RU2553505C1 - Устройство для визуализации молочной железы пациента рентгеновским излучением в режиме томосинтеза или маммографии - Google Patents

Abstract

Изобретение относится к рентгенотехнике, а именно к рентгенографическим сканирующим цифровым аппаратам, и может быть использовано в медицинских учреждениях для обнаружения и диагностики заболеваний молочной железы. Устройство содержит источник рентгеновского излучения, расположенный с одной стороны молочной железы, и приемник рентгеновского изображения, расположенный с другой стороны относительно молочной железы, компрессионные средства для сжатия и фиксации молочной железы. Источник рентгеновского излучения и приемник рентгеновского изображения выполнены с возможностью поворота как одно целое относительно компрессионных средств, сжатой и зафиксированной молочной железы. Устройство дополнительно содержит коллиматор и управляемую диафрагму, выполненную с возможностью формирования узкого пучка рентгеновского излучения. Приемник рентгеновского изображения выполнен в виде узкого линейного двухкоординатного позиционно-чувствительного детектора рентгеновского излучения, в котором высота в 20-40 раз больше ширины, и с возможностью перемещения по дуге дискретно с остановками вдоль сжатой молочной железы с шагом, равным ширине приемника рентгеновского изображения. Использование изобретения обеспечивает улучшение диагностических свойств устройства путем повышения пространственного разрешения и снижения лучевой нагрузки на пациента. 1 ил.

Description

Изобретение относится к рентгенотехнике, а именно к рентгенографическим сканирующим цифровым аппаратам, и может быть использовано в медицинских учреждениях для обнаружения и диагностики заболеваний молочной железы.

В настоящее время в медицинской диагностике широко используют цифровые рентгеновские аппараты. Они позволяют производить прямую цифровую регистрацию и обработку изображения с последующим выводом его на экран компьютера или твердый носитель, см., например, патентную заявку США №2006/0222228, М.кл. G06K 9/00, опубл. 05.10.2006.

Однако трехмерное пространственное разрешение и контрастная чувствительность существующих цифровых рентгеновских аппаратов или отсутствует, или не удовлетворяет требованиям современной медицины.

Известно устройство регистрации рентгеновского излучения, содержащее блок управления и передачи изображения, цифровую вычислительную машину, источник рентгеновского излучения с коллиматором и датчиком излучения, расположенными на направляющих [патент РФ №2343504, М.кл., G01T 1/20, опубл. 27.06.2008 г.], в котором датчик излучения состоит из первого устройства для преобразования рентгеновского излучения, прошедшего через исследуемый объект, в излучение видимого света и второго устройства для преобразования излучения видимого света в электронный сигнал, первое устройство для преобразования - поликристаллический сенсор - выполнено из рентгеночувствительного сцинцилирующего материала в виде пластины, толщина которой определяет требуемую чувствительность к рентгеновскому излучению, а второе устройство для преобразования представляет собой фотоприемную линейку, у которой фоточувствительная часть совпадает с линейными размерами поликристаллического сенсора, поликристаллический сенсор оптически сопряжен со вторым устройством для преобразования посредством регулярного оптоволоконного кабеля с фоконами на обоих концах, причем линейные размеры фоконов совпадают с размерами поликристаллического сенсора с одной стороны и второго устройства для преобразования с другой.

Описанное выше устройство позволяет увеличить динамический диапазон приемника рентгеновского излучения за счет отказа от использования АЦП (аналого-цифрового преобразователя), и тем самым увеличив диагностическую информативность рентгеновского изображения.

Однако полученные изображения являются наложением друг на друга теневых изображений изучаемого объекта (органа) и не дают трехмерной информации об объекте (органе). Кроме того, при получении плоского (2Д) изображения дефекты (патологии) могут экранироваться (затеняться) ниже или выше лежащими объектами (органами).

Известно также устройство для обнаружения и диагностики опухолей молочной железы, содержащее источник проникающего излучения, просвечивающего исследуемый объект, диафрагму, расположенную перед объектом, и двухкоординатный позиционно-чувствительный детектор, расположенный за объектом, снабженные системой перемещения относительно объекта, и блок обработки информации [патент РФ №2171627, М.кл., A61B 6/00, опубл. 10.08.2001 г.], в котором диафрагма выполнена с возможностью формирования по крайней мере одного узкого малорасходящегося пучка проникающего излучения в направлении исследуемого объекта, а двухкоординатный позиционно-чувствительный детектор установлен на таком расстоянии от исследуемого объекта и имеет пространственное разрешение, обеспечивающие регистрацию углового распределения интенсивности излучения под малыми углами.

Описанное выше устройство позволяет благодаря использованию малоуглового когерентного рентгеновского рассеивания обнаруживать малоконтрастные небольшие дефекты (патологии) в изучаемом объекте (органе).

Однако полученные изображения не дают информации о трехмерной структуре объекта (органа), трехмерной структуре дефекта (патологии).

Известна многорежимная система для получения рентгеновских изображений молочной железы, содержащая компрессионное устройство для сжатия и фиксации молочной железы пациента для получения рентгеновского изображения, сборку рентгеновской трубки, приемник рентгеновского изображения [патентная заявка США №2009/0003519, М.кл., A61B 6/04, опубл. 01.01.2009 г.], в которой упомянутое компрессионное устройство, рентгеновская трубка и упомянутый приемник рентгеновского изображения установлены с возможностью движения для получения множества рентгеновских изображений при различных режимах и проекциях и под углом относительно каждого другого режима и проекции.

Система обеспечивает многовариантное сочетание перемещения рентгеновской трубки и приемника для получения рентгеновского изображения.

Однако в данной геометрии расположения источника рентгеновского излучения под различными углами к неподвижному приемнику рентгеновского изображения, расположенного под молочной железой, невозможно использовать отсеивающий растр, что ведет к ухудшению контрастной чувствительности диагностического аппарата, а следовательно, к ухудшению диагностической информации об исследуемом объекте (органе).

Известен диагностический рентгеновский сканирующий цифровой аппарат, содержащий последовательно расположенные на одной оптической оси источник рентгеновского излучения, щелевой коллиматор и линейный многоэлементный детектор рентгеновского излучения, которые закреплены на едином кронштейне, установленном с возможностью поворота вокруг оси сканирования, расположенной в плоскости щели коллиматора и продольной оси линейного многоэлементного детектора [патент РФ №2328217, М.кл., A61B 6/03, опубл. 20.12.2007 г.], в котором кронштейн установлен на одном конце подковообразной фермы, установленной на платформе с возможностью поворота в осях вращения поворотного механизма, а платформа размещена на вертикальной стойке.

Описанное выше устройство позволяет выполнять снимки из различных ракурсов с произвольными углами наклона по отношению к телу пациента и, тем самым, повысить информативность снимков.

Однако полученные изображения не дают информации о трехмерной структуре объекта (органа), трехмерном расположении дефекта (паталогии).

Наиболее близким к заявляемому решению по назначению технической сущности и достигаемому результату при использовании является устройство для визуализации молочной железы пациента рентгеновским излучением в режиме томосинтеза или маммографии, содержащее источник рентгеновского излучения, расположенный с одной стороны молочной железы, и приемник рентгеновского изображения, расположенный с другой стороны относительно молочной железы, компрессионные средства для сжатия и фиксации молочной железы, в котором источник рентгеновского излучения и приемник выполнены с возможностью поворота как одно целое относительно компрессионных пластин, сжатой и зафиксированной молочной железы [см. патентная заявка США №2010/0135456, М.кл. H05G 1/60, от 03.02.2010]. Приемник рентгеновского изображения дополнительно содержит отсеивающий растр, расположенный на стороне, обращенной к источнику рентгеновского излучения, и сфокусированный на фокальную точку рентгеновской трубки. Дискретное рентгеновское изображение молочной железы получают при различных положениях рентгеновской трубки относительно молочной железы. Визуальные данные используют для томосинтеза. Устройство может быть использовано также и для маммографического исследования при относительно большом поле зрения, в котором используют приемник излучения с размерами 24×29 см.

Описанное выше устройство позволяет за счет установления отсеивающего растра повысить контрастную чувствительность, что улучшает диагностические свойства рентгеновского аппарата, особенно по обнаружению патологий на ранних стадиях заболеваний, однако установление отсеивающего растра приводит и к повышению радиационной нагрузки на пациента.

Поэтому целью заявляемого технического решения является улучшение диагностических свойств устройства путем повышения пространственного разрешения, при снижении лучевой нагрузки на пациента путем исключения применения отсеивающего растра, а также применения управляемой диафрагмы.

Поставленная цель достигается тем, что в известном устройстве для визуализации молочной железы пациета рентгеновским излучением в режиме томосинтеза или маммографии, содержащему источник рентгеновского излучения, расположенный с одной стороны молочной железы, и приемник рентгеновского изображения, расположенный с другой стороны относительно молочной железы, компрессионные средства для сжатия и фиксации молочной железы, в котором источник рентгеновского излучения и приемник выполнены с возможностью поворота как одно целое относительно компрессионных пластин, сжатой и зафиксированной молочной железы, согласно изобретению устройство дополнительно содержит коллиматор и управляемую диафрагму, выполненную с возможностью формирования узкого пучка рентгеновского излучения, при этом приемник рентгеновского изображения выполнен в виде узкого линейного двухкоординатного позиционно-чувствительного детектора рентгеновского излучения, в котором высота в 20-40 раз больше ширины, и с возможностью перемещения по дуге дискретно с остановками вдоль сжатой молочной железы с шагом, равным ширине приемника рентгеновского изображения.

Как видно из изложения сущности заявляемого технического решения, оно отличается от прототипа и, следовательно, является новым.

В основу изобретения поставлена задача улучшения устройства, объединяющего томосинтез и маммографию для визуализации молочной железы пациента рентгеновским излучением выборочно в режиме томосинтеза или в режиме маммографии, в котором, вследствие выполнения пары источник рентгеновского излучения - приемник рентгеновского изображения с возможностью дискретного поворота относительно оси, перпендикулярной оптической оси пары, на которой также соосно расположены дополнительный фильтр, управляемая диафрагма, коллиматор и приемник, принимающий рентгеновское излучение, при этом диафрагма и коллиматор выполнены с возможностью формирования узкого пучка рентгеновского излучения, а приемник рентгеновского изображения - с возможностью принимать узкий пучок рентгеновского излучения, достигается новый технический результат. Он заключается в том, что горизонтальные и вертикальные частотно-контрастные характеристики (ЧКХ) и квантовая эффективность детектирования (КЭД) остаются одинаковыми вследствие остановки приемника рентгеновского изображения. Это приводит к повышению пространственного разрешения, а отсутствие растра и наличие управляемой диафрагмы к снижению радиационной нагрузки на пациента.

Известен ряд диагностических рентгеновских аппаратов (см. раздел «Характеристика уровня техники), позволяющих выполнять снимки с различных ракурсов с произвольными углами наклона по отношению к телу пациента, в частности, описание изобретения к патенту РФ №2328217, в котором описана кинематическая схема устройства, обеспечивающего возможность такого многовариантного размещения источника рентгеновского излучения относительно тела пациента. При этом устройство обеспечивает пространственное разрешение не хуже 5 пар линий /мм. Или, например, PCT заявка WO 02/17790, в которой описано устройство, содержащее последовательно расположенные на одной оси источник рентгеновского излучения, щелевой коллиматор и линейный многоэлементный детектор рентгеновского излучения, которые закреплены на едином кронштейне, установленном с возможностью поворота вокруг оси сканирования, расположенной в плоскости щели коллиматора, и продольной оси линейного многоэлементного детектора. Устройство позволяет, в основном, получать цифровые снимки с вертикально ориентированным телом. Разрешающая способность этого устройства ниже, чем у предыдущего.

Заявляемое техническое решение принципиально отличается от известных тем, что осуществление остановки приемника рентгеновского изображения и облучение его в неподвижном состоянии относительно пациента приводит к тому, что горизонтальные и вертикальные (т.е. по направлению движения и перпендикулярно ему) частотно-контрастные (ЧКХ) характеристики, а, следовательно, и пространственное разрешение, квантовая эффективность детектировния (КЭД) и другие характеристики остаются одинаковыми, а значит и более высоким оказывается пространственное разрешение, более 20 пар линий/мм.

Предлагаемое техническое решение промышленно применимо. Опытный образец изготовлен и испытан на медицинском фантоме RMI 156 фирмы GAMMEX (США). На полученном с помощью опытного образца изображении фантома RMI 156 видны все элементы вплоть до нейлоновых нитей толщиной 0,40 мм, моделирующие фиброзную и железистую ткани, диски толщиной 0,25 мм, моделирующие опухоли, и точечные включения, моделирующие микрокальцинаты размером 0,16 мм. Известно, что ни один, ни аналоговый, ни цифровой маммограф в мире в настоящее время получить их не может.

Фиг. 1 Схема устройства.

Устройство для визуализации молочной железы пациента рентгеновским излучением в режиме томосинтеза или маммографии содержит источник рентгеновского излучения 1 (на схеме показан фокусным пятном), расположенный с одной стороны молочной железы 2, и приемник рентгеновского изображения 3, расположенный с другой стороны относительно молочной железы 2. Для сжатия и фиксации молочной железы 2 устройство содержит несущую пластину 4, выполненную с радиусом кривизны, соответствующим движению приемника рентгеновского изображения 3, и компрессионную 5, обеспечивающую сжатие и фиксацию молочной железы 2. Источник рентгеновского излучения 1 и приемник 3 выполнены с возможностью поворота как одно целое относительно компрессионных пластин 4, 5, сжатой и зафиксированной молочной железы 2 с помощью соединяющей их жесткой связи 6. Соосно с приемником рентгеновского изображения 3 и источником рентгеновского излучения 1 (его фокусным пятном) дополнительно установлены коллиматор 7, управляемая диафрагма 8, выполненная с возможностью формирования узкого пучка рентгеновского излучения, и фильтр 9. Поворот всей системы осуществляется вокруг оси 10, перпендикулярной жесткой связи 6. Приемник 3 рентгеновского изображения выполнен в виде узкого линейного двухкоординатного позиционно чувствительного детектора рентгеновского излучения, в котором высота в 20-40 раз больше ширины, и с возможностью перемещения по дуге дискретно с остановками вдоль сжатой молочной железы с шагом, равным ширине приемника рентгеновского изображения.

Устройство работает следующим образом. Двухмерное рентгеновское изображение молочной железы 2 получают с помощью прямоугольного приемника рентгеновского изображения 3 размером 8160×256 пикселей (размер пикселя 27×27 мкм²), последовательно облучаемого и перемещаемого по дуге 11 радиусом 650 мм. В центре дуги 11 находится фокусное пятно 1 рентгеновской трубки (диаметр пятна 0,1 или 0,3 мм). Приемник рентгеновского изображения 3 перемещается дискретно вдоль дуги 11, останавливаясь через каждые 6,91 мм или через 256 пикселей (256×0,027 мм = 6,91 мм). В момент остановки приемник рентгеновского изображения 3 облучается рентгеновским излучением, которое проходит через один участок молочной железы пациента 2 с заданной экспозицией облучения, которая составляет, например, для сжатой молочной железы 4,5 см, 0,112 сек. Вынос данных из приемника излучения 3 в компьютер осуществляется во время перемещения приемника рентгеновского изображения 3. В момент движения приемника рентгеновского изображения 3 облучение не происходит, что позволяет снизить радиационную нагрузку на пациента при выполнении диагностических снимков. Сшивка отдельных фрагментов рентгеновского изображения осуществляется по размытию краев коллиматора 7 на краях фрагментов, которое возникает из-за конечности размера фокусного пятна рентгеновской трубки. С помощью компьютера и специального математического алгоритма результат экспозиции обрабатывается и передается на дисплей. Устройство обеспечивает получение снимков с пространственным разрешением не менее 20 пар линий/мм.

Для томосинтеза с помощью специальной программы трехмерного изображения приемник рентгеновского изображения 3 совместно с источником рентгеновского излучения 1 установлены так, чтобы обеспечить возможность многократного получения рентгеновских снимков.

Работа устройства начинается с выполнении предварительного снимка, при котором приемник рентгеновского изображения 3 движется от одного крайнего положения до другого, проходя расстояние примерно 300 мм, позволяя таким образом определить границы молочной железы 2 и уровень сигнала под самой молочной железой 2. Уровень сигнала под молочной железой определяет значение анодного напряжения и тока трубки. Край молочной железы 2 определяет положение приемника рентгеновского изображения 3 на дуге, с которого начинается и заканчивается движение приемника рентгеновского изображения 3 при выполнении рабочего снимка. По краю молочной железы 2 корректируется движение диафрагмы 8 таким образом, чтобы излучение вне молочной железы не попадало на приемник рентгеновского изображения 3.

В зависимости от параметров молочной железы и бинирования приемника рентгеновского изображения 3 для предварительного снимка выбирают напряжение на аноде рентгеновской трубки и ток трубки (на фиг. не показана), толщину дополнительного фильтра 9, задают экспозицию и дискретность облучения, устанавливают размер окна диафрагмы 8. Например, для сжатой молочной железы до толщины 4,5 см выбирают бинирование 8×8, устанавливают анодное напряжение на рентгеновской трубке с молибденовым анодом Ua=30 кВ, ток в трубке 30 мА, длительность экспозиции 8 мс, толщину дополнительного фильтра 0,5 мм из алюминия, дискретность облучения 6,91 мм, размер окна диафрагмы, приведенный к входной плоскости приемника рентгеновского изображения, 22 см. Приемник рентгеновского изображения совместно с источником рентгеновского излучения устанавливают таким образом, чтобы обеспечить возможность многократного получения рентгеновских снимков для синтеза трехмерного изображения (томосинтеза).

При выполнении предварительного снимка молочной железы 2 приемник рентгеновского изображения 3 перемещается относительно молочной железы 2, с остановками через определенные отрезки пути, например, 6,91 мм. Каждый участок облучается в соответствии с экспозицией, например, 0,24 мАс с фиксацией результата облучения.

После получения и анализа предварительного снимка, определения параметров рабочих снимков для томосинтеза, например трехмерного изображения (томографии), устанавливают напряжение на рентгеновской трубке Ua=30 кВ, ток трубки 30 мА, параметры дополнительной фильтрации 0,5 мм A1, начальное и конечное положение детектора 23 мм и 267 мм, соответственно, зависимость движения диафрагмы в табличном виде внесена в компьютер, число проекций 17 и угол томографии 45°, дискрет по углу в табличном виде внесен в компьютер.

После получения 17 снимков (проекций), например, с помощью специального математического алгоритма на компьютере рассчитывается трехмерное рентгеновское изображение молочной железы.

Возможность заканчивать облучение строго за пределами молочной железы уменьшает радиационную нагрузку на пациента. Кроме того, она обеспечивает защиту приемника рентгеновского изображения, поскольку исключает попадание рентгеновского излучения, прошедшего мимо молочной железы 2 непосредственно на приемник 3, защищая его полупроводники и люминофоры от облучения, уменьшает облучение конструкционных элементов устройства.

Как видно из изложения сущности заявляемого технического решения и примера его осуществления, оно позволяет получить рабочие снимки молочной железы с более чем в 4 раза высоким пространственным разрешением и с существенно меньшей радиационной нагрузкой на пациента.

Claims (1)

1. Устройство для визуализации молочной железы пациента рентгеновским излучением в режиме томосинтеза или маммографии, содержащее источник рентгеновского излучения, расположенный с одной стороны молочной железы, и приемник рентгеновского изображения, расположенный с другой стороны относительно молочной железы, компрессионные средства для сжатия и фиксации молочной железы, в котором источник рентгеновского излучения и приемник рентгеновского изображения выполнены с возможностью поворота как одно целое относительно компрессионных средств, сжатой и зафиксированной молочной железы, отличающееся тем, что устройство дополнительно содержит коллиматор и управляемую диафрагму, выполненную с возможностью формирования узкого пучка рентгеновского излучения, при этом приемник рентгеновского изображения выполнен в виде узкого линейного двухкоординатного позиционно-чувствительного детектора рентгеновского излучения, в котором высота в 20-40 раз больше ширины, и с возможностью перемещения по дуге дискретно с остановками вдоль сжатой молочной железы с шагом, равным ширине приемника рентгеновского изображения.