Тенденции развития рентгеновских телевизионных систем (РТС)

Размещено на http://www.allbest.ru/

ТЕМА

Тенденции развития рентгеновских телевизионных систем (РТС)

Вначале РТС развивались как аналоговые системы. При всех своих достоинствах они имеют и некоторые недостатки. К ним можно отнести определенные затруднения в регистрации результатов обследования. Использование для этих целей фотоаппаратов и видеомагнитофонов сопряжено с рядом неудобств, и на практике врачи-рентгенологи предпочитают документировать свои наблюдения в виде записей в журналах.

Следующим шагом в развитии РТС стало применение цифровых средств обработки рентгеновских изображений. Первым таким шагом была организация режима стоп-кадра. Для этого видеосигнал преобразовывается в цифровую форму, записывается в память, а из памяти через быстродействующий ЦАП выводится на экран ВКУ. При необходимости по желанию оператора нажимается кнопка «Стоп-кадр», которая приостанавливает запись новой информации в память. Такое решение позволяет делать перерыв в обследовании для обсуждения ситуации со специалистом, дать возможность отдохнуть пациенту, уменьшая при этом дозу облучения. Однако проблема с архивированием информации остается. Кроме того, использование еще одного промежуточного звена преобразования - ЦАП - связано с дополнительными шумами.

Более эффективным является параллельное использование аналогового ВКУ и ПЭВМ со своим монитором. При этом ВКУ служит для непрерывного наблюдения пациента, а ПЭВМ - для регистрации рентгеновских изображений в режиме стоп-кадра. Врач наблюдает изображение на ВКУ, дает указания пациенту, производит необходимые манипуляции с рентгеновским аппаратом и записывает интересующие его сюжеты в память компьютера. Кроме простого архивирования ПЭВМ, обладающая неограниченными программными средствами, может осуществлять коррекцию изображения (например, цифровую фильтрацию), улучшая его качество и приближая его к качеству изображения на рентгеновской пленке. Следует отметить, что оно пока еще остается более низким. Разрешающая способность стандартной рентгеновской пленки - 5 пл/мм - остается «пределом мечтаний» разработчиков РТС. Специалисты все же надеются, что необходимое качество изображения в цифровых РТС будет достигнуто.

На рис.1 приведена структурная схема блока ввода-вывода цифровой РТС с телевизионным приемником (ВКУ) для наблюдения в реальном времени и ПЭВМ для организации режима стоп-кадра и архивирования. Блок ввода-вывода получает от видеоканала аналоговый (видео) сигнал и управляющие сигналы в форме КГИ и СГИ, а от ПЭВМ - сигналы, управляющие режимами записи-чтения. В ПЭВМ от блока ввода-вывода передается оцифрованный видеосигнал, а также команды перехода в режим стоп-кадра - сигнал оператора «Стоп-кадр» и логические сигналы о завершении кадра.

Используемый в блоке ввода-вывода АЦП должен иметь высокое быстродействие. Если принять число отсчетов на строке равным 512, то при длительности строки в 52 мкс время доступа к одной точке составит 52/512 100 нс. Поэтому, как и в случае УЗ сканеров, здесь требуется быстродействующий АЦП параллельного преобразования. Цифровая информация записывается в ОЗУ, состоящее из двух половин - RAM1и RAM2. В них записываются соответственно первый и второй полукадры. Здесь можно отметить аналогию с записью цифрового изображения кадров УЗ сканера, получаемых от механического датчика на прямом и обратном ходе.

Режимом работы блока ввода-вывода (запись/чтение) управляет триггер Т1. При подаче на его вход С импульса W (запись) на его выходе устанавливается высокий уровень. Дальнейшая работа блока ВВ протекает автономно под управлением ГТИ. Адресация памяти производится с помощью счетчиков CTW1 и CTW2 и мультиплексора, который передает сигналы адресов по каналу Y. Объем памяти каждой половины ОЗУ составляет 512256 8 = 128 К 8. . Счетчик отсчетов по строке CTW1- десятиразрядный, а счетчик строк CTW2- девятиразрядный. При этом для адресации памяти используются соответственно 9 и 8 младших разрядов счетчиков, а старшие используются для блокировки записи.

Рассмотрим более подробно прохождение управляющих и адресных сигналов при записи. Допустим, что идет запись первого полукадра. После прохождения последнего КГИ триггер Т2 устанавливается в «0». При этом выбирается ОЗУ RAM1 (CS = 0). С поступлением тактовых импульсов от ГТИ счетчиком CTW1 выставляются адреса точек по строке (Рис. 1). Под действием ТИ схема D1 формирует импульсы записи W.

Рис. 1

При поступлении 512-го ТИ младшие разряды CTW1 обнуляются, а в старшем появляется «единица», которая через схему D2.блокирует схему D1 и запрещает прохождение импульсов записи. Очередной импульс СГИ обнуляет CTW1 и изменяет код CTW2 - происходит переход на новую строку. Счетчик CTW1 обнуляется в конце каждой строки и каждого полукадра импульсами СГИ и КГИ. Так продолжается до конца полукадра. При поступлении очередного КГИ счетчик CTW2 обнуляется, триггер Т2 переключается в «1» и выбирается второе ОЗУ RAM2. Запись второго полукадра происходит аналогично.

Режим записи действует до тех пор, пока не поступит команда «Стоп-кадр». Приняв эту команду, ПЭВМ ожидает сигнал об окончании кадра. Он формируется с помощью схемы D3 при взаимодействии КГИ и выходного сигнала Т2. Получив сообщение об окончании кадра, ПЭВМ программно формирует импульс W. Его положительным перепадом триггер Т1 переключается в ноль и переводит ОЗУ RAM1 и RAM2 в режим чтения (ОЕ = 0). Кроме того, этот сигнал поступает на вход управления А мультиплексора, переключая его на канал Х, по которому в ОЗУ поступают адреса чтения от счетчика CTR. Этот счетчик - восемнадцатиразрядный. Его старший разряд служит для выбора секций памяти. Счетчик тактируется программно импульсами R. Считывание заканчивается программно, после чего формируется импульс W, переводящий триггер Т1 в состояние «1» и тем самым возвращающий систему в режим записи. Кнопку «Стоп-кадр» нетрудно сблокировать с устройством отключения высокого напряжения, что даст дополнительное снижение лучевой нагрузки на пациента.

Все более широкое применение в качестве устройств для передачи изображения находят приборы с зарядовыми связями (ПЗС). Работа этих приборов, выполняемых по МОП-технологии, основана на создании и перемещении локальных зарядов. Обычно эти приборы называют матрицами ПЗС. Они состоят из МОП-конденсаторов, способных хранить информационные пакеты зарядов, сформированные под действием света. Цепочка МОП-конденсаторов, связанных определенным образом между собой, обладает способностью под действием управляющих напряжений передавать зарядовые пакеты от одного элемента структуры к другому до выхода, где они преобразуются в ток или напряжение.

Одна из возможных организаций линейки и матрицы ПЗС показана на рис. 2. К шинам, соединяющим нечетные и четные затворы линейки, прикладываются тактовые импульсы U₁ и U₂, сдвинутые по фазе на полпериода (двухфазная система). Под действием этих импульсов и происходит передача зарядовых пакетов от электрода к электроду в направлении выхода. На нагрузке появляются импульсы напряжения. Применяются также линейки с трехфазной системой тактовых импульсов. На рис. 2 показана структура матрицы ПЗС с покадровым переносом. Она состоит из секций накопления и хранения и сдвигающего регистра. В течение одного кадра в секции накопления происходит образование зарядовых пакетов под действием света. Затем за очень малый промежуток времени (обратный ход кадра) заряды из секций накопления переносятся в секции хранения. Режим накопления возобновляется, а информация из секций хранения последовательно во времени выводится (как бы выстреливается) через регистр.

К достоинствам передающих матриц ПЗС можно отнести малые габариты и потребляемую мощность, высокое быстродействие, простоту управления: здесь не требуется сложная система фокусировки и отклонения, как в передающих трубках. По разрешающей способности и чувствительности матрицы ПЗС не уступают лучшим образцам передающих трубок. Поэтому эти приборы давно уже применяются в видеокамерах.

цифровой рентгенография телевизионный

Рисунок 2 Линейка и матрица ПЗС

В последние годы наблюдается тенденция ухода от классических РТС. Это объясняется их сложностью, высокой стоимостью, многоступенчатостью. Три ступени преобразования в РЭОПе (РИ - свет - поток электронов - снова свет) и затем еще одно преобразование в передающей трубке приводят к накоплению шумов. Кроме того, несмотря на усилия, направленные на создание РЭОПов с большим входным окном, их диаметр обычно не превышает 300 мм, что недостаточно для рентгеновских обследований грудной клетки и области таза. Поэтому исследователей и разработчиков все больше привлекают новые возможности, которые открывает применение передающих устройств на основе матриц ПЗС. Системы для преобразования рентгеновских изображений с применением ПЗС обычно называют не рентгеновскими телевизионными системами, а УРИ, причем в это понятие включают все блоки тракта преобразования, в том числе и ЭВМ. Один из вариантов крупноформатного УРИ с передающей матрицей ПЗС представлен на рис.3. Рентгеновское излучение, прошедшее через объект, попадает на люминесцентный экран 1, который преобразует его в световое.

Рисунок 3. УРИ с передающей матрицей ПЗС

Далее оно проходит через оптическую систему 2 и с помощью ЭОП 3 снова превращается в световое изображение, но повышенной яркости. Это изображение концентрируется оптической системой 4 и попадает на ПЗС матрицу 5. Некоторым недостатком этой системы являются потери энергии излучения в оптической системе 2. Они могут быть сведены до минимума применением просветленной оптики. Кроме того, надо иметь в виду, что входное окно РЭОПов делается из толстого стекла, в котором значительны потери рентгеновского излучения.

УРИ на основе ПЗС матриц все шире внедряются в технику рентгеновской диагностики, благодаря относительной простоте изготовления и управления. Одно из главных направлений работ в этой области - модернизация путем дооснащения такими УРИ существующего парка стационарных рентгенодиагностических комплексов типа РУМ -10, РУМ - 20, РУМ - 20М, Рентген - 50 и других. Несмотря на давний срок их выпуска эти комплексы, имеющие добротные механические и электротехнические узлы, сохраняют свою работоспособность. Их модернизация продиктована все тем же острым дефицитом рентгеновской пленки. Кроме того, используя импульсный режим (одиночных кадров) удается в десятки раз уменьшить дозу облучения. С целью уменьшения стоимости, используя высокочувствительные люминесцентные экраны и ПЗС матрицы, систему УРИ еще больше упрощают, исключая из нее ЭОП. Такие работы интенсивно ведутся в НИИ радиоизмерений (НИИРИ) и фирме «Квант» (г. Харьков).

Рассмотрим некоторые узлы и принципы построения УРИ с матрицами ПЗС. Практическая конструкция узла рентгено-оптического преобразования УРИ без усиления света с помощью ЭОП показана на рис. 4.

Рисунок 4. Преобразователь для УРИ без усиления света

В герметичной камере, состоящей из нескольких отсеков, конструкции и соединение которых между собой понятны из чертежа, находятся рентгеновский люминесцентный экран 1, зеркальная система с поворотным зеркалом 2 и оптическая система 3. Световое изображение, возникающее на люминесцентном экране, передается оптическими устройствами на ПЗС матрицу 4, охлаждаемую микрохолодильником 5. Камера герметизируется с помощью прокладок 6 и заполняется каким-либо инертным по отношению к экрану и оптике и трудно ионизируемым газом, например, осушенным азотом. Для целей экспозиметрии и автоматического управления дозой облучения используют специальный датчик 7. В нем находится фоточувствительный преобразователь, через коллиматор принимающий излучение от центральной части люминесцентного экрана диаметром около 10 см, яркость которой пропорциональна интенсивности рентгеновского излучения.

Охлаждение ПЗС матрицы служит для повышения отношения сигнал/шум. При этом снижаются шумы теплового характера. Это очень важно, учитывая относительно малую яркость оптического изображения, получаемого на люминесцентном экране. В микрохолодильнике используются элементы Пельтье, которые понижают температуру до -40^о С. В технике приема оптических изображений давно применяется способ охлаждения приемников излучения жидким азотом, например в тепловизорах. Однако этот способ дорог и, кроме того, как считают специалисты, охлаждение ниже -40^оС не дает заметного уменьшения шумов.

Для преобразования рентгеновского излучения в световое применяют люминесцентные экраны со сложным люминофором. Перспективным считается экран ЭРС - 300 со следующими параметрами:

тип люминофора ZnSCdS - Ag;

нагрузка люминофора 100 мг/см²;

коэффициент преобразования 0,23 кдмин/м²Р;

разрешающая способность 2,5 пл/мм;

длина волны максимума излучения 530 - 540 нм.

Высокая разрешающая способность РЭОПов, ЭОПов и люминесцентных экранов (3 - 4 пл/мм) может быть реализована только при адекватной разрешающей способности фотопреобразователей (передающих трубок и ПЗС матриц) и отображающих устройств - мониторов. Нетрудно рассчитать, что при обычных размерах экрана черно-белых мониторов около 20 см по вертикали и числе строк, равном 625, число пар линий, т.е. пар строк на 1 мм, будет равно примерно 1,6. Для обеспечения соответствия разрешающей способности монитора и первичных преобразователей нужны мониторы высокого разрешения с числом элементов разложения по строке до 1200. Такое количество элементов разложения должны иметь и фотопреобразователи. Причем, в традиционной телевизионной системе полоса видеосигнала при этом должна быть расширена до 10,5 МГц, что вызывает немалые трудности. Одним из примеров матричных преобразователей, который по ряду параметров отвечает поставленным требованиям, является матричный фотопреобразователь ISDO - 17 AP производства НПО «Электрон» (Россия). Он имеет следующие важнейшие параметры:

размер фоточувствительной области 16,618,8 мм;

число элементов разложения 10401160;

размер элемента изображения 1616 мкм;

предельная частота регистра 5 МГЦ.

Длительность одного кадра, формируемого таким преобразователем составит 10401160/510⁶ = 0,24 с. Следовательно, частота кадров не будет превышать 5 кадров/c. При такой низкой частоте, естественно, будут наблюдаться мерцания изображения, и режим обычного просмотра, как в аналоговых РТС, здесь невозможен. Поэтому в УРИ на основе матриц ПЗС применяют следующие режимы.

Квазидинамический УРИ работает как малокадровая телевизионная система с выводом изображения на монитор компьютера. Для повышения частоты кадров пространственное разрешение снижают до 1,3 пл/мм. При этом время цикла снижается до 125 мс, а частота кадров повышается соответственно до 8 кадров/с.

Импульсный. УРИ работает в режиме высокого разрешения, т.е. сканируются все элементы. При этом получают один снимок за исследование. По команде с пульта управления рентгеновский аппарат включается на излучение, а по сигналу рентгенэкспозиметра он прекращает излучение и выходит из состояния «Готов к излучению». Время формирования кадра составляет 250 мс.

Повторно-кратковременный - импульсный режим, при котором не происходит выход из состояния «Готов к излучению».

На рис.5 приведена структурная схема УРИ «Радмир» разработанного Харьковским НИИРИ, в котором реализованы перечисленные режимы.

Рисунок 5. Структурная схема УРИ с фотопреобразователем на ПЗС.

Рентгеновское излучение попадает на люминесцентный экран рентгеновского оптического преобразователя РОП (см. рис.5). Световое излучение принимается фотопреобразователем ПЗС и датчиком рентгенэкспозиметра РЭ. Учитывая малую яркость свечения экрана (не более 2,1 кд/м²), в качестве датчика применяют ФЭУ. Для этой цели, например, подходит ФЭУ-68 с темновым током 10 нА и чувствительностью 1 А/лм. Видеосигнал от ФП ПЗС усиливается малошумящим предварительным усилителем ПУ и поступает в видеоканал. Затем он подвергается цифровому преобразованию в блоке цифрового интерфейса и вводится в ПЭВМ.

Блок видеоканала вырабатывает так называемый псевдотелевизионный сигнал (ПТС). Он отличается от стандартного телевизионного сигнала: вместо строчных и кадровых синхронизирующих импульсов он содержит импульсы начала поля и начала активного интервала строки. Видеоканал генерирует также фазовые последовательности и другие сигналы для управления матрицей ПЗС.

Выходной сигнал интегрального усилителя матрицы ПЗС содержит постоянную составляющую, уровень которой достигает 8 В, при том как видеосигнал составляет около 300 мВ. Поэтому приходится применять гальваническое разделение, при котором постоянная составляющая видеосигнала теряется. Ее затем восстанавливают каким-либо способом.

Блок управления рентгеновским аппаратом служит в основном для включения и выключения источника питания рентгеновской трубки ИПРТ. Выключение производится по сигналам, поступающим от рентгенэкспозиметра.

ПЭВМ позволяет архивировать до 200 снимков. Для этого требуется объем памяти на жестком диске 1,2 200 =240 Мбайт. Применение развитого программного обеспечения позволяет производить все виды обработки изображения, в том числе и цифровую фильтрацию, позволяющую улучшить его качество. Для фильтрации изображения применяются двухмерный фильтр. Он представляет собой участок небольшого размера (33,55 элементов), называемый апертурой или окном. На апертуре задается некоторая весовая функция. Наиболее прост алгоритм линейной фильтрации. Апертура перемещается по массиву изображения, и значения пикселов, попавших в апертуру, умножаются на весовую функцию. Произведения суммируются, сумма делится на нормирующий коэффициент, и полученный результат присваивается пикселу, находящемуся в центре апертуры. Такой цифровой фильтр действует как ФНЧ и хорошо подавляет шумы.

Импульсные режимы, применяемые в УРИ, позволяют значительно снизить дозовые нагрузки. Это связано с тем, что в импульсном режиме УРИ время облучения составляет 0,01 - 0,1 с, тогда как при работе рентгеновского аппарата в режиме рентгеноскопии оно составляет 10 с и более. Опыт показывает, что при яркости экрана 0,01 кд/м² разрешение глаза составляет 1 пл/мм при пороговом контрасте 4%. В этом случае мощность экспозиционной дозы составляет 0,9 мР/c, и значит при реальном времени обследования 10 с доза излучения составит 9 мР. При таких же параметрах изображения необходимая экспозиционная доза при обследовании с УРИ составит 0,18 мР, что в 50 раз меньше предыдущего значения.

Наряду с РТС для рентгеноскопии развиваются цифровые системы для рентгенографии. Как известно, для рентгенографии характерны высокие мощности доз на выходе объекта. РЭОПы, используемые в РТС для рентгеноскопии, имеют широкий динамический диапазон и могли бы линейно преобразовывать рентгеновское излучение такой мощности. Однако передающие трубки, имеющие маленькие выходные токи, при этом входят в режим насыщения. Поэтому для рентгенографии целесообразно создание специальных РЭОПов с коэффициентами преобразования , значительно меньшими, чем у РЭОПов для рентгеноскопии. При этом может быть достигнуто очень высокое отношение сигнал-шум, а значит и высокое качество изображения, приближающееся к качеству снимков на рентгеновских пленках.

Цифровая рентгенография широко применяется в специальном виде рентгеновских исследований - субтракционной ангиографии. Она состоит в том, что делаются два цифровых «снимка» - до введения в сосуды контрастного вещества и после. Затем второе изображение вычитается из первого и остается только изображение сосудов.

Во многих рентгеновских кабинетах есть специальные рентгеновские установки - маммографы - аппараты для исследования молочных желез у женщин. В процентном отношении этот вид исследования занимает второе место после флюорографии. Поэтому разработка цифровых маммографов является актуальной задачей. В Украине такая установка изготовлена в НИИРИ (г. Харьков).

Разрабатываются и внедряются сканирующие установки для рентгенографии грудной клетки - аналог установок для флюорографии. В них из конуса рентгеновского излучения с помощью коллиматора формируется тонкий веер толщиной 1- 2 мм. Этот веер пересекает тело пациента в поперечной плоскости и принимается линейкой детекторов. Она содержит сцинтиллятор, например CsI, и преобразователи света в электрический сигнал (фотодиоды). Источник РИ и линейка детекторов механически связаны и движутся вдоль тела. Важным достоинством такой установки является очень малая доза облучения, получаемая во время обследования.

Существенного повышения разрешающей способности цифровой рентгенографии можно добиться, применяя многоматричный ПЗС экран. Такой экран представляет собой набор большого количества матриц ПЗС и имеет размеры широкоформатного рентгеновского снимка. Он вставляется вместо обычной рентгеновской кассеты (пленка с усилительным экраном) и подвергается прямому облучению, т. е. условия съемки те же самые, что и при выполнении обычного рентгеновского снимка.

Так как каждая матрица содержит примерно 10001000 элементов, то при размерах матрицы 33 см разрешающая способность скрытого изображения (записанного в ПЗС матрицах) будет составлять более 15 пл/мм. После изучения общего снимка и выявления области интереса, она может быть выведена с увеличением на весь экран, для чего объединяются несколько матриц, содержащих интересующий фрагмент. Пусть, например, фрагмент занимает 9 матриц (33), т. е. он имеет размеры 99 см (это достаточно обширная область). При выводе его на весь экран разрешающая способность будет составлять 5 пл/мм, как для обычной рентгеновской пленки, т. е. очень высокая. Фрагменты, хранимые в отдельных ПЗС матрицах, на изображении сшиваются с использованием метода интерполяции (усреднения) на стыках.

Однако внедрение такого способа цифровой рентгенографии встречает значительные трудности. Главная из них - высокая стоимость. Действительно, если принять размеры экрана равными 300300, то для нашего примера количество ПЗС матриц будет равно 100. При стоимости одной матрицы около 1000 долл. общая стоимость экрана будет составлять 100 тыс. долл. Отсюда видно, что производство таких систем будет выгодным, если, несмотря на высокую стоимость ПЗС матриц, все же начнется их массовый выпуск. Тогда и ПЗС матрицы начнут дешеветь. Ускорить внедрение этих систем в практику может катастрофический дефицит рентгеновской пленки.

Другим сдерживающим фактором является довольно большое время «проявления» скрытого снимка. Если принять время считывания с одной матрицы равным 0,25 с, то с экрана, состоящего из 100 матриц, изображение будет считываться за 25 с. Кроме того, потребуется огромный объем памяти для его хранения - около 100 М. Для хранения всего десяти таких снимков необходим объем памяти в 1М!

Размещено на Allbest.ru