Исследование и разработка портативных рентгеновских аппаратов для медицинской диагностики в неспециализированных условиях тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.11.17, кандидат технических наук Потрахов, Евгений Николаевич

• Потрахов, Евгений Николаевич
• кандидат технических наук
• 2013

Оглавление диссертации кандидат технических наук Потрахов, Евгений Николаевич

Введение.

1. Анализ физико-технических основ микрофокусной рентгенографии

1.1 Эффект увеличения глубины резкости.

1.2 Эффект увеличения контраста.

1.3 Эффект малой экспозиционной дозы.

1.4 Эффект псевдообъемного изображения.

1.5 Эффект фазового контраста.

1.6 Эффект малой потребляемой мощности.

2. Исследование особенностей применения микрофокусной рентгенографии для целей медицинской диагностики в неспециализированных условиях.

2.1 «Жесткая» рентгеновская съемка.

2.2 Доза облучения.

2.3 Оценка качества изображения.

3. Исследование особенностей использования микрофокусных рентгеновских аппаратов.

3.1 Разрешающая способность.

3.2 Геометрические условия съемки.

3.3 Двухэтапный способ съемки.

3.4 Эквивалентная просвечивающая возможность методики микрофокусной рентгенографии.

4. Разработка портативных технических средств для 86 рентгенодиагностики в неспециализированных условиях.

4.1. Цифровой рентгенодиагностический комплекс для 86 стоматологии и челюстно-лицевой хирургии.

4.2. Цифровой рентгенодиагностический комплекс для травматологии.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Исследование и разработка портативных рентгеновских аппаратов для медицинской диагностики в неспециализированных условиях»

Отечественная клиническая практика последних лет поставила задачу разработки нового класса диагностических средств - портативных рентгеновских аппаратов. Необходимость проведения таких работ обусловлена как потребностью в рентгенодиагностических исследованиях, проводимых вне рентгеновского кабинета (например, службой «скорой помощи» непосредственно на месте происшествия), так и широким внедрением новых методик лечения, примером которых может служить операция хирургической имплантации, проводимая под рентгеновским контролем в стоматологическом кресле.

Эксплуатация в неспециализированных условиях помимо традиционных требований - малых габаритов и веса, низкой потребляемой мощности и других - выдвигает дополнительные требования к аппаратуре. В частности, поскольку оператор при проведении исследования держит аппарат в руках, чрезвычайно важно обеспечить минимальную радиационную нагрузку на персонал.

Опыт развития медицинской рентгенодиагностической аппаратуры, описанный в трудах ведущих отечественных ученых и специалистов -H.H. Блинова (ст.), H.H. Блинова (мл.), Ю.А. Быстрова, Э.И. Вайнберга, Ю.В. Варшавского, JI.B. Владимирова, В.Я. Голикова, М.И. Зеликмана, С.А. Иванова, С.И. Иванова, В.Н. Ингала, Ю.К. Иоффе, Б.М. Кантера, В.В. Клюева, Э.Б. Козловского, Б.И. Леонова, А.И. Мазурова, Р.В. Ставицкого, А.Н. Черния, Г.А. Щукина, B.JI. Ярославского - показывает, что наиболее эффективным путем дальнейшего развития является не модернизация хорошо известных методик диагностики, а разработка новых, включая оригинальную аппаратуру для их реализации. Наиболее перспективной методикой, позволяющей реализовать на практике преимущества портативной аппаратуры при съемке в неспециализированных условиях, является микрофокусной рентгенодиагностика.

Болыиой вклад в клинические исследования в этой области внесли известные российские специалисты P.M. Акиев, А.Ю. Васильев, В.Н. Балин, Т.А. Гордеева, A.JI. Дударев, H.A. Карлова, А.К. Карпенко, А.П. Медведев, Г.В. Петкевич, H.A. Рабухина, А.Б. Ушаков, результаты исследований которых показывают, что возможности микрофокусной рентгенодиагностики позволяют существенно повысить диагностическую ценность снимков с одновременной минимизацией доз облучения.

Таким образом, проведение широкого круга физических, технологических, а также медицинских исследований с целью создания нового класса диагностической аппаратуры - портативных рентгеновских аппаратов, является актуальной научной проблемой.

Объект исследования - портативные рентгенодиагностические аппараты на основе микрофокусных источников излучения.

Предмет исследования - эффекты и явления, возникающие при реализации методики микрофокусной рентгенографии на портативной рентгенодиагностической аппаратуре.

Цель диссертационной работы - исследование методов рентгенодиагностики в неспециализированных условиях и разработка комплексных требований к портативной рентгенодиагностической аппаратуре.

Для достижения поставленной цели были решены следующие теоретические и практические задачи: проведен анализ особенностей получения медицинских рентгеновских изображений способами стандартной и микрофокусной рентгенографии;

- определены и обоснованы режимы выполнения рентгеновских снимков в неспециализированных условиях;

- проведен анализ и дана количественная оценка просвечивающих возможностей стандартного и микрофокусного способов съемки; разработана методика микрофокусной рентгенографии в неспециализированных условиях;

- разработаны структурные схемы портативных рентгеновских аппаратов, предназначенных для проведения диагностических исследований в неспециализированных условиях.

При решении поставленных задач применялись следующие методы исследования: анализ и обобщение литературных данных в области создания и применения медицинской рентгенодиагностической аппаратуры; методы математического анализа и компьютерного моделирования; экспериментальные исследования с использованием современных методов визуализации рентгеновских изображений, контроля параметров рентгеновского излучении и т.д.

Научная новизна работы заключается в следующих результатах: математически обоснована возможность использования в медицинской рентгенодиагностике приемников изображения с низким разрешением;

- для сравнительного анализа различных методов рентгенографии в медицинской диагностике введено понятие просвечивающей возможности и разработан аналитический метод ее оценки;

- теоретически и экспериментально обоснован выбор микрофокусной рентгенографии для проведения рёнтгенодиагностических исследований на портативной аппаратуре в неспециализированных условиях; разработан способ проведения рентгенодиагностических исследований в неспециализированных условиях с помощью микрофокусных источников излучения с уменьшенного фокусного расстояния при повышенном напряжении; определены дозовые нагрузки при реализации метода микрофокусной рентгенографии в неспециализированных условиях и разработаны методические указания для его реализации.

Практическая значимость подтверждается тем, что в процессе работы: создано семейство портативных цифровых рентгенодиагностических комплексов для стоматологии, челюстно-лицевой хирургии, травматологии и некоторых других областей медицины;

- проведены клинические испытания разработанных комплексов в неспециализированных условиях и определены условия их безопасной эксплуатации;

- разработаны таблицы экспозиций и методические рекомендации по практическому применению портативных цифровых рентгенодиагностических комплексов в стоматологии и травматологии.

В результате проведенных экспериментальных и теоретических исследований на защиту выносятся следующие научные положения:

1. Комплексное уменьшение размеров фокусного пятна источника излучения, повышение напряжения и уменьшение фокусного расстояния позволяют более чем на порядок повысить просвечивающую возможность рентгеновских аппаратов при съемке биологических объектов.

2. Реализация метода микрофокусной рентгенографии в портативной аппаратуре обеспечивает повышение информативности снимков с одновременным снижением радиационной нагрузки на персонал при проведении исследований в неспециализированных условиях.

При непосредственном участии автора были внедрены в клиническую практику первые отечественные портативные микрофокусные аппараты для травматологии и стоматологии. Указанная аппаратура используется в лечебном процессе в Военно-медицинской академии им. С.М.Кирова, Государственной медицинской академии им. И.И.Мечникова, Центральном военном клиническом авиационном госпитале МО РФ, Московском государственном медико-стоматологическом университете и других клиниках.

В период с 2010 г. по 2012 г. для нужд МО РФ было поставлено более 50 комплексов для стоматологии и травматологии.

Методика микрофокусной рентгенографии и связанные с ней наработки в области создания портативной рентгеновской аппаратуры используются при подготовке дипломированных специалистов в учебном процессе на факультете электроники СПбГЭТУ и в МИРЭА.

Апробация работы проводилась на международных, всероссийских и региональных конференциях, съездах и научных форумах: Межрегиональная НПК «Лучевая диагностика в стоматологии и челюстно-лицевой хирургии» (Москва, 2008-2012), Всероссийские конгрессы лучевых диагностов (Москва, 2008-2010), IV и V Международные конгрессы «Невский радиологический форум» (Санкт-Петербург, 2009-2011), VI-XIII Международные НТК «Медико-технические технологии на страже здоровья» (Москва, 2004-2011), 63-68 НТК, посвященные Дню радио (Санкт-Петербург, 2007-2012), VIII Российско-Баварская конференция (Санкт-Петербург, 2012)

Разработанные под руководством и при непосредственном участии автора микрофокусные портативные рентгенодиагностические комплексы для стоматологии и травматологии демонстрировались на международных и всероссийских выставках, в том числе «Российский промышленник» (Санкт- Петербург, 2005 - 2012), «Здравоохранение. Стоматология» (Воронеж, 2007 - 2009), «Здравоохранение» (Москва, 2006- 2010), где неоднократно награждались дипломами и медалями.

По теме диссертации опубликовано 16 печатных работ (из них 12 в рекомендованных ВАК изданиях), два методических пособия, получено 4

Патента на изобретение и полезную модель, Свидетельство о регистрации программы для ЭВМ.

Структура и объем диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы (55 наименований) и приложений с актами внедрения. Основная часть работы изложена на 115 страницах машинописного текста, содержит 55 рисунков и 15 таблиц.

Заключение диссертации по теме «Приборы, системы и изделия медицинского назначения», Потрахов, Евгений Николаевич

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ

1. На основании анализа особенностей известных способов рентгенографии показано, что благодаря возможности получения резких изображений при повышенном напряжении с малого фокусного расстояния источниками излучения меньшей мощности на приемник низкого разрешения, микрофокусный способ съемки может быть взят за основу при разработке портативной аппаратуры для рентгенодиагностических исследований в нестационарных условиях.

2. Теоретически обоснованы и экспериментально подтверждены режимы проведения медицинской рентгенографии в нестационарных условиях.

3. Определены просвечивающие возможности микрофокусного рентгеновского аппарата в медицинской диагностике.

4. Разработана методика цифровой микрофокусной рентгенографии в нестационарных условиях.

5. Сформулированы технические требования к источникам рентгеновского излучения и разработаны портативные цифровые рентгенодиагностические комплексы, предназначенные для проведения диагностических исследований в нестационарных условиях.

6. Проведены клинические испытания портативных цифровых рентгенодиагностических комплексов, в результате которых подтверждена безопасность их использования персоналом группы А и разработаны таблицы экспозиций при съемке в нестационарных условиях в стоматологии и травматологии.

7. Разработаны методические рекомендации по основам и особенностям применения микрофокусной рентгенографии в клинической практике.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Благодаря возможности получения резких увеличенных изображений объектов диагностики, для реализации методики микрофокусной рентгенографии для диагностики в нестационарных условиях могут быть использованы высокочувствительные цифровые приемники рентгеновского изображения низкого разрешения. Важнейшим из них является возможность получения рентгеновских изображений с уменьшенного фокусного расстояния, что позволяет снизить интенсивность первичного пучка рентгеновского излучения, а также габариты и вес рентгеновского аппарата.

Разработка более мощных микрофокусных источников рентгеновского излучения, например, на основе малогабаритных рентгеновских трубок с вращающимся анодом, позволит приблизить просвечивающие возможности портативных рентгенодиагностических аппаратов к характеристикам стационарных рентгенодиагностических аппаратов.

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Потрахов, Евгений Николаевич, 2013 год

1. Лагунова И.Г., Чикирдин Э.Г., Ставицкий Р.В. и др. Технические основы рентгеновской диагностики. М.: Медицина, 1973.

2. Мазуров А.И., Потрахов H.H. Микрофокусная рентгенография в медицине // Медицинская техника, 2011. №5. С.30-34.

3. Мазуров А.И. Борьба с рассеянным излучением в цифровых рентгеновских аппаратах // Развитие медицинской техники в России: Юбилейный сборник научных трудов ВНИИИМТ М., ВНИИИМТ, 2006. -С.55-57.

4. А.И. Мазуров Обобщенная квантовая эффективность цифровых рентгеновский аппаратов // Медицинская техника 2008,- №5,- С. 15-19.

5. А.И. Мазуров, H.H. Потрахов Влияние рассеянного рентгеновского излучения на качество изображения и методы его подавления // Биотехносфера 2011, №3, С. 24-30.

6. Иванов С.А., Потрахов H.H., Мазуров А.И. Новые диагностические возможности микрофокусной рентгенографии // Петербургский журнал электроники. 1998. - №2. - С.12-16.

7. А.К. Трапезников. Рентгенодефектоскопия, Машгиз, 1948.

8. Doi К. Optical transfer functions of the focal spot of X-ray tubes. // Am. J. Roentgenol., 1965. V.94. №3.

9. Пицутиелло P., Куллинан Дж. Введение в медицинскую рентгенографию. Нью-Йорк.: Кодак, 1994.

10. Харкевич A.A. Спектры и анализ. M.-JL: Гос. Изд-во Тех. теор. лит-ры, 1952, 192 с.

11. Телевизионные методы обработки рентгеновских и гамма-изображений / H.H. Блинов, E.H. Жуков, Э.Б. Козловский, А.И. Мазуров. -М.: Энергоиздат, 1982.

12. Рентгенотехника: справочник. В2-х кн. Кн 2. Под общ ред. В.В. Клюева. М: Машиностроение, 1992 г.

13. Краснов М.Л., Киселев А.И., Макаренко Г.И. и др. Вся высшая математика: Учебник. Т.4. М.: Эдиториал УРСС, 2001.

14. Потрахов H.H. Метод и особенности формирования теневого рентгеновского изображения микрофокусными источниками излучения // Вестник новых медицинских технологий. 2007. - Т. XIV. - №3. - С. 167-169.

15. Васильев А.Ю., Потрахов H.H., Серова Н.С., Грязнов А.Ю., Буланова И.М., Потрахов E.H., Алпатова В.Г. Эффект «псевдообъемного» изображения в микрофокусной рентгенографии // Вестник рентгенологии и радиологии. 2008. - №№4 - 6. - С. 46 - 49.

16. Блохин М.А. Физика рентгеновских лучей. М.: Гос. изд-во тех.-теор. лит-ры, 1953.

17. Шовкун В.Я. Разработка фазоконтрастного маммографа в схеме «IN-LINE HOLOGRAPHY». // Мед. Физика, 2007, №2 (34), С. 2534.

18. Хокс П. Электронная оптика и электронная микроскопия. -М.: Мир, 1974.

19. Грязнов А.Ю. О возможности получения фазоконтрастных изображений на микрофокусных источниках рентгеновского излучения // Биотехносфера 2010 - №1 - С. 30-32.

20. Грязнов А.Ю. Математическая модель формирования фазоконтрастного рентгеновского изображения. Часть 1. Известия СПбГЭТУ "ЛЭТИ"- 2010- №6 С. 14-20.

21. Рабухина H.A., Аржанцев А.П. Рентгенодиагностика в стоматологии. М.: ООО МИА, 1999.

22. Кишковский А.Н., Тютин J1.A. Медицинская рентгенотехника: руководство. — Л.: Медицина, 1983.

23. Быстров Ю.А., Иванов С.А. Ускорительная техника и рентгеновские приборы: учебник для ВУЗов. М.: Высшая школа, 1983.

24. Рентгеновские диагностические аппараты. В 2-х т. / Под. ред. H.H. Блинова, Б.И. Леонова. М.: ВНИИИМТ, НПО «Экран», 2001. Т.2.

25. Хараджа Ф.Н. Общий курс рентгенотехники. М. - Л.: Энергия, 1966.

26. Рентгенодиагностические аппараты / Под ред. H.H. Блинова. М.: Медицина, 1976.

27. Потрахов H.H., Грязнов А.Ю. Особенности «сверхжесткой» съемки в микрофокусной рентгенодиагностике // Медицинская техника, 2005. №5.

28. Жутяев С.Г., Смелик Г.И., Мишкинис А.Б. и др. Взаимосвязьспектрального распределения с его дозиметрическими характеристиками // Медицинская техника, 2002. №2.

29. Таблицы и формулы рентгеноспектрального анализа. Методические рекомендации / Под ред. Н.И. Комяка. Л.: Буревестник, 1981 - 1982. Вып. 1-3.

30. Варченя В.Ж., Воеводина А.И., Губатова Д.Я. Тканеэквивалентные дозиметрические фантомы и измерение поглощенных органами доз при рентгенологических исследованиях детей. Рига: / МЗ ЛатвССР, 1989.

31. Контроль эффективных доз обучения пациентов при рентгенологических исследованиях. МУК 2.6.1.962-00. -М., 2000

32. Медицинская рентгенология: технические аспекты, клинические материалы, радиационная безопасность. / Под ред. Р.В. Ставицкого М.: МНПИ, 2003.

33. Блинов H.H., Мазуров А.Н. Разрешающая способность систем воспроизведения рентгеновского изображения // Медицинская техника 2000 №5. С.12-15.

34. Блинов H.H., Мазуров А.И. Новые реальности в современной рентгенотехнике // Медицинская техника 2003, №5, - С. 3-6.

35. В.М. Семенов, И.Г. Кузьминых Критерии оценки характеристик рентгеновских снимков // Радиология-Практика, 2010, №1 С. 67-76.

36. Дмоховский В.В. Основы рентгенотехники. М.: Медгиз,1960.

37. Иванов С.А., Кириенвко C.B., Щукин Г.А. Расчет тепловых процессов в анодах рентгеновских трубок // обзоры по электронной технике Сер.4, 1986. Вып.2.

38. Роуз А. Зрение человека и электронное зрение: пер. с англ. -М.: Мир, 1977.

39. Мазуров А.И., Потрахов H.H. Особенности использования методики микрофокусной рентгенографии в медицине // Диагностическая интервенционная радиология, 2011. Т.5 №2. С.255-256.

40. Васильев А.Ю. Петровская В.В., Перова Н.Г. и др. Малодозовая микрофокусная рентгенография в стоматологии и челюстно-лицевой хирургии // Радиология практика, 2011, №6, С.26-33.

41. Пат. на изобрет. 2278440 РФ, МПК H01J35/02, H05G1/02, А61В6/03. Моноблок источника рентгеновского излучения. / Потрахов H.H., Мухин В.М.; № 200511181309/09; заявл. 20.04.05; опубл. 20.06.05, Бюл. №17.

42. Свид. об. офиц. per. прог. для ЭВМ. 2066132564 РФ. Программный комплекс для обработки цифровых рентгеновских дентальных изображений. «APEC». / Потрахов H.H., Грязнов АЛО., Картавенко В.А.; № 2006612554; заявл. 24.07.06; зарег. 15.09.06.

43. АС СССР №1793491 от 25.06.91 Рентгеновская трубка / Потрахов H.H. и др.

44. Свидетельство на полезную модель №17378 от 25.09.00 / Мухин В.М., Потрахов H.H.

45. Потрахов E.H. Портативные рентгенодиагностические комплексы семейства «ПАРДУС» // Вестник Российской военно-медицинской академии. 2009, №4 (28), С. 100-101.

46. Потрахов E.H. Микрофокусная рентгенография -инновационная технология медицинской диагностики // Медицинская техника. 2012, №5. С.44-47.

47. Аппарат рентгенодиагностический стоматологический прицельный микрофокусный «ПАРДУС-Р». Руководство по эксплуатации. ЗАО «ЭЛТЕХ-Мед».51. «PORT-XII портативная стоматологическая система». Руководство по эксплуатации. Фирма GENORAY.

48. Потрахов H.H., Потрахов E.H., Грязнов А.Ю., Васильев

49. A.Ю., Балицкая Н.В., Бойчак Д.В. Портативные рентгеновские аппараты для стоматологии и челюстно-лицевой хирургии // Медицинская техника. 2012, №5. С.8-11.

50. Васильев А.Ю., Потрахов H.H., Бойчак Д.В., Петровская

51. Васильев А.Ю., Буланова И.М., Потрахов H.H. Микрофокусная рентгенография: современное состояние и перспективы // Вестник рентгенологии и радиологии. 2007. - №1. - С. 54-58.

52. Алпатова В.Г., Васильев А.Ю., Кисельникова Л.П. Сравнительная оценка информативности цифровой микрофокусной рентгенографии с многократным увеличением изображения и радиовиззиографии в эксперименте // Клиническая стоматология 2010.-№1.- С.23-24.