Рентгенівський відсіювальний растр

Винахід відноситься до рентгенографії, а більш конкретно - до пристроїв для підвищення контрастності рентгенівського зображення. Відсіювальні растри застосовують переважно в медичній рентгенодіагностиці. Розташовані між об'єктом і реєструючим пристроєм, вони дозволяють поліпшити якість зображення на рентгенівській плівці або панорамному детекторі за рахунок ефективного поглинання розсіяного об'єктом проміння. Починаючи з першого пристрою подібного типу, який запропонував Г.Буккі у 1913 році, вони являють собою просторово-орієнтовану структур у з поглинаючих і прозорих для рентгенівського проміння елементів, які чергуються, свого роду ґратчастий фільтр, який здатний пропускати більшу частину прямого струменя і поглинати більшу частину розсіяного проміння. Класична конструкція растра, наприклад, [1], являє собою регулярну ґратчасту стр уктуру, яка складається з великої кількості свинцевих пластин, "поставлених" руба й відділених одна від одної рентгенопрозорими прокладками. Пластини можуть бути як плоскопаралельними, так і розгорнутими в вертикальній площині на кути, які відповідають фокусній відстані. Первинний струмінь рентгенівської трубки, який створює істинне зображення, проходить між пластинами. Рентгенівські кванти, розсіяні в об'єкті що діагностується, розповсюджуються під кутом до площини пластин і за рахунок цього поглинаються ними. Крім серйозних переваг (поліпшення контрастності й помітності дрібних деталей зображення), застосування растрів має й недоліки. Це виникнення артефактів у вигляді множини смуг на знімку та збільшення променевого навантаження на пацієнта. Усі запатентовані конструкції растрів містять технічні рішення, які дозволяють тим чи іншим чином підвищити переваги та зменшити недоліки цих пристроїв. Практично це знаходить вираз у прагненні вилучи ти свинцеві пластини (точніше, радикально зменшити товщину поглинального елемента) і видозмінити або взагалі вилучити процес складання растру. Так, наприклад, відомий відсіювальний растр для медичної рентгенівської діагностики [2], який включає середовище з переважно не поглинаючого рентгенівське проміння матеріалу з каналами всередині й поглинаючу речовину в каналах, яка складається переважно з рентгенопоглинаючого матеріалу. Недоліком такого растру є складність технології виготовлення каналів, враховуючи їх реальні розміри (ширина близько 50 мкм, глибина декілька міліметрів при довжині, - якщо вони у вигляді прорізів - десятки сантиметрів, відстань між каналами 200-400 мкм), а також проблематичність якісного заповнення каналів рентгенопоглинальною речовиною для забезпечення ефективного поглинання розсіяного проміння; неочевидна також в такій конструкції можливість виготовлення фокусованих растрів. Відомий також відсіювальний растр високого розділення [3], в якому решітка утворена великою кількістю отворів, мікроканалів, прорізів або щілин, виконаних (вигравіюваних або витравлених) в матеріалі, наприклад, в кремнії, причому стінки мікроканалів або щілин покриті високопоглинальним матеріалом, наприклад, золотом. Замість покриття стінок отворів, вони можуть бути заповнені відповідною рідиною, наприклад, ртуттю. До недоліків такого рішення, окрім згадуваних ви ще технологічних складностей, пов'язаних з виконанням самих каналів, відносяться наявність трьох (замість двох) градацій рентгенопрозорості растра, що знижує якість зображення, а також складність отримання якісних покриттів вн утрішніх стінок каналів з характерним розміром декілька десятків мікрометрів і відсутність можливості контролювати якість цього покриття в процесі виготовлення растру. Відомий також рентгенівський растр для медичної рентгенографії і спосіб його виготовлення й застосування [4], в якому рентгенопоглинальний матеріал через трафарет наноситься на множину тонких листів рентгенопрозорої плівки, після чого їх укладають один на один, стос вирівнюють і проклеюють. Тобто фільтруюча розсіяне проміння решітка формується пошарово. Це технічне рішення також має ряд недоліків. По-перше, - і це принципово не можна усун ути - рентгенопоглинальні елементи є переривчастими (не суцільними) по висоті, що знижує ефективність поглинання розсіяних квантів. По-друге, внаслідок гнучкості й розтяжності тонкої плівки, з якої пошарово формується растр, неминуче порушення правильної геометрії "стовпчика", який формує рентгенопоглинальний елемент, що призводить до збільшення його видимої ширини при отриманні знімків з застосуванням такого растру. Нарешті, стабільність в часі геометричних характеристик виготовленого растра суттєво залежить від якості клейового з'єднання шарів і може бути порушена непрогнозованим чином при старінні клейового прошарку. Найбільш близькою по технічній суті та технічному результату що досягається є сучасна класична конструкція растра [5], в якій товщина свинцевих пластин визначається технологічними можливостями маніпулювання зі свинцевою фольгою (близько 50 мкм), а як рентгенопрозорі роздільники використовуються алюмінієві або полімерні прокладки. До її недоліків відносяться: - порівняно велика товщина поглинаючих елементів. Це, по-перше, обмежує прозорість растру (відносно первинного струменю проміння) величиною 60-70%, і, відповідно, не дозволяє зменшити променеве навантаження на пацієнта: коефіцієнт експозиції не менше 3 навіть для растрів з невеликим відношенням і низьким вмістом свинцю. По-друге, - обумовлює появу артефактів на знімках у вигляді великої кількості горизонтальних смуг, для усунення яких в ряді випадків доводиться користатися складними і дорогими системами рухливих растрів (які, в свою чергу, додатково збільшують променеве навантаження на пацієнта); - великий відсоток браку під час виготовлення, що здорожує готові кондиційні вироби. Сучасні растри класичної конструкції - вельми прецизійні й складні в технологічному відношенні вироби. При товщині від 0 5 мм до 5 мм їх характерні розміри в плані становлять 30х40 см і більше, кількість смуг фольги і роздільників може досягати кількох тисяч. Неминучі ж похибки складання помітно погіршують якість отриманих знімків; - прив'язка до товщини свинцевої фольги на етапі конструювання растру. Це істотно обмежує можливості варіювання його геометричних характеристик. В основу винаходу поставлена задача поліпшення функціональних і експлуатаційних характеристик відсіювального растра шляхом його формування з множини окремих елементів, кожен з яких об'єднує рентгенопрозору й рентгенопоглинаючу частини, що забезпечує можливість зняття конструктивних і технологічних обмежень на зменшення товщини рентгенопоглинаючих частин. Це дозволяє збільшити коефіцієнт прозорості растра для прямого струменя рентгенівського проміння і в результаті знизити променеве навантаження при рентгенодіагностичних процедурах, а також забезпечує можливість варіювання в широких межах його основних технічних характеристик, таких як відношення растру, число смуг на одиницю довжини, товщин у. Останнє, з урахуванням зниження вартості растру, дозволяє збільшити їх номенклатуру в розпорядженні лікаря-рентгенолога й для кожного типу рентгенівських досліджень використовувати растр з оптимальним співвідношенням характеристик. Поставлена задача вирішується шля хом формування відсіювального растра у вигляді зборки, складеної з множини плоских елементів, розвернутих відносно площини, перпендикулярній поверхні растру й паралельній довгій стороні плоскихелементів, на кути, що відповідають фокусній відстані растра, кожний плоский елемент складається з рентгенопрозорої і рентгенопоглинальної частини, які об'єднані в суцільну конструкцію, рентгенопрозора і рентгенопоглинальна частини розташовані в площині, яка визначається двома найбільшими розмірами плоского елемента, при цьому товщина рентгенопоглинальної частини становить 0,05-0,10 товщини плоского елемента, ефективний атомний номер матеріалу рентгенопрозорої частини Zеф 55, а бік з рентгенопоглинальною частиною одного елемента прилягає до боку з рентгенопрозорою частиною сусіднього елемента. Можливе виконання такого растру, при якому між плоскими елементами розташований клейовий прошарок, який з'єднує їх один з одним, причому ефективний атомний номер клейового прошарку становить 0,8-1,2 від ефективного атомного номеру матеріалу рентгенопрозорої частини елемента. Можливе також таке виконання растру, при якому між плоскими елементами растру розташований клейовий прошарок, який з'єднує їх один з одним, причому геометрично він принаймні на 90% співпадає з рентгенопоглинальною частиною плоского елемента. Таким чином, до суттєви х відзначних ознак винаходу, що пропонується, відносяться: 1. Кожен плоский елемент растру складається з рентгенопрозорої та рентгенопоглинальної частини, які об'єднані в суцільну конструкцію 2. Товщина рентгенопоглинальної частини складає 0,05-0,10 від товщини елемента. 3. Ефективний атомний номер матеріалу рентгенопрозорої частини Zеф 55. 4. Між плоскими елементами растру розташований клейовий прошарок, який з'єднує їх між собою, причому ефективний атомний номер клейового прошарку становить 0,8-1,2 від ефективного атомного номеру матеріалу рентгенопрозорої частини плоского елемента. 5. Між плоскими елементами растру розташований клейовий прошарок, який з'єднує їх один з одним, причому геометрично він принаймні на 90% співпадає з рентгенопоглинальною частиною плоского елемента. Ознаки 1 - 3 є достатніми в усі х випадках. Ознаки 4 і 5 відносяться до можливих виконань растру, що пропонується. Об'єднання в одному елементі (з яких формується растр) рентгенопоглинальної та рентгенопрозорої частин дозволяє вирішити проблему зменшення товщини рентгенопоглинальної частини і значно спростити технологію складання пристрою в цілому. Рентгенопрозора частина, маючи товщину 0 2-0 5 мм надає достатню для складання жорсткість всьому елементові, при цьому товщина поглинаючої частини може варіюватися від 10 мкм до 50 мкм (0,05-0,10 від товщини елемента). Менші товщини помітно знижують ефективність поглинання розсіяних квантів. Більші товщини погіршують якість знімків через сильну помітність смуг на негативі. Зниження товщини рентгенопоглинаючого елемента в порівнянні з растрами класичної конструкції дає можливість, поперше, збільшити коефіцієнт прозорості растру відносно прямого струменя до значення Кр=0.9-0.95 (типове значення для існуючих растрів Кр=0.6-0.7) і, по-друге, робить смуги практично нерозрізненними на рентгенівському знімку. Тобто сукупність цих ознак безпосередньо обумовлює поліпшення функціональних та експлуатаційних характеристик растру. Крім того, об'єднання в одному елементі поглинаючої і прозорої частини дозволяє варіювати основні геометричні характеристики растру (перш за все відношення растру) в значно ширших межах, ніж у класичній конструкції растра. Так, наприклад, можна збільшувати відношення растра до значення (25-40):1, тоді як в класичній конструкції відношення растра змінюється від 4:1 до 16:1. Збільшення цього відношення підвищує вибірність растру, що поліпшує його функціональні властивості. Обмеження ефективних атомних номерів матеріалів, що використовуються, значеннями Zеф 55 для рентгенопоглинальної частини пов'язані з їх функціональним призначенням і обумовлені характером взаємодії рентгенівського проміння з речовиною. Цією ж причиною викликане і обмеження на відмінність ефективного атомного номеру клеючого прошарку (0,8-1,2 від ефективного атомного номеру рентгенопрозорої частини елемента), що виключає появу додаткових градацій яскравості на знімку, які є артефактами і погіршують його читання. Можливе виконання растру, при якому між плоскими елементами растру розташований клейовий прошарок, який з'єднує їх один з одним, причому геометрично він принаймні на 90% співпадає з рентгенопоглинальною частиною плоского елемента. Фактично це означає, що клеюча речовина розподілена переважно між частками рентгенопоглинальної речовини, з яких власне і складається рентгенопоглинальна частина кожного елемента. Більше того, клеючу речовину, що зберігає клеючі властивості на протязі не менше 72 годин можна наносити як зазначено вище, під час виготовлення плоских елементів растру. Це дозволяє спростити автоматизацію процесу його складання, що, в свою чергу, поліпшує якість складання і сприяє підвищенню функціональних характеристик растрів. Клеюча речовина, з якої формується клеючий прошарок в цьому виконанні растру, має бути повільновисихаючою (час висихання не менше 72 годин), щоб забезпечити резерв часу між моментами виготовлення елементів растру і його складання. Введення до традиційної конструкції рентгенівського відсіювального растру, який являє собою зборку, складену з множини плоских елементів, розвернутих відносно площини, перпендикулярної поверхні растру і паралельної довгій стороні плоских елементів, на кути, що відповідають фокусній відстані растру, нових ознак, а саме, - об’єднання в суцільну конструкцію рентгенопрозорої і рентгенопоглинальної частини, з яких складається кожен плоский елемент, виконання рентгенопоглинальної частини товщиною 0,05-0,10 від товщини плоского елемента дозволяє значно підвищити коефіцієнт прозорості растра для прямого струменя рентгенівського проміння і знизити коефіцієнт експозиції (фактор Буккі), що зменшує променеве навантаження на пацієнта під час виконання рентгенодіагностичних процедур. Використання для рентгенопрозорої частини кожного елемента растру матеріалів з ефективним атомним номером Zеф 55, обмеження на відмінність ефективного атомного номеру клейового прошарку від ефективного атомного номеру рентгенопрозорої частини (в одному з виконань растру) дозволяє гарантовано уникнути зайвих градацій контрастності, що поліпшує розрізнюваність мілких деталей рентгенівського знімку. Геометричне поєднання в одній області простору клейового прошарку і рентгенопоглинальної частини елемента (в іншому виконанні растру) служить для тієї ж цілі, що й зменшення товщини рентгенопоглинальної частини плоского елемента. Таким чином, сукупність суттєви х відзначних ознак з відомими ознаками дозволяє поліпшити функціональні та експлуатаційні характеристики растру. На фігурах, перелік яких наведений нижче, подані креслення, які пояснюють особливості конструкції растра, що пропонується і принцип його роботи. Фіг. 1. Вид в плані растру, що пропонується, в зборі. Фіг. 2. Вид збоку растру, що пропонується, із зазначенням місця (обведене колом), збільшений фрагмент якого поданий на наступному кресленні. Фіг. 3. Збільшений фрагмент центральної частини растру. Видне віяльне (в поперечному перерізі) розташування рентгенопоглинаючих частин плоских елементів. Фіг. 4. Окремий плоский елемент растру, із зазначенням місця (обведене колом), збільшений фрагмент якого поданий на наступному кресленні. Фіг. 5. Збільшений фрагмент поперечного перерізу плоского елемента, на якому видні рентгенопрозора і ренттенопоглинаюча частини елемента. Фіг. 6. Збільшений фрагмент центральної частини растру з окремими клейовими прошарками, які з'єднують плоскі елементи растру. Фіг. 7. Схема використання відсіювального растра при медичній рентгенодіагностиці. Прямий струмінь проходить крізь рентгенопрозорі роздільники між поглинаючими елементами. Кванти, розсіяні в об'єкті що діагностується, поглинаються ними. Запропонований растр (фіг. 1, 2) являє собою зборку 1, складену з множини плоских елементів 2 (фіг. 3), розвернутих відносно площини, перпендикулярної поверхні растру і паралельної довгій стороні плоских елементів 2, на кути, які відповідають фокусній відстані растру. Елементи розташовані таким чином, що бік з рентгенопоглинальною частиною одного елемента прилягає до боку з рентгенопрозорою частиною сусіднього елемента. Кожен плоский елемент 2 (фіг. 4) складається з рентгенопрозорої 3 і рентгенопоглинальної 4 частини (фіг. 5), які об'єднані в суцільну конструкцію, причому рентгенопрозора і рентгенопоглинальна частини розташовані в площині, яка визначається двома найбільшими розмірами плоского елемента 2. Можливе виконання растру (фіг. 6), при якому елементи 2 растру 1 з'єднані один з одним через клейовий прошарок 5. Можливе також виконання растру, при якому клеючий прошарок геометрично співпадає з рентгенопоглинальною частиною 4 кожного плоского елемента 2, з яких формується растр. Робота відсіювального рентгенівського растру здійснюється наступним чином (схема на фіг. 7). Растр 1 розміщують між об'єктом 6, що діагностується та реєструючим пристроєм, наприклад, рентгенівською плівкою 7. Струмінь квантів від аноду рентгенівської трубки 8, проходячи крізь об'єкт 6, частково поглинається речовиною об'єкта, частково розсіюється і частково проходить без взаємодії з об'єктом. Саме останні з перерахованих видів квантів створюють дійсне зображення об'єкту на плівці 7. Розсіяні кванти помітно відхиляються в точці розсіювання від напрямку первинного струменя і при відсутності растра знижують контрастність дійсного зображення. Растр 1 розміщують таким чином, що рентгенопоглинальні частини 4 елементів 2, з яких він складається, орієнтовані вздовж напрямку первинного струменя. Тому первинні кванти майже безперешкодно проходять крізь растр, тоді як розсіянні кванти (вони, крім кутового відхилення, мають також більш низьку енергію порівняно з квантами первинного струменя) на шляху від об'єкта 6 до плівки 7 поглинаються рентгенопоглинаючими частинами 4 елементів 2, з яких складається растр 1. Це дозволяє знизити кількість розсіяних квантів, які потрапляють на рентгенівську плівку і, таким чином, поліпшити контрастність зображення. В дослідному зразку растру в якості рентгенопрозорого матеріалу була використана проклеєна целюлоза (ефективний атомний номер Zеф ~6) товщиною 220 мкм, як рентгенопоглинаючий матеріал - порошок вольфраму (Zeф =74) з максимальним розміром часток близько 5 мкм. Середня товщина нанесеного покриття за результатами мікроскопічного аналізу становила від 15 до 20 мкм, загальна товщина елемента - 230 мкм. Висота елемента складала 4 мм, довжина - 240 мм. Близько 1300 таких елементів були склеєні один з одним по площинам 4х240 мм таким чином, що забезпечувався ступеневий розворот елементів в вертикальній площині для утворювання "віяльної" в перерізі структури решітки (так званий фокусований растр), яка зменшує втрати в прямому струмені рентгенівського проміння. Для виготовленого растра були визначені основні характеристики [6] (коефіцієнти прозорості, фактор Буккі, вибірність, коефіцієнт поліпшення контрасту), які порівнювались з аналогічними характеристиками растра TUR (виробництва ГДР) класичної конструкції. В таблиці 1 наведені порівняльні дані по виміряним значенням характеристик цих двох растрів. Перші три рядки в таблиці 1 - результати вимірювань, четвертий й п'ятий - результати розрахунків на основі цих вимірювань. Третій рядок (фактор Буккі) характеризує підвищення променевого навантаження на пацієнта при використанні растра. Як видно з таблиці, при вдвічі більшім значенні коефіцієнта поліпшення контрасту (рядок 5: 47,7/23,8=2), використання запропонованого растру дозволяє більш ніж на 35% знизити променеве навантаження на пацієнта (рядок 3: 2,1/3,3=0,64) Таким чином, задача підвищення функціональних і експлуатаційних характеристик растру, поставлена в основу винаходу, вирішена. Поліпшені такі найважливіші показники растру, як коефіцієнт поліпшення контрастності, вибірність, фактор Буккі. Крім технічних переваг растру, що пропонується, слід також підкреслити можливість суттєвого зниження його собівартості за рахунок спрощення технології виготовлення і складання. Останнє дозволяє зробити такі пристрої більш доступними і розповсюдженими в практиці рентгенодіагностики. Джерела інформації: 1. Хараджа Ф. Н. Общий курс рентгенотехники. М. - Л., Энергия, 1966 Глава 7. 2. Патент США № US 5581592, 1996, G21K 001/00. 3. Патент США № US 5418833, 1995, G21K 001/00. 4. Патент США № US 4951305, 1990, G21K 001/02; G21K 001/00; G02B 005/13. 5. Curry Т. S., Dowdey I. E., Murry R.С. Christensen's Introduction to the Physics of Diagnostic Radiology/ Lea&Febiger, Philadelphia, 1984, 3rd ed. Глава 8 - Прототип. 6. ГОСТ 26221-84. Растры отсеивающие линейные медицинских рентгеновских аппаратов. Общие технические условия М., Издательство стандартов, 1984. Таблиця 1 Характеристики запропонованого растру і растру класичної конструкції № п/п 5 4 3 2 1 Характеристика Коефіцієнт поліпшення контрасту Вибірність Коефіцієнт експозиції (фактор Буккі) Коефіцієнт прозорості для розсіяного проміння Коефіцієнт прозорості для прямого проміння Запропонований растр 47,7 22,7 2,1 Растр TUR 23,8 7,2 3,3 0,04 0,09 0,91 0,65