iNet : - http://www.course-as.ru/AEM_GE/AEM_GED.html
PDF : - http://www.course-as.ru/download/pdf/MS-R_IJIC.pdf
viXra:2108.0037 : The Relevance of the Significant Reduction of X-ray Dose while Increasing the Resolution of Diagnostic Radiology.
Актуальность существенного уменьшения рентгеновской дозы с одновременным увеличением разрешающей способности диагностической рентгенологии, возможно ли это? Новый взгляд на диагностическую рентгенологию.
Авшаров Е.М., ООО “КУРС-АС1”, г. Москва, РФ.
The relevance of the significant reduction of x-ray dose while increasing the resolution of diagnostic radiology, is it possible? A new look at diagnostic radiology.
Avsharov E.M., “COURSE-AS1” Ltd., Moscow, RF.
Резюме:
В настоящее время существующие подходы к построению рентгеновских диагностических систем не позволяют объединить в одном изделии такие характеристики как:
- уменьшение рентгеновской дозы на порядок и более,
- уменьшение фокусного пятна рентгеновской трубки до величины 0.1*0.1mm и менее при миллисекундном времени съемки кадра рентгеновского изображения;
- снижение интегральной мощности излучения на кадр изображения, приходящегося на период излучения без увеличения мгновенной мощности рентгеновской трубки;
- увеличение разрешения динамических рентгеновских детекторов с одновременным увеличением скорости кадров в секунду;
- снижение величины отношения сигнал/шум и увеличения разрешающей способности диагностических изображений за счет математической обработки изображений.
Выход из системных ограничений возможен только за счет создания нового класса рентгеновских диагностических систем, построенных по технологии “Микросекундная Рентгенология”, вобравшей в себя лучшие стороны всех трех рентгенологий – Стандартной, Микрофокусной и Наносекундной рентгенологий.
Currently existing approaches to the construction of x-ray diagnostic systems do not allow to combine in one product characteristics such as:
- reduce x-ray dose by an order of magnitude,
- reduction f the focal spot x-ray tube to a value of 0.1*0.1 mm and less in the millisecond time shooting the x-ray image;
- decrease integral radiation power of the image frame coinciding with the period of radiation without increasing the instantaneous power of x-ray tube;
- increasing resolution, dynamic x-ray detectors with a simultaneous increase in the speed of frames per second;
- reducing the value of the ratio signal/noise and to increase the resolution of diagnostic images through mathematical processing of images.
The output from the system of constraints is only possible through the creation of a new class of x-ray diagnostic systems, built on technology “Microsecond Radiology”, which incorporates the best of all three rentgenologii – Standard, Microfocus and Nanosecond rentgenology.
Ключевые слова:
Уменьшение рентгеновской дозы, увеличение разрешающей способности рентгеновских изображений, микросекундная рентгенология.
Index terms:
Reducing x-ray dose, the increase in resolution of x-ray images, microsecond radiology.
----------------------------------------------------------------------
О сколько нам открытий чудных
Готовят просвещенья дух
И опыт, сын ошибок трудных,
И гений, парадоксов друг,
И случай, бог изобретатель…
А. С. Пушкин
1. Введение в проблематику.
Базовые положения, освещенные в настоящей статье, были представлены на 24 ноября 2017 года в Санкт-Петербургском Государственном Электротехническом Университете "ЛЕТИ" на "IV-ой Всероссийской научно-практической конференции производителей рентгеновской техники" в виде презентации Проекта и Технологии “Микросекундная Рентгенология”.
Качество и диагностическая значимость изображений, получаемых в рентгенологии, не принимая во внимание штативные устройства, зависят от четырех главных компонентов: рентгеновских излучателей (рентгеновских трубок), рентгеновских высоковольтных генераторов, детекторов рентгеновского излучения и систем обработки и визуализации получаемых изображений.
Все эти четыре компонента влияют на главные характеристики диагностических изображений:
- разрешающую способность изображений как пространственную, так и градационную;
- рентгеновскую дозу, необходимую для получения диагностически значимых изображений;
- возможность нивелирования паразитного вторичного излучения в объекте исследования;
нерешенные проблемы которых будут рассмотрены ниже, и которые можно характеризовать как “системные проблемы рентгенологии”.
- О разрешающей способности диагностической рентгенологии.
Интегральный взгляд на стандартную диагностическую рентгенологию, микрофокусную рентгенологию и наносекундную рентгенологию (авторская классификация), позволил выявить системные проблемы для каждой из вышеуказанных видов рентгенологий:
- Для стандартной рентгенологии невозможность поднятия реальной разрешающей способности получаемых изображений, особенно динамических, обусловлено:
– невозможностью увеличения мощности рентгеновской трубки в 4 раза при увеличении разрешения диагностических изображений в 2 раза (доза, приходящаяся на каждый пиксель изображения должна оставаться в рамках установленной);
– невозможностью увеличения разрешения изображений за счет уменьшения фокусного пятна – при уменьшении его размеров в 2 раза, при той же рентгеновской дозе на кадр изображения, мощность на единицу площади анода возрастает в 4 раза, что недопустимо;
– невозможностью увеличения разрешения изображений за счет математической обработки рентгеновских изображений, превышающее значение (0.7-:-0.5) от размера фокусного пятна, даже при значительно большем разрешении рентгеновского детектора (рис. 1);
– невозможностью даже при минимальной рентгеновской дозе, приходящейся на один кадр, создать динамическую микрофокусную рентгеновскую систему.
b. Для микрофокусной рентгенологии нет проблем в создании высокой разрешающей способности получаемых изображений (рис. 4),
но есть существенное ограничения при создания динамических изображений:
– невозможность уменьшения времени съемки одного кадра, для исключения смазывания изображения при движении объекта съемки, ввиду невозможности увеличения мощности рентгеновской трубки - для фокуса 0.1*0.1mm мощность не может превысить 10W (при токе 0.10mA) для прострельного анода, и 1 kW (при токе 10-20mA) для анода вращения;
– невозможностью, даже при минимальной рентгеновской дозе, приходящейся на один кадр изображения (см. комментарий к рис. 4) *, создать микрофокусную динамическую диагностическую рентгеновскую систему.
c. Для наносекундной рентгенологии характерно существенное снижение рентгеновской дозы на кадр изображения в 27-30 раз, нет проблем в создании импульса высокой мощности (ток 250-300A с длительностью 10-20nS) и до 5kHz в пачке импульсов, но есть очень существенное ограничение в разрешающей способности получаемых изображений:
– невозможность уменьшения размера фокусного пятна менее чем 1.5mm в диаметре, при уменьшении которого, и мгновенной мощности импульса, возможно испарение анода;
– применение рентгеновской оптики Кумахова позволяет уменьшить размер фокусного пятна до 0.5mm в диаметре, но с многократным уменьшением рентгеновской дозы на детекторе (более чем на порядок), реальное разрешение не достигает 350-400µm.
3. О рентгеновской дозе в диагностической рентгенологии.
Рентгеновская доза, необходимая для создания корректного диагностического изображения, находится в прямой зависимости от начальной квантовой эффективности DQE(0) плоских рентгеновских детекторов (Flat Panel Detector - FPD), показана на рис.3.
Многие производители FPD не предоставляют очень значимые характеристики начальной зависимости квантовой эффективности DQE(0) от величины входя-щей рентгеновской дозы, и вот почему:
даже для FPD прямого преобразования, выполненных на сцинтилляторе CsI c усилителем на аморфном селене a-Se (рис.2) при коэффициенте усиления равном 1.0, в области диапазона малых доз 1.0-10nGy
(0.1-1.0µR), изменение значения DQE(0) находится в диапазоне от 0.10 до 0.30 (зеленая линия в области малых доз на рис.3), поэтому требуется установка значения коэффициента усиления в слое a-Se от ~50 и выше, что приводит к пропорциональному увеличению квантовых шумов!
Рентгеновские детекторы, благодаря использованию чувствительных элементов, выполненных по CMOS технологии, будут иметь начальный коэффициент преобразования DQE(0) от 0.50 до 0.70 и выше (синяя линия в области малых доз), что несомненно имеет преимущество в разы, по сравнению с наиболее распространенными FPD детекторами прямого преобразования на сцинтилляторе CsI c усилителем на аморфном селене (a-Se) в диапазоне малых доз (1.0-10nGy).
На рис. 4 показан результат съемки X-Ray тест Siemens с использованием микрофокусного рентгеновского генератора с фокусом 0.1*0.1mm при режимах съемки 60kV/0.1mA/10sec (1mAs).
* На изображении X-Ray теста Siemens (рис. 4) видно полное разрешение до 50µm при рентгеновской дозе в 20 раз ниже, чем в съемке этого же теста (рис. 1.), несмотря на то, что изображение X-Ray теста, показанное на рис. 4, математической обработке не подвергалось!**
** Съемка проводилась на специальном стенде на 16Mpix CMOS камеру с отключенной системой коррекции и нормализации пикселей для исключения влияния внутренней математической обработки, заложенной производителем CMOS камеры. В качестве рентгеновского сцинтиллятора использован Gd2O2S:Tb с высоким коэффициентом усиления.
- О нивелировании вторичного паразитного излучения
Доступные в настоящее время математические методы частичного нивелирования вторичного паразитного излучения, возникающих в объекте исследования, позволяют в реальном времени обрабатывать как поток кадров, так и поток субтракционных изображений, форматом 16-ти битного кадра до 1024*1024 (т.е. 1-го мегапикселя = 1.0Mpix) при 30-ти кадрах в секунду.
Достигается вышесказанное за счет создания гибкого многоступенчатого 16-ти битного гибкого функционального конвейера математической обработки потока изображений с последовательным применением наборов функциональных элементов - матричных фильтров, нелинейных и спектральных преобразователей, параметры которых доступны оператору процесса обработки.
Качество частичного нивелирования вторичного паразитного излучения зависит от технологии обработки и возможностей функциональных элементов конвейера обработки.
При этом физический поток данных может достигать 120MB/s при 60 кадрах в сек. (для формата 1024*1024*16b), а требуемый для визуализации, без задержки отображения и возможности его восприятия человеческим глазом, достаточно 60MB/s при 30 кадрах в сек.
На рис. 5 показаны этапы конвейерной обработки от первичного исходного изображения до субтракционного, позволяющей частично нивелировать вторичное паразитное излучение, но не полностью, степень нивелирования и характеризует качество математической обработки.
Запрос на увеличение динамического отображения изображений большого формата 9-12Mpix при 30-60 кадрах в секунду требует увеличения мощности вычислительного конвейера на порядок и более, в связи с увеличением входного потока до 1440MB/s (12Mpix при 60 кадрах в сек.), что является весьма нетривиальной задачей по созданию конвейера обработки потока изображений.
На рис. 6 показаны этапы конвейерной обработки серии кадров для получения субтракционной серии в реальном времени, с созданием интегральной картины заполнения контраста сосудистой системы (первый кадр), для создания такого типа изображений требуется работа так называемых “клеточных автоматов” и на порядок более мощные компьютерные системы с большими вычислительными возможностями, особенно для изображений формата 9-12Mpix и более.
Выход из системных ограничений возможен только за счет создания нового класса рентгеновских диагностических систем, в которых применены несколько принципиальных отличий, от ныне существующих рентгенологических систем:
- мульти-импульсный режим излучения для создания кадра рентгеновского изображения;
- перевод систем управления током, высоким напряжением и рентгеновскими импульсами из рентгеновского генератора в систему обработки и визуализации;
- изменения конструкции и технологии рентгеновского излучателя для перевода его в мульти-импульсный режим работы;
- применение параметров излучения по результатам измерения последних на предыдущем цикле излучения и по параметрам полученного изображения;
- изменением конструкции рентгеновского детектора с применением самых прогрессивных компонентов получения изображений;
- создания параллельного многоядерного конвейера обработки и визуализации реального времени потока изображений сверхвысокого разрешения.
Все вышесказанное объединено в рамках технологии “Микросекундная Рентгенология”, которая вобрала в себя лучшие стороны всех трех рентгенологий – стандартной, микросекундной и наносекундной рентгенологий:
- микрофокус при большой входной мгновенной мощности рентгеновского излучения и более чем на порядок меньшую интегральную мощность на кадр изображения;
- рентгеновские микросекундные излучатели (трубки), включая трубки для режима стерео, с возможностью динамического изменения размера фокусного пятна и встроенного измерения параметров излучения для каждого кадра изображения;
- рентгеновские генераторы с более чем на порядок меньшей интегральной мощностью и прямым первичным измерением параметров генерации;
- динамические микросекундные рентгеновские детекторы сверхвысокого разрешения с прямым компьютерным управлением и приемом данных без промежуточных преобразований;
- многоступенчатый многоядерный конвейер реального времени попиксельной нормализации, обработки и визуализации потока диагностических изображений сверхвысокого разрешения.
Рентгеновские детекторы, выполненные по технологии "Микросекундная Рентгенология", переместятся вниз по шкале доз на порядок и более, в область где a-Se FPD не эффективны (в полупрозрачную область на рис. 3. – слева вверху).
В настоящее время проведены исследования и ряд экспериментов, часть результатов которых отражены в этой статье, на которых основан проект "Микросекундная Рентгенология".
6. Перспективы технологии и проекта "Микросекундная Рентгенология"
Основным результатом при реализации этой технологии по проекту "Микросекундная Рентгенология", в отличии от существующего в настоящее время рентгенологического оборудования, будет:
- Кардинальное сокращение рентгеновской дозы более чем в 20 раз и более! при любых видах рентгеновских исследований, как в медицинских обследованиях, особенно в таких как маммографиические и ангиографические, в рентгенологических исследованиях, основанных на принципах “томосинтеза”; так и в системах рентгеновского неразрушающего контроля и в системах рентгеновского досмотра;
- Одновременно, со значительным уменьшением рентгеновской дозы в 20 раз, увеличится в 3-4 раза разрешение динамических изображений, т.е. до (100-:-50)µm против (400-200)µm при 30/60 кадрах в сек., по сравнению с современными рентгеновскими системами, что потребует создания новых стандартов диагностического процесса в общей рентгенологии, при ангиографических исследованиях, в области компьютерной томографии и т.п.;
- Дополнительным эффектом является уменьшение более чем в 20 раз интегральной мощности рентгеновского генератора с (50-:-120)kW до (2-:-4)kW при мгновенной мощности рентген- трубки - с (30-:-100)kW до (15-:-30)kW, обеспечит практическое отсутствие нагрева рентгеновских трубок и генераторов, и приведет к многократному увеличению их жизненного цикла;
- Потоковая Конвейерная Обработка Реального Времени (более 1500MB/s), для уменьшения рентгеновских шумов динамических изображений, базирующаяся на уникальном инструментарии параллельных вычислений реального времени, при увеличении разрешающей способности и четкости получаемых изображений.
- Увеличение разрешения компьютерного томографа до 100-:-50 микрон при фокусе рентгеновской трубки в пределах от 0.15x0.15mm до 0.1x0.1mm.
- Мультимодальность - совмещение в одном устройстве высокого разрешения рентгеновского диагностического аппарата и компьютерного томографа.
- Уменьшении стоимости микросекундной рентгеновской трубки, микросекундного рентгеновского генератора и микросекундного рентгеновского детектора, связанные с конструктивно – техническими особенностями последних и высокой технологичностью их изготовления, что приведет к уменьшению “Совокупной Стоимости Владения” (CTO) всего рентгеновского комплекса до 50%.
Главный архитектор проекта Авшаров Евгений Михайлович.
Москва, ноябрь, 2017 г.
Литература:
- Авшаров Е. М. Рентгеновская Динамическая Медицинская Система Сверхвысокого Разрешения - Проект и технология "Микросекундная Рентгенология", документы, презентация, http://course-as.ru/dev_rtxa3k30.html , Москва, 2017.
- Авшаров Е.М., Абгарян М. Г., Сафарянц С.А. Обработка медицинских изображений, как необходимый инструментарий медицинского диагностического процесса, Вестник рентгенологии и радиологии, 2010, №3. – С.51-61.
- Авшаров Е. М. Графическая станция создания, хранения, конвертирования, обработки и визуализации DICOM изображений и PDF документов - AS_GSV "Michelangelo" (PACS “AS_VIMeN”), http://www.course-as.ru/download/pdf/AS_GSV-Michelangelo.pdf , 2010, – С.71.
- Корженевский С. Р., Высокочастотные наносекундные генераторы для интроскопии и селективного разрушения твердых тел микронных размеров. Специальность: 01.04.13. Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук, Екатеринбург, 2008.
- Пат. 2334465 РФ. Мобильный малогабаритный рентгеновский аппарат. Филатов А. Л., Бастриков В. Л., Корженевский С. Р., Кузнецов В. Л., Поникаровских А. Э., 2008.
- Подымский А. А. Мощные рентгеновские трубки для проекционной рентгенографии. Специальность 05.27.02. Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук, Санкт-Петербург, 2016.
- Потрахов Н.Н. Метод и особенности формирования теневого рентгеновского изображения микрофокусными источниками излучения // Вестник новых медицинских технологий. – 2007. – Т. XIV. – №3. – С. 167-169.
- Потрахов Н.Н., Грязнов А.Ю., Барковский А.Н. Радиационная нагрузка при проведении рентгенодиагностических исследований методом микрофокусной рентгенографии // Радиационная гигиена. – 2008. – Т.1. – №1. – С.1-5.