Малодозовый микрофокусный рентгенодиагностический комплекс для неонатологии в неспециализированных условиях тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.11.17, кандидат наук Потрахов Юрий Николаевич

• Потрахов Юрий Николаевич
• кандидат наук
• 2020

Оглавление диссертации кандидат наук Потрахов Юрий Николаевич

СОДЕРЖАНИЕ

Содержание

Введение

1 Рентгенодиагностика в неонатологии

1.1 История развития и особенности применения рентгенографии в 9 неонатологии

1.2 Аппаратура для рентгенодиагностики в неонатологии

2 Физико-технические особенности цифровой микрофокусной 27 рентгенографии в неонатологии

2.1 Особенности цифровой микрофокусной рентгенографии биоло- 27 гических объектов

2.2 Технические требования к аппаратуре для микрофокусной 38 рентгенографии

3 Микрофокусный комплекс для неонатологии

3.1 Рентгенооптическая схема съемки в неонатологии

3.2 Разработка источника излучения для портативного аппарата

3.3 Разработка источника излучения для передвижного аппарата

3.4. Приемник излучения

3.5. Проверка работоспособности экспериментального образца ком- 96 плекса

4 Апробация метода микрофокусной рентгенодиагностики в нео- 103 натологии

4.1 Радиационная нагрузка при реализации методики микрофокус- 103 ной рентгенодиагностики в неонатологии

4.2 Оценка информативности полученных снимков

4.3. Опыт апробации портативного комплекса на базе многопро- 118 фильной детской больницы

Заключение

Список использованных источников

Приложение А - Акт внедрения ФГБУ «НМИЦ им. В.А. Алма- 133 зова»

Приложение Б - Акт внедрения АО «Светлана-Рентген»

Приложение В - Акт внедрения ФГАОУ ВО СПбГЭТУ 13 5 «ЛЭТИ»

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Малодозовый микрофокусный рентгенодиагностический комплекс для неонатологии в неспециализированных условиях»

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность работы обусловлена тем, что ежегодно недоношенными появляются на свет до 10% от общего числа новорожденных. Среди множества заболеваний, которые могут быть у недоношенного ребенка, одним из наиболее существенных в настоящее время признается ателектаз легкого. Основу инструментальной диагностики ателектаза в настоящее время составляет рентгенография легких. В случае с недоношенными детьми диагностика должна проводиться в кювезе - специально оборудованном боксе, позволяющем обеспечить необходимые уровни оксигенации, влажности, температуры, а также питание и подачу лекарств. Проведение рентгенографии органов грудной клетки в этом случае является клинически значимой проблемой, поскольку оценка степени расправления легких имеет решающее значение при определении жизнеспособности таких пациентов и выборе тактики лечения. В настоящее время не существует специализированных серийно выпускаемых рентгеновских аппаратов для решения указанных задач. Исследования проводятся на палатных аппаратах для общей диагностики, что ведет к снижению информативности получаемых снимков и может вызвать повышенную радиационную нагрузку на медперсонал и находящихся рядом, например, в соседних кювезах, пациентов.

При этом проведение рентгенографии новорожденных очень востребовано. По данным ГБУЗ «Детская городская больница №1» (Санкт-Петербург) только в ее реанимационных отделениях ежегодно проводится около 4500 рентгенологических процедур в 2-х или 3-х проекциях. В общей сложности выполняется до 10 тыс. рентгеновских снимков в год.

Научный задел, созданный благодаря работам Н.Н. Блинова (ст.), Н.Н. Блинова (мл.), А.Ю. Васильева, М.И. Зеликмана, С.А. Иванова, Н.А. Карловой, В.В. Клюева, Б.И. Леонова, А.И. Мазурова, Н.Н. Потрахова, Г.И. Прохватилова, Н.А. Рабухиной, Р.В. Ставицкого, М.Л. Таубина и др. - позво-

ляет решить эту весьма актуальную проблему и внедрить в клиническую практику новый высокоэффективный метод рентгенодиагностических исследований в неонатологии.

Результаты работ последних лет, проводившихся при участии автора на кафедре электронных приборов и устройств СПбГЭТУ, позволили сформулировать цель диссертационного исследования - разработка и внедрение в клиническую практику специализированного малодозового аппаратно-программного рентгенодиагностического комплекса для неонатологии.

Для достижения поставленной цели были решены следующие теоретические и практические задачи:

- проведено обзорное исследование современных методик рентгенодиа-гностических исследований новорожденных в нестационарных условиях, а также технических средств для их реализации;

- проведены экспериментальные и теоретические исследования, в результате которых разработана методика малодозовой микрофокусной рентгеновской съемки для неонатологии в неспециализированных условиях;

- разработан прототип рентгенодиагностического комплекса для неона-тологии в неспециализированных условиях, состоящего из моноблочного микро/острофокусного источника излучения в портативном исполнении, цифровой системы визуализации изображения, штативного устройства и специализированного программного обеспечения;

- проведены технические испытания прототипа комплекса, подготовлена эскизная конструкторская и технологическая документация на комплекс;

- осуществлена оценка радиационной нагрузки на пациентов и персонал при реализации микрофокусной диагностики в неонатологии.

Объект исследования - методы и системы рентгенодиагностики в неонатологии.

Предмет исследования - методика малодозовой микрофокусной рентгенодиагностики в неонатологии и технические средства ее реализации.

При решении поставленных задач применялись следующие методы исследования: анализ достижений в области применения рентгеновской аппаратуры с фокусным пятном микронных размеров, математическое моделирование процесса рентгенодиагностики, различные способы экспериментальных исследований, в ходе которых были созданы, апробированы и клинически и испытаны новые аппаратно-программные комплексы для микрофокусной рентгенодиагностики.

В процессе работы были получены новые научные результаты:

- показано, что рентгенодиагностические комплексы, используемые в настоящее время для диагностики возможных патологий недоношенных новорожденных и сопутствующих отклонений, не в полной мере удовлетворяют современным требованиям по информативности получаемых рентгеновских изображений, а также по удобству использования в целом;

- разработана методика малодозовой цифровой микрофокусной рентгенографии в неонатологии, которая позволяет повысить качество рентгенодиа-гностических процедур и оперативность их проведения;

- создан аппаратно-программный рентгенодиагностический комплекс для неонатологии, по ряду параметров существенно превосходящий применяемую в настоящее время для этих целей аппаратуру;

- показано, что применение микрофокусной рентгенодиагностики в неонатологии позволяет снизить дозу облучения на пациента и персонал; это коррелирует с данными применения метода цифровой микрофокусной рентгенографии в других областях рентгенологии;

- проведены испытания разработанного аппаратно-программного рент-генодиагностического комплекса, показавшие, что методика его применения имеет серьезные перспективы внедрения в клиническую практику.

Практическая значимость работы определяется тем, что:

- в развитие технологии цифровой микрофокусной рентгенографии показана возможность ее внедрения в еще одну область медицинской диагностики;

- предлагаемая методика рентгенодиагностики в неонатологии позволяет обеспечить повышение качества и информативности исследований с одновременным снижением трудоемкости их проведения;

- использование при создании аппаратно-программного рентгенодиа-гностического комплекса для неонатологии в неспециализированных условиях решений, апробированных на разработанных ранее аппаратах для микрофокусной рентгенографии, позволяет обеспечить его надежность и высокие эксплуатационные качества;

- проведены технические испытания и осуществлена подготовка к серийному производству первого отечественного специализированного цифрового аппаратно-программного рентгенодиагностического комплекса для нео-натологии;

- подтверждена возможность снижения радиационной нагрузки в ходе проведения рентгенодиагностических процедур с применением микрофокусной аппаратуры.

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

1. Внедрение в практику мобильного аппаратно-программного рентге-нодиагностического комплекса для оперативного проведения диагностики новорожденному непосредственно в кювезе существенно снижает риски осложнений по сравнению со стандартной методикой рентгенографии.

2. Цифровая микрофокусная рентгенография в ходе проведения рентге-нодиагностических исследований в неонатологии при соответствующих условиях съемки позволяет снизить радиационную нагрузку на пациентов и персонал до 1,5 раз.

3. Использование цифровой микрофокусной рентгенографии в неонато-логии не приводит к снижению информативности изображений новорожденных, а при съемке с увеличением отдельных участков тела может повысить информативность до 20% и более по сравнению с традиционной контактной съемкой.

Личный вклад в работу выражается в том, что при непосредственном участии автора была проведена разработка первого отечественного аппаратно-программного рентгенодиагностического комплекса для неонатологии. В настоящее время комплекс проходит серию исследовательских испытаний в Федеральном государственном бюджетном учреждении «Национальный медицинский исследовательский центр имени В.А. Алмазова» (ФГБУ «НМИЦ им. В. А. Алмазова»). Научные и технические результаты, полученные в ходе диссертационной работы, в настоящее время внедрены в процесс подготовки магистров на кафедре электронных приборов и устройств СПбГЭТУ «ЛЭТИ», а также применяются при проведении фундаментальных и прикладных научных исследований, проводимых на кафедре.

Работа прошла широкую апробацию, и ее основные результаты докладывались и обсуждались на многочисленных конференциях различного уровня: VIII Невский радиологический форум (Санкт-Петербург, 2015), Российско-Германские научно-технические конференции по биомедицинской инженерии ЯОС (2016-2019), 70-74 научно-технические конференции, посвященные Дню радио (Санкт-Петербург,У международная научно-практическая конференция «Современные концепции научных исследований» (Москва, 2014), 2015-2018), П-УВсероссийские конференции производителей рентгеновской техники (Санкт-Петербург, 2015-2019).

По теме диссертации опубликовано 22 печатные работы (из них 4 в рекомендованных ВАК изданиях), получено 1 свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ и 7 патентов на изобретения и полезные модели.

Структура и объем диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы (53 наименований) и 3 приложений. Основная часть работы изложена на 135 страницах машинописного текста, содержит 87 рисунков и 17 таблиц.

ГЛАВА 1

РЕНТГЕНОДИАГНОСТИКА В НЕОНАТОЛОГИИ

1.1 История развития и особенности применения рентгенографии в неонатологии

Исследования в области разработки малогабаритных источников рентгеновского излучения и методик их применения в различных областях медицины, промышленного производства, сельского хозяйства и т.д. были начаты более 30 лет назад. Работы проводились специалистами ОКБ РП с производством ЛОЭП «Светлана» совместно с сотрудниками кафедры рентгеновских и электроннолучевых приборов Ленинградского электротехнического института. Ныне это, соответственно, АО «Светлана-Рентген» и кафедра ЭПУ СПбГЭТУ «ЛЭТИ».

В результате большая группа исполнителей в 1982 г. была награждена премией Совета Министров СССР за внедрение в народное хозяйство малогабаритных рентгеновских излучателей и аппаратов. Однако развал Советского Союза и последовавший кризис промышленности надолго приостановили эти работы.

Толчком к продолжению упомянутых исследований в ряде областей медицины, в первую очередь неонатологии, послужил приказ МЗ РФ №1687н, в соответствии с которым новорождённые с экстремально низкой массой тела (от 500 гр) считаются жизнеспособными. Во процессе выхаживания младенец должен находится в кювезе с обязательным обеспечением и контролем требуемых режимов влажности, оксигенации и температуры. Кроме того, конструкция кювеза должна позволять осуществлять вскармливание и введение лекарств [1].

Очевидно, что проведение рентгенодиагностических исследований с соблюдением вышеуказанных требований не может быть реализовано в соответствии с общепринятыми рентгенологическими процедурами. Рентгено-

диагностика в этом случае должна проводиться непосредственно в реанимационных отделениях, палатах интенсивной терапии, а в отдельных случаях -во время транспортировки новорожденного из роддома в перинатальный центр, то есть в нестационарных неспециализированных условиях [1, 2].

Несмотря на то, что ст.37 ФЗ №323 «Об охране здоровья граждан в РФ» предусматривает проведение неотложных рентгенодиагностических исследований вне специально выделенных рентгеновских кабинетов с использованием переносных или передвижных рентгеновских аппаратов, в настоящее время не существует правил эксплуатаций таких аппаратов в виде соответствующих методических указаний или методик проведения исследований.

Очевидно, что традиционные палатные рентгеновские аппараты, вследствие больших габаритов, массы, а также неоптимизированных для съемки столь специфичных пациентов режимов их работы не могут быть использованы в подобных условиях. А специализированные - детские аппараты, предназначенные для работы в описанных условиях, ни в России, ни за рубежом в настоящее время не производятся. Решение указанной проблемы может заключаться в использовании технологии микрофокусной рентгенографии, основы которой были предложены более 30 лет назад в нашей стране [3].

Современная медицинская практика показывает, что ежегодно в результате самопроизвольных преждевременных родов или в результате планового искусственного прерывания беременности на поздних сроках недоношенными появляются на свет до 10% от общего числа новорожденных. По определению ВОЗ с 1974 г., а в России с 2013 г. [Приказ Минздравсоцразви-тия России №1687н] новорожденные считаются жизнеспособными при массе тела от 500 грамм и выше. Такой ребенок умещается на ладони взрослого человека и на момент рождения имеет целый набор заболеваний[2].

В отечественной и мировой клинической практике в основе диагностики новорожденных с экстремально низкой массой тела лежит рентгенография [4-6]. За рубежом основным руководством для практической педиатрической

съёмки является монография [7], в которой содержатся многочисленные рекомендации по дифференциальной диагностике. В России основными нормативными документами, регламентирующими проведение рентгенодиагности-ческих исследований в неонатологии и педиатрии являются МУ 2.6.1.3387-16 «Радиационная защита детей в лучевой диагностике» и методические рекомендации «Гигиенические требования по ограничению доз облучения детей при рентгенологических исследованиях» от 27.04.2007.

Новорожденные отличаются от взрослых анатомическими и физиологическими особенностями, а также специфической характеристикой болезней [3,7]. Малые размеры тела недоношенных новорожденных с экстремально низкой массой тела) способствуют тому, что все чувствительные к радиации органы тела находятся в рабочем пучке рентгеновского излучения, поэтому задача обеспечения радиационной защиты новорожденных имеет наивысший приоритет [3]. По этой причине главным требованием к рентгеновским аппаратам и методикам исследований новорожденных является соблюдение принципа ALARA (As Low As Reasonably Achievable [8]), который гласит «настолько низкая доза, насколько это практически достижимо при сохранении качества изображений, достаточного для постановки диагноза».

Новорожденные на порядок и более радиационночувствительны, чем взрослые пациенты. С целью снижения дозы для младенца в соответствии с принципом ALARA необходимо выполнить два условия.

Во-первых, конструкция и параметры аппарата должны быть оптимизированы таким образом, чтобы минимизировать дозу на новорожденного. Во-вторых, методики исследований и режимы съёмки должны выбираться хорошо подготовленными высокопрофессиональными специалистами. Выбор методики съемки может быть осложнен тем, что зачастую она проводится одновременно с такими лечебными процедурами как: искусственная вентиляция легких, кардиотоническая или инфузионная терапия, активная аспирация.

От числа снимков, укладки, времени выдержки, напряжения и тока трубки зависят последствия рентгеновских исследований: развитие рака и генетические нарушения, которые могут передаваться по наследству [4, 6, 8,

9].

Так как вопрос отношения пользы к риску в диагностической рентгеновской съёмке недоношенных новорожденных является не до конца прояснённым, то его изучению посвящён целый рад работ [6, 8, 10, 11]. Насущной необходимостью является введение диагностического лимита дозы (DRL -Diagnostic Reference Limit) для этой категории пациентов, а также определение влияния низкодозового облучения на быстрорастущий организм новорожденного [11].

До последнего времени съемку при рентгенодиагностике новорожденных осуществляли с использованием пленочных приемников излучения, поскольку они позволяли обеспечить высокую разрешающую способность, что необходимо для получения резких изображений мелких деталей объекта. Съемка при этом осуществлялась на традиционных палатных аппаратах.

Для фиксации новорожденных использовались специализированные приспособления, обеспечивающие необходимое положение ребенка между источником и приемником рентгеновского излучения. Очевидно, что размещение или использование таких устройств вызывало определенные затруднения в том случае, если новорожденный находился в кювезе.

Ни одна из стандартизованных в отечественной медицине методик рентгенографии не позволяет проводить рентгенологические исследования недоношенных детей в описанных - неспециализированных условиях. Основными причинами этого являются:

- отсутствие технических средств диагностики, позволяющих получать рентгеновские изображения таких специфических объектов как грудной отдел ребенка весом от 500 г, обладающих необходимой информативностью;

- отсутствие методики проведения рентгенологических исследований в неонатологии в неспециализированных условиях, включая способы укладки пациента, таблицы выбора режима и т.д.

При этом проведение цифровой рентгенографии для новорожденных очень востребовано. По данным ГБУЗ «Детская городская больница №1» (Санкт-Петербург) только в ее реанимационных отделениях ежегодно проводится около 4 500 рентгенологических процедур в 2-х или 3-х проекциях. В общей сложности выполняется до 10 тыс. рентгеновских снимков в год.

В настоящее время эти исследования проводятся на отечественных или зарубежных рентгеновских аппаратах, практически не приспособленных к задачам и условиям реанимации новорожденных с патологиями. Соответственно, дополнительной радиационной нагрузке подвергаются медперсонал и находящиеся рядом пациенты.

1.2 Аппаратура для рентгенодиагностики в неонатологии

Как упоминалось выше, поскольку в настоящее время в клинической практике практически не используется аппаратов, разработанных специально для съемки в неонатологии, то вся специализация сводится к применению различных приспособлений, обеспечивающих требуемую фиксацию новорожденного в соответствии с выбранной рентгенооптической схемой съемки.

Поскольку часто новорожденного нельзя перемещать из реанимационного отделения или палаты интенсивной терапии в рентгенологической отделение, то рентгенодиагностический аппарат должен быть передвижным. С другой стороны, иногда бывают случаи, когда требуется провести рентгенологическое обследование при перемещении новорожденного в неонатальный центр из родильного дома, для чего необходимо обеспечить высокую мобильность и портативность рентгеновского аппарата, то есть сделать его переносным [2, 12].

Цифровые технологии визуализации рентгеновского изображения подняли рентгенодиагностику в неонатологии на более высокий информационный уровень. Наряду с цифровыми палатными аппаратами общего назначения [13 - 15], для этой цели стали применяться цифровые аппараты, несколько модернизированные, по сравнению с традиционными, для решения задач неонатологии [2, 16-18]. Среди их характерных особенностей можно выделить следующие:

- малые габариты штатива, что позволяет его легко перемещать между различными отделениями неонатального центра;

- существенное снижение веса, что позволяет рентгенлаборанту или медсестре осуществлять перемещение аппарата в одиночку;

- активное внедрение в практику цифровых приемников рентгеновского излучения на основе экранов с фотостимулируемым люминофором или твердотельных приемников рентгеновского излучения с существенно возросшей разрешающей способностью;

- применение острофокусных рентгеновских трубок, позволяющих повысить резкость изображения;

- повышение расстояния от источника излучения до пола (увеличение высоты штатива), что позволяет проводить рентгенодиагностику в кю-везе.

Рисунок 1.1. Рентгеновский аппарат, применяемый для диагностики в неонатологии«5 Star Medical» (5 Star Medical, Inc, USA)

На рисунке 1.1 показан детский палатный рентгеновский аппарат «5 StarMedical» (фирма «5 Star Medical, Inc») [18]. В данном аппарате источник излучения позволяет варьировать напряжение в диапазоне от 40 до 80 кВ, обеспечивая при этом мощность трубки до нескольких киловатт. Однако размер фокусного пятна трубки в этом аппарате достаточно велик и составляет 0,5 мм. В качестве приемника излучения аппарат укомплектован детектором (производитель - фирма «Varian») с областью регистрации 244x194 мм при относительно низкой разрешающей способности менее 4 пар лин./мм.

Другим примером такой аппаратуры может служить комплекс KUB-250 («KUB Technologies, Inc», USA), показанный на рисунке 1.2.

Характеристики аппарата - рабочее напряжение источника излучения -до 100 кВ, ток рентгеновской трубки - до 30 мА, диаметр фокусного пятна рентгеновской трубки - более 1 мм.

Данный аппарат разработан специально для использования в неона-тальных центрах [16], а конструкция его штатива, по утверждению разработчиков, позволяет его без труда перемещать в неспециализированных для рентгеновской съемки палатах

Рисунок 1.2. Палатный аппарат KUB-250 (KUB Technologies, Inc, США)

Габаритные размеры рентгенодиагностического аппарата KUB-250 составляют 160x104x61 см при массе не более 140 кг. При рентгенографии новорожденных типичные режим работы аппарата составляют от 53 до 60 кВ,

времени снимка не более 0,1 с и токе при этом 15-20 мА. При таких режимах работы, согласно оценкам радиационной нагрузки, входная доза рентгеновского излучения не превышает 0,055 мГр.

Еще одним типичным представителем аппаратов данного класса является комплекс Neo Ray DR [17], показанный на рисунке 1.3.

Рисунок 1.3. Рентгенодиагностический аппарат NeoRay DR

В состав аппарата входит излучатель на основе высокочастотного генератора с напряжением до 80 кВ, обеспечивающим ток рентгеновской трубки до 10 мА. Рабочий диапазон экспозиций пари этом определяется только длительностью снимка и может варьироваться в пределах от 0.1 до 30 мАс. Размер фокусного пятна меньше, чем в предыдущих аппаратах и не превышает 0,5x0,5 мм, используется рентгеновская трубка с массивным вольфрамовым анодом.

В качестве приемника рентгеновского излучения используется детектор непрямого преобразования на основе соединения CsI-aSi с областью регистрации излучения 244x195 мм и разрешающей способностью порядка 4 пар лин./мм.

На рисунках 1.4 - 1.6 приведены изображения еще нескольких достаточно широко применяемых в настоящее время комплексов. Подробно их технические характеристики представлены в работах [13, 15]. Наряду с часто применяемыми в последнее время плоскопанельными детекторами в этих аппаратах в качестве приемников излучения используются экраны с памятью (с фотостимулируемым люминофором, в привычных за рубежом терминах -технология СR).

Рисунок 1.4. Рентгеновский комплекс Mobile DaRt Evolution

(Shimadzu, Japan)

Некоторые основные характеристики этих аппаратов приведены в таблице 2.1.

Рисунок 1.5. Комплекс Carestream DRX-Revolution Nano (CMX Medical Imaging, USA)

4

l

u^- . m

Рисунок 1.6. Imis Matrix(Ibis, Italy)

Российская промышленность в настоящее время не производит специализированных комплексов для неонатологии, однако ряд палатных аппаратов общего назначения могут быть использованы для рентгенодиагностики в неона-тологии.

К таковым можно отнести приборы, выпускаемые фирмами «Амико» [19], Медицинские технологии Лтд [19] или «С. П. Гелпик» [21]. К сожалению, большинство приборов - не отечественной разработки, а выпускаемые по лицензии под отечественной маркой аппараты предыдущего поколения от импортных производителей.

V

Рисунок 1.7. Рентгеновский комплекс Мобилдрайв (ЗАО «Амико», Россия)

Рисунок 1.8.Комплекс МобиРент-5МТ (Медицинские технологи Лтд, Россия)

I

Рисунок 1.9. Комплекс РЕНЕКС (С.П. Гелпик, Россия)

Таблица1.1.

Типичные характеристики палатных комплексов

Мощность, кВт 3 - 50

Напряжение на трубке, кВ 40 - 150

Экспозиция, мАс до 500 мАс

Фокусное пятно трубки, мм 0,3 - 1,5

Тип детектора БЯ-технология, СЯ-технология

Размер пиксела детектора, мкм 75 - 200

Размер рабочей поверхности детектора, мм 430 х 430, 350 х 430, 200 х 250, 250 х 300

Вес, кг 125 - 380

Макс. расстояние от коллиматора до пола, см 200

В последнее время одним из наиболее эффективных направлений развития рентгенодиагностики вообще и диагностики в неонатологии в частности является активное внедрение цифровых приемников рентгеновского излучения. Появление высокочувствительных приемников с приемлемым разрешением и, особенно, развитие возможностей последующей цифровой обработки полученных изображений дает возможность существенно увеличить информативность получаемых рентгеновских снимков [16-18].

Однако развитие приемников рентгеновского излучения не снимает с повестки дня необходимости совершенствования самих методов рентгенодиагностики, а не только их аппаратного обеспечения. Повышение чувствительности и разрешения приемников на сегодняшний день, скорее всего, приблизилось к своему техническому пределу, что оставляет открытым вопрос о дальнейшем повышении информативности рентгенодиагностики

Вместе с тем нельзя забывать, что для большинства клиник широкого профиля на первом месте стоит экономический вопрос - зачастую рентгеновское отделение не может позволить себе иметь десяток рентгеновских аппаратов для каждого вида исследований. Поэтому в неонатологии чаще всего

используются палатные аппараты общего назначения, в которых используются рентгеновские трубки с большими фокусными пятнами (до одного миллиметра и даже более). В этом случае для получения приемлемого (резкого) изображения младенцев необходимо использовать съемку с большого фокусного расстояния, что опять-таки требует повышения мощности аппарата.

Список литературы диссертационного исследования кандидат наук Потрахов Юрий Николаевич, 2020 год

/ - ах

(2.5)

то можно получить окончательное выражение для определения избирательности воздушного зазора при съемке с увеличением изображения:

Е _(Хту -1)тк 2

* (тк -1)ту

(2.6)

Рисунок 2.4. К оценке влияния воздушного зазора

Расчет влияния воздушного зазора по сравнению с контактным способом (рисунок 2.5) на снижение вуалирования изображения показывает, что применение микрофокусной съемки с большим коэффициентом увеличения изображения существенно эффективнее, чем использование отсеивающего растра. Использование микрофокусной съемки позволяет снизить влияние рассеянного излучения на формирование теневого рентгеновского изображения в несколько раз.

Кроме того, использование подобного метода борьбы с рассеянным излучением свободно от традиционных минусов применения отсеивающих

растров - естественно не происходит поглощения половины полезного излучения, несущего информацию об объекте, отпадает необходимость в высокоточной юстировке растра.

I

123458? ^

Рисунок 2.5. Зависимость избирательности схемы съемки с увеличением изображения по отношению к схеме контактной съемки от коэффициента увеличения объекта

съемки

При анализе результатов рентгенодиагностических исследований [32], в некоторых медицинских учреждениях (ВМедА им. С.М. Кирова и др.), было отмечено, что снимок, полученный на микрофокусном источнике излучения имеет более «серый» фон, чем традиционный, на котором фон обычно глубокого черного цвета. При этом качество изображения самого объекта обычно примерно одинаковое. Естественно, при анализе снимков фон изображения рентгенолога обычно не интересует, поэтому этот факт часто ускользал от внимания. Однако именно наличие такого фона позволяет утверждать, что получение микрофокусного изображения, не уступающего по качеству традиционному, может быть сопряжено со значительно меньшими дозами излучения, то есть с меньшей мощностью аппарата и с меньшей радиационной нагрузкой на пациента [33].

Таким образом, можно сделать вывод, что:

- микрофокусная аппаратура позволяет получать изображения, по качеству не уступающее традиционным снимкам при значительно меньшей мощности источника излучения;

- и наоборот, при равных дозах в плоскости приемника рентгеновского излучения микрофокусные источники позволяют добиваться значительно более высокой информативности получаемых снимков за счет повышения контрастности изображения мелких деталей.

Перечисленные эффекты в совокупности позволяют существенно, на один - несколько порядков, снизить мощность рентгеновского аппарата при проведении микрофокусной рентгенографии объектов медицинской диагностики по сравнению с мощностью рентгеновского аппарата при проведении стандартной рентгенографии этого же объекта.

При этом принципиальными условиями микрофокусной рентгенографии являются:

- использование источника излучения с фокусным пятном диаметром менее 0,1 мм;

- возможность использовать приемники с низким разрешением за счет использования прямого увеличения;

- повышение напряжения для компенсации снижения мощности и уменьшение в несколько раз расстояния от источника до приемника.

Использование микрофокусной рентгенографии позволило реализовать на практике получение псевдообъемных снимков [34,35], фазоконтрастных микрофокусных изображений [36] и значительно понизить дозу облучения персонала и пациентов [37].

Возможность существенного уменьшения мощности рентгеновского аппарата в условиях микрофокусной рентгенографии получила определение «эффект малой мощности». Примером проявления эффекта малой мощности при микрофокусной рентгенографии могут служить результаты просвечивания плотных биологических объектов большого размера: дистальные отделы передней ноги свиньи (рисунок 2.6) и колено задней ноги

коровы (рисунок 2.7). Следует отметить, что снимки получены при чрезвычайно низких значениях экспозиции - порядка 0,01 мАс и мощности рентгеновского аппарата - 10 Вт. В качестве приемника изображения использовалась система визуализации на основе ФСЛ-экрана DIGORAPCT.

Режимы съемки передней ноги животного: напряжение - 100 кВ, ток -150 мкА, время экспозиции - 0,1 сек, фокусное расстояние - 300 мм.

б

Рисунок 2.6. Рентгеновские изображения дистальных отделов передней ноги животного (свиньи), полученные в условиях микрофокусной рентгенографии: а - контактная съемка, б - съемка с увеличением изображения отдельных областей в 6 раз.

Рисунок 2.7. Рентгеновское изображение колена задней ноги животного (коровы),

полученное контактным способом

Режимы съемки колена задней ноги животного (коровы): напряжение -90 кВ, ток - 100 мкА, время экспозиции - 0,1 сек, фокусное расстояние -300 мм, экспозиция - 0,01 мАс.

Рассмотренные выше отличия микрофокусной съемки с прямым увеличением изображения от традиционной позволили сформулировать требования к специализированной микрофокусной аппаратуре для проведения рентгенологических исследований младенцев в нестационарных и неспециализированных условиях.

2.2 Технические требования к аппаратуре для микрофокусной рентгенографии

Применение микрофокусной рентгенографии в неонатологии для диагностики недоношенных новорожденных позволит существенно повысить информативность исследований.

Примером успешного внедрения метода микрофокусной съемки с большим коэффициентом прямого геометрического увеличения изображения могут служить удачный опыт внедрения в такие области медицинской практики, как стоматология (более 20 лет успешной клинической практики), травматология и ортопедия [38, 39].

Однако необходимо понимать, что на применение микрофокусной рентгенодиагностики в неонатологии накладывается сразу несколько ограничений, вызванных специфичностью объекта съемки - его подвижностью и спонтанностью движений, высокой частотой пульса, что приводит к трудностям при съемке органов грудной клетки и так далее. Если еще учесть относительно невысокую мощность микрофокусных источников рентгеновского излучения и обязательные требования к минимизации лучевой нагрузки на пациента, то формируется весьма нетривиальная инженерная задача.

Как известно, для получения высококачественных снимков в общем случае нужен приемник с большим разрешением и высокой чувствительностью и источник с малым фокусным пятном и большой мощностью - что в сумме дает невыполнимые условия.

Если говорить о разрешении приемника, то, как известно, как известно, разрешающая способность старых аналоговых приемников в общей рентгенологии составляла примерно 10 пар лин./мм, тогда как большинство доступных в настоящее время для рядовой клиники цифровых приемников рентгеновского излучения не превышают этого значения, а чаще всего составляют не более нескольких пар линий на мм.

Это приводит к очевидному заключению, что для дальнейшего повышения разрешающей способности системы в целом (а не отдельно приемника) единственно возможным путем является съемка с увеличением, при которой изображение отдельного элемента объекта может быть передано большим числом пикселей приемника. Разумеется, резкое изображение в этом случае возможно только при использовании микрофокусного источника излучения.

Поскольку достигнутые к настоящему времени вполне рабочие размеры фокусного пятна на трубках мощностью до 100 Вт не превышают 50 мкм, то можно утверждать, что коэффициент увеличения изображения в плоскости приемника при микрофокусной съемке ограничен только размерами приемника изображения. Изготовлять приемники размером более 0,5х0,5 м экономически и технологически крайне нецелесообразно, да для съемки с увеличением пришлось бы использовать чрезвычайно громоздкие штативы - поэтому для микрофокусной съемки можно рекомендовать двухэтапную рентгенографию - после получения обзорного снимка может быть выполнен снимок «зоны интереса» с большим увеличением, что позволит получить максимум диагностической информации.

Как известно, для каждого заданного размера фокусного пятна рентгеновской трубки и также заданного пространственного разрешения приемника можно рассчитать наиболее выгодный коэффициент увеличения изображения, после которого начнется потеря информации, связанная с размытием изображения:

При таком коэффициенте увеличения может быть получена наиболее высокая разрешающая способность всего рентгенодиагностического комплекса в целом:

(2.7)

(2.8)

Таблица 2.2.

Связь разрешающей способности и диаметра фокусного пятна

ё, мм 1 0,8 0,5 0,2 0,1

т0 1,0 1,1 1,3 3,0 9,2

Rмакс пар лин./мм 3,6 3,7 4,0 6,1 10,6

В таблице 2.2. приведены результаты расчета зависимости разрешающей способности комплекса, оснащенного приемником излучения с разрешением 3,5 пары линий на мм в зависимости от размеров фокусного пятна и коэффициента увеличения при съемке.

Как видно из представленных результатов (рисунок 2.8), при съемке с использованием микрофокусного источника рентгеновского излучения достигается практически в три раза большее пространственное разрешение комплекса в целом, чем при реализации контактной съемки с фокусным пятном традиционных размеров.

I

К = 5,5---------

I 11. мм

А.1 1,0

Рисунок 2.8. Зависимость максимальной разрешающей способности рентгенографической системы ^макс от диаметра фокусного пятна ё при фиксированной разрешающей способности приемника рентгеновского изображения Яп = 3,5 пар лин./мм.

Следовательно, оснащение цифровых рентгенографических систем микрофокусными источниками излучения для получения увеличенных

изображений области интереса повысит их диагностические возможности по распознаванию мелких структур объекта исследования [40].

Наряду с перечисленными выше преимуществами микрофокусная рентгенография по сравнению со стандартной рентгенографией имеет один недостаток - низкую интенсивность излучения, используемых для ее осуществления рентгеновских аппаратов. Этот недостаток обусловлен естественными физическими ограничениями мощности, подводимой пучком электронов к участку мишени рентгеновской трубки малой площади. В противном случае возможный перегрев мишени обуславливает целый ряд нарушений в работе трубки вплоть до полного выхода ее из строя. Поэтому одной из важнейших задач для разработчиков современных технических средств микрофокусной рентгенографии является повышение мощности микрофокусных рентгеновских трубок при сохранении заданных размеров фокусного пятна.

Как известно [41], предельно допустимая мощность уже ставших традиционными микрофокусных трубок с прострельным анодом невелика и при фокусном пятне порядка 100 мкм обычно не превышает 10 Вт при включении в повторно-кратковременном режиме.

Традиционно для оценки возможностей аппаратуры или метода рентгенографии используется термин «просвечивающая способность».

Под этим термином подразумевается та мощность источника рентгеновского излучения, которая необходима для реализации методики съемки на типовом приемнике рентгеновского излучения [42].

Если поставить граничным условием получение одинакового по качеству изображения одного и того же объекта на различных аппаратах, то сравнить просвечивающие мощности двух этих аппаратов можно по отношению П мощностей Р\ и Р2,

п-Р

Р . (2.9)

Аналитически величина п может быть определена по следующему выражению

Л = — = (—)2 "7—0 Л , (2.10)

' Рк (1+5ш)tfe 4 '

где Р - мощность аппарата, т - коэффициент увеличения изображения, f -фокусное расстояние, 3 - отношение интенсивности рассеянного излучения к первичному, ? - время экспозиции. По приведенному выше выражению индексом к отмечены параметры контактной съемки, а индексом т - микрофокусной съемки.

Трудность реализации микрофокусной съемки в практике заключается в том, что микрофокусные источники рентгеновского излучения сильно ограничены по мощности - как отмечалось, она обычно не превышает нескольких десятков ватт.

Если при этом пытаться эксплуатировать трубки при напряжениях, принятых традиционно для рентгенодиагностики новорожденных - 30-40 кВ, то на выходе мы будем иметь чрезвычайно низкую мощность абсолютно недостаточную для получения качественных снимков.

Решить эту проблему можно двумя способами - либо повышением напряжения, либо существенным уменьшением расстояния между объектом и приемником излучения.

К сожалению, поскольку в неонатологии объект просвечивания (младенец) имеет относительно большую толщину, то значительное уменьшение расстояния между источником и объектом невозможно - это приведет как повышению радиационной нагрузки за счет экстремально низкого кожно-фокусного расстояния, так и к существенным искажениям изображения ввиду разных расстояний от источника до различных участков объекта.

В связи с эти единственным возможным вариантом, с успехом реализуемым в микрофокусной рентгенодиагностике является «жесткая» съемка при повышенном, по сравнению с традиционным, напряжении [39].

В работах [20, 39, 43] показано, что повышение напряжения может привести к некоторому снижению контрастности формируемого теневого рентгенов-

ского изображения, однако это снижение достаточно невелико и может быть вполне нивелировано постобработкой цифрового снимка.

Подбор материала анода трубки с последующей оптимизацией спектрального состава генерируемого излучения трубки позволяет добиться приемлемых значений контраста изображения при повышении напряжения на рентгеновской трубке на 20-40% относительно традиционного.

Выражение [43]

ип

Т = к. I . 7 . _

Т ^ 1Л 7 М ^ 2 ,

(2.11)

позволяет определить зависимость мощности потока рентгеновского излучения от режимов работы источника излучения и схемы съемки. В этой формуле где J - интенсивность, - ток , мА, ZМ -материал мишени, и -напряжение рентгеновской трубки, п = 2^5 - коэффициент, учитывающий параметры съемки и рентгенооптическую схему, Я - расстояние от источника до приемника.

В в таблице 2.3 приведены результаты расчета, позволяющие утверждать, что повышение напряжения с 50 до 70 кВ полностью позволяет скомпенсировать снижение мощности излучения , обусловленное низким током трубки и добиться требуемой дозы в плоскости приемника [44].

Таблица 2.3.

Повышение напряжения для компенсации дозы в плоскости приемника

Традиционный аппарат Микрофокусный аппарат

Фокусное расстояние, см Напряжение, кВ Экспозиция, мАс Напряжение, кВ Экспозиция, мАс

50 22 10 28 1

60 25 10 33 1.2

70 28 10 36 1.4

Приведенные результаты показывают, что с точки зрения равенства экспозиционной дозы съемка при напряжении в 25 кВ, токе в 5 мА и экспозиции в 2 с эквивалентна съемке при напряжении 33 кВ, токе 300 мкА и экспозиции 4 с.

Рисунок 2.9. Фантом новорожденного PH-50 Newborn Whole Body Phantom

Внешний вид тест-объектов для проведения исследований параметров получаемых изображений представлен на рисунке 2.10.

Рисунок 2.10. Внешний вид тест-объектов для оценки качества изображения

С целью подбора режимов и определения требований к микрофокусному аппарату для неонатологии на базе СПбГЭТУ «ЛЭТИ» были проведены исследования с использованием фантома новорожденного PH-50 Newborn Whole Body Phantom (рисунок 2.9).

Рисунок 2.11. Фантом для оценки динамического диапазона «КДД-1»

|

#

Рисунок 2.12. Фантом «Острый край» для оценки размеров фокусного пятна

Рисунок 2.13. Устройство имитации динамической нерезкости

Рисунок 2.14. Рентгенограмма новорожденного с чрезвычайно низкой массой тела (мертворожденный)

Использование тест-объектов, а потом препаратов тел новорожденных (рисунок 2.14), позволило определить оптимальные условия съемки, рентге-нооптические схемы и методики укладки пациентов для проведения съемки с использованием микрофокусных источников.

Для проведения предварительных испытаний методики съемки использовался специальный стенд на основе модернизированного аппарата «ПАР-ДУС-Р» на специально изготовленном штативе (рисунок 2.15).

В результате были определены типовые режимы рентгенограмм в зависимости от напряжения трубки, тока трубки, времени экспозиции, величины фокусного расстояния, соответственно напряжение - 55 кВ; ток - 0,15 - 2,0 мА; время - до 0,2 с; расстояние - от 20 до 40 см.

Рисунок 2.15. Стенд для проведения предварительных испытаний

* * *

В ходе работ были определены физико-технические условия рентгеновской съемки недоношенных новорожденных в зависимости от веса и размеров, а также диагностируемой области новорожденного.

Показано, что для получения наилучшего контраста рентгеновского изображения деталей малого размера и малой плотности, которыми характеризуется тело недоношенного новорожденного, диапазон напряжений на рентгеновской трубке при съемке неподвижных объектов должен составлять 50-65 кВ, ток рентгеновской трубки 0,15 мА, максимальное время экспозиции одного снимка до 0,2 сек.

Учитывая возможную высокую подвижность новорожденных с целью исключения «смаза» рентгеновского изображения время экспозиции одного снимка может быть сокращено до 0,1 - 0,2 сек путем повышения напряжения на рентгеновской трубке до 100-120 кВ при допустимом ухудшении контраста изображения.

В ходе исследований были сформулированы ключевые требования к техническим средствам и физико-техническим условиям съемки при использовании выбранной методики рентгенографии.

1. Необходимо отказаться от использования приемников с фото-стимулируемым люминофором и полностью перейти на плоскопанельные твердотельные детекторы, так как:

- приемники с фотостимулируемым люминофором требуют довольно длительного (3-5 минут) времени на обработку снимка (перенос кассеты в сканер, считывание, обработка и т.п., что не позволяет сделать диагностику еще более оперативной;

- для обеспечения более высокой оперативности необходимо иметь набор кассет (пока одна сканируется - вторая экспонируется а третья готовится), что в на практике не всегда удобно, а в нестационарных условиях, например, в родильном зале, трудно обеспечить;

- квантовая эффективность плоскопанельных детекторов в настоящее время в 2-3 раза выше, чем у экранов с памятью, что позволяет в потенциале говорить о таком же снижении дозы.

2. Вопросы, связанные с перемещением аппарата между кювезам, родильными отделениями и отдельными палатами требуют ограничения веса аппарата в 100-150 кг, что позволит осуществлять перемещение его одному рентгенлаборанту.

3. В связи с необходимостью проведения съемки в кювезе должна быть обеспечена возможность перемещения источника по вертикали с большой амплитудой, что требует высоты штатива не менее 180 см..

4. Для обеспечения всех задач, возникающих в неонатальной рентгенодиагностике в нестационарных условиях в составе цифрового неона-тального комплекса необходимо иметь следующие элементы:

- моноблочный микрофокусный источник рентгеновского излучения (ИРИ) в портативном исполнении, обеспечивающий рабочее напряжение рентгеновской трубки до 70 кВ одновременно с анодным током до 1 мА, при этом эффективный размер фокусного пятна должен быть не более 0,1 мм;

- штатив для позиционирования источника рентгеновского излучения относительно новорожденного, находящегося в колыбели или кювезе (при этом для проведения исследований устройство оперативно крепится к основанию колыбели или кювезы и обеспечивает три степени свободы для линейных перемещение моноблока и две - для угловых, перемещение моноблока должно производиться вручную с последующей фиксацией в установленном положении);

- для обеспечения съемки в неспециализированных условиях должна быть обеспечена возможность проведения рентгеновской съемки без использования штативного устройства - «с руки», что подразумевает малую массу моноблока с рентгеновской трубкой.

Совокупность вышеперечисленных технических средств даст возможность выполнить все задачи рентгенодиагностики в неонатологии - как про-

вести съемку в нестационарных условиях «с руки», так и с увеличением изображения с использованием портативного штатива, а также в условиях стационара реализовать традиционную контактную съемку с использованием передвижного штатива, на котором может быть закреплен приемник рентгеновского излучения.

Реализация подобной конструкции, описанной в следующих главах, позволяет принципиально расширить диагностические возможности рентгенодиагностики в неонатологии.

ГЛАВА 3

МИКРОФОКУСНЫЙ КОМПЛЕКС ДЛЯ НЕОНАТОЛОГИИ

3.1 Рентгенооптическая схема съемки в неонатологии

Для проведения микрофокусной съемки в неонатологии были проведены комплексные исследования различных рентгенооптических схем съемки с целью определит условия, обеспечивающие максимальную информативность снимка одновременно с удобством производства съемки и минимизацией радиационной нагрузки на пациента и персонал.

Под термином РОС (рентгенооптическая схема) понимается взаимное расположение в пространстве источника рентгеновского излучения (ИРИ), объекта исследования (ОИ) и приемника рентгеновского изображения (ПРИ) в процессе проведения рентгенологического обследования с указанием следующих геометрических параметров съемки:

- расстояния от ИРИ до ОИ (фокусное расстояние);

- расстояния от ОИ до ПРИ;

- расстояния от ИРИ до ПРИ (РИП);

- направления распространения рентгеновского излучения;

- угол между осью пучка и плоскостью входного окна ПРИ;

- угол раствора пучка рентгеновского излучения;

- поле облучения (размер облучаемой поверхности ОИ).

Основной задачей при разработке РОС явилось определение взаимного

расположения в пространстве источника рентгеновского излучения (ИРИ), объекта исследования (ОИ) и приемника рентгеновского изображения (ПРИЗ), включая определение расстояния между ними, при проведении рентгенологических обследований новорожденных:

- в родильных залах, палатах интенсивной терапии, реанимационных отделениях, необорудованных средствами рентгеновской защиты;

- находящихся в кювезе;

- во время транспортировки из роддома в перинатальный центр;

- в других нестационарных неспециализированных условиях, в т.ч. без использования штативного устройства.

В общем случае основная рентгенооптическая схема съемки новорожденных представлена на рисунок 3.1.

У *

Рисунок 3.1. Рентгенооптическая схема съемки (основная) при проведении рентгенологического обследования

ИРИ - источник рентгеновского излучения; Т - тубус ИРИ; ПРИ - пучок рентгеновского излучения; ОРИ - ось пучка РИ; ПО - поле облучения; ОИ - объект исследования; ПРИ -приемник рентгеновского изображения; _/1 - расстояние от ИРИ до ОИ; /2 - расстояние от ОИ до ПРИ; /- расстояние от ИРИ до ПРИ; у - угол раствора пучка РИ; в - угол между

ОРИ и плоскостью ПРИ

В результате консультаций, оказанных специалистами отделения нео-натологии ФГБУ «НМИЦ им. В.А. Алмазова», разработано три варианта РОС для нестационарных неспециализированных условий. Кроме того, при отработке каждого из трех вариантов было проанализировано несколько десятков рентгеновских снимков фантома новорожденного, полученных в соответствующих условиях с использованием тестов разрешающей способности (дуплексный - проволочный эталон) и контрастной чувствительности (ступенчатый клин). В целом, данное исследование проводилось в несколько стадий.

На первой стадии применялись экспериментальные образцы микрофокусной аппаратуры на базе аппарата «ПАРДУС-Р» (рисунок 3.2). Исследования проводились на фантомах и препаратах новорожденных, предоставленных специалистами ФГБУН «НМИЦ им. В. А. Алмазова».

Рисунок 3.2. Проведение испытаний в рамках разработки РОС

По результатам предварительных испытаний было апробировано несколько РОС, позволяющих проводить съемку новорожденных в различных условиях.

Для проведения рентгенодиагностических исследований новорожденных в родильных залах, палатах интенсивной терапии, реанимационных отделениях и т.д., необорудованных средствами рентгеновской защиты, используется ИРИ с МШ (мобильным штативом). Соответствующая РОС представлена на рисунок 3.3.

Рисунок 3.3. Рентгенооптическая схема проведения рентгенологических обследований новорожденных на столе Комплекс силами одного рентгенлаборанта подвозится к операционному или перевязочному столу, больничной кроватке и т.д. с лицевой стороны. Передние колеса МШ заводятся между опор стола или ножек кроватки. Задние колеса МШ стопорятся. Моноблок ИРИ располагается над пациентом на заданном расстоянии ИРИ-ПРИ (РИП). Ориентация моноблока - ось пучка

РИ расположена перпендикулярно поверхности стола или кроватки (Р=90о). С помощью регулировок коллиматора под визуальным контролем формируется поле облучения на грудной клетке новорожденного или других отделах тела пациента в зависимости от проводимой рентгенологической процедуры. Плоскопанельный детектор РИ в герметичном конверте располагается на поверхности стола или кроватки под пациентом.

В этом случае расстояние от ОИ до ПРИ минимально (/2=0). Соответственно расстояние от ИРИ до ПРИ равно расстоянию от ИРИ до ОИ (/>/1). С учетом у, угла раствора пучка РИ, расстояние ИРИ-ПРИ должно составлять не более 60 см.

Для проведения рентгенодиагностических исследований новорожденных, находящихся в кювезе, используется РОС, представленная ниже.

о

о

о

<3>

Рисунок 3.4. Рентгенооптическая схема проведения рентгенологических обследований новорожденных в кювезе

Комплекс силами одного рентгенлаборанта подвозится с тыльной стороны кювезы. Передние колеса МШУ Комплекса располагаются под основаниями кювезы. Задние колеса стопорятся. В кассетодержатель, расположенный под днищем кювеза, вставляется плоскопанельный детектор РИ. Моноблок ИРИ комплекса располагается над куполом кювеза . Тубус коллиматора - вплотную к поверхности купола. Ориентация моноблока должна быть следующая: ось пучка РИ расположена перпендикулярно днищу кювеза. С помощью регулировок коллиматора под визуальным контролем рентгенлабо-ранта формируется поле облучения, например, на грудной клетке новорожденного.

В этом случае расстояние от ОИ до ПРИ определяется конструкцией кювеза и может составлять до 60 см. С целью исключения геометрической нерезкости на получаемом изображении расстояние от ИРИ до ОИ должно составлять не менее 40 см. Однако, в конечном счете, общее расстояние f определяется высотой кювеза, которая в среднем, как уже было отмечено, составляет 60 см.

Для проведения рентгенодиагностических исследований во время транспортировки новорожденного из роддома в перинатальный центр используется РОС, представленная на рисунок 3.5.

в

Рисунок 3.5. Рентгенооптическая схема проведения рентгенологических обследований новорожденных в люльке-переноске.

Рентгеновская съемка выполняется персоналом бригады специализированной «скорой помощи». Новорожденный в люльке-переноске помещается на откидной скамье кузова машины «скорой помощи». Плоскопанельный детектор в защитном чехле помещается под люлькой на скамье. Портативный ИРИ с помощью малогабаритного штативного устройства устанавливается на полу кузова машины над новорожденным. С учетом малого фокусного пятна рентгеновской трубки ИРИ кожно-фокусное расстояние РИП / при съемке может составлять менее 40 см. В этом случае тубус ИРИ обеспечивает необходимое поле облучения.

При необходимости моноблок ИРИ может быть отсоединен от малогабаритного штативного устройства для выполнения рентгеновской съемки «с руки». В этом случае РИП / может быть уменьшено до15 см. С целью оперативности и удобства проведения рентгеновской съемки в этих условиях целесообразно использовать один режим работы рентгеновской трубки ИРИ (по напряжению и току), записанный «в память» процессора моноблока ИРИ.

Отработка схем РОС позволила сформулировать технические, эргономические и эксплуатационные характеристики, предъявляемые к микрофокусному комплексу для неонатологии.

3.2 Разработка источника излучения для портативного аппарата

Для проведения предварительных испытаний в ФГБУ «НМИЦ им. В.А. Алмазова» был использован портативный аппарат семейства «ПАР-ДУС» (рисунок 3.6). Испытания проводились на базе перинатального центра, съемка проводилась без использования специализированного штатива -«вручную». В ходе испытаний проверялась возможность получения высококачественных и высокоинформативных снимков в неспециализированных условиях, а также проверка целесообразности использования набора вспомогательных приспособлений и устройств для неонатальной съемки. Снимки делались на плоскопанельный детектор большого формата.

Рисунок 3.6. Рентгеновский аппарат ПАРДУС (ЭЛТЕХ-Мед, Россия)

Предварительные расчеты и серия экспериментов позволили определить наиболее подходящие режимы съемки для препаратов тел новорожденных, которые оказались следующими:

- напряжение на рентгеновской трубке - до 65 кВ;

- ток трубки - 0,15 мА;

- время экспозиции - не более 0,2 с;

- фокусное расстояние - от 15 до 40 см.

Разрабатываемый источник рентгеновского излучения (далее ИРИ или излучатель) входит в состав неонатальных приспособлений и предназначен для исследования пациентов в любых неспециализированных условиях, в том числе непосредственно во время транспортировки новорожденного из роддома в неонатальный центр специалистами бригады «Скорой помощи».

ИРИ разработан на основе трехэлектродной рентгеновской трубки 0,39БДМ17-70 (рисунок 3.7).

Рисунок 3.7. Рентгеновская трубка 0,39БДМ17-70

Основные паспортные данные на трехэлектродную рентгеновскую трубку приведены в таблице 3.1.

Таблица 3.1

Параметры рентгеновской трубки 0,39БДМ17-70

Наименование параметра, е динвда измерения Норма Примечание

не № ООДбЗ

Ток накала, А 2,2 — 2,45 1

Номинальное напряжение труб-

ка кВ - 70 -

Номинальная мощность труб-

ки, еЛЗт - 0,3? -

Мощность экспозиционной дозы

рентгеновского взлучения мкА кг 34,4 — - 2

(Р мни) (8)

Ширина эффективного фокус-

ного пятна, мм - 0,75 1=1 1,3,4

Сопротивление смещения, кОм 20 — 40 1,5

20 — 50 1,3

Примечания:

1) при напряжении накала 4 В;

2) при напряжении трубки 50 кВ, токе трубки 2 мА, на расстоянии 234,5 мм от баллона трубки с дополнительным фильтром из алюминия толщиной 1 мм;

3) при напряжении трубки 70 кВ, токе трубки 7 мА;

4) допускается ширина фокусного пятна менее номинальной (до 0,6

мм);

5) при напряжении трубки 70 кВ, токе трубки 8 мА.

Схема питания трехэлектродной рентгеновской трубки однополярная, катод трубки заземлен, высокое напряжение положительной полярности подается на анод трубки.

Источник высокого напряжения выполнен на основе шестикаскадного емкостного умножителя. Умножитель собран на двенадцати высоковольтных выпрямительных диодах 2СЬ75 (Китай), и двенадцати конденсаторах ВИКВ34С681М2ВВ емкостью 680 пФ на напряжение 10 кВ (Таиланд).

Конструктивно умножитель собран на плате из стеклотекстолита размером 51 х 81 мм. 3Э-модель умножителя показана на рисунке 3.8.

Рисунок 3.8. 3Б модель шестикаскадного емкостного умножителя

Для измерения высокого напряжения умножителя используется делитель напряжения, подключенный к первому каскаду умножителя. Высоковольтное плечо делителя резистор MHR 1 ГОм (Таиланд). Сигнал с низковольтного плеча делителя поступает на схему измерения.

Электрическая схема измерения выполнена на основе операционного усилителя. Схема реализована с использованием микросхемы AD822AR, представляющая собой операционный усилитель с однополярным питанием и малой потребляемой мощностью.

Питание умножителя осуществляется от высоковольтного трансформатора собранного на основе ферритового сердечника Ш-образного типа ETD 39/20/13 без зазора из ферритового материала N87, c коэффициентом одно-витковой индуктивности Al = 2700 нГн, (производство фирмы EPCOS).

Число витков первичной обмотки трансформатора - четыре, лакированный медный провод диаметром 0,67 мм. Число витков вторичной обмотки - 860, лакированный медный провод диаметром 0,2 мм. Обмотки выполнены на одном каркасе, выточенном из фторопласта.

ЗБ-модель высоковольтного трансформатора показана на рисунке 3.9.

Рисунок 3.9 ЗБ-модель высоковольтного трансформатора.

Напряжение на вторичной обмотке составляет 4 кВ. На первичную обмотку напряжение подается от генератора прямоугольных импульсов. Генератор преобразует постоянное напряжение от аккумуляторного источника в последовательность прямоугольных импульсов.

Электрическая схема процессора, отвечающая за управление схемой высоковольтного генератора, реализована с использованием микросхемы LM2678S-ADJ, представляющую собой стабилизатор напряжения, способный выдерживать нагрузки до 5 А.

В качестве генератора управляющих импульсов используется микросхема IR2153S. Данная микросхема представляет собой высоковольтный полумостовой драйвер затвора с фронтальным осциллятором, подобным промышленному стандарту таймера CMOS 555. Реализована функция выключения, так что выходы обоих драйверов выходов можно отключить с помощью сигнала управления низким напряжением, подающимся от процессора. Кроме того, ширина выходных импульсов драйвера ворот одинакова, когда достигнуто пороговое значение блокировки минимального напряжения в VCC, что приводит к более стабильному профилю частоты и времени при запуске.

Процессор реализована с использованием микросхемы TL594CD с ши-ротно-импульсной модуляцией сигналов управляющих двумя силовыми ключами IRLR024N.

Рентгеновская трубка с элементами ее крепления, плата умножителя, плата делителя, высоковольтный трансформатор размещаются в специальной заливочной форме. Проводится проверка электрической схемы на работоспособность от технологического пульта управления. Форма заливается высоковольтным компаундом ELASTOSIL RT 601 A/B (Германия). После отверждения компаунда в течении 10 ч форма разбирается.

3D-модель моноблока ИРИ представлена на рисунке 3.10.

С целью защиты от неиспользуемого рентгеновского излучения отливка моноблока оборачивается листовым свинцом толщиной 0,5 мм.

Напротив выходного окна рентгеновской трубки в свинцовой оболочке предусмотрено отверстие обрамленное латунной втулкой заданного диаметра. Общее питание электрической схемы ИРИ осуществляется от аккумуляторного источника. В состав источника входит шесть аккумуляторных батарей ЕБМБЬР503759 (Китай).

Рисунок 3.10. 3Б-модедь моноблока ИРИ

Заряд батарей производится от специальной электрической схемы, которая разработана на основе микросхемы МАХ 1758 и представляет собой литиево-ионное +) зарядное устройство с переключаемым режимом, предусмотрена возможность заряжать от одного до шести элементов.

Управление режимами работы рентгеновской трубки - напряжение, ток трубки и время экспозиции осуществляется от специального микропроцессорного устройства на основе микроконтроллера ATMEGA64.

По разработанным топологиям была изготовлена и собрана плата процессора со схемами управления и измерения.

На рисунке 3.11 и 3.12. представлены топология и 3Э-модель процессорной платы.

Рисунок 3.11 Топология процессорной платы (Это плата старого пистолета, а на фото

выше новый вариант умножителя)

Рисунок 3.12 3Б-модель процессорной платы

Вывод информации о режимах работы рентгеновской трубки индицируется на крупноформатном жидкокристаллическом дисплее WEX012864clpp3n00000 (Winstar). Ввод конкретных устанавливаемых величин, напряжения, тока и времени экспозиции производится с помощью специально разработанной пленочной клавиатуры, представленной на рисунке 3.13.

Рисунок 3.13. Внешний вид пленочной клавиатуры.

Корпус ИРИ состоит из четырех деталей, выполнен методом горячей отливки на термопласт-автомате по специально разработанной силиконовой модели. 3Б-модель корпуса представлена на рисунке 3.14.

В нижней половине корпуса располагаются отливка моноблока и аккумуляторный источник питания. На верхней половине корпуса с внешней стороны клеится клавиатура, с нижней - крепятся дисплей и плата процессорного устройства. Устанавливаются разъемы для подключения напряжения заряда аккумуляторов и кнопки внешнего запуска; кнопки включения питания и высокого напряжения. Гнездо для крепления ИРИ на штативе располагается на боковой части.

Рисунок 3.14. Внешний вид корпуса ИРИ

Блок-схема (рисунок 3.15) демонстрирует структуру и особенности внутренней организации излучателя.

Основным узлом системы является процессор, который осуществляет полный контроль над остальными блоками. Подача питания на силовой трансформатор происходит посредством платы генератора, управление которым реализуется амплитудным электрическим сигналом, управляющим схемой с силовыми ключами. Обратную связь о состоянии рентгеновского аппарата (напряжение и ток трубки) плата управления получает через схемы измерения посредством цифрового синхронного интерфейса. Все данные анализируются микроконтроллером в режиме реального времени для предупреждения возможных нестационарных и аварийных режимов работы. Сигнал аварийного отключения, появляющийся в результате выхода напряжения/тока за диапазоны рабочего режима, реализован в виде отдельной линии во избежание задержек, вносимых АЦП измерительных плат. Это позволяет системе максимально быстро среагировать на аварийные ситуации в процессе работы аппарата.

Рисунок 3.15. Структурная схема низковольтной электронной части ИРИ

Низковольтный сегмент излучателя предназначен для формирования переменного сигнала на первичной обмотке высоковольтного и катодного трансформаторов, а также для контроля параметров рентгеновской трубки. Для формирования рабочего напряжения на источнике излучения предусмотрен высоковольтный блок (рисунок 3.16).

Рисунок 3.16. Структурная схема высоковольтного блока

Переменное напряжение от схем управления силовыми ключами поступает на трансформатор, который формирует на выходе промежуточное высокое напряжение. Далее сигнал приходит на умножитель, выход которого напрямую подключается к аноду рентгеновской трубки. Для представленного аппарата была выбрана схема с заземленным катодом, поскольку такое подключение позволяет гораздо проще реализовать питание катодного трансформатора. Обратная связь по напряжению формируется через высоковольтный делитель. Поскольку его выходное сопротивление достаточно велико (0,5 - 1,5 МОм), к цепям измерения, в частности, к АЦП, предъявляются достаточно жесткие требования по величине входного сопротивления.

Нить накала катода через изолирующий трансформатор подключается к источнику питания (в качестве источника накала используется стандартный двухтактный генератор с широтно-импульсной модуляцией. Вся накальная цепь подключается к земле через токоизмерительный резистор, с него осуществляется прямой замер тока трубки. Анод подключается к источнику высокого напряжения. Ввиду относительно невысокой мощности источника рентгеновского излучения и прерывистого режима работы анод не нуждается в охлаждении, что позволяет ему работать под высоким потенциалом.

Общая структура всего излучателя подразумевает собой взаимодействие всех вышеописанных модулей. Подробная проработка всех деталей структуры устройства предупреждает появление неисправностей в готовом устройстве и жестко регламентирует и, соответственно, упрощает, а также ускоряет процесс разработки излучателя.

Центральный блок контроля и управления состоит из нескольких узлов, представленных на структурной схеме (рисунок 3.17). Входное напряжение преобразуется в напряжение питания процессора.

Схема измерения

сигналоб обратной сдязи

Схема у продления накальным генератором

Схема питания процессора

Процессор

Схема у продления дысокобольтным генератором

Рисунок 3.17 Структурная схема платы процессора

Для питания внутренних микросхем на плате реализованы преобразователи в 5 В и ± 12 В.

Схема процессора реализована с использованием микросхемы ADP3050 которая представляет собой понижающий импульсный стабилизатор с широтно-импульсной модуляцией, работающий в режиме управления током.

Крупноузловая сборка источника рентгеновского излучения ВРАЕ.941212.001 включает в себя сборку и монтаж узлов ИРИ, а также работы по регулировке электронной части источника.

Процесс сборки источника рентгеновского излучения включает в себя следующие операции: сборка трубки и высоковольтной части, изготовление корпуса источника рентгеновского излучения, установка трубки и высоковольтной части в корпус.

В ходе технических испытаний варьировались режимы работы ИРИ по напряжению и экспозиции одного снимка, а также величина фокусного расстояния: последовательно в сторону уменьшения - 100 см (стандартная съемка), 40 - 60 см (острофокусная съемка) и 15 - 20 см (микрофокусная съемка). Одновременно с помощью цифрового рентгеновского дозиметра Piranha контролировались характеристики генерируемого рентгеновского излучения: напряжение на ИРИ, экспозиционная доза и мощность экспозиционной дозы, а также форма импульса рентгеновского излучения

Рисунок 3.18 Основные узлы моноблока ИРИ в портативном исполнении

Скриншот одного из результатов измерений характеристик ИРИ представлен на рисунок 3.19.

Рисунок 3.19. Скриншот результатов измерения характеристик импульса рентгеновского излучения

Для определения характеристик изображений были использованы два фантома для определения контраста, представляющие собой алюминиевый клин, дуплексный эталон (Duplex Wire Image Quality Indicator ASTME-2002-20015/ EN462-5) для определения разрешающей способности и фантом новорожденного. Алюминиевый клин имеет размеры 160 на 25 мм толщина первой ступени 2 мм, каждая последующая имеет толщину на 2 мм больше.

Рентгеновская съемка производилась с использованием разработанного Комплекса, а также с применением рентгеновского диагностического комплекса Mobilett XP Digital.

Для обработки изображений и создания графиков использовалось специализированное ПО «X-ray image cor».

Для сравнения основных характеристик изображений были сделаны серии снимков, так для каждого комплекса были сделаны 3 снимка (снимки отличались расположением дуплексного эталона, эталон располагался сбоку, на и под фантомом новорожденного) при помощи Mobilett XP Digital (анодное напряжение - 45 кВ, экспозиция - 2,7 мАс) и аналогичные снимки с использованием разработанного комплекса (анодное напряжение - 80 кВ, экспозиция - 1,5 мАс). Геометрия съемки - в соответствии с методикой проведения рентгенологических исследований новорожденных.

Для сравнения контрастной чувствительности исследуемых систем использовались профили яркости, построенные по эталону контрастной чувствительности на изображении.

Рисунок 3.20. Рентгеновский снимок фантома новорожденного с тест-объектами

Для сравнения разрешающей способности были использованы рентгенограммы дуплексного эталона, полученные на каждом приемнике излуче-

ния.

Таблица 3.2.

Сравнение разрешающей способности

Приемник Количество различимых пар линий на мм для Mobilett XP Digital Количество различимых пар линий на мм для Комплекса

Вертикаль/горизонталь 3,0 3,5

Диагональ 3,5 4

Профили яркости, построенные по дуплексному эталону представлены на рисунках 3.21 и 3.22.

Рисунок 3.21. Профиль яркости дуплексного эталона (диагональ)

Рисунок 3.22. Профиль яркости дуплексного эталона (горизонталь/вертикаль)

Для определения соотношения сигнал/шум использовалась производная от профиля яркости, построенного по эталону контраста, как показано на рисунке 3.23 (черная линия) вдоль тест-объекта, как отношение сигнал шум принималось отношение изменения яркости при переходе ступени к среднему шуму яркости этой ступени.

Рис. 3.23. Пример профиля на эталоне контраста

Рисунок 3.24. Профили яркости вдоль эталона для определения контраста

Рисунок 3.25. Модули производных профилей яркости

Шумовые характеристики детекторов связаны с контрастом, так как при низком контрасте изображения оператор будет его увеличивать при помощи цифровой обработки, в результате чего помимо контраста возрастет и шум.

3.3 Разработка источника излучения для передвижного аппарата

Прототип ИРИ для передвижного аппарата (подразумевающий стационарное крепление на штативе, большую мощность и более высокое качество получаемых снимков) включает в себя два основных компонента, взаимодействующих посредством соединительного кабеля:

- излучатель, включающий рентгеновскую трубку и высоковольтные схемы;

- пульт управления, осуществляющий установку режимов работы.

Структурная схема прототипа ИРИ представлена на рисунке 3.26.

Рисунок 3.26. Структурная схема прототипа ИРИ

При разработке ЭКД необходимо было решить следующие задачи:

- обеспечение высоковольтной изоляции для исключения пробоя. Задача решена использованием комбинированной твердотельной (для обеспечения изоляции умножителя напряжения, накального генератора, находящегося под высоким напряжением фактически равном 120 кВ, а при расчетах, с учетом коэффициента запаса - до 135 кВ) и масляной изоляции внутреннего объема моноблока. Выбор задачи обусловлен решением проблемы по увеличению анодного напряжения по сравнению с традиционно используемым оборудованием для снижения дозы облучения пациентов при проведении исследований. Снижение контрастности при проведении рентгенологических исследований компенсируется улучшением пространственного разрешения благодаря уменьшению размеров фокусного пятна рентгеновской трубки;

- обеспечение высокого КПД (не менее 70%). Задача решена использованием резонансной схемы питания высоковольтных узлов. При этом, в ходе решения указанной задачи также были предприняты меры по увеличению температурной стабильности компонентов схем, так резонансная схема питания весьма чувствительна к перепаду температуры компонентов, что приводит к смещению резонансной частоты и изменению выходных параметров. Для работы, в том числе, в неспециализированных условиях, необходимо обеспечить питание от аккумуляторной батареи. Таким образом, с учетом заявленной мощности не менее 360 Вт, использование распространенной амплитудной схемы питания с КПД менее 50% не представляется возможным;

- возможность точного управления значением анодного напряжения. Для решения указанной задачи, благодаря использованию резонансной схемы питания, возможно осуществление изменения параметров анодного напряжения по двум каналам (изменением резонансной частоты и скважности управляющих импульсов). Традиционно используемые амплитудные схемы питания высоковольтных узлов рентгеновских аппаратов имеют единственный канал управления - изменения уровня входного напряжения трансформатора, при этом ввиду наличия мощных электромагнитных полей

и, как следствие, наводок точность установки амплитудного значения напряжения снижается, что может привести к ошибкам при установке режимов работы и переоблучению пациентов;

- максимальное уменьшение размеров фокусного пятна. Задача решена использованием комбинированной фокусировки пуча электронов - с использованием фокусирующего электрода, расположенного внутри рентгеновской трубки, и дополнительной фокусирующей системы, устанавливаемой на анодное окончание рентгеновской трубки. Снижение размеров фокусного пятна рентгеновской трубки повышает пространственное разрешение при проведении исследований, что качественно сказывается на диагностической ценности рентгеновских снимков. Размер фокусного пятна в рентгеновской трубке определяется несколькими факторами, одним из которых (наиболее значимым) является диаметр пучка электронов, уменьшение которого возможно путем фокусировки. Для её осуществления в используемой рентгеновской трубке установлен дополнительный фокусирующий электрод. В качестве дополнительного фокусирующего электрода в качестве альтернативы к выбранной магнитной системе может быть использована электромагнитная. Однако, её использование приводит к необходимости установки дополнительного источника питания, что ухудшит массо-габаритные характеристики, а также существенно увеличит потребляемую мощность;

- создание интерфейса управления для согласования с другими компонентами комплекса, в первую очередь - детектором рентгеновской системы визуализации. Задача решена путем разработки специального протокола обмена данными, реализованного посредством БШегпе1-интерфейса. В качестве альтернативных протоколов может быть рассмотренЯБ-232 или аналогичные интерфейсы. При этом, стоит отметить, что детектор рентгеновского излучения, ввиду значительных объемов данных и необходимости минимизации времени их передачи, использует БШегпе1-интерфейс (до 1,0 Гбит/с). Такой тип интерфейса позволяет осуществлять оперативный контроль параметров и управление ИРИ.

Посредством органов автоматики на пульте управления устанавливаются технические параметром работы:

- анодное напряжение;

- анодный ток;

- время экспозиции.

Пульт управления также позволяет осуществлять взаимодействие моноблока с персональным компьютером для управления и осуществления настройки.

Процессором пульта управления формируются сигналы, задающие те или иные режимы работы, а также осуществляется прием и обработка сигналов обратной связи, информирующих о установленных и действующих значениях различных параметров.

Как отмечалось первой главе, предварительные исследования возможной методики проведения рентгенодиагностики в неонатологии проводились с использованием рентгеновского аппарата «ПАРДУС-Р». Результаты этих исследований показали, что перспективным является использование для снижения массогабаритных характеристик ИРИ моноблочной конструкции, а также перспективность уменьшения размеров фокусного пятна рентгеновской трубки при диагностике новорожденных.

Технические и конструктивные особенности рентгеновского аппарата предполагают использование рентгеновской трубки с вынесенным про-стрельным типом анода предельно малой мощности (около 10 Вт) и рабочим напряжением трубки до 65 кВ.

Указанная рентгеновская трубка работает в воздушной среде по схеме с заземленным анодом с использованием твердотельной изоляции основных высоковольтных узлов на основе силиконового компаунда. Повышение анодного напряжения в соответствии с требует использования иного типа рентгеновской трубки, а также использования комбинированной твердотельной и масляной изоляции.

Проведенные эксперименты показали, что фокусное пятно размером 0,2 мм является слишком большим для получения резких снимков и требуется его уменьшение, однако, в связи с вышеописанными конструктивными и техническими особенностями рентгеновского аппарата «ПАРДУС-Р», использование его отдельных узлов для разрабатываемого изделия невозможно.

Сравнительный анализ разрабатываемого прототипа ИРИ и рентгеновского аппарата «ПАРДУС-Р», с помощью которого выполнялись предварительные исследования возможности применения методики микро- и острофокусной рентгенографии в неонатологии приведен в таблице 3.3.

Таблица 3.3.

Сравнительный анализ разрабатываемого прототипа ИРИ и рентгеновского аппарата «ПАРДУС-Р»

Наименование характе- Значение

ристики и конструктивной особенности Прототип ИРИ (планируемое/фактическое *) ПАРДУС-Р

Минимальное анодное 40 / 40 55

напряжение, кВ

Максимальное анодное 120 / 120 65

напряжение, кВ

Номинальное значение 0,3 / 0,3 0,1

анодного тока, мА

Размер фокусного пятна, мм 0,3 / 0,056 0,2

Конструктивное испол- Моноблочное с вынесенным Моноблочное со встро-

нение пультом управления енным блоком управления

Тип высоковольтной изоляции Комбинированная (эпоксидный компаунд и трансформаторное масло) Силиконовый компаунд

Среда работы рентге- Трансформаторное масло Технический вазелин

новской трубки

Схема питания высоко- Резонансная Амплитудная

вольтного генератора

КПД, % >70 <50 (60)

Установка режимов ра- Во всем диапазоне допустимых Дискретно (3 значения

боты значений анодного напряжения, 8 значений времени экспозиции) (12)

Номинальная рабочая 70 кГц 45 кГц

частота высоковольтно-

го генератора

Исходя из сравнения представленных в таблице характеристик очевидно, что использование основных технических решений, принятых при разра-

ботке рентгеновского аппарата «ПАРДУС-Р», не представляется возможным ввиду существенного отличия требований к ряду ключевых характеристик (анодное напряжение, а также связанные с ним параметры, КПД, конструктивное исполнение и т.д.).

Основываясь на описанных выше результатах анализа была разработана эскизно-конструкторская документация (ЭКД) на рентгенодиагностиче-ский комплекс (РДК) для неонатологии в нестационарных условиях. В качестве примера на рисунке 3.27 представлена модель моноблока переносного РДК - острофокусного источника рентгеновского излучения.

Рисунок 3.27. Трехмерная модель моноблока в переносном исполнении

А на рисунках 3.28 и 3.29 представлены основные принципиальные электрические схема источника рентгеновского излучения РДК, включая схему моноблока, а также схему процессора и платы питания.

При разработке экспериментального образца ИРИ для передвижного аппарата были проанализированы результаты разработки прототипа источника рентгеновского излучения, разработанного, изготовленного и прошедшего испытания в портативном варианте.

Рисунок 3.28. Принципиальная электрическая схема моноблока

Рисунок 3.29. Принципиальная электрическая схема процессора и платы питания

Оптимальным вариантом с точки зрения массо-габаритных характеристик является использование двухполярной схемы питания ввиду сниженных требований к изоляции и, как следствие, меньшего размера моноблока и уменьшения количества каскадов, что позволяет использовать более дешевые и доступные высоковольтные конденсаторы.

Рисунок 3.30. Конструкция ИРИ моноблочного типа для аппарата в передвижном исполнении.

Рентгеновская трубка крепится к высоковольтным платам посредством диэлектрического хомута, который жестко позиционирует трубку в горизонтальном положении. Умножитель реализован по двухполярной схеме, что позволило снизить требование к изоляции и уменьшить габариты устройства. Схема делителя подключена только к одному плечу умножителя напряжения, вследствие чего количество резисторов, общие габариты и стоимость общего решения снижены. Реальное значение напряжения определяется с учетом калибровки. Расположенный на этой же плате накальный трансформатор реализован на кольцевом сердечнике с эпоксидной изоляцией.

Критерием выбора технических решений для разработки моноблока была минимизация массы и габаритов. Для этого было решено отказаться от изоляции эпоксидной смолой и использовать в конструкции трансформаторное масло, что позволяет снизить массу изделия и упростить при необходимости ремонт аппарата. Однако данное решение накладывает ряд ограничений на конструкцию. В первую очередь, корпус должен быть абсолютно герметичным и сохранять данное свойство в течение всего минимального срока эксплуатации. Кроме того, наличие масла, имеющего высокий коэффициент теплового расширения, обязывает использовать в конструкции механизмы компенсации увеличения объема масла. Однако данные недостатки компенсируются удобством эксплуатации, простотой ремонта моноблока, высокими теплопроводными свойствами масла, ускоряющими охлаждение анода, высоким пробивным напряжением, обеспечивающим высокую электрическую прочность конструкции при небольших размерах.

Наиболее подходящей конструкцией для масляного изолятора является глухой корпус с фланцевой крышкой с герметизацией уплотнительной резинкой. Однако при изготовлении пробного образца было обнаружено, что данный подход значительно увеличивает массу изделия ввиду необходимости изготовления толстостенного фланца. Для решения данной проблемы от большого монолитного фланца было решено отказаться в пользу 2 небольших фланцевых креплений под маслорасширитель и разъем. Крепятся они к одной из стенок винтовым соединением с дополнительным применением герметика. Через фланец, предназначенный для разъема, также осуществляется заливка масла в корпус.

Изоляция моноблока, разработанного на первом этапе, осуществлялась с помощью эпоксидной смолы, которая имеет необходимую электрическую прочность. Дополнительным преимуществом прототипа является твердое агрегатное состояние изолятора, т.е. отсутствие загрязнения в материале при отливке моноблока гарантировало чистоту изолятора в процессе эксплуатации. Однако в случае, если при сборке произошло отклонение от технологии

(в эпоксидную смолу попало загрязнение или пузырек воздуха) и начали происходить пробои, моноблок становится непригодным к ремонту и утилизируется. Ввиду того, что масло подвержено загрязнению и насыщению воздухом, сложность изготовления моноблока возрастает. Для снижения влияния загрязнения масла дополнительно введена изоляция из фторопластовых пластин. Помимо изоляции, они выполняют функцию несущих деталей для внутренних плат и рентгеновской трубки [45].

Внутреннее взаимодействие электронных модулей построено по принципу централизованного управления. Помимо центрального модуля управления имеется дополнительный модуль, осуществляющий вспомогательные функции и высоковольтный участок, формирующий рабочее напряжение на рентгеновской трубке.

Рисунок 3.31 Структура организации электронных модулей

Основными функциями центрального модуля являются:

• управление силовым генератором питания рентгеновской трубки;

• менеджмент (контроль и управление) потока данных между ПК и аппаратом;

• контроль состояния центрального модуля: температура индуктивного элемента, средняя температура силовых транзисторов, средняя мощность потребления генератора;

• контроль дозы рентгеновского излучения.

Центральный МК осуществляет взаимодействие с Ethernet контроллером, имеющим аппаратную поддержку протокола TCP/IP. Считывание и запись фреймов происходит по интерфейсу SPI. Использование специализированной микросхемы упрощает взаимодействие микроконтроллера с ПК и частично снимает нагрузку с ядра и периферии, однако стоимость такого решения значительно выше, чем у микросхем MII/RMII. Управление блоком питания осуществляется аппаратно под управлением 16-битного таймера с помощью двухтактного ШИМ сигнала. Модуль располагается на внешней стороне корпуса и не контактирует с изоляционным наполнителем (трансформаторное масло). Внутри корпуса находится вспомогательный узел и все высоковольтные элементы и схемы (трансформатор, умножитель и делитель напряжения, рентгеновская трубка). От центрального узла к внутренним элементам подходят силовые линии (передача энергии на трансформатор) и две сигнальные дифференциальные линии коммуникации с дополнительным внутренним модулем. Для обеспечения независимой передачи данных в обоих направлениях канал связи реализован по схеме полного дуплекса.

Дополнительный модуль помещается внутрь корпуса в непосредственной близости от высоковольтных схем. Узел выполняет следующие функции:

• управление током накала;

• измерение электрических параметров рентгеновской трубки: напряжение, ток рентгеновской трубки, ток накала;

• калибровка измерительных данных и контроль нахождения электрических параметров рентгеновской трубки в заданной рабочей области;

• контроль температуры внешней среды (температура трансформаторного масла);

• гибкая настройка преобразования входных аналоговых сигналов для согласования их с АЦП.

МК йР1 л ь 1\У5100 ЕТН

тг к

Силовой генератор

Дополнительное ■ пнтання

К113 о лир ованной ■ о б л астн

▼

К-доп,-

модулю

Рисунок 3.32. Структурная схема платы управления

Рисунок 3.33. Структурная схема вспомогательного модуля

Основным узлом модуля является МК, осуществляющий управление током накала и измерение параметров схемы с помощью 4 канального 12 битного внутреннего АЦП. Температура внешней среды осуществляется встроенным в корпус датчиком. Коммуникация с платой управления реализуется с помощью интерфейса RS 485. Данное решение обеспечивает наиболее оптимальное соотношение скорость/помехозащищенность.

При управлении током накала важно учитывать, что сопротивление накальной нити существенно зависит от температуры. Таким образом, стандартное плавное включение с помощью ШИМ может все равно давать серьезную токовую нагрузку на нить. Это в конечном итоге может привести к ее термическому разрушению. Дело в том, что при ШИМ управлении к нити прикладывается полная амплитуда напряжения, и в случае ее низкой температуры (это происходит при первом включении) начальный ток накала будет

существенным (может превышать максимальный до 1.5 раз). Решением данной проблемы является комбинация из ШИМ и частотного управления. На рисунке 3.34 представлена упрощенная схема цепи питания нити накала. Выводные контакты катода рентгеновской трубки образует паразитную индуктивность, которая при высокой частоте ограничивает пусковой ток, равный:

I и

" ^еа, + 21еак 0.1)

где и8 - амплитуда напряжения питания накала, В; Rheat - активное сопротивление нити накала, Ом; 71еак - реактивное сопротивление паразитной индуктивности выводов на текущей частоте, Ом. Таким образом, совмещение плавного нарастания коэффициента заполнения и нарастания частоты можно добиться амплитудной модуляции питания нити, что обеспечит плавное нарастание рабочего тока и существенно продлит срок службы аппарата.

Рисунок 3.34 - - Эквивалентная схема цепи включения накала

Управление схемами генераторов по умолчанию осуществляется двухтактным ШИМ сигналом с регулируемой частотой, коэффициентом заполнения и длительностью работы генератора. Команды поступают на исполнительный модуль по информационной линии от модуля коммуникации. Интерфейс связи между данными модулями по умолчанию 12С, однако в представленной схеме он продублирован БР1 интерфейсом со скоростью передачи данных 32 Мбит/с. В дальнейших разработках и модификациях рекомендуется делать так же - подобное решение разгружает линию 12С и снижает ско-

рость отклика исполнительного модуля и аппарата в целом. Дополнительными необязательными возможными функциями модуля являются: управления вентилятором охлаждения (либо любой другой периферией, управляемой с помощью ШИМ и не потребляющей ток больше 300 мА), возможность ручного запуска и остановки ИРИ путем подключения внешней кнопки, подключение замыкаемых датчиков, контролирующих работу ИРИ, подключение внешней световой и звуковой индикации (требуются внешние предуси-лители), формирование двухканального аналогового сигнала в диапазон от 0 до10 В.

Предусмотрены два внешних интерфейса - Ethernet и USB - и три внутренних - UART, SPI, I2C. Основное назначение модуля коммуникации -осуществлять обмен данными с внешними устройствами. В качестве внешних устройств может выступать устройство управления (ПК или портативный пульт управления) или локальная сеть, включающая в себя множество дополнительных модулей. Подобный подход позволяет легко осуществлять масштабирование ИРИ без усложнения коммуникационных сетей - роль устройства, контролирующего поток данных и обеспечивающего адресацию, играет машрутизатор. В случае использования USB, ИРИ может быть подключен лишь к одному устройству - устройству управления, поэтому данный интерфейс предпочтителен в случаях служебной отладки изделия или обновления программного обеспечения.

Помимо осуществления взаимодействия с внешними устройствами, модуль коммуникации контролирует поток данных внутри устройства. Все команды, поступающие на модуль через внешние интерфейсы, подразделяются на два типа: общие и директивные команды.

в

Рисунок 3.35 Внешний вид электрических схем экспериментального образца ИРИ: а - исполнительный модуль, б -модуль коммуникации, в - материнский модуль.

Общая команда - высокоуровневая команда, относящаяся к аппарату как к единому модулю. Подобный тип команд используется в финальных версиях программного обеспечения и позволяют обобщить сложные алгоритмы, по которым работает, настраивается и отлаживается рентгеновский аппарат. Директивная команда, в свою очередь, адресуется не ко всему устройству, а к конкретному модулю электрической схемы. Подобные команды необходимы для работы в сервисном режиме - режиме настройки и отладки аппарата [46].

Процесс изготовления моноблока ИРИ включал в себя:

- изготовление деталей моноблока по чертежам;

- изготовление высоковольтных цепей, накальной цепи;

- монтаж электрических схем, включая программирование микроконтроллера;

- проверка подачи низковольтных сигналов;

- проверка высоковольтных цепей на резистивной нагрузке в масляной

среде;

- корпусирование моноблока;

- заливка жидкой высоковольтной изоляции с последующим вакууми-рованием для обезгаживания диэлектрика;

- проверка работоспособности ИРИ.

На рисунке 3.36 приведена фотография экспериментального образца ИРИ моноблочного типа в ходе сборки при проверке высоковольтных цепей

на резистивной нагрузке

Рисунок 3.36. Сборка высоковольтных узлов

На рисунке 3.37 представлен внешний вид внутренних узлов моноблока ИРИ с рентгеновской трубкой без корпуса.

Рисунок 3.37. Внутренние узлы моноблока ИРИ Внешний вид изготовленного экспериментального образца ИРИ моноблочного типа представлен на рисунке 3.38.

Рисунок 3.38 Экспериментальный образец ИРИ моноблочного типа.