4. Технологические аспекты направления

1.1      Рентгеновская трубка

В течение последних 100 лет основные принципы устройства рентгеновской трубки не претерпели существенных изменений.  Внутри вакуумной оболочки, обычно изготовленной из стекла,  располагаются два электрода. Катод включает нить накаливания, такую же, как и в электрической лампочке. Когда её свечение достигает белого каления, выделяется облако электронов. Для анода используют хорошо теплопроводящие материалы, например медь. На конце анода находится небольшое количество другого вещества, обычно вольфрама. Эту конструкцию называют — мишень для рентгеновских лучей. Когда высокое напряжение, обычно в порядке от 25,000 volts (25kV) до 150,000 volts (150 kV), устанавливается между  катодом и анодом, электроны от катода устремляются к мишени.  Область мишени, где электроны с ней сталкиваются, что и приводит к испусканию  рентгеновских лучей, называется фокусом или фокальным пятном.  Высокое напряжение, подводимое к рентгеновской трубке, обычно характеризуется максимальным или пиковым значением, так как  применяемое напряжение обычно не постоянно. Таким образом, речь идёт о киловольтном пике kVp и качество пучка рентгеновского излучения обычно определяется величиной  kVp. Ток в рентгеновской трубке измеряется в миллиамперах (мА) и определяет степень нагрева нити накаливания. Мощность дозы рентгеновского пучка, выраженная в миллиамперах в секунду (мАс), зависит от тока в трубке, отнесенного к времени работы.  Таким образом, количество рентгеновского излучения прямо пропорционально мАc. Производятся две различные вида рентгеновских трубок – генерирующих тормозное рентгеновское излучение или испускающие характеристическое рентгеновское излучение. Тормозное рентгеновское излучение возникает в результате взаимодействия электронов с материалом мишени. В процессе взаимодействия производится рентгеновское излучение, которое может иметь энергию в границах от нуля до величины, определяемой напряжением между анодом и катодом.  Например, рентгеновская трубка с киловольтным пиком в 100 kVp производит рентгеновские лучи  с энергией от 0 до 100 keV. Характеристическое рентгеновское излучение генерируется, когда электронная бомбардировка атомов мишени приводит к их возбуждению, т.е. выталкиванию электронов с внутренних орбит на наружные. Затем электроны возвращаются на свои внутренние орбиты, излучая квант характеристического рентгеновского излучения.   Оно называется  характеристическим, так как его энергия соответствует веществу мишени. Большинство рентгеновских излучений, используемых в диагностике относятся к категории тормозного.  Лишь небольшой процент рентгеновской энергии является характеристическим излучением (менее 15% at 100 kVp).  В этом процессе почти  99%  кинетической энергии электронов превращается в термическую (тепло), которая должна отводиться от трубки. Поэтому можно сказать, что этот способ получения рентгеновского излучения эффективен только на 1%.

1.2 Рентгеновский спектр и фильтрация

Широкий диапазон энергий производимых рентгеновских лучей может быть описан рентгеновским спектром. На Рисунке 2 показан типичный спектр, из которого вы можете видеть, что большая часть излучения является низкоэнергетической. Эта радиация легко поглощается телом человека, приводя к накоплению нежелательной дозы, и не участвует в формировании диагностического изображения.Мы можем удалить эту часть спектра путём введения алюминиевого фильтра, несколько миллиметров толщиной непосредственно за рентгеновской трубкой. Если не используется фильтр, кожная доза пациента может превысить норму в 10 раз без какой-либо заметной разницы в качестве рентгеновского снимка.  Конечно, это приводит к необоснованному облучению  пациента и  этого нужно избегать.

1.3      Коллимирование

Так как количество радиации, воздействующей на пациента пропорционально размеру рентгеновского поля облучения, его размер всегда должен быть скорректирован до минимально необходимой величины необходимой для проведения исследования.  Это известно как коллимирование.  При коллимировании  пучка (обычно используются непроницаемые для рентгеновского излучения коллиматоры, с квадратными или круглыми полями) мы также обеспечиваем то, что рассеянное излучение, достигающее персонал, проводящий рентгеновские исследования, удерживается на минимуме. Наибольшее количество рассеянной радиации приходится на ближайшую к рентгеновской трубке часть тела пациента.

1.4      Сокращение рассеивания

Радиографическое изображение фиксирует ослабление радиации – кости производят наибольшее ослабление, а воздух в лёгких – наименьшее. Хороший радиограф должен довести до максимума контраст между различными типами тканей. Тем ни менее, это осложняется тем фактом, что рассеянная радиация от пациента ухудшает качество радиографического изображения.

Для того, чтобы удалить это нежелательное рассеивание используется анти-рассевающая решётка. Такая решётка состоит из ряда узких, близко расположенных свинцовых полос с низко ослабляющим радиацию материалам между ними. Только радиация, которая распространяется по прямой линии от рентгеновской трубки к приемнику изображения (плёнка или усилителю) может пройти сквозь решётку.  Решётка гасит около половины тормозного излучения. Это значит, что уровень облучения пациента должен быть удвоен с целью получить равное число рентгеновских фотонов достигших приемника изображения и таким образом получить изображение, которое можно использовать. Реальный размер решётки приведенной на Рисунке 5 намного меньше размеров рисунка. На самом деле, полоски решётки имеют толщину в 1мм и расположены с плотностью 25 полосок на сантиметр. Альтернативой решётке является использование воздушного зазора. В этой случае, воздушный зазор достигает приблизительно 10-20 см и располагается между пациентом и приемником изображения. Эта дистанция позволяет низкоэнергетической рассеянной радиации избежать взаимодействия с приемником  изображения.  Эффективность приблизительно равна эффективности использования анти-рассеивающей решётки.  При этой технологии увеличение расстояние от объекта до плёнки влечёт за собой усиление изображения.  Для компенсации этого эффекта, дистанцию от источника до изображения также возрастает. Техника воздушного зазора широко применяется в радиографии грудной клетки.

 1.5      Приемник изображения

Рентгеновские снимки могут фиксироваться на плёнку (радиографические изображения) или визуализироваться с помощью электронного детектора (флюороскопическое изображение).

В случае плёнки, радиация не воздействует непосредственно на плёнку. Вместо этого, рентгеновская энергия вначале конвертируется в свет посредством усиливающего экрана и затем воздействует на плёнку (как показано на Рисунке 3 Раздела 1.2).  В этом типе визуализации, выбор комбинации пленки и экрана делает значимой разницу в радиационных дозах для пациента.  Обычная комбинация плёнки и экрана требует для получения изображения дозы порядка 5 мГр. В зависимости от части тела пациента, кожная доза в области входа рентгеновских лучей может быть порядка 1 мГр.  Обычно выбираемая комбинация представляет собой компромисс между минимальной дозой радиации и максимальным качеством изображения, а также стоимостью. Не должно допускаться использование плёнок без усиливающего экрана  из-за относительно высокого уровня радиационных доз и низкого качества получаемых снимков.

В случае флюороскопии электронный детектор как и усилитель изображения используется для получения снимка.  Усилитель изображения состоит из ФЭУ с системой динодов покрытых с фосфором  (input phosphor) , который вначале преобразует рентгеновские лучи в свет, а затем в электроны. Электроны, имеющие заряд, могут затем фокусироваться и ускоряться по направлению ко второму диноду, который опять превращает их в видимый свет большей интенсивности (см. Рисунок 6).  Сигнал  виден на телевизионном мониторе и затем может быть рассмотрен и обработан как требуется. Уровень дозы с использованием системы усиления изображения обычно варьируется на уровне 50 мкГр/мин, приводя к кожной дозе пациента порядка 10 мкГр/мин. В некоторых процедурах, время воздействия может быть достаточно длительным и может быть при неосторожности получена высокая кожная доза. В крайних случаях  могут возникнуть радиационные ожоги. Ранее флюороскопия проводилась с использованием флюоресцентного экрана непосредственно рентгенологом.  Эта практика приводила к высокой дозе облучения пациента и рентгенолога, во многих странах такой вид обследования сейчас находится под запретом.

1.6      Специальные техники визуализации

Компьютерная томография (CT) это особый вид радиографической визуализации, когда рентгеновский луч используется в форме вращающегося веера, а приемник изображения это линейный блок детекторов регистрирующих фотоны рентгеновского излучения.  Полученные данные обрабатываются  с использованием сложных алгоритмов и в результате получают объемное изображение, представляющее собой набор эффективный срезов тела пациента по различным направлениям

Маммография схожа с обычной плёночной радиографией, но использует низкоэнергетическое рентгеновское излучение (с энергией около 25 kVp) для усиления контраста между структурами мягких тканей груди.  По причине использования низкой энергии, радиационная входная доза пациента может быть достаточно высокой и поэтому требуется строгий контроль качества.