Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Санкт-Петербургский государственный электротехнический университет «ЛЭТИ» им. В.И. Ульянова (Ленина)» На правах рукописи Бессонов Виктор Борисович МЕТОДЫ ПОВЫШЕНИЯ ЭФФЕКТИВНОСТИ ИНТРАОРАЛЬЫХ ПАНОРАМНЫХ РЕНТГЕНОДИАГНОСТИЧЕСКИХ СИСТЕМ Специальность 05.11.17 «Приборы, системы и изделия медицинского назначения» Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук Санкт-Петербург, 2014 ОГЛАВЛЕНИЕ ВВЕДЕНИЕ…………………………………………………………..... 4 1 РЕНТГЕНОДИАГНОСТИКА В СТОМАТОЛОГИИ………………. 9 1.1 Ортопантомографический способ получения панорамных рентгеновских снимков……………………………………………………. 11 1.2 Интраоральная панорамная рентгенография……………………….. 18 1.3 Достоинства и недостатки ортопантомографического и интраорального способов панорамной рентгенодиагностики………….. 25 2 СПОСОБЫ УВЕЛИЧЕНИЯ ДИАГНОСТИЧЕСКОЙ ЦЕННОСТИ ИНТРАОРАЛЬНЫХ ПАНОРАМНЫХ РЕНТГЕНОВСКИХ СНИМКОВ………………………………………….. 33 2.1 Специализированный шаблон-держатель для минимизации геометрических искажений интраоральных панорамных рентгеновских снимков……………………………………………………. 33 2.2 Программный способ коррекции геометрических искажений……. 40 3 ОСОБЕННОСТИ УСЛОВИЙ СЪЕМКИ И ИХ ВЛИЯНИЕ НА ДОЗУ ОБЛУЧЕНИЯ ПАЦИЕНТОВ………………………….……… 60 3.1 Медицинское облучения населения………………………………… 60 3.2 Особенности определения эффективной дозы облучения пациентов…………………………………………………………………... 63 3.3 Метод моделирования рентгенодиагностических снимков………. 68 4 ЭКСПЛУАТАЦИОННЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ АППАРАТУРЫ ДЛЯ РЕАЛИЗАЦИИ МЕТОДА ИНТРАОРАЛЬНОЙ ПАНОРАМНОЙ РЕНТГЕНОГРАФИИ……………………………………………………… 95 4.1 Характеристики поля облучения……………………………………. 95 2 4.2 Особенности контроля эксплуатационных параметров интраоральных панорамных рентгеновских аппаратов………………… 101 4.3 Радиационная защита персонала при панорамных рентгенодиагностических исследованиях……………………………….. 109 ЗАКЛЮЧЕНИЕ………………………………………………………. 118 СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ…………………. 120 ПРИЛОЖЕНИЕ 1. Акты внедрения………………………………… 127 ПРИЛОЖЕНИЕ 2. Прицельная рентгенография…………………... 131 ПРИЛОЖЕНИЕ 3. Физико-математическая модель, использованная при разработке методики моделирования рентгенодиагностических снимков………………………………………. 140 3 ВВЕДЕНИЕ Актуальность работы В настоящее время рентгенография остается основным способом диагностики заболеваний зубочелюстной системы. При этом, с учетом стабильного роста заболеваний полости рта, значение высокоэффективной аппаратуры для диагностики в стоматологии и челюстно-лицевой хирургии возрастает. Кроме того, в связи с непрерывным повышением уровня техногенного облучения населения, увеличивается интерес к способам рентгенодиагностики, позволяющим повысить информативность получаемых снимков для врачей рентгенологов и, одновременно, снизить эффективную дозу облучения пациентов. На сегодняшний день большинство разработчиков современных стоматологических рентгеновских аппаратов пошло по пути совершенствования характеристик оборудования (улучшения разрешающей способности цифровых систем визуализации, повышения мощности дозы рентгеновского излучения с целью снижения длительности проведения исследования и т.д.). Вместе с тем остается недостаточно изученным вопрос совершенствования малораспространенных методов проведения диагностики в стоматологии, в том числе – интраоральной панорамной рентгенографии. Научный задел, созданный ведущими отечественными учеными – Н.Н. Блиновым (ст.), Н.Н. Блиновым (мл.), Ю.А. Быстровым, Ю.В. Варшавским, А.Ю. Васильевым, Л.В. Владимировым, В.Я. Голиковым, М.И. Зеликманом, С.А. Ивановым, С.И. Ивановым, Б.М. Кантером, Н.А. Карловой, В.В. Клюевым, Э.Б. Козловским, Б.И. Леоновым, А.И. Мазуровым, Н.Н. Потраховым, Г.И. Прохватиловым, Н.А. Рабухиной, Р.В. Ставицким, М.Л. Таубиным, Г.Е. Труфановым, В.Л.Ярославским и др. – позволяет реализовать возможности современной рентгенодиагностической аппаратуры. Таким образом, реализация возможности проведения исследований с повышением информативности рентгеновских снимков и одновременным снижением дозы облучения пациентов в стоматологии 4 является, с одной стороны, современной необходимостью для врачей, а, с другой – актуальной научной задачей для разработчиков рентгеновской аппаратуры. Необходимость медицинских внедрение проведения исследований, в направленных клиническую высокоинформативных широкого практику способов круга на физических совершенствование новых проведения малодозовых и и и рентгенодиагностических исследований в стоматологии и челюстно-лицевой хирургии позволила определить цель работы – повышение эффективности интраоральных панорамных рентгенодиагностических систем. Для достижения поставленной цели были решены следующие теоретические и практические задачи: - создана физическая модель процесса формирования дентальных рентгеновских снимков на основе комплексного учета параметров источника и приемника излучения, а также рентгенооптической схемы съемки, и разработано ее подробное математическое описание; - разработан метод коррекции геометрических искажений интраоральных панорамных рентгеновских снимков и компьютерная программа для его реализации, существенно упрощающая работу врачаимплантолога; - на основе комплексного анализа технических особенностей и эксплуатационных характеристик современной рентгенодиагностической стоматологической аппаратуры для получения панорамных рентгеновских снимков предложен ряд технических решений, позволяющих повысить информативность рентгенодиагностических исследований ; - разработано программное обеспечение для расчета оптимальных режимов работы рентгенодиагностической стоматологической аппаратуры, обеспечивающих требуемое качество и информативность рентгеновских изображений; - разработан новый метод определения радиационной нагрузки при проведении интраоральной панорамной рентгенодиагностики. 5 Объект исследования – системы панорамной рентгенодиагностики в стоматологии и челюстно-лицевой хирургии. Предмет исследования – методическое, инструментальное и программно-аппаратное обеспечение средств интраоральной панорамной рентгенодиагностики. При решении поставленных задач применялись следующие методы исследования: обобщение данных в области разработки стоматологической рентгенодиагностической моделирование, аппаратуры, экспериментальные математический исследования с анализ и использованием современных методов визуализации рентгеновских изображений и образцов аппаратуры, созданной непосредственно в процессе выполнения работы. Результаты исследований согласуются между собой и с экспертными данными специалистов-рентгенологов, что подтверждает достоверность выводов и рекомендаций, сделанных в работе. В процессе работы были получены новые научные результаты: - разработана модель формирования теневого рентгеновского изображения, учитывающая физико-технические условия съемки; - предложен метод повышения точности определения геометрических размеров элементов зубочелюстного ряда путем корректировки интраоральных панорамных рентгеновских снимков; - научно обоснованы предложения по аппаратному совершенствованию интраоральных панорамных рентгенодиагностических систем; - разработан программный комплекс, позволяющий определять зависимость качества и информативности рентгеновских снимков от характеристик аппаратуры и режимов ее работы; - впервые предложен способ расчета дозы облучения при проведении интраоральной панорамной рентгенодиагностики. Практическая значимость работы подтверждается тем, что: - усовершенствована методика интраоральной панорамной рентгенодиагностики в стоматологии, апробация которой в ведущих 6 клиниках Северо-Запада России показала существенное повышение информативности снимков с одновременным снижением радиационной нагрузки на пациента и персонал; - подготовлены методические усовершенствованной методики рекомендации по интраоральной реализации панорамной рентгенодиагностики и расчету радиационной нагрузки при проведении рентгенодиагностических исследований в стоматологии. В результате проведенных экспериментальных и теоретических исследований на защиту выносятся следующие научные положения: 1. Метод коррекции панорамных интраоральных рентгеновских снимков на основе учета анатомических особенностей зубочелюстной системы позволяет повысить точность определения истинных размеров элементов структуры этой системы на 20 – 40%. 2. Учет особенностей рентгенооптической схемы интраоральной панорамной рентгенодиагностики на порядок и более повышает достоверность определения дозы облучения пациентов. 3. Методика моделирования рентгеновских изображений, комплексно учитывающая характеристики источника излучения, приемника изображения и параметры рентгенооптической схемы съемки, позволяет определять условия минимизации радиационной нагрузки на пациентов и персонал при достаточной для постановки диагноза информативности получаемых снимков. Клинические испытания новых аппаратно-методических комплексов для интраоральной панорамной рентгенодиагностики и их внедрение в клиническую практику осуществлялось при стоматологии и непосредственном челюстно-лицевой участии автора. хирургии Указанные аппаратно-методические комплексы в настоящее время используются в лечебном процессе в Московском государственном медико- стоматологическом университете им. А.И. Евдокимова, Военно-медицинской 7 академии им. С.М. Кирова, а также в государственных и частных стоматологических клиниках России. Созданные в процессе работы методики и компьютерные программы для моделирования, обработки и коррекции снимков используются при подготовке дипломированных специалистов в учебном процессе на факультете электроники СПбГЭТУ, в ВМедА им. С.М. Кирова и в МГМСУ им. А.И. Евдокимова. Апробация работы проводилась на международных, всероссийских и региональных конференциях, съездах и научных форумах, среди которых: V Международный конгресс «Невский радиологический форум» (СанктПетербург, 2011), ХIII-ХV Международные НТК «Медико-технические технологии на страже здоровья» (Москва, 2011-2013), 64-68 НТК, посвященные Дню радио (Санкт-Петербург, 2009-2013), VIII РоссийскоБаварская конференция по биомедицинской инженерии (Санкт-Петербург, 2012), Межрегиональная НПК «Лучевая диагностика в стоматологии и челюстно-лицевой хирургии» (Москва, 2012), II Российско-германская конференция по биомедицинской инженерии (Ганновер, 2013). Разработанные при непосредственном участии автора рентгенодиагностические комплексы для стоматологии демонстрировались на международных и всероссийских выставках, в том числе «Российский промышленник» (Санкт-Петербург, 2010-2012), «Здравоохранение» (Москва, 2010), где неоднократно награждались дипломами и медалями. По теме диссертации опубликовано 17 печатных работ (из них 5 в рекомендованных ВАК изданиях), получены патент на изобретение, патент на полезную модель и 4 свидетельства о регистрации программы для ЭВМ. Структура и объем диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы (66 наименований) и 3 приложений. Основная часть работы изложена на 146 страницах машинописного текста, содержит 84 рисунка и 19 таблиц. 8 1. РЕНТГЕНОДИАГНОСТИКА В СТОМАТОЛОГИИ В ходе систематических исследований явлений, происходящих в разрядной трубке, Рентген сделал в 1895 году одно из важнейших открытий конца XIX века [1]. Он обнаружил, что если через стеклянную трубку с двумя впаянными электродами, из которой выкачан воздух до давления около 10 мм рт. ст., пропустить электрический ток, то из нее выходят особые, невидимые глазом лучи. Оказалось, что эти лучи обладают замечательными свойствами, большинство из которых было описано в его первых трех работах[2, 3]. К этим свойствам относятся: сильная проникающая способность; способность вызывать свечение некоторых тел; способность ионизировать газы; биохимическое действие на живой организм.[4] Все вышеназванные свойства рентгеновского излучения нашли применение в науке, технике, медицине и т.д. [5] Возможность изучения внутреннего строения объектов в первую очередь нашла свое применение в медицинской рентгенодиагностике – ни одну современную клинику невозможно представить без рентгеновских аппаратов для травматологии, ангиографии, современных флюорографов и томографов, а также комплексов для стоматологии и челюстно-лицевой хирургии. Современная диагностическая практика в стоматологии и челюстнолицевой хирургии предполагает назначение пациенту при его первичном обращении к стоматологу трех-четырех дентальных рентгеновских снимков – одного панорамного (обзорного) и двух-трех прицельных внутриротовых (интраоральных) [6,7]. Панорамный снимок содержит изображение полного зубного ряда (статуса) обеих челюстей от одного мыщелкого отростка до другого, включая прилегающие анатомические структуры (рис. 1.1), прицельный же – изображение 2-4 отдельных зубов или участка челюсти (рис. 1.2) [8]. 9 Рис 1.1. Панорамный снимок (уменьшенный) Панорамный снимок позволяет оценить общее состояние зубочелюстной системы и выявить «проблемные» зоны. Прицельный – уточнить, в случае необходимости, диагноз, проконтролировать ход лечения и оценить его результаты. Прицельный способ получения стоматологических рентгеновских снимков описан в ПРИЛОЖЕНИИ 2. Рис 1.2. Прицельный снимок 10 Теоретически, информацию о полном зубном статусе пациента можно получить и с помощью прицельного дентального аппарата. Для этого достаточно выполнить 12-16 рентгеновских снимков отдельных участков верхней и нижней челюстей, однако, эффективная доза облучения пациента будет в этом случае неоправданно высока. Поэтому для рентгенологических обследований зубочелюстной системы используются специализированные панорамные дентальные аппараты. 1.1. ОРТОПАНТОМОГРАФИЧЕСКИЙ СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ ПАНОРАМНЫХ РЕНТГЕНОВСКИХ СНИМКОВ Среди современных челюстно-лицевой области методов рентгенодиагностики широкое применение заболеваний получил метод компьютерной ортопантомографии, позволяющий не только диагностировать патологию, но и при объективном анализе избирать рациональный план лечения. Для реализации ортопантомографического способа, предложенного в 1934 году, и получившего широкое распространение на практике, начиная с 1949 [9], голова пациента помещается на одной оси между источником излучения (рентгеновской трубкой) и приемником изображения (например, кассетой с рентгеновской пленкой )(рис. 1.3). Трубка и кассета, расстояние между которыми составляет около 500 мм, в процессе выполнения снимка синхронно движутся вокруг головы пациента, описывая сложную кривую. Рентгеновское излучение последовательно проходит через все анатомические структуры головы и фиксируется на приемнике изображения, время экспозиции составляет более десяти секунд [10]. 11 Штанга Крепление кронштейна Вращающийся кронштейн y Штанга x Приемник Рентгеновская трубка Голова пациента (лицом к штанге) Вид сверху Рис. 1.3. Схема ортопантомографического способа съемки В итоге на ортопантомографическом снимке (ортопантомограмме) отображается выделенный слой сфокусированного изображения челюстнолицевого отдела (рис. 1.4) [11]. Резкость изображения зубных рядов и прилегающих анатомических структур будет определяться формой и толщиной выделенного слоя. Очевидно, что в идеальном случае конфигурация выделенного слоя должна совпадать с конфигурацией зубочелюстной системы. С целью обеспечения необходимой резкости получаемого изображения траектория движения трубки, вследствие сложной анатомической формы челюстей, неоднократно меняется. В современных моделях ортопантомографов реализовано три и более локальных центров вращения источника излучения и приемника изображения (рис. 1.5) [10]. 12 Рис. 1.4. Пример конфигурации выделенного сфокусированного изображения Рис. 1.5. Схема ортопантомографического способа съемки с тремя центрами вращения (01, 02, 03) системы источник излучения (1) – приемник изображения (2) Ширина выделенного слоя оптимизируется для каждой конкретной области зубочелюстной системы, что позволяет повысить контраст изображения. В общем случае на ортопантомографическом снимке получается вся зубочелюстная система практически без линейных искажений, что является одним из важнейших достоинств метода. Помимо изображения челюстных костей, зубных рядов, полости носа, верхнечелюстных синусов и т.д. 13 присутствуют также изображения костей черепа, шейного отдела позвоночного столба, мягких тканей головы. Отдельные органы могут повторяться на ортопантомограмме два или три раза (рис. 1.6). Изображение зубных рядов несколько увеличено, причем неодинаково для центральных и боковых отделов нерезкость челюстей. изображения Следует вследствие отметить также размазывания значительную передних отделов челюстей [12]. Рис. 1.6. Ортопантомограмма, на которой присутствуют тени несколько изображений одного и того же объекта (позвоночник) Диагностические возможности этого метода достаточно широки, однако до настоящего времени оценка ортопантомограмм осуществляется визуально, без количественного анализа, а значит, в определенной степени субъективно. Количественный анализ ортопантомограмм возможен только при нанесении контрольных (вертикальных и горизонтальных) линий отсчета, позволяющих получать линейные и угловые величины с последующим их использованием для изучения соотношения челюстей, зубных рядов и зубов, анализа положения элементов, степени деформации или смещения нижней челюсти. 14 Ортопаномограммы получают на панорамных томографах 1-го поколения с использованием обычной рентгеновской пленки, а также на аппаратах последнего поколения, осуществляющих съемку в цифровом режиме. Обычные ортопантомографы 1-го поколения имеют ряд существенных недостатков: не имеют автоматического выбора параметров экспозиции, выбора оптимальной дозы облучения, архивирования изображений. Они имеют 1-2 программы обеспечения съемки, постоянную траекторию движения орбиты и не достаточно надежную фиксацию аппарата и позиционирования головы пациента. Ортопантомограммы, полученные на рентгеновской пленке не всегда и не во всех участках имеют четкое изображение: нижние края орбит, суставные головки и наружный слуховой проход иногда не попадают в зону съемки, что не позволяет проводить горизонталь, необходимую для графического анализа ортопантомограмм. При всех видах панорамной дентальной рентгенографии, в том числе ортопантомографии (зонографии), достаточно сложно контролировать взаимное положение пациента и источника излучения. Это предопределяет индивидуальные анатомических искажения деталей, размеров которые и соотношение сравнительно просто отдельных оцениваются рентгенологами, но не всегда понятны клиницистам. Достаточно трудно добиться идентичности снимков. Ортопантомографы с компьютерным обеспечением представляют разнообразные возможности для проведения функциональной диагностики на четких высокоинформативных изображениях. Архивирование изображения выполняется компьютером и позволяет в различных режимах менять плотность, изображение. контрастность Съемка и осуществляется масштаб, только сохраняя исходное скоординированными медленными круговыми движениями, причем орбита съемки постоянно смещается. Траектория движения рассчитывается индивидуально для каждого пациента микропроцессорами. 15 Для получения качественных ортопантомограмм необходимо точное и надежное позиционирование пациентов. Оно достигается 3-х точечной системой фиксации (рис. 1.7). Специальная накусочная пластинка (рис. 1.8) или контактный сегмент, подбородочная, височные и лобные опоры обеспечивают надежную фиксацию головы пациента. Благодаря световому центратору можно быстро и точно определить Франкфуртскую горизонталь – линию (плоскость) для ориентации головы перед получением ортопантомограмм, являющейся одной из основных цефалометрических плоскостей, которая проходит через нижнеглазничную точку и верхний полюс костного наружного слухового прохода и срединную сагитталь, проходящую через середину носа, между центральными резцами, по шву твердого неба [13]. Это исключает размытость изображения и ―техническую‖ асимметрию элементов. Рис. 1.7. Трехточечная система фиксации 16 Рис. 1.8. Специальная накусочная пластинка Цифровые ортопантомографы по окончании съемки высвечивают все установленные параметры, время и дату съемки на цифровом индикаторе. Записывается установка аппарата по высоте, настройка лобовой скобы и ростровый размер височных опор. Это дает возможность при повторной съемке даже через большой промежуток времени восстановить все соответствующие параметры настройки аппарата. Цифровые аппараты более компактны, экономят время и значительно снижают лучевую нагрузку. Такие аппараты для панорамной съемки уменьшают дозу облучения по сравнению с обычными пленочными аппаратами на 30-70 %. Большое диагностическое значение в сочетании с другими рентгенографическими методами исследования имеют ортопантомограммы при выявлении различных новообразований и диспластических поражений челюстей. Они позволяют прослеживать распространение новообразований из челюстных костей в мягкие ткани подчелюстной области, в зону челюстно – язычного желобка и боковые отделы глотки. При воспалительных поражениях ортопантомограммы помогают диагностировать первичный очаг 17 поражения и выявить патологические изменения вокруг зубов, подлежащих хирургическому лечению, констатировать развитие остеомиелита или гайморита. Кроме того, ортопантомограммы можно и целесообразно использовать для поиска малосимптомных одонтогенных и неодонтогенных заболеваний челюстно – лицевой области [14]. 1.2. ИНТРАОРАЛЬНАЯ ПАНОРАМНАЯ РЕНТГЕНОГРАФИЯ При интраоральном панорамном способе, впервые предложенном в Германии в 70-х годах прошлого века [15], но практически реализованном в нашей стране начиная с 1997 года [16], вынесенный анод рентгеновской трубки помещается в ротовую полость, а гибкая кассета с рентгеновской пленкой располагается снаружи и плотно прижимается к лицевому отделу головы (рис. 1.9). Расстояние между фокусным пятном трубки и кассетой, в зависимости от анатомических особенностей строения челюстей и толщины мягких тканей лицевого отдела головы, составляет 60-90 мм [17]. Приемник излучения Челюстно-лицевой отдел Исследование верхней челюсти Источник излучения Исследование нижней челюсти Рис. 1.9. Схема панорамного интраорального способа съемки верхней и нижней челюстей Рентгеновское излучение в виде расходящегося пучка выходит из ротовой полости через зубочелюстную систему и попадает на пленку. Время 18 экспозиции составляет менее секунды. Поскольку фокусное пятно максимально приближено к зубному ряду, а пленка удалена от зубов на толщину мягких тканей, изображение на снимке увеличено в среднем в полтора-два раза. При этом для каждого участка челюсти и каждого зуба создаются различные проекционные соотношения, однако при соблюдении стандартных условий рентгенографии и правил укладки можно получить идентичные снимки одного и того же пациента[18]. По мнению рентгенограммы ведущих имеют российских специалистов преимущество перед панорамные традиционными внутриротовыми снимками по богатству деталями изображения структуры костей и твердых тканей зубов [19]. На панорамных снимках хорошо видны полости зуба, корневые каналы, периодонтальные щели, межальвеолярные гребни и костная структура не только альвеолярных отростков, но и тел челюстей. Отчетливо выявляются альвеолярная бухта и нижняя стенка верхнечелюстной пазухи, нижнечелюстной канал и основание нижнечелюстной кости. С помощью панорамных снимков диагностируется кариес и его осложнения, кисты различных типов, новообразования, повреждения челюстных костей и зубов, воспалительные и системные поражения. У детей хорошо определяется положение и состояние зачатков зубов. К достоинствам панорамной рентгенографии относят также возможность легко ориентироваться в характере костных изменений и рано выявлять их наличие во всех участках обеих челюстей [20]. На снимках хорошо видны полости зуба, корневые каналы, периодонтальные щели, межальвеолярные гребни и костная структура не только альвеолярных отростков, но и тел челюстей. Отчетливо выявляются альвеолярная бухта и нижняя стенка верхнечелюстной пазухи, нижнечелюстной канал и основание нижнечелюстной кости. Уверенно диагностируются кариес и его осложнения, кисты различных типов, новообразования, повреждения челюстных костей и зубов. 19 Специальные исследования, проведенные в ряде научных центров страны, в том числе Институте радиационной гигиены (Санкт-Петербург), показали, что лучевая нагрузка на пациента, обслуживающий персонал и окружающую среду при интраоральном способе получения панорамных дентальных изображений существенно ниже, чем при ортопантомографическом [21]. Так, например, экспозиция при съемке на ортопантомографическом аппарате составляет в среднем 100 мАс при напряжении 60-80 кВ. Максимальная же экспозиция на интраоральном панорамном аппарате не превышает 0,15 мАс при напряжении 55-65 кВ [22]. Достаточно широкое распространение в России в свое время получил рентгенодиагностический аппарат «Статус-Х». Основной его особенностью явилась возможность получения рентгенограмм полного зубного ряда отдельно верхней или нижней челюстей. Аппарат «Статус-Х» имел фиксированный ток 1 мА, напряжение 55 кВ, а выдержка при использовании усиливающих экранов варьировалась от 0,1 до 2 с. Аппарат располагал набором кассет как для прямой, так и для боковой рентгенографии челюстей. Именно это обстоятельство явилось решающим при разработке первого отечественного панорамного дентального аппарата и, соответственно, создании на его основе малодозовой методики рентгенологических исследований челюстно-лицевого отдела головы. Во время аппарата разработки «Статуса-Х» использовались обычные рентгеновские трубки. За счет этого не удавалось получить резкое изображение. Только с приходом микрофокусных рентгеновских трубок эту проблему удалось устранить. Примером реализации аппаратуры для внутриротовой съемки с микрофокусной трубкой является разработанная в России серия микрофокусных рентгеновских аппаратов «ПАРДУС» (производство ЗАО «ЭЛТЕХ-Мед»), внешний вид одного из аппаратов серии представлен на рисунке 1.10 [23]. 20 Основная отличительная особенность аппаратов серии «ПАРДУС» – использование микрофокусных трубок (диаметр фокусного пятна менее 0,1 мм), что позволяет обеспечить резкое изображение мелких деталей объекта съемки. В состав аппаратов серии входит излучатель-моноблок на основе микрофокусной рентгеновской трубки 0,01БД27-90, БС-6 или БС-13 [24, 25], микропроцессорный пульт управления и специализированный штатив. В качестве системы визуализации могут быть использованы как рентгеновская пленка в композиции с одним или двумя усиливающими экранами, так и современные цифровые рентгенографические приемники. Рис. 1.10. Рентгенодиагностический аппарат «ПАРДУС-02» : 1 – пульт управления; 2 – моноблок; 3 – основание штатива; 4 – стойка вертикальная; 5 – штанга горизонтальная; 6 – скоба; 7 – опора с колесом 21 В отличие от аппарата «Статус-Х» аппараты серии «ПАРДУС» предназначены для выполнения прямых обзорных снимков обеих челюстей одновременно или боковых панорамных снимков челюстно-лицевого отдела, а также прицельных снимков отдельных участков челюстей. С этой целью на анодную трубу надевается специальный тубус, позволяющий получить направленный поток излучения, необходимый для выполнения прицельных снимков. На рисунке 1.11 показаны способы выполнения укладок для получения панорамного или прицельного (с использованием тубуса) снимков. На рисунке 1.12 приведены примеры полученных снимков. а б Рис. 1.11. Панорамная (а) и прицельная (б) съемки на аппарате «ПАРДУС-02» Существенная особенность аппаратов серии «ПАРДУС» - сниженная, по меньшей мере, в 5 раз радиационная нагрузка на пациента по сравнению с известными зарубежными аппаратами аналогичного назначения. Снижение эффективной микрофокусной дозы облучения трубки, достигается позволяющей за получать счет использования высококонтрастное изображение при значительно сниженной экспозиционной дозе [26]. В ходе клинической апробации аппарата, проведенной в ряде ведущих учреждений Российской Федерации, были определены физико-технические условия панорамной и прицельной внутриротовых дентальных съемок (таблица 1.1). 22 Таблица 1.1. Значения напряжения и экспозиции при различных условиях регистрации Панорамная Прицельная съемка съемка Тип приемника изображения Кассета с Кассета с Безэкран- усиливающим усиливающ ная пленка экраном им экраном Рентгеновидеограф Напряжение, кВ 55-60 65-70 50-55 65-70 Экспозиция, мАс 0,04-0,06 0,2-0,3 0,05-0,08 0,01-0,03 Рис. 1.12. Панорамный снимок, полученный на аппарате «ПАРДУС-02» Основными показаниями к использованию в клинической практике интраоральной панорамной рентгенографии являются: 1) оценка состояния зубов с определением качества эндодонтического лечения у пациентов с множественными кариозными процессами; 2) определение костно-деструктивных изменений в периапикальных областях; 3) диагностика и контроль лечения кистовидных образований челюстей, преимущественно во фронтальном отделе; 23 4) диагностика и контроль костно-реконструктивных вмешательств у пациентов с врожденными расщелинами альвеолярного отростка; 5) определение процессов остеорепарации в послеоперационный период. Интраоральная панорамная рентгенография позволяет получить общее представление о состоянии зубочелюстной области, определить наличие кариозных изменений, вторичных кариозных дефектов под пломбами и под коронками, выявить патологические изменения в периапикальных областя, а также диагностировать кистовидные образования во фронтальных отделах челюстей, которые в 50% случаях не были выявлены по данным ортопантомографии. В ходе обследования пациентов с врожденными расщелинами альвеолярного отростка более отчетливо дифференцировались костные дефекты альвеолярного отростка, выявлены нарушения положений зубов на уровне расщелины, признаки резорбции кортикальных пластинок альвеолы, ороназальные соустья и сверхкомплектные зубы. В послеоперационном периоде определялись осторепративные процессы у пациентов с кистовидными образованиями, а также после костнореконструктивных альвеолярной дуги вмешательств верхней по челюсти восстановлению у пациентов непрерывности с врожденными расщелинами альвеолярного отростка. Первые признаки остеоинтеграции по данным интраоральной панорамной рентгенографии с увеличением наблюдались уже через 1 месяц после операции, хорошо дифференцировались костные балки по периферии. Отсутствие признаков репарации или резорбция костно-пластических материалов расценивалась как неблагоприятный вмешательства [27]. 24 исход оперативного 1.3. ДОСТОИНСТВА И НЕДОСТАТКИ ОРТОПАНТОМОГРАФИЧЕСКОГО И ИНТРАОРАЛЬНОГО СПОСОБОВ ПАНОРАМНОЙ РЕНТГЕНОДИАГНОСТИКИ Особенностью ортопантомографии является сложность расшифровки изображения. Ортопантомограмма представляет собой своеобразный снимок, на котором наряду с изображением челюстных костей зубных рядов, полости носа, верхнечелюстных синусов присутствуют тени этих же анатомических структур, искаженные по форме и размерам. Установлено, что увеличение объектов по вертикали обусловливается соотношением расстояний фокус пленка и объект - пленка. В среднем объекты выделяемого слоя увеличиваются в этом направлении на 29 - 35 % в зависимости от индивидуальных особенностей строения челюстей. Дисторсия изображения по ширине в основном определяется скоростью движения рентгеновской трубки и внутри выделяемого слоя колеблется от 30 до 46 %. Степень увеличения изображения на ортопантомограммах неодинакова в центральных и боковых отделах челюстей и при использовании аппаратов разных конструкций варьируется в диапазоне от 7 до 32 %. При этом по вертикали объекты увеличиваются гораздо меньше, чем по горизонтали. Следовательно, имеет место не только увеличение, но и деформация анатомических структур. Степень увеличения зависит от локализации объекта по отношению к выделяемому слою. Анатомические образования, расположенные ближе к оси вращения, деформируются и увеличиваются преимущественно в горизонтальном направлении, а удаленные от нее - в вертикальном. Вертикальные изменения размеров определяются углом расхождения излучения от фокусного пятна рентгеновской трубки, а горизонтальные зависят от скорости движения пленки по отношению к центру вращения. При постоянном расстоянии фокусное пятно – пленка во время снимка расстояние фокусное пятно – объект постоянно меняется, что и приводит к дисторсии изображения. Отдельные объекты могут отображаться 25 на пленке 2 и даже 3 раза (на своей стороне, в центре пленки и на противоположной стороне). Имеется несколько принципиально различных типов ортопантомографов с одной-тремя осями вращения и плавающим центром вращения осуществляться как трубки. в Движение направлении кассеты вращения с пленкой трубки, может так и в противоположном, что влияет на горизонтальную длину изображения. В современных ортопантомографах с микропроцессорным управлением имеется возможность программной коррекции траекторий, панорамирования с учетом индивидуальных особенностей пациента (например - широкая челюсть, низкая челюсть, острая челюсть и т. д.), вводимой вручную. При ортопантомографии имеют место бесполезные, неясные участки, возникающие из-за теней объектов вне слоя изображения (так называемые избыточные тени - артефакты). Типичными избыточными тенями являются следующие анатомические нижнечелюстной кости, структуры: подъязычная шейный кость, позвонок, искусственные отросток объекты (металлические коронки зубов и т. д.). Кроме того, слой изображения, точнее толщина слоя, выделяемого на рентгенограмме - понятие неоднозначное. Под выделяемым слоем часто понимают зону в пространстве объекта, которая отображается на рентгенограмме наиболее резкой. Толщина слоя зависит от траектории движения, свойств экрана, размеров фокусного пятна и меняется по мере движения системы излучатель-приемник. Чрезмерно большая ширина слоя зашумляет изображение органа, чрезмерно малая не позволяет получить изображение органа целиком. Использование микропроцессорного управления позволяет найти компромисс в каждом конкретном случае путем использования одного из нескольких алгоритмов, занесенных в память блока управления Избыточные изображения уменьшают диагностическое значение и качество рентгенографии. Уменьшить образование избыточных теней за счет оптимального передвижения вращающегося центра рентгеновского луча и 26 перемещения пленки с переменной скоростью, что позволяет получить постоянный контраст снимка и снятие избыточных теней. Не существует однозначности в понятиях качества изображения при ортопантомографии. Отсутствуют как международные рекомендации по стандартизации (МЭК), так и отечественные стандарты. Можно считать, что основными характеристиками изображения в ортопантомографии являются: толщина слоя изображения; коэффициент увеличения для центральной линии выделяемого слоя изображения. Коэффициент увеличения зависит от геометрических расстояний: фокусное пятно источника излучения – центральная линия слоя – регистрирующая пленка, и является величиной переменной, как по вертикали снимка, так и по горизонтали; дисторсия, величина которой зависит от изменения отношения коэффициентов увеличения в горизонтальной и вертикальной проекциях снимка. Дисторсия может быть линейной, угловой и плоскостной; ортогональность, то есть отклонение от ортогональности падающего луча излучения к плоскости выделяемого объекта каждый момент перемещения системы излучательприемник [28]. Все описанные выше факторы не позволяют однозначно оценить качество изображения и его информативность. Тем не менее, в последние годы появилась и уже успешно применяется на практике методика оценки качества изображения, основанная на определении информативности изображения по количеству информативных участков [29-31]. В основу способа визуализированного положено рентгеновского понятие информативного изображения, под участка которым подразумевается малый участок рентгенограммы, несущий информацию о структуре объекта исследования. Суть предложенного способа заключается в следующем. Анализируемое изображение разбивается на элементарные участки определенной формы, например, квадратные. Размер стороны такого участка в случае аналоговой системы преобразования изображения выбирается (в 27 миллиметрах) равным характерному размеру самой малой детали объекта, подлежащей выявлению, а в случае цифровой системы (в пикселях) - равным числу пикселей, приходящихся на размер минимальной детали объекта. Для каждого участка можно определить его среднюю яркость, тогда визуализированное изображение может быть представлено в форме некоего «рельефа яркости» (рис. 1.13), соответствующего распределению интенсивности рентгеновского излучения (несущего информацию об объекте) в плоскости входного окна системы визуализации [32, 33]. а б Рис. 1.13. Визуализированное рентгеновское изображение (а) и его «рельеф яркости» (б) Для анализа ортопантомограммы, полученной традиционным пленочным способом, необходимо представить ее в цифровом виде путем сканирования. При сканировании в соответствии с динамическим диапазоном сканера определяется самая светлая - «белая» и самая темная «черная» точки изображения. Если диапазон оптических плотностей почернения оригинала превышает динамический диапазон сканера, то оптические плотности, выходящие за пределы динамического диапазона сканера будут «отсечены». Весь интервал оптических плотностей сканера разбивается на элементарные ячейки в соответствии с оптическим разрешением сканера. Для каждой ячейки определяется значение оптической 28 плотности (для 8-битного сканера – 256 градаций серого). Очевидно, что чем шире динамический диапазон и чем выше битовая разрядность представления сканера, тем более тонкие контрастные переходы в изображении сможет распознать сканер, хотя, с учетом того, что на реальных рентгенограммах человеческий глаз в состоянии различать не менее, чем 35% перепад контраста, 256 градаций 8-битного сканера обычно оказывается вполне достаточно для оценки качества изображения. При сканировании двух рентгенограмм для целей сравнительного анализа необходимо в обоих случаях использовать максимально возможные установки оптического разрешения и битовой глубины оцифровки. Для достижения идентичности сканирования необходимо производить оцифровку обеих рентгенограмм на одном и том же устройстве, в одних и тех же условиях. Важно подготавливать оригиналы для сканирования таким образом, чтобы они не содержали артефактов и повреждений, в виде царапин, например, которые могут быть восприняты сканером как «белая точка», в результате чего разбиение на градации серого будет произведено не в соответствии с реальным диапазоном оптических плотностей снимка, а с учетом артефакта. Для систем, позволяющих сразу получать оцифрованное рентгеновское изображение (рентгеновидиконов, рентгеночувствительных ПЗС-матриц и т.п.) разрешающая способность будет определяться числом пикселей на миллиметр изображения. Поскольку при анализе оцифрованного изображения (на мониторе) имеется возможность увеличивать его до любого размера (вплоть до того, что становятся видны границы отдельных пикселей) целесообразно считать размер единичного информативного участка равным минимальной детали объекта исследования. Суть описываемого метода заключается в следующем. Яркость каждого участка сравнивается с яркостью соседнего участка по горизонтали и по вертикали. Если имеется два соседних информативных участка изображения (пикселя), удовлетворяющих условию 29 2 I1 I 2 C min , 256 (1.1) где I1 и I2 – соответственно плотности почернения (в диапазоне от 0 до 255 для 8-битного изображения), а Cmin – минимально воспринимаемый контраст (0.03 для реальных медицинских рентгенограмм), то информативность рентгенограммы повышается на условную единицу. Сравнивая все соседние пиксели попарно между собой по вертикали и горизонтали можно определить индекс, характеризующий данную рентгенограмму. Поскольку рентгенограммы (ввиду их размеров) могут иметь различное число пикселей, то целесообразно, для сравнения различных рентгенограмм использовать значение индекса приведенное к площади изображения, например для изображения 100×100 пикселей, значение индекса принимается равным 104. Представленная ниже формула показывает реализацию описанных выше условий xmax ymax 2 ( I x,y I x,y 1 ) if Cmin ,1,0 256 x 0 y 0 Q xmax ymax 2 ( I x,y I x,y 1 ) if Cmin ,1,0 256 x 0 y 0 104 x y 104 x y . (1.2) Здесь xmax и ymax – число пикселей в строке и столбце соответственно, Ix,y – плотность почернения пикселя с координатами x и y. При выполнении условия неравенства для двух соседних пикселей, к общему информационному индексу Q прибавляется единица, в противном случае – ноль. Множитель пикселей 10 4 x y , определяющий, сколько квадратов размером 100х100 содержится нормировать в анализируемой информационный рентгенограммы. Первое индекс слагаемое вне рентгенограмме, зависимости формулы позволяет позволяет от произвести сравнение соседних пикселей по горизонтали, второе – по вертикали. 30 размера Таким образом, описываемый способ позволяет оценить каждую рентгенограмму неким индексом, однозначно характеризующим число информативных (различимых) участков на ней, что, в отличие от известных способов, позволяет объективно сравнивать рентгеновские снимки объектов, полученные на различных аппаратах при реализации различных рентгенооптических схем и режимов съемки без использования каких-либо специальных тест-объектов. Что касается интраоральной панорамной съемки, то еѐ отличительными особенностями является: высокая четкость изображения за счет использования микрофокусных рентгеновских трубок, низкая радиационная нагрузка (ортопантомограф – 60-90 кВ, 5-16 мА, интраоральная рентгенография – 50-70 кВ, 100-150 мкА), а при использовании специальной свинцовой диафрагмы удается сделать излучение направленным, без воздействия на головной мозг и мягкие ткани вокруг челюсти. Основным недостатком интраоральной панорамной съемки является неравномерное увеличение изображения различных участков челюстей – вследствие неравномерного изменения расстояния фокусное пятно – зубочелюстной ряд и зубочелюстной ряд – рентгеновская пленка. Увеличение изображения зубов при панорамной съемке составляет от 1,2 для передних зубов до 2 и более для боковых зубов. Для сравнения, как уже отмечалось выше, в различных моделях ортопантомографов увеличение изображения зубного ряда практически одинаково на всем его протяжении и составляет 1,1 – 1,4. Разница в коэффициенте увеличения изображения различных зубов обусловлена тем, что при проведении панорамной съемки на интраоральном аппарате источник излучения находится на неодинаковом расстоянии от исследуемых зубов, а участки рентгеновской пленки, накладываемой на мягкие ткани лица, также располагаются на различном расстоянии от соответствующих участков зубного ряда. Геометрическая схема возникновения неравномерного увеличения изображения показана на рисунке 1.14. 31 Граница мягких тканей 1 см А В Рентгеновская пленка B Фокусное пятно Рис. 1.14. Схема возникновения увеличенного изображения при интраоральной съемке Очевидно, что в направлении А расстояние от фокусного пятна до зубного ряда будет в три-четыре раза превышать расстояние от зубного ряда до соответствующего участка пленки, то есть коэффициент увеличения 1-го и 2-го зубов будет составлять примерно 1,2 – 1,3. В направлении В расстояние фокусное пятно-зубы меньше, чем расстояние зубы-пленка и коэффициент увеличения для этого участка составляет около 2-х. Этот недостаток внутриротовой рентгенографии не имеет практического значения при диагностировании большинства заболеваний, однако весьма неудобен, когда необходимо достаточно точно знать линейные размеры зубов на данном участке, например, при имплантировании или протезировании. * Таким образом, все * * вышесказанное позволяет утверждать, что интраоральная панорамная рентгенография является сложившимся способом получения диагностической информации о состоянии всей зубочелюстной системы. Однако, он имеет некоторые недостатки, исследование возможностей устранения которых является весьма актуальной задачей. Особый интерес представляет исследование возможностей повышения информативности интраоральных панорамных рентгенограмм, а также снижения дозы облучения пациентов при проведении диагностических процедур. 32 2 СПОСОБЫ УВЕЛИЧЕНИЯ ДИАГНОСТИЧЕСКОЙ ЦЕННОСТИ ИНТРАОРАЛЬНЫХ ПАНОРАМНЫХ РЕНТГЕНОВСКИХ СНИМКОВ 2.1 СПЕЦИАЛИЗИРОВАННЫЙ ШАБЛОН-ДЕРЖАТЕЛЬ ДЛЯ МИНИМИЗАЦИИ ГЕОМЕТРИЧЕСКИХ ИСКАЖЕНИЙ ИНТРАОРАЛЬНЫХ ПАНОРАМНЫХ РЕНТГЕНОВСКИХ СНИМКОВ Как описано ранее, основным недостатком интраоральной панорамной съемки, является неравномерное увеличение изображения различных участков челюстей – вследствие неравномерного изменения расстояния фокусное пятно – зубочелюстной ряд и зубочелюстной ряд – рентгеновская пленка [33]. Существует метод, позволяющий устранить указанный недостаток [34]. Метод иллюстрируется рисунком 2.1. В связи с тем, что у взрослых пациентов форма челюсти при отсутствии патологий схожа, для ортопантомографии была использована усредненная кривая (кривая Хаулея), описывающая форму зубочелюстного ряда (сплошная линия, проходящая через зубной ряд на рис. 2.1). Эта линия достаточно точно описывает форму зубного ряда среднего взрослого человека. В связи с вышеизложенным, целесообразно отойти от традиционной методики интраоральной панорамной съемки, при которой пленка прикладывается непосредственно к лицу пациента, и располагать последнюю на определенном удалении от лица пациента, прижимая ее к специально изготовленному шаблону. По форме шаблон повторяет кривую среднестатистической челюсти, а по размерам выполнен таким образом, чтобы выполнялось условие равномерного увеличения рентгеновского изображения. Показанный на рисунке 2.1 шаблон обеспечивает увеличение примерно в 1,8 раза по всей длине зубного ряда. 33 1 см Граница мягких тканей Шаблон с рентгеновской пленкой В Фокусное пятно Рис. 2.1. Использование жесткого шаблона для устранения геометрических искажений интраоральных снимков Крепление шаблона, ввиду его простоты и малой массы, производится непосредственно на интраоральном панорамном аппарате (на рис 2.2 показан способ крепления шаблона и колпачка с нанесенными метками для закусывания передними зубами с целью однозначного определения величины заглубления анода в ротовую полость). Колпачок надевается на анодное окончание рентгеновской трубки и предназначен для Рис. 2.2. Модель размещения шаблона 34 Разработанный шаблон ориентирован на усредненный размер челюстей взрослого человека. Для проведения интраоральных рентгенологических исследований среди всех слоев населения, возможна разработка и комплектация выпускаемых интраоральных аппаратов набором шаблонов, ориентированных на различные размеры челюстей (взрослые и детские). Шаблон представляет собой инструмент, позволяющий выполнять интраоральные снимки с высокой точностью. В результате проработки конструкции с эргономической и технологической точки зрения были сформированы несколько вариантов шаблона. Для удобства помещения внутрь шаблона пленки в кассете используются выдвижные стенки. Это позволяет наиболее плотно прижать пленку к корпусу шаблона и, тем самым, получить изображение с минимальными геометрическими искажениями. На рисунках 2.3 и 2.4 представлена эскизная модель конструкции шаблона. Еѐ недостатком является неподвижность стенок в горизонтальной плоскости, что не позволяет сделать его универсальным для каждого пациента. а б Рис. 2.3. Эскиз шаблона для правильного расположения рентгеновской плѐнки во время проведения снимка: а – вид сверху, б – вид сбоку 35 Рис 2.4. Модель шаблона Перед размещением шаблона на аппарат, внутрь шаблона помещается рентгеновская плѐнка. Благодаря упругости стенок прижатие плѐнки к лицу пациента достаточно плотное. Несмотря на простоту конструкции, с помощью макета можно осуществить съемку челюсти пациента с высокой точностью. Для получения снимка лицо пациента необходимо поместить внутрь шаблона и закусить колпачок, размещенный на аноде на метке, которую укажет специалист. На рисунках 2.5, 2.6 приводятся рентгенограммы, выполненные традиционным способом (пленка прижималась непосредственно к лицу пациента) и с использованием специализированного шаблона-держателя. 36 а б Рис 2.5. Рентгеновский снимок челюстного ряда: а – без шаблона б - с шаблоном 37 а б Рис 2.6 Рентгеновский снимок челюстного ряда: а – без шаблона б - с шаблоном Из полученных снимков видно, что благодаря использованию шаблона на рентгенограмме удалось получить равномерное увеличение изображения челюстного ряда. 38 На рисунке 2.7 представлен снимок участка зубного ряда нижней челюсти, полученный с использованием макета шаблона. Метки в верхней части рисунка отражают масштаб увеличения изображения (расстоянием между двумя метками составляет 20 мм). Как известно, коэффициент увеличения изображения определяется из соотношения расстояний фокусное пятно – объект и объект – приемник излучения и может быть описан следующей зависимостью: K f1 f2 (2.1) f1 где К – коэффициент увеличения изображения, f1 – расстояние фокусное пятно – объект, f2 – расстояние объект – приемник излучения. Рис. 2.7. Снимок участка зубного ряда, полученный с использованием шаблона Хорошо заметно, что увеличение изображения зубного ряда на всем своем протяжении практически равномерно. Это подтверждается данными таблицы 2.1 Таблица 2.1. Значения коэффициента увеличения изображения № зуба Анатомический размер (перпендикулярно к оси пучка), мм Размер изображения, мм Коэффициент увеличения 1 5 9 1,8 2 5 9 1,8 3 7 13 1,85 4 7 12 1,71 5 7 12,5 1,72 6 7,5 13 1,78 7 10 18 1,8 8 11 - - 39 Средний коэффициент увеличения изображения зубов равен 1,8, среднеквадратическое отклонение при этом составляет 0,04. а коэффициент вариации 2,2%. Таким образом, использование подобного шаблона позволяет получать снимки полного зубочелюстного отдела без геометрических искажений. 2.2 ПРОГРАММНЫЙ СПОСОБ КОРРЕКЦИИ ГЕОМЕТРИЧЕСКИХ ИСКАЖЕНИЙ 2.2.1 Описание способа Несмотря на достаточно высокую точность и сравнительно простую реализацию описанного выше способа, использование специализированного шаблона для коррекции сопряжено с определенными трудностями. К ним, в первую очередь, относится необходимость изготовления нескольких шаблонов для разных типов зубочелюстной системы пациентов. В связи с этим перспективным представляется способ коррекции снимков основанный на программной обработке уже полученных рентгенограмм [36]. Как уже отмечалось, описать форму зубочелюстного ряда можно используя метод Хаулея-Герберта-Гербста. В челюстно-лицевой хирургии принято различать три основных типа челюстей пациентов – стандартный, узкий и широкий типы. Каждому из указанных типов соответствует своя кривая Хаулея (рис. 2.8). Таким образом, используя усредненную кривую для описания формы зубного ряда, можно рассчитать неравномерность увеличения изображения различных участков челюсти на рентгеновском снимке. Для подтверждения корректности такого описания были проведены экспериментальные исследования, в которых приняли участия более 30 человек. У всех испытуемых с помощью специальных инструментов производились измерения расстояния между мыщелковыми отростками нижней челюсти, а также выполнялись слепки зубного ряда. 40 Рис. 2.8. Основные типы зубо-челюстной системы пациентов: а – узкий тип; б – стандартный тип; в – широкий тип; г – соотношение кривых Хаулея для различных типов челюстей В описываемых исследованиях для получения интраоральных панорамных рентгенограмм использовалась система визуализации на основе экрана с памятью размером 150×300 мм, имеющего разрешающую способность 5 пар линий на мм. Нетрудно подсчитать, что размер получаемого изображения при таких характеристиках системы визуализации составит 1500×3000 пикселей. Используя формулу 2.1 можно построить следующие зависимости (по оси абсцисс отложена координата пикселя на приемнике изображения): 41 K, отн. ед. X Рис. 2.9. Зависимость коэффициента увеличения изображения от координаты в плоскости приемника для широкого типа зубо-челюстной системы K, отн. ед. X Рис. 2.10. Зависимость коэффициента увеличения изображения от координаты в плоскости приемника для стандартного типа зубо-челюстной системы 42 K, отн. ед. X Рис. 2.11. Зависимость коэффициента увеличения изображения от координаты в плоскости приемника для узкого типа зубо-челюстной системы Для построения функций, представленных на рисунках 2.9 – 2.11 берется несколько координат на приемнике изображения, затем от них через зубной ряд проводятся прямые до фокусного пятна и место пересечения этих прямых с кривой Хаулея принимается за точку расположение объекта. В дальнейшем задача сводится к интерполяции функции по известным точкам. Формулы, описывающие основные типы зубо-челюстной системы выглядят следующим образом: - для узкого типа 1,35 1013 Ky 1,29 10 6 X4 X2 8,08 10 2,40 10 4 10 X X3 (2.2) 1,85 - для стандартного типа 1,30 1013 Ky 1,23 10 6 X4 X2 7 ,81 10 1,84 10 4 10 X X3 1,90 (2.3) - для широкого типа Ky 1,27 1013 1,17 10 6 X4 X2 7,63 10 9,7 10 5 10 X X3 (2.4) 1,99 Таким образом, зная коэффициент увеличения каждого участка изображения, можно произвести его коррекцию анатомические размеры каждого отдельного зуба. 43 и восстановить 2.2.2 Требования к программе коррекции Разработка программы проводилась в соответствии со следующим техническим заданием: 1. Программа должна поддерживать следующие графические растровые форматы: - GIF (GraphicsInterchangeFormat); - JPEG и JPG (Joint Photographic Expert Group); - BMP (Bitmap). 2. Программа должна позволять редактировать оцифрованные рентгеновские снимки. В понятие редактирование входят следующие функции: - увеличение/уменьшение контраста; - уменьшение/увеличение яркости; - увеличение/уменьшение размера. 3. В программе должны быть реализованы следующие функции работы с файлами изображений: - функция открытия (загрузки) существующего файла; - функция сохранения файла с исходным именем; - функция сохранения файла с именем, отличным от исходного; - функция интерактивной справочной системы; - функция отображения названия программы. 4. Программа должна обеспечивать взаимодействие с пользователем посредством графического пользовательского интерфейса. 5. В программе должна быть реализована функция выбора типа зубочелюстной системы пациента. 6. В программе должна быть реализована возможность возврата к исходному изображению. 7. Время коррекции изображения не должно превышать 5 секунд. 44 2.2.3 Алгоритм программы Структурная схема работы программы представлена на рисунке 2.12. Начало Выбор изображения Загрузка изображения Выбор типа зубочелюстной системы Редактирование изображения Коррекция снимка Сохранение снимка Выход Рис. 2.12. Структурная схема работы программы После запуска программы пользователь выбирает изображение для коррекции. Если необходимо редактирование снимка, то пользователь может выбрать одну или несколько стандартных функций реализованных в программе. Далее происходит выбор типа зубочелюстной системы пациента. В зависимости от того, какой выбран тип, дальнейшие расчеты будут производиться по разным данным. Результатом действия основной функции программы является скорректированное изображение, которое в дальнейшем можно отредактировать, сохранить или просто закрыть. В дальнейшем возможны два варианта событий – пользователь продолжает работать с программой и выбирает новый снимок для коррекции или выходит из программы [37]. 45 2.2.4 Описание программы Написание программы производилось в специализированной среде разработки Qt. Qt – кросс-платформенный инструментарий разработки ПО на языке программирования C++. Позволяет запускать написанное с его помощью ПО в большинстве современных операционных систем путѐм простой компиляции программы для каждой ОС без изменения исходного кода. Включает в себя все основные классы, которые могут потребоваться при разработке прикладного программного обеспечивания, начиная от элементов графического интерфейса и заканчивая классами для работы с сетью, базами данных и XML. Qt является полностью объектно-ориентированным, легко расширяемым и поддерживающим технику компонентного программирования. Именно эти особенности данного продукта и обусловили выбор его в качестве инструментария для разработки описываемой программы. Главное окно программы изображено на рисунке 2.13. Рис. 2.13. Главное окно программы В соответствии с техническим заданием к проекту в программе реализован ряд функции по работе с изображениями. 46 Основная задача программы – обработка оцифрованных рентгеновских снимков. В связи с этим целесообразно привести реализацию основной функции коррекции снимка: void MainWindow::on_pushButton_clicked() { QGraphicsScene * graphicsScene = new QGraphicsScene(); ui->graphicsView->setScene(graphicsScene); if (FileName != "") { QPixmap pixNoScaled(FileName); QPixmap pixScaled(FileName); int height = pixNoScaled.size().height(); int width = pixNoScaled.size().width(); int widthPol = (int) width / 2; float * scaleArray = new float[width]; if (ui->comboBox->currentIndex() == 0) { for (int i = 0; i < width; i++) { scaleArray[i] = (0.000000223799904 * pow(i, 2) - 0.000671399711400 * i + 1.964848484848480)/1.45; } } else { if (ui->comboBox->currentIndex() == 1) { for (int i = 0; i < width; i++) { 47 scaleArray[i] = (0.000000214872535 * pow(i, 2) - 0.000644617604618 * i + 1.914242424242420) / 1.42; } } else for (int i = 0; i < width; i++) { scaleArray[i] = (0.000000246272246 * pow(i, 2) - 0.000738816738817 * i + 2.058787878787880) / 1.5; } } QImage image = pixNoScaled.toImage(); //QImage scaledImage = pixScaled.toImage(); uchar * line; uchar * scaledLine; for (int i = 0; i < height; i++) { line = image.scanLine(i); scaledLine = scaledImage.scanLine(i); for (int j = 0; j < width; j++) { int scaledJ = (int)((float)(j - widthPol) / scaleArray[j] + widthPol); if (scaledJ > 0 && scaledJ < width) { //scaledImage.setPixel(scaledJ, i, * (line + 4 * j)); * (scaledLine + 4 * scaledJ) = * (line + 4 * j); * (scaledLine + 1 + 4 * scaledJ) = * (line + 1 + 4 * j); 48 * (scaledLine + 2 + 4 * scaledJ) = * (line + 2 + 4 * j); * (scaledLine + 3 + 4 * scaledJ) = * (line + 3 + 4 * j); } } } for (int j = 0; j < width; j++) { scaledImage.setPixel(j, scaleArray[j] * 100, 1); } graphicsScene>addPixmap(QPixmap::fromImage(scaledImage.scaledToWidth(700))); } else { QMessageBox::information(0, "Warning", "Could not open picture"); } } Коррекция изображения происходит построчно с помощью метода scanline(). С помощью данного метода можно получить адрес строки, номер которой соответствует значению, переданному в этот метод. Имеет смысл передавать в него индексы строк, лежащие в диапазоне от 0 до высоты растрового изображения, уменьшенного на единицу. Затем происходит перерисовка изображения в соответствии с новыми координатами пикселей. Стоит отметить еще один нюанс в отображении рентгеновских снимков на экране. Изображения класса QImage представляют собой графику в формате RGB, т.е. для корректной коррекции изображения необходимо перестроить пиксели не один раз, а четыре (для каждого цвета в отдельности). На последнем этапе работы функции перестроенное изображение отображается на экране главного окна программы. 49 Как уже говорилось программный способ коррекции интраоральных панорамных рентгеновских снимков позволяет избавиться от основного недостатка внутриротового способа получения панорамных снимков – неравномерности увеличения изображения отдельных участков зубочелюстной системы. Для подтверждения возможности применения данного способа, а также для проверки работоспособности разработанной программы были проведены экспериментальные исследования [38]. На рисунке 2.14 изображен реальный панорамный снимок зубочелюстной системы пациента, полученный интраоральным способом. Описанным выше способом было определено, что зубочелюстная система пациента относится к стандартному типу. Снимок после применения к нему разработанного алгоритма представлен на рисунке 2.15. Как видно из представленного выше изображения в центральной части снимки остались идентичные, а в районе мыщелковых отростков изображения значительно изменилось. Рассмотрим изменение размеров отдельных участков изображения. Для наглядности выберем панорамный снимок, сделанный другому пациенту (рис. 2.16). 50 Рис. 2.14. Панорамный снимок (пациент №1) Рис. 2.15. Панорамный снимок после коррекции 52 Рис. 2.16. Панорамный снимок (пациент №2) 53 Рис. 2.17. Панорамный снимок после коррекции 54 На рисунках 2.18 – 2.19 показаны изменения размеров зубного ряда до и после коррекции а б Рис. 2.18. К иллюстрации изменения размеров зубного ряда в центральной части изображения: а – исходный снимок, б – скорректированный а б Рис. 2.19. К иллюстрации изменения размеров зубного ряда в районе больших коренных зубов: а – исходный снимок, б – скорректированный 55 Из представленных снимков видно, что неравномерность увеличения различных участков зубного ряда после применения программного способа коррекции становится незначительной и относительные размеры отдельных зубов равны анатомическим. Кроме того, для наглядной иллюстрации возможностей программы в части коррекции панорамных снимков были проведены следующие исследования: пациент во время снимка держал во рту специальный тестобъект – тонкую проволочку с нанесенными на нее рисками с заданным шагом. На таком снимке расстояния между рисками на тест-объекте увеличивались также неравномерно, как и отдельные участки зубного ряда (рис. 2.20). По такому снимку легко можно вычислить во сколько раз увеличивается отдельный участок. Затем снимок был загружен в программу и скорректирован по описанному алгоритму (рис. 2.21), после чего расстояния между соседними рисками были снова измерены. Данные по коэффициенту увеличения отдельных зубов сведены в таблицу 2.2. Таблица 2.2. Значения увеличения изображения № зуба Анатомический размер (перпендикулярно к оси пучка), мм Размер изображения, мм Коэффицие нт увеличения 1 5 5,5 1,1 2 5 5,5 1,1 3 7 7 1 4 7 7,5 1,07 5 7 7 1 6 7,5 7,5 1 7 10 9,5 0,95 56 Рис. 2.20. Панорамный снимок со специальным тест-объектом 57 Рис. 2.21. Панорамный снимок со специальным тест-объектом после коррекции 58 * * * По результатам исследований можно сделать вывод, что применение программы обработки интраоральных панорамных рентгеновских снимков позволяет стоматологам правильнее оценивать как общее состояние зубочелюстной системы, так и отдельные ее дефекты (их геометрические размеры, расположение друг относительно друга и т.п.), а врачам протезистам производить безошибочные расчеты имплантов, коронок и других специальных приспособлений. 59 3 ОСОБЕННОСТИ УСЛОВИЙ СЪЕМКИ И ИХ ВЛИЯНИЕ НА ДОЗУ ОБЛУЧЕНИЯ АПЦИЕНТОВ 3.1 МЕДИЦИНСКОЕ ОБЛУЧЕНИЕ НАСЕЛЕНИЯ По данным Управления федеральной службы по надзору в сфере защиты прав потребителей и благополучия человека за последние 10 лет число рентгенодиагностических исследований на территории Российской Федерации увеличилось более чем на 25% и уже превысило 250 млн./год. Таким образом, в среднем на душу населения приходится более 1,7 исследований в год [39-43]. Коллективная доза облучения [44] населения Российской Федерации за счет диагностического ионизирующего использования излучения по данным медицинских федерального источников банка данных Роспотребнадзора в 2010 г. составила 79,9 тыс. чел.-Зв/год, что соответствует средней дозе на одного жителя России 0,56 мЗв/год и средней дозе на одну рентгенодиагностическую процедуру 0,35 мЗв на процедуру. При этом максимальная доза медицинского облучения в среднем на одного жителя зарегистрирована в Санкт-Петербурге (0,93 мЗв/год). На рис. 3.1. показано изменение числа основных рентгенодиагностических процедур (рис. 3.1 а) и средних доз облучения (рис. 3.1 б) за период 2004-2010 гг. Рентгенография Флюорография Флюорография Количество процедур, тыс.шт 160000 141453 135 334 137158 122 608 123544 120000 105 207 80000 65 221 108898 66730 72 938 72237 76664 74842 76256 40000 0 2004 2005 2006 2007 2008 2009 2010 Средняя доза на процедуру (мЗв/год) Рентгенография 0.5 0.44 0.4 0.3 0.32 0.27 0.28 0.22 0.21 0.2 0.18 0.1 0.0 2006 2007 2008 2009 Год Год а б Рис. 3.1. Изменение числа процедур и средних доз облучения в 2004-2010 гг. 60 0.20 0.2 0.16 2010 За период с 2004 по 2010 г. наблюдается стабильный рост числа рентгенологических исследований (рис. 3.1 а). Вместе с тем, необходимо отметить, что положительным моментом является устойчивое снижение средних доз облучения для данных исследований (рис. 3.1 б), что связано с внедрением цифровой техники, усилителей изображений, постепенным вытеснением старого оборудования, а также разработкой новых малодозовых методик проведения медицинских рентгенологических исследований. Динамика средних индивидуальных доз медицинского облучения населения Российской Федерации за период 2004-2010 гг. представлена в таблице 3.1. Таблица 3.1. Изменение средних годовых доз медицинского облучения в 2004-2010 гг., мЗв/год Год 2004 2005 2006 2007 2008 2009 2010 СИД, мЗв на человека 0,87 0,92 0,77 0,63 0,59 0,56 0,56 СИД, мЗв на процедуру 0,68 0,69 0,55 0,44 0,38 0,36 0,35 Из данных таблицы 3.1 можно видеть, что средние годовые дозы медицинского облучения в расчете на 1 процедуру снижаются, тогда как в расчете на одного жителя, темп снижения замедляется [45]. Анализ информации, полученной при помощи формы статистического наблюдения №3-ДОЗ (Сведения о дозах облучения пациентов при проведении рентгенорадиологических диагностических исследований) показывает, что наибольший вклад в коллективную дозу медицинского облучения населения России в 2010 году вносят рентгенография 34.80%, компьютерная томография 22,1 % и рентгеноскопия 17,5 %. В таблице 3.2 представлено сопоставление доз облучения пациентов при проведении рентгенологических диагностических процедур, оцененных на основе инструментальных измерений (инструментальные дозы) или посредством приписывания табулированных значений доз (расчетные дозы), рекомендованных в методических рекомендациях по заполнению формы №3ДОЗ. 61 Таблица 3.2. Сравнение средних индивидуальных доз у пациентов (мЗв/год), оцененных расчетным методом и по результатам измерений, для разных рентгенологических процедур Рентгенологические процедуры Средняя индивидуальная доза, мЗв/год Флюорография Рентгенография СпециРент- Компьюальные В гено- терная Происслесредпленоч- цифро- пленоч цифро- ско- томограчие дованем ная вая -ная вая пия фия ния Расчетная 0,5 0,05 0,23 0,04 7,5 6,7 11 3 0,43 Измеренная 0,37 0,05 0,2 0,05 3,1 3,4 5,7 2,4 0,27 Рентгеностоматологические исследования являются одними из наиболее распространенных рентгенографических исследований, вносящих наибольший вклад в медицинское облучение населения [46]. Особенно заметный вклад в индивидуальную дозу облучения пациентов при рентгеностоматологических исследованиях вносится в регионах, где переоборудование клиник идет недостаточно высокими темпами. Данные, представленные в таблице 3.2, наглядно подтверждают, что цифровая рентгенодиагностика позволяет на порядок снизить радиационную нагрузку на пациентов. 3.2 ОСОБЕННОСТИ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ЭФФЕКТИВНОЙ ДОЗЫ ОБЛУЧЕНИЯ ПАЦИЕНТОВ При проведении рентгенодиагностических исследований доза облучения пациентов определяется по известным методикам – или с помощью проходной ионизационной камеры, показанной на рисунке 3.2 (в том случае, когда она предусмотрена конструкцией аппарата) или расчетными методами. 62 Рис. 3.2. Проходная ионизационная камера ДРК-1 Значение эффективной дозы E облучения пациентов при проведении рентгенологического исследования без использования проходной ионизационной камеры определяется с помощью выражения: E R i t Ke ,мкЗв , (3.1) где R – радиационный выход рентгеновского излучателя, (мГр×м2)/(мА×сек); i – ток рентгеновской трубки, мА; t – время проведения исследования, с; Ke – коэффициент перехода от значения радиационного выхода рентгеновского излучателя к эффективной дозе облучения пациента с учетом вида проведенного рентгенологического исследования, проекции, размеров поля облучения, фокусного расстояния и анодного напряжения, мкЗв/(мГр×м2). Значение коэффициента Ke для рентгенологических стоматологических исследований на панорамных дентальных рентгеновских аппаратах (ортопантомографах) при различных напряжениях на трубке U приведены в таблице 3.3 [47]. 63 Таблица 3.3. Значение коэффициента Ke для рентгенологических стоматологических исследований на панорамных дентальных рентгеновских аппаратах Ke, мкЗв/(мГр×м2) Исследование Полная рентгенограмма Цефалостат U = 60 кВ U = 70 кВ U = 80 кВ U = 90 кВ 2,3 2,3 2,3 2,3 1,1 1,4 1,7 2,0 Современные ортопантомографы принципиально различаются лишь мощностью источника рентгеновского излучения и чувствительностью системы визуализации (рентгеночувствительной фотодиодной линейки). В таблице 3.4 приводятся основные характеристики ортопантомографов, влияющие на дозу облучения пациентов [48]. Таблица 3.4. Основные характеристики ортопантомографов, влияющие на дозу облучения пациентов Модель U, кВ i, мА t, сек Rotograph D 60-85 10 17 Cranex Novus 60/70 7 9 Cranex 3D 57-90 4-16 2,1-12,6 OP 200 D 57-85 4-12 2,7-17,6 I-MAX PLUS 60-85 6-10 3-15 Alpha Pano 60-100 4-17 14 Подставив в формулу (3.1) средние значения параметров съемки U = 70 кВ, i = 7 мА, t = 9 сек и зная радиационный выход рентгеновской трубки на указанном значении анодного напряжения R = 5,6 (мГр×м2)/(мА×мин) можно определить значение эффективной дозы облучения пациента панорамной дентальной рентгенографии: E 5, 6 7 9 2,3 = 13,5 мкЗв , 60 (3.2) где 60 – коэффициент перевода минут в секунды. Таким образом, средняя эффективная доза облучения пациента составляет 13,5 мкЗв за одно исследование [49]. 64 Как уже описывалось выше геометрия съемки при реализации интраорального панорамного способа существенно отличается от ортопантомографического, в связи с чем при традиционном определении эффективной дозы облучения пациентов (в соответствии с методическими рекомендациями) она получается заниженной. К примеру, для получения панорамной рентгенограммы челюстно-лицевого отдела взрослого мужчины среднего телосложения на интраоральном панорамном рентгеновском аппарате «ПАРДУС-02» с использованием системы визуализации на основе экранов с памятью необходимо установить следующие параметры: - анодное напряжение 65 кВ; - анодный ток 0,15 мА; - время экспозиции 0,4 сек. При таких физико-технических условиях съемки в соответствии с формулой (3.1) пациент получает дозы облучения: E 5, 6 0,15 0, 4 2,3 = 0,012 мкЗв 60 , что, как минимум, на порядок меньше, чем эффективная доза облучения при прицельной рентгенографии [50, 51]. Очевидно, что в случае интраоральной панорамной рентгенографии такой подход к определению дозы облучения пациентов недопустим. Так как излучение в описываемом способе выходит в обратную сторону по отношению к пучку электронов в рентгеновской трубке, а приемник изображения располагается вплотную к лицевому отделу головы пациента, то представляется логичным использовать для дозиметрических целей коэффициент Ke в несколько модифицированном виде. При прицельной рентгенографии пучок рентгеновского излучения от аппарата имеет конусную форму, ограниченную тубусом аппарата (для минимизации облучения остальных отделов головы пациента). Размер поля облучения жестко регламентирован государственными стандартами, но, тем не менее, несколько больше, чем приемник рентгеновского излучения. Таким 65 образом, при проведении контактной съемки, под облучение попадает не только исследуемый зуб, но и другие участки челюстно-лицевого отдела. На рисунке 3 представлены схемы прицельной рентгенографии и интраоральной панорамной рентгенографии. Прицельная рентгенография Фокусное пятно Направление распространения излучения Приемник излучения Интраоральная панорамная рентгенография Рис. 3.3. К пояснению геометрии съемки при прицельной рентгенографии (сверху) и панорамной интраоральной (снизу) В таблице 3.5 приводятся значения Ke для рентгенологических стоматологических исследований (контактная съемка). 66 коэффициента Таблица 3.5. Значение коэффициента Ke для рентгенологических стоматологических исследований (для контактной съемки) Ke, мкЗв/(мГр×м2) U, кВ Верхняя челюсть Нижняя челюсть 50 – 70 55 30 50 – 70 40 20 50 – 70 25 15 50 – 70 75 40 Исследование Резцы Премоляры Моляры Съемка прикуса Таким образом, коэффициент Ke для панорамной интраоральной рентгенографии представим в виде: Ke где K e п рвер хн – – прниж н (3.3) коэффициент Ke для съемки прикуса нижней мкЗв/(мГр×м2); описывающий Keпрнижн ) m2 , коэффициент Ke для съемки прикуса верхней челюсти, мкЗв/(мГр×м2); K e челюсти, ( Keпрверхн – m соотношение коэффициент кожно-фокусных пропорциональности, расстояний прицельной рентгенографии и интраоральной панорамной рентгенографии. В соответствии с действующими санитарными нормами и правилами коэффициент m численно равен: m 100 мм 60 мм 1,67 . (3.4) В соответствии с вышеизложенным, коэффициент Ke для панорамной интраоральной рентгенографии численно равен: Ke (75 40) 1, 67 2 320 мкЗв/(мГр м2) . Подставив полученный коэффициент в формулу 3.1, эффективная доза облучения пациента составляет 1,2 мкЗв за исследование для взрослого мужчины среднего телосложения. Расчетные данные хорошо кореллируют с экспертными, полученными методом ТЛД дозиметрии на специальном тканеэквивалентом методике[52, 53], фантоме а также головы с человека данными, по полученными специализированного программного обеспечения [54, 55]. 67 утвержденной с помощью 3.3 МЕТОД МОДЕЛИРОВАНИЯ РЕНТГЕНОДИАГНОСТИЧЕСКИХ СНИМКОВ Как уже отмечалось выше, снижение дозы облучения пациентов при проведении рентгенодиагностических исследований в совокупности с увеличением диагностической ценности рентгеновских снимков является первостепенной задачей современной медицины. Современные визиографы для стоматологии позволяют получать снимки с разрешением на уровне 20-30 пар линий на мм. При этом совершенно очевидно, что при увеличении разрешающей способности любого цифрового приемника изображения происходит снижение его чувствительности, связанное с уменьшением площади элементарного чувствительного элемента (пикселя). Приблизительно оценить снижение чувствительности S визиографа при уменьшении размеров пикселя d можно с помощью выражения 3.5: S=1/d2 Таким образом, при (3.5) использовании визиографов с большей разрешающей способностью, необходимо увеличивать значение уставок количества электричества (мАс) на рентгеновском аппарате, что, естественно, приводит к увеличению дозы облучения пациентов. Зачастую указанные выше значения разрешающей способности оказываются избыточными и пациент получает необоснованно более высокую дозу рентгеновского рентгеновских облучения. аппарата снимков Для оптимизации предлагается [56], режимов методика учитывающая эксплуатации моделирования геометрия съемки, конструктивные особенности аппарата и его электрические параметры, особенности взаимодействия излучения с объектом исследования [57], а также характеристики приемника изображения. Известно, что численно контраст детали рентгеновского изображения объекта может быть определен как нормированная разность интегральных 68 интенсивностей излучения за двумя соседними участками объекта, один из которых включает в себя указанную деталь [58]. K J1 J 2 J1 , (3.6) J1 Eo 0 N1 (E) EdE , (3.7) J2 Eo 0 N 2 (E) EdE , (3.8) где J1 – интегральная интенсивность излучения за однородным участком объекта, J2– интегральная интенсивность излучения за участком объекта, содержащим исследуемую деталь, N1(E) – спектральная плотность потока квантов за однородным участком объекта, N2(E) – спектральная плотность потока квантов за участком объекта, содержащим исследуемую деталь. Физическая модель формирования контраста теневого рентгеновского изображения приведена в ПРИЛОЖЕНИИ 3 Для расчета контраста рентгеновского изображения были выбраны нормы, характерные для прицельной дентальной рентгенографии: общая толщина просвечиваемых тканей – 22 мм. Как уже отмечалось, теневое рентгеновское изображение в плоскости приемника формируется рентгеновского излучения, за счет распределения неравномерно интенсивности поглощенного различными деталями объекта. Информативность рентгеновского изображения определяется объемом полезной диагностической информации, которую врач получает при изучении снимка. В конечном итоге, она характеризуется различимостью на снимках или просвечивающем экране деталей исследуемого объекта. С технической точки зрения, информативность изображения определяется его оптической плотностью, контрастностью и резкостью. Как известно, воздействие рентгеновского излучения на фоточувствительный слой рентгенографической пленки вызывает в нем изменения, которые после соответствующей обработки проявляются в виде 69 почернения. Интенсивность почернения зависит от дозы рентгеновского излучения, поглощенной фоточувствительным слоем пленки. Обычно максимальное почернение наблюдается в тех участках пленки, которые подвергаются воздействию прямого пучка излучения, проходящего мимо исследуемого объекта. Интенсивность почернения других участков пленки зависит от характера тканей (их плотности и толщины), расположенных на пути пучка рентгеновского излучения. Для объективной оценки степени почернения проявленной рентгенографической пленки и введено понятие оптическая плотность. Под зрительное контрастностью восприятие рентгеновского разницы изображения оптических плотностей понимают (степени почернения) соседних участков изображения исследуемого объекта или всего объекта и фона. Чем выше контрастность, тем значительнее различие оптических плотностей фона и объекта. Так, на высококонтрастных снимках конечностей светлое, почти белое изображение костей резко вырисовывается на совершенно черном фоне, соответствующем мягким тканям. Резкость рентгеновского изображения характеризуется особенностями перехода от одного почернения к другому. Если такой переход носит скачкообразный характер, то теневые элементы рентгеновского изображения отличаются четкостью. Изображение их является резким. Если же одно почернение переходит в другое плавно, наблюдается «смазанность» контуров и деталей изображения исследуемого объекта. Нерезкость («смазанность») контуров всегда имеет определенную ширину, которая выражается в миллиметрах. Зрительное восприятие нерезкости зависит от ее величины. Так, при изучении рентгенограмм на негатоскопе нерезкость до 0,2 мм, как правило, зрительно не воспринимается и изображение кажется резким. Обычно наш глаз замечает нерезкость, если она составляет 0,25 мм и больше. Принято различать геометрическую, динамическую, экранную и суммарную нерезкость. 70 Рис. 3.4. К пояснению влияния параметров рентгеновской съемки на информативность изображения Объект радиусом R, расстояние от фокусного пятна до объекта X и от объекта до плоскости приемника Х1 71 В качестве математической модели для расчета выбран однородный сферический объект радиуса R, центр которого расположен на расстоянии X от источника излучения и на расстоянии X1 от приемника излучения (Рис. 3.4). Используемая в последующих расчетах переменная d – размер пленки на приемнике. Целью исследования является описание влияния параметров рентгеновской съемки на качество и информативность изображения. В общем случае возможны следующие механизмы взаимодействия излучения с веществом на пути от источника рентгеновского излучения до приемника изображения: I. Ослабление слоем воздуха между источником и приемником (излучение проходит «мимо» объекта); II. Ослабление в веществе исследуемого объекта (излучение проходит через объект, классический амплитудный контраст); III. Размытие изображения, связанное с тем, что фокусное пятно имеет конечный размер; IV. Влияние шумов на качество изображения Также для корректного моделирования рентгенодиагностических снимков необходимо учесть спектральную чувствительность цифровой системы регистрации. В общем случае рентгеновский снимок можно представить в виде двумерной матрицы, каждой ячейке которой соответствует определенное значение плотности почернения. Иными словами задача сводится к моделированию и последующей визуализации этой матрицы. Как известно, рентгеновское излучение от объекта распространяется равномерно по всем направлениям, образую тем самым сферу. При малых расстояниях от источника рентгеновского излучения до цифровой системы регистрации, например при рентгенодиагностике в стоматологии, на приемнике изображения наблюдается некоторая неравномерность, которую можно описать с помощью выражения (3.9): 72 P ( a, b) x2 I x 2 d 1 a q 2 2 d 1 b q 2 2 ; (3.9) где, I – интенсивность, x=X+X1 – расстояние от источника до приемника, d – размер матрицы изображения в пикселях, q – размер пикселя, a,b – координаты матрицы изображения (пикселя). На рисунке 3.5 представлено распределение плотности потока излучения без объекта (суммарное расстояние до плоскости приемника по центральной оси пучка X + Х1 = 200 мм), при этом ослаблением излучения в воздухе и размерами фокусного пятна в предварительных расчетах пренебрегаем. N, отн. ед. b Рис. 3.5. Распределение излучения в плоскости приемника при отсутствии объекта 73 Рис. 3.6. Плотность почернения приемника изображения при отсутствии объекта В качестве объекта в моделируемое теневое рентгеновское изображение добавлен шар радиусом 20 мм. Тогда выражение (3.9) примет вид: P1(a, b) if d 1 a q 2 x R X 2 2 d 1 b q 2 2 ; (3.10) , P (a, b), 0 На рисунке 3.7 представлено распределение плотности потока излучения при наличии между источником излучения и приемником объекта. Объект в данном случае считается абсолютно «непрозрачным» для рентгеновского излучения. 74 N, отн. ед. b Рис. 3.7. Распределение излучения в плоскости приемника с учетом прохождения излучения через объект Рис. 3.8. Плотность почернения приемника изображения при наличии объекта 75 Если рассматривать ослабление излучения в объекте, то тогда выражение (3.10) разбивается на два – излучение ослабляется в слое воздуха и слое вещества. Общее выражение примет вид: d 1 a q 2 P 2(a, b) if x R X 2 d 1 b q 2 2 , P (a, b), P (a, b) e (3.11) ; 2 D ( a ,b ) где, μ – коэффициент ослабления объекта, D(a,b) – толщина ослабляющего слоя, вычисляемая по следующему выражению: D ( a, b) 2 R2 X Таким образом, 2 d 1 a 2 X1 2 выражения d 1 b q 2 q d 1 a 2 (3.9) и 2 q 2 X2 d 1 b q 2 (3.11) 2 позволяют (3.12) описать распределение спектральной плотности потока излучения в плоскости приемника при ослаблении излучения сферическим объектом. N, отн. ед. b Рис. 3.9. Распределение плотности потока излучения, с учетом ослабления излучения прошедшего через объект (X =100 мм, Х1 = 100 мм, R = 20 мм) 76 Рис. 3.10.Плотность почернения приемника изображения с учетом ослабления в объекте В предыдущих математических расчетах размер фокусного пятна не учитывался, но для корректного описания распределения плотности потока излучения в плоскости приемника необходимо учесть возникновение геометрической нерезкости изображения, связанное с тем, что фокусное пятно имеет конечные размеры. Если в качестве объекта рассматривать бесконечно малую точку, то ее изображение в плоскости приемника будет увеличенным изображением фокусного пятна. Таким образом, если представить объект исследования как совокупность малых точек, то изображение объекта будет совокупностью изображений фокусного пятна. Для оценки влияния этого фактора на размытие изображения необходимо значение интенсивности в каждой точке рассчитанного спектра умножить на плотность распределения яркости фокусного пятна с учетом коэффициента увеличения изображения. Известно, что распределение излучения по диаметру в случае круглого фокусного пятна может быть аппроксимировано нормальным законом: 77 f(x) = x-μ σ 1 1 exp 2 2π σ 2 , (3.13) где x – переменная радиуса фокусного пятна, μ – смещение максимума распределения от нуля (в нашем случае отсутствует), σ – степень размытия изображения. Если принять условие «трех сигм», которое в данном случае означает, что все кванты излучения, формирующие рентгеновское изображение фокусного пятна, будут сосредоточены в круге радиусом 3 (R = 3 ), и учесть увеличение изображения, то форму распределения фокусного пятна в плоскости приемника для случая бесконечно малой точки можно описать выражением: (A a ) 2 P2(A, B) 2 d 2 f 1 f d Y q 2 e Y q 2 F(a,b)= dAdB 10 10 2 f 1 2 где f=X1/(x-X1) рассматриваемой – (3.14) (B b) 2 f коэффициент модели, Y – Y q 2 e Y q 2 увеличения диаметр изображения фокусного пятна. для Тогда распределение спектральной плотности потока излучения в плоскости приемника при ослаблении излучения сферическим объектом приобретет следующий вид: P3(a, b) if d 1 a q 3 x R X 2 d 1 b q 1.5 2 , P 2(a, b), F1(a, b) 78 2 ; (3.15) P 4(a, b) if d 1 a q 1.5 x R X P5(a, b) 2 d 1 b q 3 2 2 ; (3.16) , P 2(a, b), F1(a, b) P3(a, b) P 4( a, b) ; 2 (3.17) Распределение плотности почернения снимка с учетом поглощения в объекте и размытия изображения представлено на рисунке 3.11. N, отн. ед. b Рис. 3.11. Распределение плотности почернения снимка с учетом размытия за счет конечных размеров фокусного пятна 79 Рис. 3.12. Плотность почернения приемника изображения с учетом размытия за счет конечных размеров фокусного пятна Одним из главных факторов, влияющих на качество рентгеновского изображения, является шум в изображении, обусловленный квантовой природой рентгеновского ограничивает градационную основные излучения параметры разрешающие и шумами приемника: способности, приемника. Шум пространственную динамический и диапазон, контрастную чувствительность и уровень рабочей дозы рентгеновского излучения, – именно эти характеристики относят к информационным параметрам. Если их учитывать, то итоговое выражение примет следующий вид: P 6(a, b) P5(a, b) rnd d 1 a 2 2 q d 1 b q 2 2 ; (3.18) где rnd – функция наложения шумов. Т.к. шумы увеличиваются с увеличением интенсивности, поэтому функция rnd бралась с учетом квадрата расстояния. Из этого следует, что шумы на краях изображения имеют 80 большую амплитуду, а по приближению к центру они уменьшаются, что видно на рисунке 3.13. N, отн. ед. b Рис. 3.13. Распределение плотности потока излучения с учетом шумов Рис. 3.14. Плотность почернения пленки с учетом шумов 81 Полученные выражения позволяют описать пространственное распределение спектральной плотности потока в плоскости приемника с учетом всех основных явлений, происходящих при взаимодействии излучения с объектом исследования. Для определения оптимальных физико-технических условий съемки и минимизации дозы облучения пациентов при проведении рентгенодиагностических исследований в стоматологии была разработана модель участка зубочелюстной системы, включающая модель однокорневого зуба, модель основания нижней челюсти и модель мягких тканей (мышечная ткань лица пациента). В модели зуба предусмотрен корневой канал. Трехмерное изображение созданной модели представлено на рисунке 3.15. Рис. 3.15. Трехмерная модель зуба Кратко рассмотрим основные состав и функции основных структур, входящих в состав зуба. В состав зуба входит три основных составляющие: 82 - эмаль (твердая, устойчивая (резистентная) к изнашиванию минерализованная ткань белого или слегка желтоватого цвета, покрывающая снаружи коронку зуба); - дентин (обызвествленная ткань зуба, образующая его основную массу и определяющая его форму); - пульпа (специализированная рыхлая волокнистая соединительная ткань, заполняющая пульпарную камеру коронки и канал корня).[59] Эмаль зуба предназначена для защиты дентина и пульпы от механического воздействия внешних факторов. Она состоит на 95% (96-97%) из минеральных веществ, преимущественно гидроксиапатита (фосфорнокислый Ca) карбонатапатита (углекислый Ca), фторапатита (фтористого Ca) и др., 1,2% органических веществ (из них – 50% белки, 42% -липиды, следы углеводов и др.), 3,8% воды, находящейся в свободном состоянии и связанной с кристаллами и органическими компонентами [60]. Как уже отмечалось, дентин составляет основную массу зуба. В области коронки дентин покрыт эмалью, в корне – цементом. Вместе с предентином дентин образует стенки пульпарной камеры, которая содержит пульпу зуба, составляющую вместе с дентином единый структурно-функциональный комплекс. Дентин часто рассматривают как специализированную (грубоволокнистую) костную ткань, но отличающуюся большей твердостью и отсутствием клеток. Благодаря своим свойствам дентин препятствует растрескиванию более твердой эмали. Клетки, образующие Дентина (одонтобласты), расположены в периферическом слое пульпы, а в дентин посылают отростки, проходящие в дентинных трубочках (канальцах). Дентин имеет светло-желтую окраску, обладает некоторой эластичностью: он прочнее кости и цемента, но в 4-5 раз мягче эмали. Зрелый Д содержит 70% неорганических веществ (преимущественно гидроксиапатита), 20% органических (в основном коллаген I типа) и 10% воды. 83 Пульпа зуба практически полностью состоит из органических веществ и выполняет следующие функции: - пластическую; - трофическую; - сенсорную; - защитную и репаративную. На рисунке 3.16 и 3.17 представлены рассчитанные коэффициента ослабления излучения в различных структурах объекта моделирования. 1 10 1 10 1 10 5 4 3 Dentin( E) Dentin Pulp ( E) Pulp 100 Bone( E) Bone M eat ( E) Meat 10 1 0.1 0.01 0 20 40 60 80 E Рис. 3.16. Массовые коэффициенты ослабления излучения в различных структурах модели (для энергий от 1 до 90 кэВ) 84 1 10 1 10 1 10 5 4 3 Dentin( E) Dentin Pulp ( E) Pulp 100 Bone( E) Bone M eat ( E) Meat 10 1 0.1 0.01 5 10 15 20 E Рис. 3.17. Массовые коэффициенты ослабления излучения в различных структурах модели (в области энергий от 1 до 20 кэВ) Для проверки адекватности описанной выше методики были произведены экспериментальные исследования. Физико-технические условия съемки, а также рассчитанные дозы облучения пациентов при проведении исследований (в соответствии с [47]) приведены в таблице 3.6. В качестве приемника системы визуализации рентгеновских снимков применялись экраны с фотостимулируемым люминофором. Таблица 3.6. Физико-технические условия съемки и дозы облучения пациентов № снимка Анодное напряжение, кВ Анодный ток, мА 1 2 3 4 50 60 60 70 2 2 2 2 Время экспозиции, сек 0,1 0,1 0,2 0,5 Эффективная доза облучения пациента, мкЗв 0,8 1,1 2,1 5,5 Ниже приводятся рентгеновские снимки участка нижней челюсти, полученные в ходе проведения экспериментальных исследований, а также промоделированные по описанной выше методике изображения с учетом 85 заданных физико-технических параметров съемки. В соответствии с эксплуатационной документацией на рентгеновский аппарат, размер фокусного пятна источника излучения – 0,5 мм. Разрешающая способность системы визуализации рентгеновских снимков на основе экранов с фотостимулируемым люминофором – 10 пар линий на мм. Общая фильтрация излучения эквивалентна 1,5 мм Al. На графиках, приведенных ниже пунктирной линией отмечена зависимость плотности почернения от координаты для реального рентгеновского снимка, сплошной для промоделированного. На рисунках 3.18 – 3.21 по оси абсцисс отложена координата пикселя приемника изображения (моделированного снимка) в анализируемой плоскости. Из рисунков данных, представленных на рисунках 3.18 – 3.21 очевидно, что описанная математическая модель и ее программная реализация позволяют с достаточной точностью производить моделирование рентгенодиагностических снимков и, как следствие, определять оптимальные физико-технические условия съемки непосредственно оказывающие влияния на дозу облучения пациентов. Некоторые отличия в эпюрах плотности почернения снимка и его модели вызваны проекционными искажениями в процессе получения изображения. В дальнейшем представляется целесообразном строить модели на основе данных томографических исследований, в т.ч. микрофокусной компьютерной томографии получившей в настоящее время бурное развитие [61]. 86 Плоскость 1 Плоскость 1 Плоскость 2 Плоскость 2 а б 200 A 86 N, отн.Bед. 75 j j 100 0 0 50 100 150 200 150 200 Х j в 200 A 110 N, B100 отн. ед. j j 100 0 0 50 100 Х j г Рис. 3.18. Результаты экспериментальных исследований (снимок 1): а – реальный рентгеновский снимок; б – рассчитанная модель; в – эпюра плотности почернения в плоскости 1; г – эпюра плотности почернения в плоскости 2 87 Плоскость 1 Плоскость 1 Плоскость 2 Плоскость 2 а б 200 N, A 86 отн.Bед. j 75 j 100 0 0 50 100 150 200 Хj в 200 N, A 110 отн. ед. j B80 j 100 0 0 50 100 150 200 j г Х Рис. 3.19. Результаты экспериментальных исследований (снимок 2): а – реальный рентгеновский снимок; б – рассчитанная модель; в – эпюра плотности почернения в плоскости 1; г – эпюра плотности почернения в плоскости 2 88 Плоскость 1 Плоскость 1 Плоскость 2 Плоскость 2 а б 200 A 86 N, 75 отн.Bед. j j 100 0 0 50 100 в 150 200 Хj 200 A 110 j N, B80 j отн. ед. 100 0 0 50 100 150 200 Х j г Рис. 3.20. Результаты экспериментальных исследований (снимок 3): а – реальный рентгеновский снимок; б – рассчитанная модель; в – эпюра плотности почернения в плоскости 1; г – эпюра плотности почернения в плоскости 2 89 Плоскость 1 Плоскость 1 Плоскость 2 Плоскость 2 а б A86 j N, отн. ед. B75 j 6 1.1 3 j Х в 150 100 A120 j N, Bотн. 1 3 80 j 8 ед. 50 0 0 50 100 150 200 Хj г Рис. 3.21. Результаты экспериментальных исследований (снимок 4): а – реальный рентгеновский снимок; б – рассчитанная модель; в – эпюра плотности почернения в плоскости 1; г – эпюра плотности почернения в плоскости 2 90 На рисунках 3.22 – 3.24 представлены срезы тест-объекта (нижняя челюсть) на основе данных которых целесообразно строить более сложные модели и производить с их помощью оптимизацию условий съемки для различных видов исследований. Рис. 3.22. Срез нижней челюсти, полученный на челюстно-лицевом томографе 91 Рис. 3.23. Срез нижней челюсти, полученный на челюстно-лицевом томографе Рис. 3.24. Срез нижней челюсти, полученный на челюстно-лицевом томографе 92 Возможности микрофокусной компьютерной томографии (микротомография) позволяют построить модель зубо-челюстной системы с высокой степенью детализации (рис. 3.25). Плоскость 1 Плоскость 2 Плоскость 3 а б в г Рис. 3.25. Микротомография одного зуба: а – рентгенограмма зуба; б – сечение в плоскости 1; в– сечение в плоскости 2; г – сечение в плоскости 3 93 * * * На основании вышеизложенного можно сделать вывод, что методика моделирования рентгенодиагностических снимков позволяет с высокой степенью достоверности определить оптимальные физико-технические условия съемки для различных биологических объектов, а также, при соблюдении принципов необходимых и достаточных условий диагностирования, снизить эффективную дозу облучения пациентов и, тем самым, повысить эффективность рентгенодиагностических исследований в стоматологии и челюстно-лицевой хирургии. 94 4 ЭКСПЛУАТАЦИОННЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ АППАРАТУРЫ ДЛЯ РЕАЛИЗАЦИИ МЕТОДА ИНТРАОРАЛЬНОЙ ПАНОРАМНОЙ РЕНТГЕНОГРАФИИ 4.1 ХАРАКТЕРИСТИКИ ПОЛЯ ОБЛУЧЕНИЯ В предыдущих разделах было показано, что использование интраорального способа для получения панорамных рентгеновских снимков зубного ряда позволяет практически полностью отказаться от использования традиционных ортопантомографических аппаратов. При этом происходит увеличение информативности панорамных снимков, а также снижение радиационной нагрузки на пациентов как минимум в 10 раз. Радиационные характеристики являются наиболее важными характеристиками любого рентгенодиагностического аппарата в связи с чем представляется целесообразным их подробное исследование. В настоящем разделе описывается ряд экспериментальных и теоретических исследований радиационных характеристик интраорального панорамного рентгеновского аппарата «ПАРДУС-02». Как уже отмечалось, в ортопантомографах используется называемый сканирующий принцип, когда из широко расходящегося пучка рентгеновского излучения вырезается одна узкая линия. Очевидно, что при интраоральном способе такой подход невозможен. Таким образом, на первом этапе необходимо исследовать диаграмму направленности излучения. Для определения диаграммы направленности совместно с сотрудниками Санкт-Петербургского научно-исследовательского института радиационной гигиены была проведена серия экспериментов использованием термолюминесцентных дозиметров (рис. 4.1) 95 с Вольфрамовая мишень анода Расстояние от торца рентгеновской трубки, мм Рис. 4.1. К определению дозы облучения на поверхности излучателя Измерения дозы на поверхности излучателя производились при различных анодных напряжениях, анодном токе 100 мкА и времени экспозиции 27 секунд. Большая длительность экспозиции нбыла выбрана для увеличения точности исследования. Результаты измерений представлены в таблицах 4.1 – 4.3. Таблица 4.1.Доза, мР при анодном напряжении 50 кВ Положение детекторов Доза, мР 8 18 28 40 50 60 2600 4370 360 20 8 0 Таблица 4.2. Доза, мР при анодном напряжении 60 кВ Положение детекторов Доза, мР 8 18 28 40 50 60 10165 5765 1515 85 40 24 Таблица 4.3. Доза, мР при анодном напряжении 70 кВ Положение детекторов Доза, мР 8 18 28 40 50 60 13380 7036 2765 230 120 65 В таблице 4.4 представлены данные по мощности дозы излучения на поверхности анода рентгеновской трубки 96 при различных анодных напряжениях, позволяющие составить диаграмму направленности рентгеновского аппарата. Таблица 4.4. Мощность дозы излучения на поверхности анода при различных анодных напряжениях. Положение детекторов 8 18 28 40 50 60 Мощность дозы, мР/сек 96 162 13 1 0 0 376 213,5 5,6 3,2 1,5 1 944 294 62 15,2 3,2 1,3 при Ua = 50 кВ Мощность дозы, мР/сек при Ua = 60 кВ Мощность дозы, мР/сек при Ua = 70 кВ Диаграмма направленности излучения, рассчитанная на основании полученных данных представлена на рисунке 4.2. Рис. 4.2. Диаграмма направленности рентгеновского излучения на интраоральном панорамном рентгеновском аппарате 97 В общем случае поле облучения или поверхность, на которую падает прямой пучок генерируемого рентгеновской трубкой излучения, представляет собой форму, показанную выше. Если не предпринять специальных мер, то при проведении внутриоральных дентальных исследований облучению прямым пучком (не путать с рассеянным излучением) будут дополнительно подвергнуты такие анатомические структуры и органы головы, как корень языка, головной мозг, глаза и т.д. Чтобы ограничить область воздействия прямого пучка излучения на пациента исключительно зубными рядами и прилежащими участками челюстных костей, анод рентгеновской трубки снабжен свинцовой диафрагмой (рис. 4.3.). Диафрагма представляет собой цилиндр с продольными щелями сложной формы. Свинцовая диафрагма Мишень анода «Рабочая» область анода Рис. 4.3. Конструкция свинцовой диафрагмы Диафрагма жестко закреплена на аноде трубки и формирует поток рентгеновского излучения в виде веера. "Вершина" веера располагается на торце анода (рис. 4.4). Размеры углов раствора по горизонтали и вертикали определяются размерами и формой продольных щелей. Диафрагма изготавливается из тонколистового свинца общей толщиной 0,5 мм, что эквивалентно кратности ослабления излучения K=100. 98 Излучение Рис. 4.4. Поле облучения В данном случае углы раствора веера таковы, что размеры поля облучения на расстоянии от торца анода свыше 6 см соответствуют формату рентгеновской пленки 15 х 30 см. С учетом вышеописанного принципиально диаграмма направленности излучения представляет из себя форму, изображенную на рисунке 4.5. Рис. .4.5. Диаграмма направленности излучения Кроме вышеописанных выполнены расчеты экспериментальных исследований были дозного поля для оценки возможности нахождения персонала в непосредственной близости от аппарата. 99 Так как в действующих санитарных правилах и нормативах [62] отсутствуют справочные данные по определению рабочей нагрузки для интраоральных панорамных рентгеновских аппаратов, то, в первую очередь, необходимо вычислить этот параметр. Рабочая нагрузка аппарата W– величина, характеризующая предельно допустимое количество экспозиций при стандартных уставках тока и напряжения. Для ортопантомографов эта величина составляет W = 200 мА×мин/нед. Это значение получено исходя из общего числа рентгенодиагностических процедур равного n = 300 за стандартную рабочую неделю. Тогда, для исследуемого аппарата: W i t 300 60 , (4.1) где i – номинальный анодный ток, мА; t – номинальное время экспозиции, с; 300 – количество рентгеновских снимков в неделю; 60 – коэффициент перевода секунд в минуты. Подставив в формулу 4.1 максимальные рабочие режимы интраорального панорамного рентгеновского аппарата «ПАРДУС-02» , рабочая нагрузка составляет не более W = 1,5 мА×мин/нед. Экспериментальные исследования проведенные в Санкт- Петербургском государственнос электротехническом университете «ЛЭТИ» показали, что безопасная зона для персонала при работе с аппаратом составляет 1,5 метра. Результаты исследований приводятся ниже. В таблице 4.5. приведены данные по дозе облучения, создаваемой аппаратам на различных расстояниях от фокусного пятна рентгеновской трубки. Исследования проводились в горизонтальной плоскости (наибольшая интенсивность излучения) с фантомом (тканеэквивалентный (водный) фантом диаметром 150 мм и высотой 250 мм), имитирующим голову пациента и без него. 100 Таблица 4.5. К определению рабочей зоны персонала (fнодное напряжение – 70 кВ) Доза С фантомом Без фантома Расстояние от торца тубуса, м Расстояние от торца тубуса, м 0,2 0,5 1 1,5 3 0,2 0,5 1 1,5 3 32,6 3,0 1,8 0,6 0,1 277,8 47,4 12,3 4,7 1,2 163 15 9 3 0,5 1389 237 61,5 23,5 6 97,8 9,0 5,4 1,8 0,3 833,4 142,2 36,9 14,1 3,2 Поглощенная доза за одну секунду, мкЗв Годовая доза, мЗв Мощность дозы, приведенная к стандартной рабочей нагрузке, мкЗв/час Нормативными документами регламентирована максимально допустимая мощность дозы рентгеновского излучения на рабочих местах персонала группы А не более 13 мкЗв/ч. Таким образом, при работе с интраоральным панорамным рентгеновским аппаратом «ПАРДУС-02» лица из числа персонала группы А могут находится в непосредственной близости от рентгеновского аппарата (на расстоянии более 1,5 метров) и им будет обеспечено непревышение пределов доз. 4.2 ОСОБЕННОСТИ КОНТРОЛЯ ЭКСПЛУАТАЦИОННЫХ ПАРАМЕТРОВ ИНТРАОРАЛЬНЫХ ПАНОРАМНЫХ РЕНТГЕНОВСКИХ АППАРАТОВ Контроль медицинской эксплуатационных техники параметров проводится 101 с целью (КЭП) проверки рентгеновской соответствия эксплуатационных характеристик аппарата заявленным. Контроль эксплуатационных параметров медицинских рентгеновских аппаратов, преобразователей рентгеновского изображения и фотолабораторного оборудования, прямо или косвенно влияющих на обеспечение радиационной безопасности пациентов и персонала, проводится при: - испытании новых и модернизированных видов рентгеновского оборудования; - периодическом контроле эксплуатационных параметров медицинского рентгеновского оборудования, находящегося в эксплуатации, с целью определения возможности продления сроков его эксплуатации; - текущем контроле эксплуатационных параметров рентгеновского оборудования [63]. Контролю подлежат общедиагностические, все типы рентгеновских стоматологические, аппаратов: маммографические, хирургические и палатные передвижные, флюорографические и т.д. К эксплуатационным параметрам рентгеновских аппаратов, подлежащим контролю относятся: - суммарная фильтрация пучка рентгеновского излучения; - точность выполнения уставок анодного напряжения, слой половинного ослабления; - проверка формы кривой и пульсаций анодного напряжения; - точность выполнения уставок силы анодного тока; - точность выполнения уставок количества электричества (мА х с); - точность уставки длительности экспозиции; - повторяемость дозы излучения в режиме снимка в ручном и автоматическом режимах; - линейность дозы излучения при заданном анодном напряжении; - проверка радиационной защиты рентгеновского излучателя при наличии заглушки; - измерение радиационного выхода; 102 - наличие сигнализации при времени облучения, превышающем 5 мин; - совпадение оптического (светового) и рентгеновского полей излучения; - проверка ухода центрального луча рентгеновского излучения при изменении положений штатива и изменении фокусного расстояния; - усилие перемещения подвижных частей экрано-снимочного устройства аппарата; - угол и глубина среза при томографии [64]/ Естественно, что контролю подлежат только те параметры (характеристики), которые имеются у конкретного типа рентгеновского аппарата. Одной из основополагающих характеристик любого рентгеновского аппарата является радиационный выход входящей в его состав рентгеновской трубки. Определение радиационного выхода является важнейшей задачей так как большинство рентгеновских широко аппаратов не распространенных имеют в стоматологических своем составе проходной ионизационной камеры и определение дозы облучения производится расчетными методами. Радиационный выход рентгеновского излучателя рентгенодиагностического аппарата равен мощности экспозиционной дозы в свободном воздухе на расстоянии 1 м от фокуса рентгеновской трубки на оси первичного пучка рентгеновского излучения при заданном значении анодного напряжения, приведенной к значению анодного тока 1 мА. Радиационный выход измеряется в мГр x кв. м/(мА x мин.). Измерения проводятся действующей при общей фильтрации излучения, нормативно-технической рентгенодиагностические аппараты различного регламентируемой документацией типа (обычно на при дополнительном фильтре, равном 2 мм Al). При проведении измерений датчик используемого дозиметрического прибора размещается на оси пучка рентгеновского излучения на расстоянии 103 1 м от фокуса рентгеновской трубки, а поле облучения устанавливается так, чтобы оно полностью охватывало датчик дозиметрического прибора. Если датчик прибора невозможно установить на расстоянии 1 м, его следует разместить возможно дальше от фокуса рентгеновской трубки и зафиксировать расстояние от фокуса трубки до эффективного центра датчика (центр проходной ионизационной камеры, центр кристалла сцинтилляционного детектора, центр полупроводникового детектора). На рентгеновском аппарате устанавливаются требуемые параметры экспозиции, производится его включение и фиксируются показания дозиметрического прибора. При этом время экспозиции (количество электричества мАс) выбирается так, чтобы статистическая погрешность измеренной величины не превышала 10%. Если время однократной экспозиции недостаточно (например, используются термолюминесцентные дозиметры), ее повторяют необходимое количество раз, фиксируя суммарное время экспозиции (суммарное количество электричества мАс). Если при проведении измерений на аппарате установлена величина анодного тока трубки, необходимо измерять мощность дозы рентгеновского излучения при работе аппарата в заданном режиме, а если установлена величина количества электричества (мАс), необходимо измерять дозу рентгеновского излучения за экспозицию. Как уже отмечалось, аппаратура, реализующая интраоральный способ (в частности, рассматриваемый в настоящей работе аппарат «ПАРДУС-02») получения панорамных рентгеновских снимков имеет малую мощность. (менее 10 Вт). Кроме того, излучение направлено в обратную сторону по отношению к пучку электронов в рентгеновской трубке (принципиальная диаграмма направленности представлена на рисунке 4.6.) 104 Анод рентгеновской трубки Пучок электронов Направление распространения излучения Рис. 4.6. Принципиальная диаграмма направленности рентгеновской трубки 0,01БД57-90 В связи с этим при контроле эксплуатационных параметров возникает ряд особенностей. Неравномерность поля облучения, описанная в предыдущем разделе, влечет за собой необходимость проведения измерений как минимум в пяти направлениях (рисунок 4.7). На рисунке указаны направления для проведения измерений характеристик. 3 3 80 1 2 4 80 1 5 5 Рис. 4.7. Схема для контроля эксплуатационных параметров Ввиду наличия специальной свинцовой диафрагмы, ограничивающей поле облучения контроль слоя половинного ослабления, радиационный 105 выход рентгеновского аппарата, а также временную стабильность кривой анодного напряжения от времени необходимо проводить в направлениях 2 и 4, указанных на рисунке 4.7. При этом в направлениях 1, 3 и 5 также необходим контроль мощности дозы рентгеновского излучения для проверки степени кратности ослабления свинцовой диафрагмы. Мощность дозы рентгеновского излучения в указанных направлениях не должна превышать 5 % от мощности дозы в направлении 2 и 4. Сравнительно низкая экспозиционная доза рентгеновского излучения не позволяет выдерживать заданные методическими рекомендациями по дозиметрическому контролю значения расстояния от фокусного пятна до детектора (специального дозиметра). При стандартизованных значениях расстояния мощность дозы рентгеновского излучения выходит за нижнюю границу пределов измерений большинства используемых в настоящее время приборов. Например, наиболее широко распространенный в настоящее время дозиметр Unforce Xi имеет диапазон измерения мощности дозы от 20 мкГр/с до 1 Гр/с. Экспериментальные исследования, описанные в предыдущем разделе показали, что необходимо при проведении измерений необходимо располагать средства дозиметрического контроля на расстоянии 200 – 300 мм, что позволит повысить интенсивность рентгеновского излучения в плоскости детектора. После определения значения поглощенной дозы D производится расчет радиационного Kr выхода по известным методикам с учетом уменьшенного расстояния r и более низкого тока I, а также времени экспозиции t: Kr Действующие санитарные D 60 r 2 , I t документы (4.2) определяют минимальное значение толщины фильтра в зависимости от ускоряющего напряжения на рентгеновской трубке. При контроле этого параметра на аппарате «ПАРДУС- 106 02» необходимо располагать дозиметрический прибор в соответствии со схемой, представленной на рисунке 4.8. Измерение фильтрации производится под углом 70-80 к оси рентгеновской трубки Рис. 4.8. К иллюстрации принципов измерения фильтрации рентгеновского излучения В связи с малыми длительностями экспозиции (по сравнению с традиционными ортопантомографами) при определении точности уставок анодного напряжения и анодного тока было обнаружено, что при всех режимах эксплуатации дозиметрические приборы регистрируют заниженное значение. Данные по измерениям приведены в таблице 4.6. Таблица 4.6. Протокол измерений анодного тока и анодного напряжения № измерения Uа, кВ I, мкА Установленное Измеренное Установленное Измеренное значение значение значение значение 1 50 48 150 149 2 55 52,5 150 146 3 60 57,2 150 143 4 65 61,9 150 140 5 70 65,8 150 138 107 В таблице 4.6. представлены средние значение измерений, каждое из которых выполнялось 5 раз. Очевидно, что погрешность имеет систематический характер. Целесообразно представить вид кривой анодного напряжения от времени для оценки стабильности эксплуатационных характеристик (рис. 4.9). Uа, кВ 70 60 50 Ua = 65кВ 40 Ua = 60кВ 30 20 10 0 0,03 0,06 0,09 0,12 0,15 0,18 0,21 0,24 0,27 0,3 0,33 0,36 0,39 0,42 0,45 0,48 0,51 0 t, сек Рис.4.9. Кривая анодного напряжения Из кривой, представленной на рисунке 4.9 и таблицы 4.6 видно, что исследуемый аппарат имеет достаточно стабильные характеристики (ГОСТ регламентирует допустимые отклонения характеристик аппарата в пределах 10% от номинального значения). Однако, при измерениях необходимо учитывать так называемый выход на режим, который в среднем составляет 100 мс. Таким образом, выявленные особенности определения эксплуатационных параметров для описываемого типа рентгеновской аппаратуры не противоречат действующим нормативным документам. Предложенные в настоящем разделе рекомендации необходимо учитывать при проведении испытаний, а также представляется целесообразным их 108 введение в действующие санитарные нормы и правила в качестве комментариев или методических рекомендаций. 4.3 РАДИАЦИОННАЯ ЗАЩИТА ПЕРСОНАЛА ПРИ ПАНОРАМНЫХ РЕНТГЕНОДИАГНОСТИЧЕСКИХ ИССЛЕДОВАНИЯХ В настоящее время рентгенодиагностическая аппаратура для проведения различных исследований в стоматологии и челюстно-лицевой хирургии все больше распространяется ввиду постоянного увеличения количества внебюджетных частных стоматологических клиник и переоборудования крупных медицинских центров. Естественно, что увеличение количества радиационных объектов (в данном случае – рентгеностоматологических кабинетов), в поле деятельности которых может попасть население, создает дополнительную угрозу здоровью людей, зачастую не подозревающих, что они находятся в непосредственной близости от рентгеновского аппарата. Очевидно, что при проектировании рентгеностоматологической клиники необходимо учитывать мощность и другие эксплуатационные характеристики рентгеновского оборудования, которые могут значительно различаться. Среди рентгеновского оборудования для стоматологии и челюстнолицевой хирургии наибольшую радиационную опасность для населения и обслуживающего персонала производят аппараты, предназначенные для получения панорамных снимков. В первой главе были рассмотрены два основных способа получения панорамных рентгеновских снимков – ортопантомографический и интраоральный, а также произведено сравнение их диагностических возможностей. Для сравнения их потенциальной радиационной опасности для персонала и пациентов целесообразно произвести расчет радиационной защиты для обоих типов указанного оборудования. 109 При проектировании помещений для размещений стоматологических рентгеновских аппаратов необходимо руководствоваться действующими в Российской Федерации санитарными нормами и правилами в соответствии с которыми минимальная необходимая площадь кабинета для рентгенодиагностики методом панорамной рентгенографии составляет 8 м 2. Для наглядности установим размеры помещения для панорамного рентгеновского аппарата 2 м на 4 м. Высота помещения принимается равной 3 метра. Как широкую уже отмечалось, номенклатуру современная промышленность ортопантомографов, выпускает различающихся эксплуатационными характеристиками. Одним из таких аппаратов является ортопантомограф CRANEX 3D финской фирмы Soredex (рис. 4.10), установленный в значительном числе стоматологических клиник РФ. Рис. 4.10. Аппарат рентгеновский цифровой панорамный CRANEX 3D 110 Основные технические характеристики, используемые в расчете приведены в таблице 4.7. Таблица 4.7. Технические характеристики рентгеновского аппарата CRANEX 3D Характеристика CRANEX 3D Максимальное напряжение, кВ 90 Максимальный анодный ток, мА 16 Максимальное время экспозиции, сек 20 Количество рабочих мест 1 В качестве аппарата, реализующего метод интраоральной панорамной рентгенографии, возьмем уже упоминавшейся ранее отечественный аппарат «ПАРДУС-02». В соответствии с СанПиН 2.6.1.1192-03 расчет радиационной защиты основан на определении кратности ослабления К мощности поглощенной дозы D0 рентгеновского излучения в воздухе в данной точке в отсутствие защиты до значения допустимой мощности поглощенной дозы ДМД в воздухе: K D0 ДМД 103 K r W N , (30 r 2 ДМД) (4.3) где 103 – коэффициент перевода мГр в мкГр; Kr – радиационный выход – отношение мощности воздушной кермы в первичном пучке рентгеновского излучения на расстоянии 1 м от фокуса трубки, умноженной на квадрат этого расстояния, к силе анодного тока, (мГр×м 2 ) (мА×мин) ; W – рабочая нагрузка рентгеновского аппарата (мА×мин)/нед; N – коэффициент направленности излучения; 30 – значение нормированного времени работы рентгеновского аппарата при односменной работе персонала ч/нед; r – расстояние от фокуса рентгеновской трубки до точки расчѐта, м; ДМД – допустимая мощность дозы. Значение радиационного выхода Kr берется из технической документации на конкретный рентгеновский аппарат. При отсутствии этих 111 данных КR выбирается из таблицы 4.8, где представлены значения радиационного выхода в зависимости от постоянного напряжения на рентгеновской трубке. При других формах напряжения на рентгеновской трубке (6-пульсной, 12-пульсной схем выпрямления) значения радиационного выхода будут ниже, чем при постоянном напряжении. Поэтому использование указанных табличных данных при расчете защиты не может привести к заниженному значению толщины защитного материала. Таблица 4.8. Значения радиационного выхода Kr на расстоянии 1 м от фокуса рентгеновской трубки (анодное напряжение постоянное, сила анодного тока - 1 мА, фильтр - 2 мм А1, для 250 кВ - 0,5 мм Cu) Анодное напряжение, кВ Радиационный выход, Kr 40 2,0 50 3,0 70 5,6 75 6,3 100 9 150 18 200 25 250 20 мГр м 2 /мА мин) Значения рабочей регламентированной нагрузки длительности W рассчитываются проведения исходя из рентгенологических исследований при номинальных стандартизированных значениях анодного напряжения. Для цифрового ортопантомографа рабочая нагрузка W=200 мА·мин/нед, а для интраорального панорамного рентгеновского аппарата «ПАРДУС-02» – при максимальных режимах экспулатации не превышает W=1,5 мА·мин/нед. Для учета коэффициент направления направленности распространения N, который излучения учитывает вводится вероятность направления первичного пучка рентгеновского излучения. В направлениях первичного пучка рентгеновского излучения значение N принимается равным 1. Для аппаратов с подвижным источником излучения во время получения изображения (рентгеновский компьютерный томограф, ортопантомограф, сканирующие аппараты) значение N принимается равным 0,1. Во всех других направлениях, куда попадает только рассеянное излучение, значение N принимается равным 0,05. Значения допустимой мощности дозы в воздухе ДМД (мкГр/ч) [65, 66] рассчитываются исходя из основных пределов эффективных доз ПД для 112 соответствующих категорий облучаемых лиц (таблица 4.1) и возможной продолжительности их пребывания в помещениях или территории различного назначения: ДМД 103 tc ПД , n T (4.4) где 103 – коэффициент перевода мГр в мкГр; λ – коэффициент перехода от величины эффективной дозы к значению поглощенной дозы в воздухе, мГр/мЗв. Для расчета радиационной защиты с учетом двукратного запаса по кратности ослабления рентгеновского излучения значение λ принимается равным 1; tc – стандартизованная продолжительность работы рентгеновского аппарата в течение года при односменной работе персонала группы А, tc = 1500 ч/год (30-часовая рабочая неделя); n – коэффициент сменности, учитывающий возможность двухсменной работы рентгеновского аппарата и связанную с ней продолжительность облучения персонала группы Б, пациентов и населения, t p tc n ; Т – коэффициент занятости помещения, учитывающий максимально возможное время нахождения людей в зоне облучения. На основании рассчитанных значений кратности ослабления К определяют необходимые величины свинцовых эквивалентов элементов стационарной защиты. На рисунке 4.11 показаны принципиальные схемы размещения в проектируемом помещении двух рассматриваемых типов рентгеновских аппаратов. 113 Сторона Б Сторона Б Точки фокуса Сторона А Сторона А Сторона В Сторона В Сторона Г Сторона Г Рис. 4.11. Принципиальная схема расположения панорамных рентгеновских аппаратов в рентгеностоматологическом кабинете 114 Таблица 4.9. Таблица расчета радиационной защиты для рассматриваемых панорамных рентгеновских аппаратов(начало) Рентгеновский аппарат Рабочая нагрузка, (мА*мин)/нед Радиационный выход (мГр*м2)/(мА*мин) CRANEX 3D ПАРДУС-02 CRANEX 3D ПАРДУС-02 CRANEX 3D ПАРДУС-02 CRANEX 3D ПАРДУС-02 200 1,5 200 1,5 200 1,5 200 1,5 9 5,6 9 5,6 9 5,6 9 5,6 Защитное ограждение пол потолок Сторона "А" Сторона "А1" (дверь) Смежное помещение Жилое помещение Жилое помещение Пультовая Рабочее помещение Жилые помещения, смежные с процедурной рентгеностоматологического кабинета Жилые помещения, смежные с процедурной рентгеностоматологического кабинета Помещения постоянного пребывания персонала группы А (процедурная, комната управления, комната приготовления бария, фотолаборатория, кабинет врача и др.) Помещения, смежные по вертикали и горизонтали с процедурной рентгеновского кабинета, имеющие постоянные рабочие места персонала группы Б 0,3 0,3 13 2,5 Категория облучаемых лиц Допустимая мощность дозы ДМД, мкГр/ч Коэффициент направленности Расстояние от фокуса рентгеновской трубки до точки расчета r, м 0,05 1 0,05 1 0,05 1 0,05 1 1,7 1 1,3 2 1 1,2 1 1,2 Кратность ослабления 3460,21 466,67 2958,58 116,67 115,38 7,48 600,00 38,89 Расчетный свинцовый эквивалент требуемой защиты, мм 1,95 0,72 1,9 0,43 0,83 0,12 1,3 0,28 115 Таблица 4.9. Таблица расчета радиационной защиты для рассматриваемых панорамных рентгеновских аппаратов(окончание) Рентгеновский аппарат Рабочая нагрузка, (мА*мин)/нед Радиационный выход (мГр*м2)/(мА*мин) CRANEX 3D ПАРДУС-02 CRANEX 3D ПАРДУС-02 CRANEX 3D ПАРДУС-02 200 1,5 200 1,5 200 1,5 9 5,6 9 5,6 9 5,6 Защитное ограждение Сторона "Б" Стена "В" Стена "Г" Смежное помещение Рабочее помещение Жилое помещение Рабочее помещение Категория облучаемых лиц Помещения, смежные по вертикали и горизонтали с процедурной рентгеновского кабинета, имеющие постоянные рабочие места персонала группы Б Жилые помещения, смежные с процедурной рентгеностоматологического кабинета Помещения, смежные по вертикали и горизонтали с процедурной рентгеновского кабинета, имеющие постоянные рабочие места персонала группы Б Допустимая мощность дозы ДМД, мкГр/ч 2,5 0,3 2,5 Коэффициент направленности 0,1 1 0,1 1 0,1 0,05 Расстояние от фокуса рентгеновской трубки до точки расчета r, м 1,2 2 1 0,8 1,2 2 833,33 14,00 10000,00 729,17 833,33 0,70 1,42 0,17 2,3 0,78 1,42 0,1 Кратность ослабления Расчетный свинцовый эквивалент требуемой защиты, мм 116 Как видно из данных, представленных в таблице 4.9, использование интраорального панорамного рентгеновского аппарата требует обеспечения значительно меньшей радиационной защиты персонала и населения при проведении рентгенодиагностических исследований, чем традиционные ортопантомографы, работающие по сканирующему принципу. В соответствии с произведенным радиационным расчетом для оборудования стационарных средств радиационной защиты рентгеностоматологического кабинета с ортопантомографом необходимо израсходовать 948 кг свинца, а для кабинета с интраоральным панорамным рентгеновским аппаратом – 242 кг. Очевидно, что при использовании иных радиационнозащитных материалов соотношение их количества останется неизменным. * * * Таким образом, уже на стадии проектирования и обустройства рентгеновского кабинета, достигается определенный экономический эффект от использования получения аппаратуры, панорамных радиационной защиты реализующей рентгеновских являются интраоральный снимков, так определяющими как в способ средства стоимости переоборудования (строительства) рентгеностоматологического кабинета. 117 ЗАКЛЮЧЕНИЕ В диссертационной технической проблемы возможностей повышения работе описано современной эффективности решение медицины методов важной – научно- исследование стоматологической рентгенодиагностики и разработка аппаратурно-методических комплексов для их реализации с одновременным снижением радиационной нагрузки на пациентов и персонал. Основные научные результаты, полученные в ходе работы, заключаются в следующем: - исследованы особенности современной стоматологической рентгенодиагностической аппаратуры для получения панорамных снимков; - проведен сравнительный анализ ортопантомографических и интраоральных панорамных аппаратов с выявлением их относительных достоинств и недостатков; - исследованы факторы, влияющие на качество получаемых рентгенодиагностических снимков и обоснованы оптимальные режимы работы интраоральных панорамных рентгеновских аппаратов; - разработана методика коррекции геометрических искажений интраоральных панорамных рентгеновских снимков и компьютерная программа для ее реализации; - разработана компьютерная программа расчета оптимальных режимов работы источника рентгеновского излучения, обеспечивающих минимальную радиационную нагрузку при требуемом качестве получаемых снимков; - разработана методика моделирования рентгеновских снимков на основе комплексного учета параметров источника и приемника излучения, а также рентгенооптической схемы съемки; - усовершенствована методика интраоральной панорамной рентгенодиагностики в стоматологии, позволяющая существенно повысить качество снимков с одновременным снижением нагрузки на пациента; 118 - подготовлены методические рекомендации по внедрению в клиническую практику разработанной методики интраоральной панорамной рентгенодиагностики в стоматологии. Современная рентгенодиагностика благодаря непрерывному совершенствованию цифровых приемников рентгеновского излучения и развитию вычислительной техники является одним из самых бурно развивающихся направлений в медицине. Вектор развития рентгенодиагностики в стоматологии направлен в сторону создания высокоэффективных методов и систем для проведения исследований в совокупности со снижением радиационной нагрузки на пациентов и окружающую среду. Одним из таких методов, безусловно, является интраоральная панорамная рентгенография, которая позволяет увеличить диагностическую ценность рутинных рентгеностоматологических исследований и сделать их более безопасными с радиационной точки зрения. Исследования, проведенные на базе ведущих медицинских учреждений Российской Федерации, таких как Московский государственный медико- стоматологический университет (МГМСУ) и Военно-медицинская академия им. С.М. Кирова (ВМА) подтверждают вышесказанное. Таким образом, можно утверждать, что интраоральная панорамная рентгенодиагностика, в случае ее широкого внедрения в клиническую практику, способна в сочетании с традиционной ортопантомографией и компьютерной рентгеновской томографией решить все задачи современной стоматологической рентгенодиагностики. 119 СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ 1. Френкель В.Я. Двойной юбилей: 150-летие со дня рождения Вильгельма Конрада Рентгена (1895 г.) и 100-летие со дня публикации статьи об отк-рытии рентгеновских лучей // Физика твѐрдого тела. 1996. Т. 38, N 9. С. 2609-2630. 2. Röntgen W.C. Uber eine neue Art von Strahlen, I, Sitzungsber. Med.- phys. Ges., 1895. S. 137. 3. Röntgen W.C. Röntgenbild eines Jagdgewehrs. Sitzungsber. d. preuss Akad. d. Wiss. Mai 1897. 4. Хараджа Ф.Н. Общий курс рентгенотехники. – М. – Л.: Энергия, 5. Клюев В.В. (ред.), Соснин Ф.Р.. Неразрушающий контроль. Том 1966. 1. Кн. 2 (Радиационный контроль). 2-е изд. – М., Машиностроение, 2008, 560 с. 6. Потрахов Н.Н. Технология микрофокусной рентгенографии в стоматологии // Системы управления и информационные технологии. – 2007. Т.6. – № 3. – С.584-588. 7. Рабухина Н.А., Аржанцев А.П. Рентгенодиагностика в стоматологии. – М.: ООО МИА, 1999. 8. Воробьев Ю.И. Рентгенография зубов и челюстей. – М.: Медицина, – 1989. 9. Дорошенко С.И., Кульгинский Е.А. Основы телерентгенографии. – К.: Здоров'я. – 2007. – 74 с. 10. Аржанцев А.П., Свирин В.В. Диагностические возможности компьютерной ортопантомографии. – М.: Перемена. – 2006. – 21 с. 11. Васильев А.Ю., Воробьев Ю.И., Серова Н.С. Лучевая диагностика в стоматологии: Учебное пособие. – М.: «ГЭОТАР Медиа». – 2008. – 176 с. 120 12. Васильев А.Ю., Серова Н.С., Буланова И.М., Потрахов Н.Н., Грязнов А.Ю. Микрофокусная рентгенография – от прошлого к будущему // Петербургский журнал электроники. – 2008. – №№ 2 – 3. – С. 19 – 25. 13. Рогацкин Д.В., Гинали Н.В. Искусство рентгенографии зубов. – М.: ST Book. – 2007. – 200 с. 14. Белошенков В.В., Курякина Н.В., Лапкин М.М., Потловская Р.В. Анатомо-физиологические особенности челюстно-лицевой области и методы ее исследования. — М.: Медицинская книга, 2005. — 180 с. 15. Блинов Н.Н. Владимиров Л.В. Кочетова Г.П. и др. А.И. Новые Рентгенодиагностические аппараты. М.: Медицина, 1976. 240 с. 16. Иванов диагностические С.А., Потрахов возможности Н.Н., Мазуров микрофокусной рентгенографии // Петербургский журнал электроники. – 1998. – №2. 17. Потрахов Н.Н. Микрофокусная рентгенография в стоматологии и челюстно-лицевой хирургии. – СПб.: ООО «Техномедиа», 2007. – 184 с. 18. Потрахов Н.Н., Мазуров А.И. Особенности микрофокусной рентгенографии в медицинской диагностике // Медицинская техника. – 2005. – № 6. – С. 6-9. 19. Васильев А.Ю., Потрахов Н.Н., Серова Н.С. Микрофокусная рентгенография – от науки к клинической практике. Материалы II Всероссийского национального конгресса по лучевой диагностике и терапии. 26-29.05.2008. 20. Васильев А.Ю., Воробьев Ю.И., Трутень В.П. Лучевая диагностика в стоматологии. Монография. М.: Медицина, 2007. - 495 с. 21. Потрахов Н.Н. Грязнов А.Ю., Барковский А.Н. Радиационная нагрузка при проведении рентгенодиагностических исследований методами микрофокусной рентгенографии// Радиационная гигиена. – 2008 – Т. 1. – №1. – С. 1 – 5. 121 22. Потрахов Н. Н., Потрахов Е. Н., Грязнов А. Ю. Особенности и физико-технические условия съемки на рентгенодиагностическом комплексе «ПАРДУС-Стома» // Медицинская техника - 2009 - № 3 – С. 36-38. 23. Потрахов Н.Н., Потрахов Е.Н., Грязнов А.Ю. Портативные рентгенодиагностические аппараты семейства «ПАРДУС» для прицельных и панорамных исследований в стоматологии и челюстно-лицевой хирургии // Всероссийский конгресс лучевых диагностов. – Материалы конгресса – 2006. – С. 291. 24. Иванов С.А., Щукин Г.А. Рентгеновские трубки технического назначения. – Л.: Энергоатомиздат. Ленингр. отд-ние, 1989. 25. А.Ю. Грязнов, Н.Н. Потрахов, В.Б. Бессонов Рентгеновские трубки: Учебное пособие. СПб.: Изд-во СПбГЭТУ «ЛЭТИ», 2012. 58 с. 26. Грязнов А. Ю., Потрахов Н. Н. Метод расчета поглощенной дозы // Медицинская техника - 2006 - № 4 – С. 23-27. 27. Потрахов Н.Н., Карлова Н.А., Жорина О.М., Ключников И.В., Зорин Я.П. Интраоральная панорамная рентгенография – СПб.: СПБГМА им. И.И. Мечникова, 2003. – 45 с. 28. Блинов Н.Н., Жуков Е.Н., Козловский Э.Б., Мазуров А.И. Телевизионные методы обработки рентгеновских и гамма-изображений. –М.: Энергоиздат. – 1982. – 200 с. 29. Грязнов А.Ю., Потрахов Н.Н. Объективная оценка качества медицинских рентгеновских изображений // VIII НТК Медико-технические технологии на страже здоровья «Медтех-2006». – 2006. – С. 85 – 86. 30. Потрахов Н. Н., Грязнов А. Ю. Метод оценки информативности визуализированных дентальных рентгеновских изображений // Медицинская техника - 2009 - № 1 - С. - 16-18. 31. Пат. на изобрет. 2306675 РФ, МПК H04N5/325, G01N23/18, A61B6/14. Способ оценки информативности рентгеновских снимков / Потрахов Н.Н., Грязнов А.Ю.; – № 2006118480/09; заявл. 29.05.06; опубл. 20.09.07, Бюл. №26 122 32. Свид. об. офиц. рег. прог. для ЭВМ. 2009616682 РФ. Программа для оценки информативности медицинских рентгенодиагностических снимков (ИНФО – анализ) / Потрахов Н.Н., Грязнов А.Ю., Бессонов В.Б., Казакова Н.В.; – № 2009616108; заявл. 2.11.09; опубл. 2.012.09. 33. В.Б. Бессонов, А.Ю. Грязнов. Программа анализа рентгеновских снимков и оценки информативности изображений // 64-я НТК НТОРЭС им. А.С.Попова- С-Пб- 2009 - С. 190-191. 34. Грязнов А.Ю., Ладыка А.В., Потрахов Н.Н. Методы повышения качества дентальных рентгеновских изображений // Петербургский журнал электроники. – 2008 – №№ 2 – 3. – С. 147 – 151. 35. Грязнов А. Ю., Потрахов Н. Н. Метод модернизации интраоральной рентгенографии // Медицинская техника - 2006 - № 2 - С. 18-20. 36. В.Б. Бессонов, Е.Н. Потрахов, А.Ю. Грязнов. Модернизация метода микрофокусной интраоральной панорамной дентальной рентгенографии [текст] // Сб. научных трудов II Всероссийской научнопрактической конференции студентов, аспирантов и молодых ученых «Электронные приборы, системы и технологии»- Томск- 2012- С. 88-90. 37. В.Б. Бессонов, Е.Н., Потрахов, К.К. Жамова, А.Ю. Грязнов. Программа коррекции интраоральных панорамных снимков // НК «Байкальские встречи», сб. мат. межрег. научн. конф. – Иркутск – 2012 С.57-60. 38. В.Б. Бессонов, А.Ю. Грязнов. Программа обработки панорамных интраоральных рентгеновских стоматологических снимков [тезисы]// 66-я НТК НТОРЭС им. А.С. Попова- С-Пб-2011- С. 327-328. 39. Дозы облучения населения Российской Федерации в 2005 году. Справочник. – СПб.: НИИРГ. – 2006– 60 с. 40. Дозы облучения населения Российской Федерации в 2007 году. Информационный сборник. – СПб.: НИИРГ. –2008. – 66 с. 41. Дозы облучения населения Российской Федерации в 2008 году. Информационный сборник. – СПб.: НИИРГ. – 2009– 69 с. 123 42. Дозы облучения населения Российской Федерации в 2009 году. Информационный сборник. – СПб.: НИИРГ. – 2010. – 67 с. 43. Информационный сборник «Дозы облучения населения Российской Федерации в 2010 году». – СПб, 2011. – 62 с. 44. Ершов Э.Б. , Архангельская Г.В. , Романович И.К. Радиационная гигиена. Словарь основных терминов / Под общей редакцией д.м.н. И.К. Романовича. – СПб., 2005. – 126 с. 45. Мазуров А.И. Пути снижения лучевых нагрузок в рентгенодиагностике // Увидеть невидимое: Сб. нуч. тр. / Под ред. А.И. Мазурова. – СПб.: ООО «Книжный Дом». – 2008. – С. 21-29. 46. Кальницкий С.А., Вишнякова Н.М., Власова М.М., Современное медицинское облучение населения. // Биотехносфера - 2010 – №4 (10). – С. 38. 47. «Контроль эффективных доз облучения пациентов при проведении медицинских рентгенологических исследований». Методические указания МУ 2.6.1.2944-11. 48. «Определение радиационного выхода рентгеновских излучателей медицинских рентгенодиагностических аппаратов».Методические рекомендации. МР 0100/12883-07-34 49. Радиационная защита в медицине. ПУБЛИКАЦИЯ 105 МКРЗ. Под редакцией Д. Валентина; редактор русского перевода д.б.н. М.И. Балонов; переводчик А.В. Федоров. – СПб.: НИИРГ. – 2011. – 66 с. 50. Бессонов В.Б. Доза облучения пациентов при проведении дентальных рентгенологических исследований с использованием портативного рентгеновского аппарата «ПАРДУС-Р» // Известия СПбГЭТУ «ЛЭТИ». – № 8. –2013. – С. 7-9. 51. Грязнов А. Ю., Потрахов Н. Н. Метод расчета поглощенной дозы // Медицинская техника - 2006 - № 4 – С. 23-27. 124 52. «Гигиенические требования к устройству и эксплуатации рентгеновских кабинетов, аппаратов и проведению рентгенологических исследований». Санитарные правила и нормативы. СанПиН 2.6.1.1192-03/ 53. Потрахов Н.Н., Потрахов Е.Н., Грязнов А.Ю., Воробьев Б.Ф. Радиационная нагрузка на окружающую среду при проведении прицельных и панорамных рентгенологических рентгеновскими аппаратами исследований семейства «ПАРДУС» портативными // Всероссийский конгресс лучевых диагностов. – Материалы конгресса – 2006. – С. 441 – 442. 54. Программа расчета радиационной нагрузки на пациентов при проведении медицинских рентгенологических исследований [тезисы] // 67-я НТКНТОРЭС им. А .С. Попова- СПб - 2012 - С. 271-273. 55. Свидетельство о регистрации программы для ЭВМ № 2009616682. НН. Потрахов, В.Б. Бессонов, А.Ю. Грязнов, Н.В. Казакова. «Программа для оценки информативности медицинских рентгенодиагностических снимков (ИНФО- анализ)» от 02.12 2009 г. 56. В.Б. Бессонов, А Ю. Грязнов. Методика моделирования рентгенодиагностических снимков с целью увеличения их диагностической ценности [текст] // Труды VIII Российсю-баварсюй конференции по биомедицинской инженерии-СПб -2012-С.355-359. 57. Грязнов А.Ю. Разработка аппаратурных и методических способов повышения аналитических характеристик энергодисперсионного рентгенофлуоресцентного анализатора. Канд. диссертация, Санкт-Петербург, 2004 г. 58. Грязнов А.Ю. Математическая модель формирования фазоконтрастного рентгеновского изображения. Часть 1. Известия СПбГЭТУ "ЛЭТИ"– 2010. - № 6. – С. 14-20. 59. В.И.Козлов, Т.А.Цехмистренко Анатомия ротовой полости и зубов: Учебное пособие Издательство: РУДН ИПК - 2009 -156 с. 60. Быков В.П. Гистология и эмбриология органов полости рта человека: Учебное пособие 2-е изд. –СПб. – 1999. 125 61. В.Б. Бессонов, А.Ю. Грязнов. Методика микрофокусной компьютерной томографии в стоматологии и челюстно-лицевой хирургии // Материалы VI международного конгресса «Невский радиологический форум-2013». – 2013. 62. «Гигиенические требования к устройству и эксплуатации рентгеновских кабинетов, аппаратов и проведению рентгенологических исследований». Санитарные правила и нормативы. СанПиН 2.6.1.1192-03 63. «Организация и проведение индивидуального дозиметрического контроля. Персонал медицинских учреждений». Методические указания. МУ 2.6.1.2118-06. 64. ГОСТ Р МЭК 61223-2-10-2001 Оценка и контроль эксплуатационных параметров рентгеновской аппаратуры в отделениях (кабинетах) рентгенодиагностики. 65. «Нормы радиационной безопасности НРБ-99/2009». Санитарные правила и нормативы. СанПиН 2.6.1.2523-09 66. СП 2.6.1.2612-10 "Основные санитарные правила обеспечения радиационной безопасности (ОСПОРБ-99 2010)". 126 ПРИЛОЖЕНИЕ 1. АКТЫ ВНЕДРЕНИЯ 127 128 129 130 ПРИЛОЖЕНИЕ 2. ПРИЦЕЛЬНАЯ РЕНТГЕНОГРАФИЯ Основой рентгенологического исследования при большинстве заболеваний зубов и пародонта по-прежнему служит внутриротовая рентгенография. В настоящее время существуют четыре ее методики, используемые при съемке зубов, пара- и периодонта: рентгенография периапикальных тканей интерпроксимальная (bite по правилу изометрической wings-рентгенография), съемка проекции, вприкус (окклюзионная) и рентгенография с увеличенного фокусного расстояния параллельным пучком лучей. На протяжении 60 лет в рентгенодиагностике заболевания зубов в основном применялась методика съемки по правилу биссектрисы или изометрической проекции. Основной задачей исследований по этой методике является получение четкого изображения периапикальных тканей, поэтому центрация луча осуществляется на проекцию на кожу лица вершин корней различных зубов верхней и нижней челюстей. На верхней челюсти они проецируются по линии, соединяющей крыло носа и козелок уха, а на нижней — по линии, проходящей параллельно краю нижней челюсти на 1 см выше него. Метод является способом близкофокусной контактной рентгенографии и осуществляется с помощью дентальных аппаратов различного типа. С этой целью может быть использован, например, рентгеновский аппарат ERGON-X HF (рис. П.1.1) итальянской фирмы ViVi. 131 Рис. П.1.1. Рентгеновский аппарат ERGON-X HF для прицельной дентальной рентгенографии Основные характеристики рентгеновского аппарата ERGON-X HF представлены в таблице П.1.1. Таблица П.1.1. Основные технические характеристики рентгеновского аппарата ERGON-X HF Характеристика Значение Диапазон анодного напряжения, кВ 60-70 Максимальный анодный ток, мА 7 Максимальное время экспозиции, сек 2 Количество рабочих мест 1 Мощность дозы рентгеновского излучения 0,25 (на расстоянии 1 м), мГр/ч Фильтрация, мм Al 2 Для сокращения затрат времени выбор уставок производится на настенном пульте управления. На последнем расположены также сетевой выключатель, сигнальные лампы включения сетевого напряжения и выносная кнопка управления. Назначение тубуса рентгеновской трубки — сохранить постоянным кожно-фокусное расстояние и унифицировать условия рентгенографии за 132 счет диафрагмирования пучка рентгеновского излучения. Для этого служит сам тубус, изготовляемый из пластмассы, и свинцовая диафрагма в его основании, фильтрующая рентгеновское излучения и ограничивающая размеры поля облучения. Тубус дентального рентгеновского аппарата при обеспечивают уменьшение поля облучения до 4-6 см. При работах на напряжениях до 70 кВ (наиболее типичные значения анодного напряжения для прицельной дентальной рентгенодиагностики) включительно для снижения дозы облучения пациентов на тубус рентгеновского аппарата устанавливается алюминиевый фильтр толщиной 2 мм. Необходимость фильтрации обусловлена наличием в непрерывном спектре излучения рентгеновской трубки квантов с относительно низкой энергией. Такие кванты не вносят полезный вклад в формирование рентгеновского изображения, а лишь поглощаются в тканях пациента увеличивая тем самым поглощенную дозу. Учитывая отсутствие на протяжении длительного времени какого-либо иного способа внутриротовой рентгенографии зубов, этот вид съемки использовали с различными целями. Одной из его задач было получение изображения зубов, идентичного их истинным размерам. Ввиду анатомических особенностей строения челюстных костей почти невозможно расположить рентгеновскую пленку во рту параллельно коронке и корню зуба. При этой перпендикулярным методике к рентгенография биссектрисе угла, осуществляется который образуется лучом, между снимаемым зубом и рентгеновской пленкой, и центрируется на линию, являющуюся проекцией на кожу корней зубов. Для облегчения повседневной работы рентгенолаборантов разработана шкала углов наклона трубки для каждой группы зубов: на верхней челюсти для резцов +55 °, клыков +45 °, премоляров +35°, моляров +25°, на нижней челюсти для резцов -20°, клыков -15°, премоляров -10°, моляров -5°. Приведенные показатели служат лишь ориентирами, так как совпадение 133 эталонных данных и индивидуальных особенностей строения черепа может быть только случайным. Больного усаживают таким образом, чтобы среднесагиттальная плоскость черепа располагалась перпендикулярно, а окклюзионная — строго горизонтально. Для съемки зубов нижней челюсти голову больного незначительно перемещают назад к подголовнику кресла, чтобы горизонтальной была линия, соединяющая угол носа с мочкой уха. Как уже отмечалось, решающее значение для техники внутриротовой рентгенографии имеет взаимоположение приемника изображения и оси пучка рентгеновского излучения, что обеспечивает получение неискаженного и доступного для интерпретации снимка. Особенность техники съемки обусловлена анатомией и взаиморасположением объектов в ротовой полости при обязательном выполнении правил ―изометрической проекции‖ и ―касательной‖, которые были разработаны и предложены в 1906 г. польским врачом Цешинским. Направление оси пучка производится через верхушку корня зуба перпендикулярно биссектрисе угла, образованного осью зуба и плоскостью датчика (рис. 1.4). Рис. П.1.2. Правило ―изометрической проекции‖ Параметры полученного изображения близки к истинным размерам зуба. Допустимое увеличение на 10 %, уменьшение – на 20% длины зуба. 134 Техника получения снимка с использованием внутриротовых датчиков отличается от техники работы с рентгеновской пленкой. Для получения качественного снимка требуется соблюдение строгой перпендикулярности датчика по отношению к тубусу излучателя. Для этого рекомендуется использовать позиционеры. За счет уменьшения расстояния излучательобъект, при минимальном расстоянии «объект – пленка», расходящийся пучок рентгеновские излучения, проходя через объект, увеличивают изображение и уменьшают искажение. Чтобы не происходило наложение зубов друг на друга, необходимо направить ось пучка перпендикулярно к касательной, проведенной к дуге в месте расположения исследуемого зуба. Верхушки корней верхних зубов проецируются на линию, проходящую от наружного слухового прохода к основанию носа (камперовская горизонталь). Верхушки корней нижних зубов проецируются на расположенную на 0,5 см выше нижнего края челюсти (рис. П.1.3.). Рис. П.1.3. Правило ―касательной‖: а) направление оси пучка при визуализации зубов; б) проекции верхушек зубов на верхней и на нижней челюстях 135 линию, Примером реализации описанных выше «правил» могут служить несколько приведенных ниже стандартных укладок при проведении прицельной рентгенографии. При внутриротовой контактной рентгенографии центральных и латеральных резцов верхней челюсти пациент сидит в кресле так, чтобы линия, соединяющая наружный слуховой проход и переднюю носовую кость, была параллельна плоскости пола. Датчик удерживается в полости рта в вертикальном положении так, чтобы на 5мм выступал из-за режущего края резцов. Ось пучка направляется в центр датчика (рис. П.1.4, П.1.5.). Рис. П.1.4. Положение оси пучка рентгеновского излучения и датчика в полости рта 136 Рис. П.1.5. Рентгенограмма фронтальной области верхней челюсти При внутриротовой контактной рентгенографии клыков пациент сидит в кресле так, чтобы линия, соединяющая наружный слуховой проход и переднюю носовую кость, была параллельна плоскости пола. Датчик удерживается в полости рта в вертикальном положении так, чтобы на 5 мм выступал из-за режущего края клыка нужной стороны. Ось пучка направляется на крыло носа (в клыковую ямку) (рис. П.1.6, П.1.7). Рис. П.1.6. Положение оси пучка и датчика в полости рта в области клыка на верхней челюсти 137 Рис. П.1.7 Рентгенограмма в области клыка верхней челюсти При внутриротовой контактной рентгенографии моляров пациент и система визуализации рамполагаюся таким же образом, как и при внутриротовой контактной рентгенографии клыков. Ось пучка направляется вертикально сверху вниз в проекцию моляров в центр датчика (рис. П.1.8, П.1.9). Рис. П.1.8. Положение оси пучка и датчика в полости рта на уровне моляров на верхней челюсти 138 П.1.9. Рентгенограмма на уровне моляров на верхней челюсти Более подробно описание методики прицельной рентгенографии рассмотрено в специализированной литературе. 139 ПРИЛОЖЕНИЕ 3. ФИЗИКО-МАТЕМАТИЧЕСКАЯ МОДЕЛЬ, ИСПОЛЬЗОВАННАЯ ПРИ РАЗРАБОТКЕ МЕТОДИКИ МОДЕЛИРОВАНИЯ РЕНТГЕНОДИАГНОСТИЧЕСКИХ СНИМКОВ В общем случае спектр излучения трубки является результатом сложения двух составляющих: тормозного и характеристического спектров рентгеновского излучения. Тормозное излучение рентгеновской трубки можно охарактеризовать спектральной плотностью потока излучения, определяемой числом квантов рентгеновского излучения (фотонов), приходящихся на единицу энергии, испускаемых за одну секунду в угле один стерадиан. Спектральная плотность тормозного излучения Nт(E) [квант/(с ср кэВ)], то есть зависимость количества квантов от их энергии рассчитывается по формуле Крамерса Nт(E) (П.3.1) k Z iA E0 E 1 , где k – константа, равная 8,8 108; Z – атомный номер материала мишени рентгеновской трубки; iА – анодный ток трубки; Е0 – энергия ускоренных электронов, определяемая напряжением на рентгеновской трубке. Поток характеристического излучения Nxq [квант/(с ср)] в спектре первичного излучения определяется выражением Nx q k1 i A γ ωq p G Z Е0 Eq 1.67 1 , (П.3.2) где k1 – константа, равная 5 1014; Z – атомный номер материала мишени рентгеновской трубки; iА – анодный ток трубки; Е0 – энергия ускоренных электронов; Еq – энергия ионизации q-уровня; G=1-(7 Z-80)/(14 Z-80); выход флюоресценции q-уровня; характеристической линии; р – доля флуоресценции q – данной =3.8 10-2 для К-серии характеристического излучения и =0.11 для L-серии. 140 Сложение спектров тормозного и характеристического излучения дает идеализированный спектр излучения рентгеновской трубки в зависимости от таких параметров, как ток, напряжение и материал мишени трубки. Для того чтобы определить истинный вид спектра излучения трубки необходимо учесть те изменения, которые претерпит пучок первичного рентгеновского излучения при взаимодействии с мишенью анода, выходным окном трубки и фильтром. Конструктивно мишени могут быть выполнены массивными или прострельными (рис. П.3.1) и оказывать существенное влияние на спектр излучения. 1 1 3 5 2 3 2 4 а 2 б Рис. П.3.1. Конструкция мишеней. а – массивная; б – прострельная; 1 – электронный пучок; 2 – рентгеновское излучение; 3 – мишень; 4 – тело анода; 5 – выходное окно. 141 Мишень Фильтр Выходное окно Поверхность объекта Первичный пучок электронов Х х х1 х2 х3 х4 х5 Рис. П.3.2. Схема прохождения пучка рентгеновского излучения от фокусного пятна рентгеновской трубки с прострельным анодом до поверхности объекта. х1 – толщина прострельной мишени; х2 – толщина выходного окна; х3 – путь от окна до фильтра; х4 – толщина фильтра; х1 – путь от фильтра до объекта. Соответственно конструктивные особенности каждого типа мишени должны быть учтены при расчете. На рисунке П.3.2 представлена схема прохождения излучения в случае использования трубки с прострельной мишенью; толщина ослабляющего слоя мишени равна х1-х, где х1 – толщина мишени, а х - глубина проникновения электронов в мишень, которая рассчитывается по формуле Бете с модифицированным потенциалом ионизации. В случае, если используется трубка с массивным анодом, толщина ослабляющего слоя мишени х1 может быть определена по формуле x1 x cos( ) , cos( ) 142 (П.3.3) где - угол между пучком электронов и нормалью к поверхности мишени, - угол между нормалью и направлением отбора пучка рентгеновского излучения, х - глубина проникновения электронов в мишень. В общем случае ослабление потока рентгеновского излучения слоем вещества описывается выражением N(E) N 0 (E) exp(-Х μ(E)) , (П.3.4) где N0(E) – спектральная плотность потока излучения до ослабления в слое [квант/(с ср кэВ)], (E) –линейный коэффициент ослабления потока квантов с энергией Е [см-1], Х – толщина ослабляющего слоя [см]. Расчет реального спектра затрудняется тем, что спектральная зависимость коэффициента ослабления имеет сложную форму. Линейный коэффициент ослабления является суммой коэффициентов фотопоглощения, а также когерентного и некогерентного рассеяния рентгеновского излучения в веществе. Наибольшую трудность представляет собой описание спектральной зависимости коэффициента фотопоглощения , которая имеет резкие скачки, называемые краями поглощения. Зависимость в диапазонах энергий квантов между краями поглощения можно описать с помощью полиномов типа: 4 τ(E) τiE i . (П.3.5) i 0 Спектральную зависимость коэффициента когерентного рассеяния к можно описать с помощью полинома типа: σ к (E) (1 σ 4 E)(σ 0 σ1E σ 2 E 2 σ 3E 3 ) 1 . (П.3.6) Спектральная зависимость коэффициента некогерентного рассеяния нк описывается полиномом типа: σ нк (E) σ0 143 1 E σ1 σ E 1 2 . (П.3.7) Общая формула для расчета линейного коэффициента ослабления имеет вид: μ(E) i и i τ(Е) σк (E) σнк (E) . (П.3.8) – табличные коэффициенты, зависящие от атомных номеров химических элементов, составляющих вещество ослабляющей среды. Из приведенных формул следует, что расчет первичного спектра излучения трубки (в соответствии, например, с рис. 2) требует значительного объема математических вычислений. Опираясь на приведенные выше формулы, спектральную плотность потока квантов тормозного излучения рентгеновской трубки с прострельным анодом можно рассчитать по выражению (П.3.9), а поток характеристического излучения – по выражению (П.3.10): Nт(E) E0 k Z iА E 1 exp((x 1 x) μ M (E)) , (П.3.9) exp((x 2 ) μ ВО (E)) exp((x 4 ) μ Ф (E)) exp((x 3 x 5 ) μ ВОЗД (E)) γ ωq p G 1.67 E0 1 exp((x 1 x) μ M (E q )) Eq Z , (П.3.10) exp((x 2 ) μ ВО (E q )) exp((x 4 ) μ Ф (E q )) exp((x 3 x 5 ) μ ВОЗД (E q )) Nx q k1 i A где х1 – толщина мишени, х2 – толщина выпускного окна, х3 и х5 – расстояния от трубки до фильтра (обычно берется равным нулю) и от фильтра до объекта, х5 - толщина фильтра (все линейные величины в [см]), М(E) – линейный коэффициент ослабления рентгеновского излучения материалом мишени [см-1], бериллия), Ф(E) ВO(E) –материалом выпускного окна (обычно – материалом фильтра [см-1], ВОЗД(E) – средой между трубкой и исследуемым объектом (чаще всего воздухом), [см-1]. В случае, если используется трубка с массивной мишенью, то множитель (х1-х) заменяется на формулу (П.3.3), если трубка целиком помещена в бак с маслом, то добавляется еще два множителя, учитывающие ослабление в масле и кожухе. 144 Используя выражения (П.3.9) и (П.3.10), можно рассчитать как суммарное количество квантов в потоке излучения: E0 N Nт(E)dE Nx q , (П.3.11) q 0 так и суммарную энергию всех квантов у поверхности объекта, то есть интегральную интенсивность излучения: E0 (Nт(E) Е)dE J Nx q E q . (П.3.12) q 0 Модель для расчета контраста рентгеновского изображения, например, для прицельной съемки в дентальной рентгенографии показана на рисунке 3. В качестве детали объекта, контраст изображения которой рассчитывается с помощью этой модели может приниматься локальное изменение толщины или плотности костной ткани. На реальном снимке такой деталью может быть изображение зуба, а также отдельных его фрагментов на фоне челюстной кости, механические повреждения (сколы, трещины) или различные воспалительные процессы в тканях зубо-челюстной системы и т.д. Спектральная плотность потока квантов рентгеновского излучения, прошедших через однородный участок модели N может быть определена из выражения (П.3.13 N1 (E) N 0 (E) exp(μ1 (E)x1 μ 2 (E)(x 2 x4 x 5 ) μ 3 (E)x 3 ) , где No – спектральная плотность потока квантов до объекта, спектральная зависимость излучения для кожи, 2(Е) коэффициента – для мягких тканей, 145 ослабления 3(Е) (П.3.13) 1(Е) – рентгеновского – для кости. x1 x2 x3 x4 x5 Рис. П.3.3 – Модель для расчета контраста рентгеновского изображения в дентальной рентгенографии 1 – кожа, 2 – мягкие ткани, 3 – костная ткань, х1 – толщина кожи, х2+х5 – толщина мягких тканей, х3 – толщина костного слоя, х4 – толщина детали Спектральная плотность потока квантов, прошедших через участок модели, содержащий деталь может быть определена из выражения (П.3.14) N 2 (E) N 0 (E) exp (μ1 (E)x1 μ 2 (E)(x 2 x 5 ) μ 3 (E)(x 3 х 4 )) , (П.3.14) Если происходит изменение плотности, например, вследствие какоголибо воспалительного множителем-экспонентой, процесса выражения учитывающим необходимо дополнить соответствующее изменение коэффициента ослабления рентгеновского излучения. Тогда контраст изображения детали будет определяться как K Eo 0 N1 (E) EdE Eo 0 Eo 0 N 2 (E) EdE N1 (E) EdE 146 , (П.3.15)

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования

Похожие документы

Разделы

Поддержка

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования

Похожие документы

Добавить этот документ в коллекции

Добавить этот документ в сохраненные

Предложите, как улучшить StudyLib