Конспект содержит материалы, излагаемые в лекционном курсе, с необходимыми рисунками и схемами

Системы для измерения температуры

При автоматизации измерения температуры контактным методом обычно ограничиваются цифровым отсчетом показаний (рис. 113).

Рис. 113. Ртутный и цифровой термометры (фото с www.akusherstvo.ru)

Некоторые модели цифровых термометров имеют звуковую сигнализацию окончания процесса измерения, в некоторых имеется интерфейс Bluetooth для передачи данных в ПЭВМ.

Более сложными являются системы для бесконтактного измерения температуры (тепловизоры). Обычно медицинский тепловизор представляет собой микропроцессорную систему, подключаемую к ПЭВМ для обработки и вывода изображений на печать.

Системы рентгенодиагностики

Основным недостатком традиционной рентгенографии является процесс проявки снимков. Проявка пленки может производиться несколькими способами [31]:

полностью автоматически, когда в аппарат закладывается кассета, после чего проявочная машина извлекает пленку, проявляет, сушит и заправляет новую;
полуавтоматически, когда пленка извлекается и загружается вручную, а проявочная машина только проявляет и сушит пленку;

полностью вручную, когда проявка происходит в баках-танках, извлечение, заправку, проявку пленки осуществляет рентген-лаборант.

В любом случае процесс достаточно длительный и требует использования химикатов. Кроме того использование пленочных технологий требует относительно высоких доз облучения, что вредно для пациента. При рентгеноскопии используют флуоресцентный экран, что также неудобно из-за его слабой светимости.
Для автоматизации процесса в настоящее время используют цифровые системы, в которых рентгеновское изображение преобразуется в цифровой сигнал и обрабатывается с использованием ПЭВМ или специальной компьютерной системы. В качестве преобразователей используются аналоговые системы на основе электронно-оптических усилителей рентгеновского изображения (УРИ) с преобразованием в телевизионный сигнал, а затем в цифровой вид, а также цифровые полупроводниковые сенсоры на основе ПЗС.
Схема УРИ показана на рис. 114 [32].



Рис. 114. Схема УРИ

Рентгеновские лучи бомбардируют входной экран (обычно это слой йодида цезия), который флюоресцирует пропорционально интенсивности рентгеновского излучения. Входной люминофор расположен в максимальной близости к фотокатоду, так что свет стимулирует испускание электронов. Эти электроны ускоряются напряжением 25 кВ и фокусируются электрическим полем. Они бомбардируют входной люминофор, который формирует изображение, которое является меньшим по размеру, но более ярким, чем полученное во входном люминофоре. Отношение яркости изображений, полученных двумя люминофорами, называется усилением яркости трубки усилителя.

Необходимость широкого внедрения УРИ общеизвестна:
во-первых, это увеличение примерно на три порядка по сравнению с экраном яркости рентгеновского изображения и обеспечение тем самым оптимальных условий рассматривания изображений рентгенологом и возможность извлечения из изображения максимума диагностической информации;
во-вторых, внедрение УРИ позволяет снизить в 4…5 раз дозу облучения пациента и за счет дистанционного наблюдения вывести врача из зоны действия ионизирующего излучения.
Эти достоинства УРИ являются настолько важными, что они значительно компенсируют их основные недостатки – сложность и высокую стоимость.
Цифровая полупроводниковая рентгенография включает:
• цифровую селеновую рентгенографию;
• цифровую рентгенографию на основе линейки детекторов;
• цифровую рентгенографию на основе полноформатной матрицы фотосенсора.
Качество цифрового изображения зависит от применения способа его формирования. Вариантом прямого детектирования рентгеновского излучения является цифровая селеновая рентгенография. Она представляет собой систему, основной частью которой — детектор — конденсатор в виде барабана со слоем селена. Под действием рентгеновского излучения на поверхности селенового покрытия возникает электрический заряд (по принципу разряда в открытой цепи), величина которого зависит от энергии излучения. C помощью специальных преобразователей производится считывание сигнала и формирование цифровой матрицы изображения. Селеновая рентгенография в настоящее время используется только в системах для рентгенографии грудной клетки, например, установка Thoravision (Philips).
Лучшим вариантом фотодатчика прямого детектирования рентгеновского изображения выбран полномасштабный, твердотельный фотоприёмник – фотосенсор, который на площади 400х400 мм (соответствует размеру рентгеновской пленки) формирует рентгеновское цифровое изображение (грудной клетки) с числом пикселей более 4000x4000 и зарядной емкостью более 12 бит. Такая матрица фотосенсора поштучно регистрирует предметные точки — рентгеновские кванты. Фотосенсор представляет собой двумерную поверхность, содержащую рентгеночувствителные пиксели – фотодиоды. Каждый зафиксированный в нём квант адресуется к конкретному пикселю и суммируется с ранее накопленными в нём квантами (электронами). При двумерном детекторе применяются коллиматоры, которые отсекают рассеянное в теле пациента рентгеновское излучение, ухудшающее яркость (контрастность) изображения. В дентальной рентгенографии такую матрицу в совокупности с электронной схемой называют радиовизиографом.
В 1998 году создан твердотельный фотосенсор форматом 1К, который имеет размер пикселя 20 мкм (Для сравнения: размер пикселя матрицы фотосенсора цифроваго фотоаппарата колеблется в пределах 4…9 мкм). Детектор матрицы состоит из сцинтилляционного экрана, напрямую соединенного с комплексом фотодиодов посредством оптоволокна. Сцинтилляционный слой матрицы фотосенсора выполнен из соединений кристаллов цезия, активированных таллием (CsI:Tl). Детектирование рентгеновских квантов происходит за счет их конверсии сцинтилляционным покрытием в видимый свет с последующим детектированием света кремниевым фотодиодом. Уникальной особенностью матрицы является быстрое считывание информации – до 30 изображений (кадров) в секунду, что обеспечивает ее применение для рентгенографии и рентгеноскопии.
Трудности изготовления полноформатной твердотельной матрицы с прямым детектированием рентгеновского излучения, обладающей необходимыми характеристиками для медицинской рентгенологии, обусловили появление фотодатчиков, работающих по принципу сканирования. В этих приборах они располагаются в виде линейки и представляют собой счетчики, измеряющие интенсивность рентгеновского излучения. В качестве детекторов используются кремниевые фотодиоды и сцинтилляторы (Gd2O2S, GdWO4). Детектирование рентгеновских квантов, также как и в полноформатной матрице фотосенсора, происходит за счет их конверсии в сцинтилляторе в видимый свет с последующим детектированием света кремниевым фотодиодом. Такая система используется, например, в известном аппарате для флюорографии «Пульмоскан» (рис. 115) [33].



Рис. 115. Аппарат «Пульмоскан» фирмы «Адани»

Сканирование осуществляется посредством одновременного, равномерного «перемещения рентгеновского излучателя, коллиматора и детектора шаговыми приводами. При этом исследуемая область просвечивается плоским веерообразным рентгеновским пучком, перемещающимся по площади снимка.

Оцифрованное рентгеновское изображение считывается с высокой точностью, даже если каждая самая мелкая деталь объекта сканируется дважды. Для хорошего пространственного разрешения размер (пикселя) матрицы фотосенсора цифрового рентгеновского изображения должен быть меньше или одного порядка самого мелкого по размеру значения исследуемых элементов. Если в обычной рентгенографии пространственное разрешение определяется зернистостью фотоматериалов и экрана, то в цифровой рентгенографии оно определяется размерами, количеством фотодиодов – пикселей матрицы фотосенсора. Рентгеновское изображение чаще формируется на квадратной матрице фотосенсора и содержит число пикселей, пропорциональное двум. Матрица фотосенсора разных габаритов может содержать 512x512, 1024x1024 (1К), 2048х2048 (2К) или 4096х4096 (4К) и т.д. пикселей.
Пространственное разрешение на практике определяется количеством пар линий, которое можно различить в 1мм (единица измерения – количество пар линий/мм). Для рентгеновской плёнки пространственное разрешение наибольшее – 20 пар линий/мм. Для систем экран-плёнка – 10 пар линий/мм (появляется шум). Для устройств с усилителем рентгеновского изображения (ЭОП, РЭОП) – 1…2 пары линий/мм. В цифровом изображении пространственное разрешение в зависимости от свойств детекторов и размеров пикселя колеблется от 0,7 до 5…6 пар линий/мм.
Рентгеновское цифровое изображение выводится на экран монитора. Вывод рентгеновского изображения на экран монитора решил главную из задач – устранение световой адаптации работающего персонала и затемнения помещения, и что важно – исключил облучение рентгенологов за счет вынесения рабочего места за пределы комнаты с рентгеновским оборудованием. Кроме того, создана возможность дополнительной обработки рентгеновского изображения и его регистрации на видеоплёнке или памяти аппарата, а также передачи изображения в любое место по телекоммуникационной сети и Internet.
Цифровая рентгеноскопия, применив метод цифровой многострочной технологии сканирования рентгеновского изображения, позволила в сотни раз уменьшить вторичное рассеянное облучение и во столько же раз снизить интенсивность рентгеновского луча. Одновременно улучшены все прочие показатели получаемого рентгеновского изображения: диапазон яркости, контрастности и разрешение. Данный метод впервые разработан русскими учёными и приоритет этого метода защищён патентом «Устройство для регистрации и формирования рентгеновского изображения» (пат. РФ № 2130623 от 21.02.97).
Современные цифровые рентгеновские аппараты показаны на рис. 116 (фото с www.med-technika.ru, www.medcom.ru).



Рис. 116. Примеры современных рентгеновских аппаратов

Дальнейшим развитием рентгеновской техники является автоматизированное рабочее место (АРМ) рентгенолога, которое предназначено для получения, обработки, архивирования и передачи цифровых рентгеновских изображений получаемых с использованием усилителя рентгеновского изображения. АРМ позволяют получать как дискретные единичные снимки, так и последовательность изображений в реальном масштабе времени. АРМ ускоряет процесс исследований за счет автоматизации всех этапов работы от введения данных о пациенте до обработки снимка и формирования заключения. Примером является система ДиАРМ-МТ (Villa Medical Systems, Италия).