способ регистрации рентгеновского изображения объекта в различных диапазонах спектра рентгеновского излучения

Формула изобретения

1. Способ регистрации минерального состава тканей объекта на рентгеновском изображении одновременно в различных диапазонах спектра рентгеновского излучения, включающий селективную регистрацию рентгеновского изображения, прошедшего через объект, одновременно в двух и более различных областях рентгеновского спектра с последующим преобразованием прошедшего рентгеновского излучения в цифровое изображение, при этом преобразованное рентгеновское изображение получают с модуляцией контраста и по глубине модуляции восстанавливают минеральный состав тканей объекта, отличающийся тем, что перед преобразователем рентгеновского излучения располагают маску в виде решетки, состоящую из отдельных участков с различной рентгеновской плотностью, шаг которой выбирают таким образом, чтобы ширина полоски решетки была больше размера пикселей изображения в плоскости приемника, а плотность исследуемого объекта была однородной на периоде решетки.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что полученное изображение объекта после обработки окрашивают в различные цвета или оттенки одного цвета в соответствии с минеральным составом тканей объекта.

3. Способ по п.1, отличающийся тем, что цифровое изображение объекта получают при помощи кассеты с рентгеновской пленкой, перед которой устанавливают маску, а полученное изображение оцифровывают, а затем окрашивают в различные цвета или оттенки одного цвета.

4. Способ по п.1, отличающийся тем, что оптическое изображение объекта получают при помощи усилителя рентгеновского изображения, перед которым устанавливают маску, полученное изображение оцифровывают, и затем окрашивают в различные цвета или оттенки одного цвета.

5. Способ по п.1, отличающийся тем, что оптическое изображение объекта получают при помощи полупроводникового матричного детектора, а полученное изображение окрашивают в различные цвета или оттенки одного цвета.

6. Способ по п.1, отличающийся тем, что маска изготавливается из металлических полосок или их фрагментов, выполненных, например, из алюминия или меди.

7. Способ по п.1, отличающийся тем, что маска изготавливается из неметаллических материалов, например из оксида кремния.

8. Способ по п.1, отличающийся тем, что маска изготавливается из полосок или их фрагментов равной толщины из одного или различных материалов.

9. Способ по п.1, отличающийся тем, что маска изготавливается из полосок или их фрагментов разной толщины из одного или различных материалов.

10. Способ по п.1, отличающийся тем, что маска выполнена из полосок или их фрагментов, расположенных параллельно друг другу.

11. Способ по п.1, отличающийся тем, что маска изготавливается наложением двух или более слоев из полосок или их фрагментов, размещаемых под углом друг к другу.

12. Способ по п.1, отличающийся тем, что маска выполнена из полосок или их фрагментов, расположенных относительно друг друга по спирали или концентрическим окружностям.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к рентгеновской технике, а именно к способам цифровой регистрации рентгеновских изображений, и может быть использовано для создания нового поколения рентгенографических аппаратов, позволяющих однозначно идентифицировать на рентгенографическом снимке наличие опухоли, кальцинатных отложений и т.п.

Известно, что при выполнении флюорографических исследований органов грудной клетки рентгенолог сталкивается с неоднозначностью идентификации теневых изображений. При этом бывает неясно, является ли наблюдаемое изображение (как правило, малоконтрастное) следствием образования мелкого кальцината или опухоли (см., например, [1]). Обследование при помощи компьютерной томографии может дать ответ на данный вопрос, но его выполнение требует сложной и дорогостоящей аппаратуры и не доступно, например, в неспециализированных или сельских медицинских учреждениях. Поэтому возникает острая необходимость получить однозначную идентификацию теневых изображений на существующем оборудовании, путем его несложной модификации.

Известен способ облучения объекта монохроматическим рентгеновским излучением (РИ), путем выделения нужных областей энергетического спектра за счет использования фильтров - пластин алюминия или меди различной толщины [2].

Использование подобных фильтров делает рентгеновское излучение более монохроматическим, что позволяет повысить информативность рентгеновских снимков, однако не позволяет, например, определить элементный состав или атомный номер поглощающего объекта.

Известен способ, в котором различные виды исследований используют различные анодные напряжения на рентгеновской трубке [3], что позволяет дифференцировать поглощение мягких тканей, органов и скелета. Указанный способ обладает более высокой информативностью и диагностическими возможностями по сравнению с традиционными методами, основанными на облучении объекта одной энергией. Недостатком известного способа является существенно более сложная аппаратура, что не позволяет использовать существующие рентгеновские цифровые установки.

Известен способ использования двух и более энергетических областей рентгеновского излучения (РИ) в медицине [4], в частности в рентгеновской денситометрии, основанный на сравнении поглощения рентгеновского излучения при разных энергиях излучения тканями человеческого организма. Другой известный способ [5] осуществляет регистрацию рентгеновских изображений с использованием компонент рентгеновского излучения разной энергии. Прием прошедшего через объект РИ осуществляют за счет люминесцентного экрана (ЛЭ), состоящего из двух типов люминофора, чувствительных к различным участкам спектра РИ. Получение полного оптического изображения производится путем совмещения двух изображений, получаемых с ЛЭ с помощью двух оптических приемников, каждый из которых снабжен своим оптическим фильтром. Известный способ позволяет, не повышая дозы РИ на пациента, получать снимок объекта, который акцентирует внимание оператора на участки изображения с различной плотностью костной ткани.

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

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

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

Наиболее близким к заявляемому техническому решению является способ, описанный в [6], включающий регистрацию рентгеновского изображения с использованием двух и более областей энергетического спектра РИ. Так, регистрация изображения в двух и более спектральных областях РИ осуществлялась при помощи специального многослойного люминесцентного экрана. Способ обладает рядом преимуществ перед аналогами и может быть с успехом использован при проведении исследований минерального состава костей, в частности, с целью предупреждения остеопороза и других заболеваний. Недостатком предложенного ранее способа является сложность изготовления многослойного рентгеновского экрана и необходимость использования избирательных по цвету приемников оптического изображения.

Кроме того, известный способ требует предварительной калибровки без объекта, а значит необходимы специальные фантомы, которые могут существенно отличаться от реального объекта и не обеспечивают требуемой диагностированием остеопороза точности измерения (около 3%).

Задачей, решаемой настоящим изобретением, является устранение указанных недостатков, а именно для реализации способа не требуется специального дорогостоящего ЛЭ и избирательных по цвету приемников, а также специальных фантомов.

Указанная задача в способе регистрации рентгеновского изображения объекта в различных диапазонах рентгеновского спектра, включающем облучение пациента РИ, преобразование РИ, прошедшего через объект, в цифровое изображение при помощи преобразователя РИ и по полученному изображению определение минерального состава тканей объекта, достигается тем, что перед преобразователем РИ располагают маску, состоящую из отдельных участков с различной рентгеновской плотностью, и селективно регистрируют рентгеновское изображение одновременно в двух и более различных областях рентгеновского спектра, при этом с преобразователя РИ рентгеновское изображение объекта получают с модуляцией контраста и по глубине модуляции восстанавливают минеральный состав тканей объекта.

Заявляемый способ позволяет при той же дозе облучения объекта получить модуляцию контраста изображения и на его основе определить элементный состав отдельных участков изображения. При этом не требуется использования специального экрана, избирательного по цвету приемника, и калибровка с помощью специальных фантомов.

Для повышения информативности изображения и для облегчения визуального восприятия оптическое изображение объекта с ЛЭ окрашивают в различные цвета или оттенки одного цвета в соответствии с минеральным составом тканей объекта.

Для модификации широко используемых пленочных рентгеновских аппаратов оптическое изображение объекта с ЛЭ получают при помощи кассеты с рентгеновской пленкой, перед которой устанавливают маску, а полученное изображение оцифровывают, а затем окрашивают в различные цвета или оттенки одного цвета.

Также для модификации широко используемых рентгеновских комплексов с усилителя рентгеновского изображения (УРИ) перед ним устанавливают маску, а полученное изображение оцифровывают, а затем окрашивают в различные цвета или оттенки одного цвета.

Для упрощения технологии изготовления маски она изготавливается по технологии печатных плат из металлических полосок или их фрагментов, выполненных, например, из алюминия или меди либо по технологии литографии из неметаллических материалов, например из оксида кремния.

Для упрощения математической обработки результатов маска изготавливается из полосок или их фрагментов равной толщины из одного или различных материалов.

Для повышения информативности метода маска изготавливается наложением двух или более слоев полосок или их фрагментов, размещаемых под углом друг к другу, или из одного слоя полосок или их фрагментов разной толщины из одного или различных материалов.

Для упрощения технологии изготовления маски она изготавливается из полосок или их фрагментов, расположенных параллельно друг другу или расположенных друг относительно друга по спирали или концентрическим окружностям.

Таким образом, заявляемый способ позволяет за один рентгеновский снимок получать неискаженное качественное изображение объекта в двух и более спектральных областях РИ, с возможностью определения минерального состава тканей, при этом не требует применения специальных избирательных по цвету приемников и специальных фантомов, что не имеет аналогов среди известных технических решений, а значит соответствует критерию «изобретательский уровень».

На фиг.1 показана схема устройства для реализации предлагаемого метода. Устройство включает: рентгеновский излучатель 1 с коллиматором 2; объект исследования 3; маску 4; люминесцентный экран 5; свинцовое стекло 6; объектив 7; матрицу ПЗС 8 и компьютер 9.

На фиг.2 показан вид маски с параллельными полосками: 10 - поглощающие полоски; 11 - пропускающие полоски.

На фиг.3 показан вид маски с непоглощающими участками 12 и поглощающими участками 13 и 14.

На фиг.4 показана схема устройства для реализации предлагаемого метода с усилителем рентгеновского изображения (УРИ) 15.

Устройство, представленное на фиг.1, работает следующим образом. Рентгеновская трубка в рентгеновском излучателе 1 работает при фиксированном анодном напряжении и излучает широкий спектр РИ, ограниченный по энергиям сверху величиной приложенного напряжения, а снизу - поглощением материалов излучателя. РИ проходит через исследуемый объект 3 и частично поглощается или рассеивается в зависимости от минерального состава и плотности его тканей. За исследуемым объектом располагается маска 4, частично поглощающая рентгеновское излучение. В качестве маски 4 можно использовать маску, представленную на фиг.2 или фиг.3. Непосредственно за маской расположен рентгеновский экран 5, преобразующий невидимое изображение в рентгеновской области в видимое оптическое изображение, которое проецируется оптической системой 7 и затем регистрируется при помощи, например, матрицы ПЗС 8.

При этом на фиг.2 или фиг.3 темные штрихи представляют собой металлические полоски, светлые - диэлектрическую (рентгенопрозрачную) основу. Шаг решетки выбирается таким образом, чтобы ширина полоски была больше размера пикселей изображения в плоскости приемника. С другой стороны, ширина полосок выбирается минимальной для того, чтобы плотность исследуемого объекта мало менялась (была однородной) на периоде решетки. В качестве материала полосок можно выбрать алюминий или медь - материалы, часто используемые для рентгеновских фильтров. Толщина материала, из которого изготовлены полоски для рентгеновских излучений, применяемых в медицинской практике, может составлять 30-100 мкм для меди и 0.3-1 мм для алюминия. Такая толщина позволяет поглощать 10-50% падающего рентгеновского излучения при анодном напряжении 50-100 кВ. Характерный размер полоски (ее ширина) составляет около 100-200 мкм, т.е. маска может быть выполнена по технологии печатных плат.

При использовании указанной маски в рентгеновском изображении, полученном приемником, будет присутствовать периодическая структура, обусловленная поглощением рентгеновского излучения полосками металла. Контраст изображения полосок (то есть глубина модуляции периодической структуры) определяется тем, какая компонента рентгеновского спектра, жесткая (с более высокой энергией излучения) или мягкая, присутствует в спектре.

Таким образом, глубина модуляции в изображении решетки позволяет измерить энергию падающего рентгеновского излучения. Если падающее рентгеновское излучение предварительно прошло через объект исследования (тело пациента), то глубина модуляции позволяет построить картину распределения излучения по энергиям. Сравнивая фрагменты изображения за полосками металла и в местах отсутствия поглощающих полосок, можно выделить нужную компоненту спектра рентгеновского излучения, используя метод, описанный ранее [7-9]. Расчеты производились по формулам (1) и (2), приведенным в статье [7]:

.

В формулу (1) входит рентгеновская плотность R₁ ln[V₀(E₁)/V(E₁)], где величина V₀(E₁) показывает величину исходного сигнала для энергии рентгеновского излучения E₁, V(E ₁) - величину сигнала за объектом съемки для данной энергии, a V₀(E₂)/V(E₂) - аналогичное отношение для энергии РИ Е₂.

В нашем случае за отношение V₀(E₁)/V(E₁ ) мы принимаем величину сигнала рентгеновской плотности объекта, измеренную за поглощающей полоской, а V₀(E₂ )/V(E₂) - в отсутствие поглощающей полоски. Подставив указанные отношения в формулу (1), мы находим величину R. Подстановка величины R в формулу (2) позволяет определить величину Z _eff - эффективный атомный номер материала исследуемого объекта, при этом а, b, с, d - эмпирические постоянные, величину которых мы нашли, производя измерения для веществ с известным элементным составом (Al, Cu и Fe).

Полученное после такой обработки изображение было окрашено, причем цветовая окраска на рисунке соответствовала длине волны рентгеновского излучения, прошедшего через исследуемый объект. Было хорошо видно, в частности, изменение спектра рентгеновского излучения после прохождения объектов. Изображение костной ткани было окрашено в голубой цвет, а мягких тканей и алюминиевой пластины толщиной 1.5 мм в теплые тона (красные, желтые и зеленые). Это объясняется тем, что кости черепа в большей степени поглощают мягкую компоненту рентгеновского излучения по сравнению с мягкими тканями или алюминиевой пластиной. Это является следствием более высокого атомного номера кальция Са (Z=20), содержащегося в костных тканях, по сравнению с Al (Z=13) и кислородом О (Z=8). Описанный пример демонстрирует возможность определения атомного номера объекта при помощи нашего способа. В литературе отмечена большая информативность цветных изображений по сравнению с монохроматическими, что обычно используется в системах безопасности [9].

Если в устройстве используется маска, представленная на фиг.3, полученная наложением 2-х решеток с направлением полосок перпендикулярно друг другу, то это позволяет выделить одновременно 3 энергетических области в спектре рентгеновского излучения. При этом каждая ячейка такого фильтра имеет область 12 без поглощения, область 13 с «низким» поглощением и область 14 с «высоким» поглощением. Это означает, что 25% площади каждой ячейки пропускает РИ без фильтрации (и ослабления), 25% пропускает только высокоэнергетическую компоненту РИ и 50% площади пропускает РИ со средней энергией. Такая маска, как на фиг.3, служит для повышения информативности рентгеновского изображения.

Устройство, представленное на фиг.4, работает аналогично устройству на фиг.1. Отличительной особенностью работы устройства является то, что маска 3 располагается непосредственно перед экраном 4 УРИ 15. При этом изображение с выходного экрана УРИ регистрируется при помощи, например, матрицы ПЗС 8. Такое устройство позволяет выделять нужные области энергетического спектра рентгеновского излучения, при условии достаточного разрешения УРИ по сравнению с шагом решетки.

Рассмотрим конкретные примеры реализации данного способа.

Пример 1

В качестве маски был использован фрагмент плоского кабеля шириной 62 мм, выполненного из 50 параллельных металлических проводников, окруженных оболочкой из ПВХ. Диаметр проводников составлял 0.4 мм, расстояние между соседними проводниками - 1.2 мм. Указанная маска располагалась непосредственно перед люминесцентным экраном стандартного цифрового флюорографа ЦФК-1 производства ООО «Унискан». Изображение с экрана проецировалось при помощи объектива на матрицу ПЗС KAF09000 производства фирмы «Kodak». В качестве источника рентгеновского излучения нами применялся палатный рентгеновский аппарат АРА-110/160-1, оборудованный рентгеновской трубкой 0,6-3БДМ29-125(П) с фиксированным вольфрамовым анодом. Рентгеновский снимок фантома, содержащего образцы костной и мягкой тканей, был выполнен при анодном напряжении в 60 кВ.

В результате обработки исходного рентгеновского изображения по описанному выше алгоритму было получено, что области изображения, соответствующие костной ткани, получают окраску в одни цветовые тона, а мягкие ткани окрашиваются в другие цвета. Это позволяет однозначно идентифицировать на рентгенографическом снимке наличие кальцинатных отложений, что делает возможным идентификацию новообразований, опухолей и т.п.

Пример 2

В качестве маски использовали печатную плату размером 100×100 мм, специально изготовленную из листа стеклотекстолита, толщиной 1.5 мм с нанесенным слоем меди толщиной 35 мкм. Плата представляла собой полоски меди равной ширины, расположенные через равные промежутки параллельно друг другу. Ширина полосок в данном примере была равна ширине промежутков между ними и составляла 200 мкм.

Использована установка, аналогичная примеру 1, но в качестве приемника оптического изображения нами была взята цифровая рентгенографическая камера высокого разрешения Альфа 4000. Полученные цифровые изображения от матрицы, состоящей из 48 сенсоров ПЗС, по кабелю связи передавались в электронный блок, а затем непосредственно в персональный компьютер для обработки. Полученное изображение фантома, содержащего образцы костной и мягкой тканей, было окрашено аналогично описанному в примере 1.

Таким образом, заявляемое изобретение позволяет за один рентгеновский снимок получать неискаженное качественное изображение объекта в двух и более спектральных областях РИ, с последующей возможностью определения минерального состава тканей.

Литература

1. Юдин А.Л. Биэнергетическая компьютерная томография в дифференциальной диагностике периферических образований легких. Журнал «Проблемы туберкулеза», 2002, № 5, С.64.

2. Рентгенотехника: Справочник. В 2-х кн. Кн. 1 / В.В.Клюев, Ф.Р.Соснин, В.Аертс и др.; Под редакцией В.В.Клюева, М. «Машиностроение», 1992, с.27.

3. Патент США № 6285740, МКИ: H05G 1/64, 2001 г.

4. Патент РФ № 2200469, МКИ: А61В 6/03, 2003 г.

5. Патент США № 5451793, МКИ: G21K 4/00, 1995 г.

6. Патент РФ № 2307377, МКИ: G21K 4/00, 2007 г.

7. V.Ryzhikov, A.Opolonin, S.Naydenov, V.Svishch, V.Volkov, О.Lysetska, D.Kozin, C.Smith, V.Danilenko. 16th WCNDT 2004 - World Conference on NDT, Aug. 30 - Sep. 3, 2004. - Montreal, Canada, Proceedings, Internet Version.

8. S.V.Naydenov, V.D.Ryzhikov, Technical Physics Letters 28, #5, 357-360 (2002).

9. S.Ogorodnikov and V.Petrunin. Physics Review Special Topics. - Accelerators and beams, volume 5, 104701 (2002).