Цифровой сканирующий маммограф

Полезная модель относится к устройствам для радиодиагностики со сканированием исследуемого объекта пучком рентгеновского излучения и цифровой регистрацией результатов сканирования, получением составного изображения и визуализацией его на экране монитора и может быть использовано в маммографии для определения положения отличающихся по плотности малых непальпируемых повреждений грудной железы. В цифровом сканирующей маммографе, содержащем источник рентгеновского излучения на основе рентгеновской трубки, компрессионный агрегат, позиционно-чувствительный приемник рентгеновского излучения прошедшего через ткань железы, включающий многострочные матричные твердотельные сенсоры рентгеновского излучения и многоканальные микросхемы считывания электрического сигнала с чувствительных элементов сенсора, систему рентгеновской коллимирующей оптики, располагаемой между источником излучения и тканью железы, вход которой ориентирован на действительное фокусное пятно рентгеновской трубки, а выход направлен на входное окно позиционно-чувствительного рентгеновского приемника и имеет профиль, соответствующий профилю чувствительной области позиционно-чувствительного рентгеновского приемника, сканирующий агрегат, соединенный с источником излучения, системой коллимирующей оптики и позиционно-чувствительным приемником излучения, цифровую систему компоновки изображения железы, один вход которой связан с выходом позиционно-чувствительного приемника излучения, а другой - с выходом синхронизации сканирующего агрегата и систему обработки и визуализации составного изображения железы, вход которой соединен с входом цифровой системы компоновки составного изображения, позиционно-чувствительный рентгеновский приемник содержит квантово-чувствительные твердотельные сенсоры рентгеновского излучения с прямым преобразованием, а каждый канал структуры многоканальных микросхем считывания содержит зарядочувствительный усилитель со схемой компенсации темнового тока сенсора, вход которого соединен с выходом соответствующего чувствительного элемента сенсора, компаратор, один из входов которого подключен к выходу зарядочувствительного усилителя, а второй вход подключен к блоку формирования порогового потенциала, счетчик импульсов, счетный вход которого подключен к выходу компаратора, а вход управления к общему для всех каналов блоку управления, выход к общему для всех каналов блоку вывода данных, выход которого является выходом микросхемы считывания, вход которого подключен к одному из выходов блока управления, другие выходы которого подключены ко входу блоков формирования порогового потенциала, вход которого является входом управления режимами работы микросхемы. Также, каждый канал микросхемы считывания содержит несколько компараторов и такое же количество счетчиков, при этом, один из входов компараторов подключен к выходу зарядочувствительного усилителя, а второй вход компараторов подключен к индивидуальному для каждого компаратора формирователю порогового напряжения, а выход каждого из компараторов подключен к счетному входу соответствующего счетчика. Новый технический результат, обеспечиваемый заявляемой полезной моделью является улучшение качества изображения, заключающееся в увеличении чувствительности по контрасту и четкости получаемого изображения, а также обеспечение возможности выделения микрокальцинатов малого размера за одно обследование. 3 Фиг.

Полезная модель относится к устройствам для радиодиагностики со сканированием исследуемого объекта пучком рентгеновского излучения и цифровой регистрацией результатов сканирования, получением составного изображения и визуализацией его на экране монитора и может быть использовано в маммографии для определения положения отличающихся по плотности малых непальпируемых повреждений грудной железы.

Для радиодиагностики заболеваний молочной железы применяются маммографы как с регистрацией рентгеновских изображений на рентгеночувствительную пленку, так и с электронной цифровой регистрацией.

Известно устройство для исследования молочной железы в системах с пленками [1] рентгеновское излучение, проникая через молочную железу, падает на фосфоресцирующий экран. Свет, излучаемый из экрана, детектируется чувствительной к свету пленкой, которая специально создана под размеры молочной железы и может быть после проявления показана на проекторе. Существенны следующими недостатками известных устройств с пленками:

- зернистость и шум пленок, ограничивающие пространственное разрешение маммографа;

- потеря контраста при одиночной экспозиции молочной железы для получения ее полного изображения из-за регистрации вместе с полезным сигналом рассеянного излучения;

- увеличение дозы облучения пациента при использовании пленок с более высоким разрешением и использовании сеток для защиты от рассеянного излучения. Известны более совершенные маммографы [2] с электронной цифровой

регистрацией рентгеновского изображения, в которых вместо пленки с фосфоресцирующим экраном используется позиционно-чувствительный детектор излучения, вырабатывающий электрический сигнал, который может быть обработан цифровыми методами и выведен на экран монитора с высоким разрешением и, практически, в реальном времени.

Недостатком устройства является, как и в маммографах с пленкой, потеря контраста из-за регистрации вместе с полезным сигналом рассеянного излучения, а при введении дополнительных сеток для защиты от рассеянного излучения - увеличение дозы облучения пациента.

Наиболее близким к предлагаемому является цифровое сканирующее устройство для маммографии [2] которое содержит:

- источник рентгеновского излучения на основе рентгеновской трубки,

- систему фильтрации рентгеновского излучения,

- коллиматор-формирователь узкого веерного пучка излучения для сканирования молочной железы пациента,

- компрессионный агрегат для сдавливания и ограничения подвижности молочной железы,

- сканирующий агрегат для сканирования и получения сигнала о прохождении излучения через молочную железу,

- позиционно-чувствительный приемник излучения, прошедшего через ткань железы, выполненный на основе структуры «сцинтиллятор-ПЗС (прибор с зарядовой связью) матрица», в которой сцинтиллятор преобразует рентгеновское излучение в световой поток, который регистрируется ПЗС матрицей;

- цифровую систему компоновки составного изображения, вход которой связан с выходом позиционно чувствительного приемника излучения,

- блок синхронизации перемещения сканирующего агрегата со считыванием информации с приемника излучения,

- систему обработки и визуализации составного изображения, вход которой связан с выходом системы компоновки составного изображения.

В указанном устройстве сканирование молочной железы узким рентгеновским лучом уменьшает долю рассеянного излучения на входе позиционно-чувствительного приемника излучения, улучшая тем самым отношение сигнал/шум, повышая чувствительность по контрасту и пространственное разрешение.

Недостатками прототипа [3] являются:

- «размытость» изображения, вызванное неполным исключением регистрации рассеянного излучения;

- низкая контрастная чувствительность, причиной которой является использование приемника рентгеновского излучения с промежуточным преобразованием на основе сцинтиллятора. Использование промежуточного преобразования приводит к снижению эффективности регистрации рентгеновского излучения, связанной с потерями на промежуточное преобразование и, как следствие, снижение контрастной чувствительности;

- применение двухэнергетических методов (позволяющих эффективно выявлять микрокальцинаты размером менее 200 мкм, наличие которых позволяет диагнастировать раковые опухоли на ранней стадии) требует проведения дополнительного обследования (сканирования), а значит увеличивает дозовую нагрузку на пациента.

Новый технический результат - улучшение качества изображения, заключающееся в увеличении чувствительности по контрасту и четкости получаемого изображения, а также обеспечение возможности выделения микрокальцинатов малого размера за одно обследование.

Технический результат достигается тем, что в цифровом сканирующем маммографе, содержащем сканирующий агрегат, связанный с источником рентгеновского излучения на основе рентгеновской трубки, позиционно-чувствительным приемником рентгеновского излучения, включающим многострочные матричные твердотельные сенсоры рентгеновского излучения и многоканальные микросхемы считывания электрического сигнала, системой рентгеновской коллимирующей оптики, вход которой ориентирован на действительное фокусное пятно рентгеновской трубки, а выход направлен на входное окно позиционно-чувствительного рентгеновского приемника и имеет профиль, соответствующий профилю чувствительной области позиционно-чувствительного рентгеновского приемника, и компрессионным агрегатом, цифровую систему компоновки изображения железы, один вход которой связан с выходом позиционно-чувствительного рентгеновского приемника, а другой - с выходом синхронизации сканирующего агрегата, и систему обработки и визуализации составного изображения железы, вход которой соединен с входом цифровой системы компоновки изображения железы, многострочные матричные твердотельные сенсоры рентгеновского излучения выполнены квантово-чувствительными с прямым преобразованием, каждая микросхема считывания электрического сигнала содержит блоки канала регистрации квантов, число которых соответствует числу подключаемых к ней чувствительных элементов твердотельного сенсора, при этом каждый капал регистрации квантов содержит предусилитель со схемой компенсации темпового тока сенсора, вход которого соединен с выходом соответствующего чувствительного элемента сенсора, по меньшей мере один компаратор, один из входов которого подключен к выходу предусилителя, а второй вход подключен к блоку формирования порогового потенциала, по меньшей мере один счетчик импульсов, счетный вход которого подключен к выходу соответствующего компаратора, вход управления - к общему для всех каналов блоку управления, а выход - к общему для всех каналов блоку вывода данных, выход которого является выходом микросхемы считывания электрического сигнала, при этом вход блока вывода данных подключен к одному из выходов блока управления, другой выход которого подключен ко входу блока формирования порогового потенциала, вход которого является входом управления режимами работы микросхемы

Новым в заявляемом цифровом сканирующем маммографе является то, что многострочные матричные твердотельные сенсоры рентгеновского излучения выполнены квантово-чувствительными с прямым преобразованием, каждая микросхема считывания электрического сигнала содержит блоки канала регистрации квантов, число которых соответствует числу подключаемых к ней чувствительных элементов твердотельного сенсора, при этом каждый канал регистрации квантов содержит предусилитель со схемой компенсации темпового тока сенсора, вход которого соединен с выходом соответствующего чувствительного элемента сенсора, по меньшей мере один компаратор, один из входов которого подключен к выходу предусилителя, а второй вход подключен к блоку формирования порогового потенциала, по меньшей мере один счетчик импульсов, счетный вход которого подключен к выходу соответствующего компаратора, вход управления - к общему для всех каналов блоку управления, а выход - к общему для всех каналов блоку вывода данных, выход которого является выходом микросхемы считывания электрического сигнала, при этом вход блока вывода данных подключен к одному из выходов блока управления, другой выход которого подключен ко входу блока формирования порогового потенциала, вход которого является входом управления режимами работы микросхемы

Таким образом, в предлагаемой полезной модели позиционно-чувствительный рентгеновский приемник, работает в режиме счета единичных квантов. Использование в маммографе квантово-чувствительного рентгеновского приемника с прямым преобразованием энергии рентгеновского излучения в электрический сигнал, позволяет получать такое изображение исследуемого объекта в рентгеновских лучах, в котором яркость элемента изображения (пикселя) определяется не количеством энергии рентгеновского излучения, поглощенной в чувствительном элементе матричного многострочного твердотельного сенсора, а количеством рентгеновских квантов, энергия которых находится в диапазоне, задаваемым системой компоновки изображения.

Такой способ формирования изображения позволяет:

- исключить влияние рассеянного излучения без применения дополнительных фильтров и сеток, ухудшающих контраст и четкость изображения;

- проводить исследования по методике двухэнергетической маммографии за одно обследование.

Применение квантово-чувствительного рентгеновского сенсора с прямым преобразованием позволяет исключить потери сигнала связанные с промежуточным преобразованием рентгеновского излучения в свет и, тем самым повысить эффективность регистрации рентгеновского излучения и, как следствие, увеличить контрастную чувствительность маммографа.

На фигуре 1 приведена схема цифрового сканирующего маммографа. Маммограф содержит источник рентгеновского излучения 1 на основе рентгеновской трубки, систему рентгеновской коллимирующей оптики 2, компрессионный агрегат 3 для ограничения подвижности молочной железы 4 пациента, позиционно-чувствительный приемник рентгеновского излучения 5, сканирующий агрегат 6 для одновременного перемещения источника излучения 1, системы рентгеновской коллимирующей оптики 2 и позиционно-чувствительного приемника рентгеновского излучения 5, систему 7 компоновки составного изображения железы по результатам сканирования и систему 8 обработки и визуализации составного изображения железы.

К источнику рентгеновского излучения 1 на основе рентгеновской трубки присоединена система рентгеновской коллимирующей оптики 2, вход которой ориентирован на действительное фокусное пятно рентгеновской трубки источника, а выход направлен на входное окно позиционно-чувствительного приемника рентгеновского излучения 5 и имеет профиль, соответствующий профилю чувствительной области позиционно-чувствительного приемника рентгеновского излучения 5.

Позиционно-чувствительный приемник рентгеновского излучения 5, структура которого приведена на фигуре 2, расположен за компрессионным агрегатом 3 и содержит многострочные матричные квантово-чувствительные твердотельные сенсоры рентгеновского излучения с прямым преобразованием 9, соединенные через индиевые столбики 10 с микросхемами считывания электрического сигнала с чувствительных элементов сенсора 11, выход которых является выходом приемника 5. Выход позиционно-чувствительного приемника рентгеновского излучения 5 присоединен ко входу системы 7 компоновки составного изображения. Источник излучения 1, система рентгеновской коллимирующей оптики 2 и позиционно-чувствительный приемник рентгеновского излучения 5 связаны между собой сканирующим агрегатом 6, который обеспечивает их механическое перемещение и вырабатывает сигналы синхронизации. Выход синхронизации сканирующего агрегата 6 соединен со входом системы компоновки составного изображения 7, выход которой связан со входом системы обработки и визуализации изображений 8, выполненной на основе персонального компьютера (ПК) и видеоконтрольного устройства (ВКУ). Система компоновки составного изображения 7 выполнена с использованием методов и элементной базы цифровой техники - процессора, усилителей и интерфейса для обмена информацией с ПК и ВКУ системы обработки и визуализации изображений 8.

Структура микросхемы считывания 11, входящей в состав приемника рентгеновского излучения 5 приведена на фигуре 3. Микросхема 11 содержит блоки канала регистрации квантов 18, число которых соответствует числу подключаемых к микросхеме 11 чувствительных элементов сенсора 9. Каждый канал регистрации квантов 18 содержит предусилитель 12, вход которого соединяется с выходом чувствительного элемента сенсора 9, а выход подключается к одному из входов компаратора 13. Количество компараторов в канале 18 определяется числом зон, на которые делятся по энергии все регистрируемые кванты. Второй вход каждого компаратора подключен соответствующему выходу блока формирования порогового потенциала 16. Выход каждого компаратора подключен к тактовому входу соответствующего счетчика 14. Выходы счетчиков 14 являются выходами канала 18 и подключены к входу блока вывода данных 15. Блок управления 17 своими выходами подключен к управляющим входам блоков 15, 16, 18 и управляет работой микросхемы в, соответствии с сигналами, поступающими на ее входы с системы компоновки составного изображения 7.

Устройство работает следующим образом.

Излучение от фокусного пятна рентгеновской трубки источника излучения 1 попадает на вход рентгеновской коллимирующей оптики 2, на выходе коллимирующей оптики 2 формируется пучок рентеговского излучения, профиль которого, соответствует профилю чувствительной области приемника рентгеновского излучения 5. Рентгеновское излучение с выхода коллимирующей оптики 2 проникает через молочную железу 4, закрепленную компрессионным агрегатом 3, и попадает на входное окно приемника излучения 5. Прошедшее через молочную железу 4 излучение поглощается в чувствительных элементах многострочного матричного твердотельного сенсора 9 позиционно-чувствительного приемника рентгеновского излучения 5, каждый поглощенный квант рентгеновского излучения преобразуется чувствительным элементом сенсора 9 в токовый импульс, электрический заряд которого пропорционален энергии поглощенного кванта рентгеновского излучения. Сигнал с выхода чувствительного элемента сенсора 9 поступает на вход микросхемы считывания 11, который соединен со входом предусилителя 12, в котором выполняется вычитание из сигнала вырабатываемого чувствительным элементом сенсора 9 темнового тока, выделение, усиление и преобразование токового импульса вызванного регистрацией рентгеновского кванта в импульс напряжения с длительностью пригодной для его уверенной регистрации компараторами 13 и амплитудой пропорциональной заряду поступившего на его вход токового импульса. С выхода предусилителя 12 сигнал поступает на один из входов компараторов 13 и если амплитуда импульса превышает порог, установленный на втором входе компаратора, то на его выходе формируется импульс, который вызывает увеличение показаний счетчика 14 на 1. Следовательно, в счетчиках 14 фиксируется число квантов, энергия которых превысила заданный опорным напряжением на входе соответствующего компаратора 13 порог. Таким образом, в каждом чувствительном элементе сенсора 9 приемника 5 в микросхеме 11 производится подсчет количества импульсов тока, заряд которых превышает заданный системой компоновки составного изображения 7 уровень, а при наличии нескольких заданных уровней - для каждого уровня в отдельности. Минимальный уровень энергии регистрируемых квантов рентгеновского излучения устанавливается таким, чтобы он превышал уровень энергии квантов рассеянного излучения. Таким образом, кванты рассеянного излучения не регистрируются позиционно-чувствительным приемником рентгеновского излучения 5. Информация о подсчитанном количестве квантов зарегистрированных в каждом чувствительном элементе многострочного матричного твердотельного сенсора 9 из микросхемы считывания 11 позиционно-чувствительного приемника рентгеновского излучения 5 передается в систему компоновки составного изображения 7, где компонуется составное изображение, которое после его обработки в системе обработки и визуализации изображений 8 может быть представлено на экране ВКУ. Яркость каждого элемента изображения (пикселя), формируемого на экране ВКУ, определяется количеством квантов рентгеновского излучения, зарегистрированных соответствующим чувствительным элементом многострочного матричного твердотельного сенсора позиционно-чувствительного приемника рентгеновского излучения.

В предлагаемом устройстве в отличие от прототипа приемник излучения выполнен таким образом, что электрический сигнал на его выходе формируется многострочным матричным твердотельным сенсором позиционно-чувствительного приемника рентгеновского излучения без использования промежуточного преобразования в свет, и, соответственно, без потерь связанных с этим преобразованием. Кроме того, в отличие от прототипа, рентгеновский приемник выполнен таким образом, что обеспечивает подсчет количества рентгеновских квантов, приходящихся на каждый элемент (пиксель) формируемого изображения и энергия которых превышает заданный уровень или уровни. Таким образом, рентгеновский приемник заявленного цифрового сканирующего маммографа позволяет проводить «отсечку» рассеянного излучения без использования дополнительных фильтров и сеток, уменьшающих контраст и четкость изображения, путем установки нижнего порогового уровня регистрируемой энергии рентгеновских квантов, превышающего энергию квантов рассеянного излучения. Следовательно, контрастная чувствительность заявляемого цифрового сканирующего маммографа будет выше, чем у прототипа.

Использование нескольких компараторов и счетчиков в структуре канала регистрации квантов микросхемы считывания рентгеновского приемника позволяет производить селекцию регистрируемых квантов по их энергиям за одну экспозицию, в следствии чего для проведения исследования по методике двухэнергетической маммографии требуется только одно обследование, что приводит к снижению дозовой нагрузки на пациента и к увеличению вероятности выявления заболевания на ранней стадии.

Источники информации, принятые во внимание при составлении описания:

1. Патент США N 4998270 3/1991 Scheid et al. 378/37.

2. Патент США N 5844242 12/1998. Jalink Jr. et al.

3. Патент США N 5526394 6/1996 Siczek B. et al.

Приложение

Фиг. 1 - Схема цифрового сканирующего маммографа

Фиг. 2 - Конструкция рентгеновского приемника

Фиг 3 - Структурная схема микросхемы считывания

Цифровой сканирующий маммограф, содержащий сканирующий агрегат, связанный с источником рентгеновского излучения на основе рентгеновской трубки, позиционно-чувствительным приемником рентгеновского излучения, включающим многострочные матричные твердотельные сенсоры рентгеновского излучения и многоканальные микросхемы считывания электрического сигнала, системой рентгеновской коллимирующей оптики, вход которой ориентирован на действительное фокусное пятно рентгеновской трубки, а выход направлен на входное окно позиционно-чувствительного рентгеновского приемника и имеет профиль, соответствующий профилю чувствительной области позиционно-чувствительного рентгеновского приемника, и компрессионным агрегатом, цифровую систему компоновки изображения железы, один вход которой связан с выходом позиционно-чувствительного рентгеновского приемника, а другой - с выходом синхронизации сканирующего агрегата, и систему обработки и визуализации составного изображения железы, вход которой соединен с входом цифровой системы компоновки изображения железы, отличающийся тем, что многострочные матричные твердотельные сенсоры рентгеновского излучения выполнены квантово-чувствительными с прямым преобразованием, каждая микросхема считывания электрического сигнала содержит блоки канала регистрации квантов, число которых соответствует числу подключаемых к ней чувствительных элементов твердотельного сенсора, при этом каждый канал регистрации квантов содержит предусилитель со схемой компенсации темпового тока сенсора, вход которого соединен с выходом соответствующего чувствительного элемента сенсора, по меньшей мере один компаратор, один из входов которого подключен к выходу предусилителя, а второй вход подключен к блоку формирования порогового потенциала, по меньшей мере один счетчик импульсов, счетный вход которого подключен к выходу соответствующего компаратора, вход управления - к общему для всех каналов блоку управления, а выход - к общему для всех каналов блоку вывода данных, выход которого является выходом микросхемы считывания электрического сигнала, при этом вход блока вывода данных подключен к одному из выходов блока управления, другой выход которого подключен ко входу блока формирования порогового потенциала, вход которого является входом управления режимами работы микросхемы.