределения активности изотопов в организме на данном участке тела.

Последним, наиболее современным аппаратом для радиоизотопной диагностики, является сцинтилляционная гамма-камера ГКС-1. В головке гамма-камеры расположен не один, а несколько десятков датчиков, что позволяет не последовательно, а одновременно регистрировать радиоактивное излучение во всех участках исследуемой области. Сигналы, полученные от датчиков,. идут в электронный блок, где они анализируются и преобразуются в последовательность вспышек на экране осциллоскопа, причем эти вспышки дают картину распределения радиоизотопов в исследуемом объекте. Изображение на осциллоскопе можно регистрировать с помощью камеры на фото- или кинопленку.

Аппаратура для радиоизотопной диагностики сосредоточена в. специальных центрах и отделениях при крупных лечебных учреждениях, где обеспечены необходимые условия для хранения и применения радиоактивных препаратов -- индикаторов. Они поставляются в специальных защитных контейнерах. Снабжение этими препаратами осуществляется через конторы и магазины-В/О «Изотоп».

2.4 Цифровые микрофокусные рентгенодиагностические комплексы

семейства «ПАРДУС» и другие

Рентгенодиагностические комплексы семейства "ПАРДУС" предназначены для реализации оригинальной малодозовой технологии медицинской диагностики, основанной на использовании методов микрофокусной рентгенографии. В зависимости от области применения в состав комплекса помимо рентгеновского аппарата и цифрового устройства визуализации могут входить специализированный штатив и стол для пациента.

Важнейшей отличительной особенностью указанных разработок от известных зарубежных образцов аппаратуры аналогичного назначения является использование в качестве источника изучения отечественных портативных микрофокусных рентгеновских аппаратов.

	Портативный рентгенодиагностический комплекс «ПАРДУС-Стома» Предназначен для проведения диагностических исследований в стоматологии и челюстно-лицевой хирургии в нестационарных условиях - полевых, бытовых и т.д. Комплекс позволяет получать прицельные снимки отдельных зубов и участков челюсти
	Стационарный портативный рентгенодиагностический комплекс «ПАРДУС-Стома» Педназначен для проведения рентгенологических обследований в стоматологии и челюстно-лицевой хирургии в условиях специализированного рентгеновского кабинета. Комплекс позволяет получать как прицельные, так и панорамные изображения челюстно-лицевого отдела.
	Рентгенодиагностический комплекс «ПАРДУС-Травма» Для травматологии предназначен для проведения рентгенодиагностики в нестационарных условиях - в полевых, бытовых, а также для оснащения машин «Скорой помощи». Комплекс позволяет получать снимки практически всех частей и органов человеческого тела непосредственно на месте происшествия или в домашних условиях у больного для установки или контроля хода лечебного процесса.
	Рентгенодиагностический комплекс «ПАРДУС-Зоо» Первый отечественный микрофокусный рентгеновский комплекс для ветеринарии. Комплекс позволяет получать высококачественные обзорные снимки животных, а также увеличенные в несколько раз снимки отдельных частей тела и органов, что значительно повышает эффективнос

СТАЦИОНАРНЫЙ МР-СКАНЕР 3.0T SIGNA HDx Advantage Plus (GENERAL ELECTRIC, США)

Высокопроизводительный Р- томограф с коротким туннелем предназначен для нейрологический, кардиологических, ангиологических, абдоминальных и ортопедических исследований, а также исследований всего тела.

МР-томограф Signa 3T HDx с 16 независимыми приемными РЧ каналами, реконструктором XVre4 и градиентной подсистемой TwinSpeed. Рабочая частота 127,7 МГц.

Сверхпроводящий магнит сканера 3.0T Signa HDх. Принципиально преобразуя отраслевые стандарты, магнит обладает всеми качествами, необходимыми для обеспечения высокой производительности МР-сканера 3.0T: компактный короткий магнит 3.0T с лучшей среди аналогов однородностью поля, наиболее удобное для клинических исследований поле зрения в 45 см и 60-см туннель, в котором пациент чувствует себя максимально комфортно

Двойная градиентная подсистема TwinSpeed. Эта эксклюзивная градиентная подсистема компании GE может работать в двух режимах, что практически позволяет избежать ухудшения рабочих характеристик. В режиме Zoom (Увеличение) возможно применение амплитуд до 40 мТл/м и скоростей нарастания градиентов до 150 Тл/м/с, что позволяет получать превосходные изображения при малых полях зрения. Режим Whole Body (Все тело), обеспечивающий амплитуды до 23 мТл/м и скорости нарастания градиентов 80 Тл/м/с, оптимизирован для больших полей зрения и используется для получения изображений позвоночника в сагиттальной плоскости, плечевого сустава, брюшной полости и пр.

Радиочастотный усилитель мощностью 35 кВт.

Эксклюзивная технология Quiet снижает акустические шумы при работе градиентной подсистемы на 40%, что позволяет пациентам легко переносить даже длительные исследования с интенсивным применением градиентной подсистемы.

Легкий по весу подвижный стол для пациента можно удобно перемещать и стыковать с магнитом. Это дает возможность осуществлять подготовку пациента к исследованию вне процедурной.

Адаптивное цифровое устройство синхронизации по ЭКГ и ВКГ.

Квадратурная головная катушка.

Два сверхмощных процессора AMD® Opteron 250 (2,4 ГГц) гарантируют не только чувствительность системы, но и быстродействие и емкость для хранения изображений (400 000 изображений), достаточные для работы с самыми ресурсоемкими приложениями.

Процессор обработки данных XVre4 со скоростью реконструкции 5400 изображений (256х256) с полем обзора 100% в секунду

Подключение к широкополосной виртуальной частной сети (VPN) с помощью системы InSite позволяет наиболее оперативно и безопасно связываться с удаленными службами InSite компании GEMS и, таким образом, неизменно поддерживать оптимальное качество изображений при максимальном времени работы системы.

Объединенный модуль РЧ и градиентных катушек для всего тела к МР-томографу Signa® 3T TwinSpeed

Цветной широкоформатный ЖКД монитор с плоским экраном и диагональю 23" (разрешение 1920 x 1200 и контрастность 500:1).

Набор для ослабления виброакустических шумов

Воздухоохлаждаемый внутренний/внешний холодильник мощностью 10 кВт

Клавиатура с английской раскладкой к МР-томографам Signa HDx

16-канальная катушка для головы, шеи и позвоночника для Signa 3T HDx

8-канальная катушка для туловища для 3.0T HDx

Катушка для исследования конечностей для 3.0T HDx

Гибкая катушка общего назначения для МР-томографа 3T

Набор сатурационных прокладок для катушек

Пакет программного обеспечения ScanTools 14.0 для Signa 3Т HDx

КОМПЬЮТЕРНЫЙ ТОМОГРАФ LightSpeed VCT (GENERAL ELECTRIC, США)

Компьютерный томограф LightSpeed VCT - это новейшая разработка компании GE, сочетающая в себе компактность конструкции и самые современные технологии.

Благодаря увеличенной скорости вращения гентри, недавно разработанной функции снижения объемной дозы и новой технологии Xtream, томограф LightSpeed VCT дает возможность получать максимально резкие изображения самых тонких срезов в любых условиях и для любого пациента.

Особенности:

Скорость вращения: 1 оборот (360) за 0,35; 0,4; 0,5; 0,6; 0,7; 0,8; 0,9; 1, 2, 3, 4 с.

С помощью усовершенствованной функции VariSpeed во время кардиологических исследованиях можно выбирать дополнительные значения скорости вращения (0,42; 0,45; 0,47 с), чтобы сканирование точнее соответствовало частоте сердечных сокращений пациента.

Данные для 64 срезов при любой скорости вращения как в послойном, так и в спиральном режиме.

Свободный выбор четырех различных значений питча, что позволяет в любой ситуации обеспечить самый тонкий профиль среза, наименьшую дозу и наибольшую скорость сканирования.

Новая трубка PerformixTM Pro и автоматизированный генератор мощностью 100 кВт в любой ситуации обеспечивают наилучшее соотношение сигнал-шум даже при высоких требованиях к результатам исследования (308 мАс при 0,4 с).

Функция трехмерной модуляции дозы автоматически корректирует параметры в соответствии с изменением размеров тела пациента, что позволяет добиться минимальной дозы и максимального качества изображений.

Методика SmartTrackTM для коррекции рентгеновских лучей минимизирует дозу облучения пациента.

Фильтрация рентгеновских лучей оптимизирована отдельно для исследований тела и головы с помощью опции SmartBeam.

Отображение значений DLP, CTDIvol и общей дозы во время задания параметров сканирования, обеспечивает получение оператором информации о дозе облучения пациента.

Протоколы цветового кодирования для педиатрических исследований на основе системы Броселоу-Лютена (Broselow-Luten).

8460 настраиваемых протоколов, обеспечивающих максимальное качество изображений при регулярных исследованиях.

Технология XtreamTM, которая представляет собой новый шаг на пути развития средств автоматизации труда, позволяет преодолеть существующие ограничения по скорости, качеству изображений и гибкости настроек и является оптимальным решением для всех этапов работы, от сканирования до создания заключительного отчета.