CC BY
60
К ВОПРОСУ О ПРИМЕНЕНИИ МЕТОДОВ И СРЕДСТВ СПЕКТРОЗОНАЛЬНОЙ РЕНТГЕНОГРАФИИ ДЛЯ ОЦЕНКИ СТЕПЕНИ
МИНЕРАЛИЗАЦИИ ТКАНЕЙ
Корнев Е.А., Лелюхин А.С., Аджиева М.Д., Каньшин В.В., Козлов Д. В.
Оренбургский государственный университет, alex-ray@,inbox.m
В работе обсуждается возможность регистрации спектрозональных рентгеновских изображений с помощью линейки арсенид-галиевых рентгеновских микродетекторов. Представлены результаты исследования отклика линейки микродетекторов на излучение различного качества.
Существующие методы диагностики - денситометрия (рентгеновская или ультразвуковая), рентгенография, биохимические исследования не решают в полной мере задач скрининга остеопороза. Одним из путей решения проблемы ранней инструментальной диагностики метаболических изменений костной ткани может стать применение спектрозональных методов регистрации и анализа рентгенографических изображений.
Впервые задачу количественного анализа состояния костных тканей по изображениям, зарегистрированным на разных эффективных энергиях, сформулировал и предложил решение польский исследователь Кроковски в 1973 году [1]. Но его работы не получили развития ввиду отсутствия на тот момент технических средств, способных обеспечить успешное применение его методики.
Суть идеи Кроковски заключается в том, что основные процессы, отвечающие за формирование проекционного изображения органов грудной полости, фотопоглощение и Комптоновское рассеяние, для тканей организма человека являются «конкурирующими». Преобладание одного процесса над другим определяется энергией кванта и эффективным атомным номером ткани, в которой происходит взаимодействие. Характер зависимости сечений взаимодействия от энергии и атомного номера для фотоэффекта и эффекта Комптона существенно различается, следовательно, спектрозональные изображения несут информацию о физико-химических свойствах отображаемых объектов.
В работах [2, 3] предложен метод спектрозональной рентгенографии, предполагающий получение спектрозональных рентгеновских снимков, измерение интенсивности яркостного сигнала и расчет характеристических углов 0 и ф, задающих в фазовом пространстве логарифмического контраста направление вектора r, длина которого соответствует величине линейного интегрального ослабления ткани включения в направлении просвечивания. Предварительные эксперименты позволяют предположить, что метод спектрозональной рентгенографии может быть применен для оценки минерального содержания грудных позвонков по их изображениям на цифровых рентгенограммах.
Для выполнения экспериментального исследования метода был изготовлен тканеэквивалентный фантом, включающий унифицированные по форме образцы, выполненные из углерода с добавлением кальциевой соли глюконовой кислоты в различном по массе процентном соотношении. Основной целью исследования было выявление зависимости величин характеристических углов от степени минерализации образцов. Экспериментальная работа выполнялась на цифровом сканирующем аппарате с детектором типа сцинтиллятор-фотодиод. Регистрация спектрозональных изображений осуществлялась путем переключения киловольт на рентгеновской трубке. Для примера на рисунке 1 приводятся графики зависимости величины характеристического угла р от степени минерализации образцов для различных соотношений напряжений на рентгеновской трубке.
Видно, что метод обеспечивает выявление различия степени минерализации. Причем чувствительность метода падает при уменьшении разности пиковых значений киловольт на трубке.
Степень минерализции,%
—«—110/60 кВ -ь-110/70 кВ -ж-110/80 кВ -»-110/90 кВ
Рис. 1. Динамика изменения величин характеристических углов от степени минерализации образцов при различном соотношении напряжений на рентгеновской трубке
Заметим, что переключение киловольт - не лучший вариант построения спектрозональной системы. Другим решением может быть использование двух последовательно установленных детекторов. Когда первый к пучку детектор одновременно является фильтром для последующего [4]. С целью исследования различных детекторных структур была разработана имитационная модель спектрозональной системы, включающая математическое представление исходного спектра - модель трубки и математическое описание процессов ослабления пучка -модели фильтра, объекта исследования и детектора [5].
Ниже приведены результаты расчетов для детекторной структуры в виде сэндвича из двух последовательно установленных детектирующих сред из ОаЛБ толщиной 2,25 мм каждая. Рассчитанные спектры, отражающие эффективность поглощения квантов рентгеновского излучения детектирующими средами, приведены на рисунке 2.
Ь,
Рис. 2. Спектры поглощения детектирующих сред. По оси абсцисс отложена энергия, а по оси ординат -число поглощенных квантов излучения
Видно, что детектирующие среды подвержены воздействию пучков излучения разного спектрального состава, что эквивалентно тезису об их различной спектральной чувствительности. На первый (ближайший к источнику) детектор воздействует излучение, прошедшее алюминиевый фильтр и объект исследования. На второй детектор воздействует излучение, спектральный состав которого соответствует спектру пропускания первого детектора. Максимумы спектральной
6000- •
600
4000"
400"
2000- •
200
124
155
124
155
чувствительности детекторов явно смещены друг относительно друга. Первый детектор имеет условный максимум спектральной чувствительности в области 60 кэВ, а второй - в области 90 кэВ. Таким образом, рассмотренная рентгенооптическая схема, при условии пространственного перемещения первичного пучка по двум координатам, позволяет реализовать спектрозональный режим регистрации изображений.
Однако использование части детектора в роли фильтра нецелесообразно, поскольку снижает квантовую эффективность и требует увеличения дозы. Если использовать большее количество последовательно установленных детекторов, то, осуществляя суммирование сигналов детекторов можно улучшить соотношение сигнал-шум, а характер затухания использовать как критерий, характеризующий материал просвечиваемого объекта.
Авторами было выполнено исследование линейки арсенид-галлиевых рентгеновских детекторов размерами 26х4х0,24мм . Металлизация поверхностей образует 128 отдельных каналов детектирования, механически каналы отделяются канавкой шириной 40мкм и глубиной 30мкм (рис. 1) [6,7].
.5 3^1
Рис. 1. Линейка ваАБ - детекторов, на 128 каналов
В эксперименте линейка размешалась вдоль рентгеновского пучка таким образом, что каждый последующий микродетектор служил фильтром для предыдущего.
Эксперимент проводился на рентгенодиагностическом аппарате, обеспечивающем непрерывный режим генерации излучения. Исследование выполнялось при напряжении 120 кВ и токе трубки 40 мА, что обеспечивало мощность дозы, приведенной ко входу детектора, 10 мЗв/ч. Детектор охлаждался до температуры 1°С, напряжение питания детектора - 15 В, емкость интегрирования -2 пФ. Временные параметры набора строки - время интегрирования 2500 мкс, период строк 2700 мкс.
Линейка микродетекторов детекторов размещалась в пучке рентгеновского излучения заданного качества. Изучался отклик линейки на рентгеновское воздействие при различной фильтрации первичного пучка. В качестве фильтров использовались материалы: парафин, нафталин, графит, фторопласт, сплав Д16, титан.
С помощью сервисной программы с линейки многократно считывалась строка изображения, и формировалось изображение путем последовательного набора строк во времени без механического перемещения.
Временной ход интенсивности отдельного канала детектора на входное воздействие приведен на рис. 2.
Нетрудно видеть, что рентгеновский импульс имеет выраженный максимум, экспоненциальный спад и плато, в пределах которого интенсивность пучка практически не меняется. Переходной процесс наблюдается как минимум в течение времени набора первых 50 строк изображения, что составляет приблизительно 135 мс.
Рис. 2. - Отклик 23-го канала детектора на входное воздействие
Для исключения влияния переходного процесса обработка изображений осуществлялась, начиная с 50-й строки. На рис. 2б приведен отклик за исключением первых 50-ти строк. Видно, что временной ход интенсивности отсутствует, преобладает флуктуационный шум, задающий примерно 5 %-й разброс считываемого сигнала.
Отклик линейки детекторов на рентгеновский импульс по строке изображения (пространственный ход интенсивности) представлен на рис. 3, где приведен график зависимости средних по времени значений сигнала от номера канала детектора. Эффективная ширина канала составляет 160мкм, таким образом, график рис. 3 по сути отражает зависимость затухания рентгеновского излучения от глубины проникновения в материал детектора.
,.3.089x10 .,
№п<0> 2-104
¿5.773x10 .,
А г Л27.,
Рис. 3. - Отклик линейки детекторов на входное воздействие. По оси абсцисс отложен номер канала, по оси ординат - регистрируемый сигнал, усредненный по строкам изображения
3.5 10
3-10
2.5-10
1.5 10
1-10
5000
100
120
140
Согласно рисунку, в пределах первых 20-ти каналов характер затухания соответствует экспоненциальному закону. Меняя фильтр на входе линейки, мы получаем различный характер затухания излучения. Более наглядно последнее можно продемонстрировать, если построить график зависимости отклика детектора в полулогарифмическом масштабе (рис. 4).
Рисунок 4 - Отклик линейки детекторов на входное воздействие при различной фильтрации, сверху вниз - без фильтра, с фильтрами из углерода и из титана
Видно, что в пределах 10-ти каналов отклик детектора линеен. Причем, угол наклона графика к оси абсцисс задает скорость затухания излучения по глубине проникновения. Скорость затухания, в свою очередь, определяется атомным номером материала фильтра, что позволяет судить о материале фильтра.
Современное состояние уровня техники позволяет успешно решать задачи количественного анализа рентгенограмм. Одной из таких задач является проблема ранней скрининговой диагностики метаболических изменений костной ткани.
Возможным применением представленных результатов может стать выработка нового диагностического критерия оценки по рентгенограммам наличия у пациента такого метаболического заболевания костной системы как остеопороз.
Однако для проверки выдвинутой гипотезы и для решения вопроса о применении методики в диагностических целях необходимо выполнить целый комплекс физических и клинических исследований, которые бы позволили: оптимизировать спектральные диапазоны регистрации цветоделенных изображений, выбрать количество зон регистрации, произвести метризацию рабочего пространства и построить решающие правила; исследовать вопрос о выборе на снимке областей измерения и о сопоставлении получаемых результатов клиническому состоянию костной ткани, подтвержденному традиционными методами.
1. Франке Ю., Рунге Г.: пер. с немецкого.- М.: Медицина, 1995
2. Лелюхин А.С., Корнев Е.А., Аджиева М.Д. Восстановление эффективного атомного номера рентгеноконтрастных включений по интегральным эффектам //Материалы II Евразийского конгресса по медицинской физике и инженерии «Медицинская физика-2005». Сб. материалов. - М., 2005. - С.357-358
3. Лелюхин А.С., Корнев Е.А., Самакаев Ю.Г., Каньшин В.В., Липаткин В.И. Экспериментальное определение эффективного атомного номера ткани включения методом спектрозональной рентгенографии //Мед. техника. - 2006. -№1. - С. 12-15
4. Рыжиков В.Д., Ополонин О.Д., Найденов С.В. и др. Исследования двухэнергетической линейки детекторов для рентгеновской остеоденситометрии. //Мед. техника. - 2005. - №2. - С. 18-21
5. Лелюхин А.С., Корнев Е.А., Каньшин В.В., Аджиева М.Д., Применение пакета МаШСАО для исследования процессов трансформации спектрального состава рентгеновского излучения // Материалы VI Всероссийской научно-практической конференции (с международным участием) «Современные
информационные технологии в науке, образовании и практике». Сб. материалов. - Оренбург: ГОУ ОГУ, 2007. - С. 325-333
6. Айзенштат, Г. И. Координатные микрополосковые детекторы на основе арсенида галлия [текст] / Г.И. Айзенштат, А.П. Воробъев, О.Б. Корецкая // Электронная промышленность. — 1998. — № 1-2. -С. 102-106
7. Толбанов, О.П. Детекторы ионизирующих излучений на основе компенсированного арсенида галлия [текст] / О.П. Толбанов // Вестник Томского государственного университета. - 2005. - №285. - С.155-163
TO A QUESTION ABOUT METHODS AND MEANS OF REGISTRATION SPEKTROZONAL X-RAY IMAGES
Kornev E.A., Lelyukhin A.S., Adzhieva M.D., Kan'shin V.V., Kozlov D. V. The Orenburg state university, alex-ray@inbox.ru
In work the opportunity of registration spectrozonal x-ray images by means of linear GaAs x-ray micro detector is discussed. The results of research of the response of micro detectors on radiation of various quality are submitted.
