RU2721721C1

RU2721721C1 - Digital x-ray image production method

Info

Publication number: RU2721721C1
Application number: RU2019117134A
Authority: RU
Inventors: Василий Николаевич Лазаков
Original assignee: Акционерное общество "ИНСТИТУТ ПРИКЛАДНОЙ ФИЗИКИ"
Priority date: 2019-06-03
Filing date: 2019-06-03
Publication date: 2020-05-21

Abstract

FIELD: physics.

SUBSTANCE: invention relates to X-ray equipment, namely to a method for obtaining a digital X-ray image, and can be used to create X-ray diagnostic devices for medical and industrial purposes. Method comprises irradiating an object with a narrow fan-type scanning beam of X-ray radiation, conversion of radiation intensity transmitted through the object using a two-dimensional X-ray screen to successively illuminated narrow fragments of the optical image and recording them with a narrow exposure window of a two-dimensional photosensitive matrix. During registration of the displayed optical image, the exposure window is moved on the photosensitive surface of the matrix in-phase and synchronously with movement of the trace of the fan-shaped X-ray radiation beam along the X-ray screen. Video signals read from the matrix are digitized and transmitted to the operator's automated workstation.

EFFECT: reduced dose on patient, higher contrast sensitivity of apparatus and quality of reproduced X-ray patterns.

1 cl, 1 dwg

Description

В настоящее время в рентгеновских аппаратах медицинского назначения используются, в основном, два способа получения цифровых изображений.Currently, in medical X-ray machines, mainly two methods of obtaining digital images are used.

Первый, наиболее широко используемый способ, заключается в облучении объекта диагностики широким конусообразным пучком рентгеновского излучения (РИ), преобразовании прошедшей через объект интенсивности излучения с помощью электронно-оптического блока с двумерной приемной апертурой в цифровой массив данных, который передается на автоматизированное рабочее место оператора. Изначально электронно-оптический блок включал в себя рентгеновский электронно-оптический преобразователь (РЭОП), оптический узел и аналого-цифровое устройство /1, стр. 112-114/. В настоящее время он выстраивается и по схеме «рентгеновский экран - объектив - ПЗС матрица» 1/, стр. 130-132/. Кроме того, для регистрации рентгеновского излучения начинают интенсивно внедряться и двумерные матричные цифровые приемники /1, стр. 146-150/.The first, most widely used method, is to irradiate the diagnostic object with a wide cone-shaped beam of x-ray radiation (RI), transform the radiation intensity transmitted through the object using an electron-optical unit with a two-dimensional receiving aperture into a digital data array, which is transmitted to the operator’s workstation. Initially, the electron-optical unit included an X-ray electron-optical converter (REOP), an optical unit and an analog-to-digital device / 1, pp. 112-114 /. Currently, he is also lining up according to the scheme “X-ray screen - lens - CCD matrix” 1 /, pp. 130-132 /. In addition, two-dimensional matrix digital receivers / 1, p. 146-150 / are beginning to be intensively introduced to register X-ray radiation.

Недостаток данного способа заключается в том, что при облучении объекта диагностики широким пучком РИ, в плоскости приемника возникает интенсивный поток рассеянного излучения, который приводит к снижению контрастной чувствительности аппаратов и повышенной дозе облучения объекта диагностики. Рентгеновские отсеивающие решетки, которые применяют для ослабления вредного влияния рассеянного РИ, также приводят к повышению дозовой нагрузки на объект диагностики, поскольку они ослабляют интенсивность информационного потока РИ до 40 и более процентов. Так, например, прозрачность растров для прямого пучка РИ, выпускаемых шведской фирмой «Lysholm» 12 I составляет от 0,66 до 0,59.The disadvantage of this method is that when the diagnostic object is irradiated with a wide beam of radiation, an intense scattered radiation flux arises in the plane of the receiver, which leads to a decrease in the contrast sensitivity of the devices and an increased dose of radiation to the diagnostic object. X-ray screening gratings, which are used to mitigate the harmful effects of scattered radiation sources, also lead to an increase in the dose load on the diagnostic object, since they reduce the intensity of the information flow of radiation to 40 percent or more. So, for example, the transparency of rasters for a direct beam of radiation produced by the Swedish company “Lysholm” 12 I ranges from 0.66 to 0.59.

Второй способ свободен от этого недостатка. Он заключается в сканировании объекта диагностики узким веерным пучком РИ, преобразовании прошедшей через объект интенсивности излучения с помощью линейной рентгеночувствительной матрицы и аналого-цифрового устройства в цифровой массив данных, который передается на автоматизированное рабочее место оператора. Для получения двумерного цифрового массива информационных данных о внутренней структуре всего диагностируемого объекта осуществляют механическое перемещение линейной рентгеночувствительной матрицы в пределах формируемого кадра /1, стр. 136-138/. Поскольку объект диагностики облучают узким веерным пучком, а площадь приемной апертуры линейной рентгеночувствительной матрицы мала, то и доля рассеянного РИ в регистрируемом информационном потоке так же пренебрежимо мала. Поэтому этот способ позволяет получать высокую контрастность рентгеновских изображений при минимальной дозовой нагрузке.The second method is free from this drawback. It consists in scanning the diagnostic object with a narrow RI fan beam, converting the radiation intensity transmitted through the object using a linear X-ray sensor and an analog-digital device into a digital data array, which is transmitted to the operator’s workstation. To obtain a two-dimensional digital array of information about the internal structure of the entire diagnosed object, a linear X-ray sensitive matrix is mechanically moved within the frame being formed / 1, pp. 136-138 /. Since the diagnostic object is irradiated with a narrow fan beam, and the receiving aperture area of the linear X-ray sensitive matrix is small, the fraction of scattered radiation in the recorded information stream is also negligible. Therefore, this method allows to obtain high contrast x-ray images with a minimum dose load.

Основной недостаток этого способа заключается в малой скорости формирования изображения, т.к. она определяется малой скоростью механического перемещения линейной рентгеночувствительной матрицы. Как показала практика, время формирования кадра при этом способе составляет не менее 5 секунд.The main disadvantage of this method is the low speed of image formation, because it is determined by the low speed of mechanical displacement of the linear X-ray sensitive matrix. As practice has shown, the formation time of the frame with this method is at least 5 seconds.

Наиболее близким к предлагаемому является способ получения цифрового рентгеновского изображения, заключающийся в облучении объекта диагностики широким пучком рентгеновского излучения, преобразовании прошедшей через объект интенсивности излучения с помощью рентгеновского экрана в оптическое изображение, проецировании его с помощью объектива на двумерную фоточувствительную матрицу, преобразовании видеосигналов матрицы с помощью аналого-цифрового устройства в цифровой массив данных, который передается на автоматизированное рабочее место оператора /1, стр. 132-135/.Closest to the proposed method is a digital x-ray image, which consists in irradiating the diagnostic object with a wide beam of x-ray radiation, converting the radiation intensity transmitted through the object using an x-ray screen into an optical image, projecting it using a lens onto a two-dimensional photosensitive matrix, converting the video signals of the matrix using analog-digital device into a digital data array, which is transmitted to the operator’s workstation / 1, pp. 132-135 /.

Недостаток данного способа заключается в пониженном отношении сигнала к шуму и, соответственно, в пониженной контрастности воспроизводимых изображений, что объясняется большой интенсивностью рассеянного РИ в плоскости приемника и регистрацией его одновременно с регистрацией информационного потока. Большая интенсивность рассеянного РИ обуславливается тем фактом, что объект диагностики здесь также облучают широким конусообразным пучком РИ. Вредное влияние рассеянного РИ приводит, в конечном счете, к повышенной дозе облучения и снижению качества воспроизводимых изображений. Целью предполагаемого изобретения является снижение дозовой нагрузки на объект диагностики, повышение контрастной чувствительности и качества воспроизводимых изображений.The disadvantage of this method is the reduced signal-to-noise ratio and, accordingly, the reduced contrast of reproduced images, which is explained by the high intensity of the scattered radiation in the plane of the receiver and its registration simultaneously with the registration of the information stream. The high intensity of the scattered radiation is caused by the fact that the diagnostic object is also irradiated with a wide conical beam of radiation. The harmful effect of scattered radiation leads, ultimately, to an increased dose of radiation and a decrease in the quality of reproduced images. The aim of the proposed invention is to reduce the dose on the diagnostic object, increasing contrast sensitivity and quality of reproduced images.

Сущность предлагаемого способа получения цифрового рентгеновского изображения, заключается в облучении объекта диагностики рентгеновским излучением, преобразовании прошедшей через объект интенсивности излучения в оптическое изображение, регистрации оптического изображения с помощью двумерной фоточувствительной матрицы с последующим преобразованием видеосигналов в цифровой массив данных и передачи полученного цифрового массива данных на автоматизированное рабочее место оператора. При этом объект диагностики облучают узким веерным сканирующим пучком рентгеновского излучения, а прошедшую через объект интенсивность излучения преобразуют с помощью двумерного рентгеновского экрана в последовательно высвечиваемые узкие фрагменты оптического изображения, которые регистрируют узким экспозиционным окном двумерной матрицы, причем экспозиционное окно перемещают по фоточувствительной поверхности двумерной матрицы синфазно и синхронно с перемещением следа веерного пучка рентгеновского излучения по рентгеновскому экрану.The essence of the proposed method for obtaining a digital x-ray image consists in irradiating the diagnostic object with x-ray radiation, converting the radiation intensity transmitted through the object into an optical image, recording the optical image using a two-dimensional photosensitive matrix, followed by converting the video signals into a digital data array and transmitting the resulting digital data array to an automated operator workplace. In this case, the diagnostic object is irradiated with a narrow fan scanning beam of x-ray radiation, and the radiation intensity transmitted through the object is converted using a two-dimensional x-ray screen into successively illuminated narrow fragments of the optical image, which are recorded by the narrow exposure window of the two-dimensional matrix, and the exposure window is moved along the photosensitive surface of the two-dimensional matrix in phase and synchronously with the movement of the trace of the fan beam of x-ray radiation on the x-ray screen.

Для уменьшения интенсивности рассеянного РИ ширину веерного пучка РИ (ширину следа веерного пучка на рентгеновском экране) принимают не более 10÷15% ширины поля облучения. Суммарное количество фоточувствительных строк матрицы, образующих экспозиционное окно, на которое проецируют фрагменты оптического изображения, определяют по формуле

где l - размер матрицы, L - размер рентгеновского экрана, h - ширина следа веерного пучка РИ на рентгеновском экране, m - размер пикселя матрицы.To reduce the intensity of scattered X-ray radiation, the width of the X-ray fan beam (the width of the wake of the fan beam on the X-ray screen) is assumed to be no more than 10-15% of the radiation field width. The total number of photosensitive matrix rows forming the exposure window onto which the fragments of the optical image are projected is determined by the formula

where l is the size of the matrix, L is the size of the x-ray screen, h is the width of the trace of the RI fan beam on the x-ray screen, m is the pixel size of the matrix.

В предлагаемом способе доля рассеянного РИ в регистрируемом информационном потоке снижается более десяти раз за счет того, что объект диагностики облучают узким сканирующим пучком РИ, а регистрацию фрагментов оптического изображения осуществляют узкой приемной апертурой двумерной фоточувствительной матрицы со строковым затвором. При этом проекции фрагментов оптического изображения на фоточувствительной поверхности матрицы пространственно совмещают с положением ее экспозиционного окна. Следует отметить, что информационный поток РИ здесь регистрируется без дополнительного его ослабления по сравнению с прототипом, в котором для ослабления рассеянного РИ применяют отсеивающие решетки. Указанные факторы обеспечивают снижение дозовой нагрузки на объект диагностики, повышают контрастную чувствительность аппаратов и качество воспроизводимых ими изображений. Поскольку регистрацию оптического изображения в предлагаемом способе осуществляют путем электронного смещения экспозиционного окна двумерной матрицы, что исключает необходимость ее механическое перемещение, то время формирования кадра изображения здесь может быть достаточно малым.In the proposed method, the fraction of scattered radiation in the recorded information stream is reduced more than ten times due to the fact that the diagnostic object is irradiated with a narrow scanning beam of radiation, and the registration of optical image fragments is carried out by a narrow receiving aperture of a two-dimensional photosensitive matrix with a line shutter. In this case, the projections of the fragments of the optical image on the photosensitive surface of the matrix are spatially aligned with the position of its exposure window. It should be noted that the information flow of radiation is recorded here without its additional attenuation compared to the prototype, in which screening gratings are used to attenuate scattered radiation. These factors provide a reduction in the dose load on the diagnostic object, increase the contrast sensitivity of the devices and the quality of the images reproduced by them. Since the registration of the optical image in the proposed method is carried out by electronically offsetting the exposure window of the two-dimensional matrix, which eliminates the need for its mechanical movement, the formation time of the image frame here can be quite small.

Сформировать же веерный пучок РИ и перемещать его по рентгеновскому экрану с высокой скоростью не представляет большой технической сложности. Заявителю неизвестно о наличии в рентгенотехнике следующих признаков:To form a fan beam of radiation and to move it along the x-ray screen at high speed is not a great technical difficulty. The applicant is not aware of the presence of the following symptoms in X-ray technology:

1. Последовательное высвечивание на двумерном рентгеновском экране узких фрагментов оптического изображения.1. Sequential highlighting of narrow fragments of an optical image on a two-dimensional X-ray screen.

2. Последовательно высвечиваемые на рентгеновском экране узкие фрагменты оптического изображения регистрируют узким экспозиционным окном двумерной фоточувствительной матрицы.2. The narrow fragments of the optical image sequentially displayed on the x-ray screen are recorded by the narrow exposure window of a two-dimensional photosensitive matrix.

3. Экспозиционное окно двумерной матрицы перемещают по ее фоточувствительной поверхности синфазно и синхронно с перемещением следа веерного пучка РИ по рентгеновскому экрану.3. The exposure window of the two-dimensional matrix is moved along its photosensitive surface in phase and synchronously with the movement of the trace of the RI fan beam along the x-ray screen.

4. Суммарное количество фоточувствительных строк матрицы, образующих экспозиционное окно, на которое проецируют фрагменты оптического изображения, определяют по формуле

где4. The total number of photosensitive rows of the matrix forming the exposure window onto which the fragments of the optical image are projected is determined by the formula

Where

l - размер матрицы, L - размер рентгеновского экрана, h - ширина следа веерного пучка РИ на рентгеновском экране, m - размер пикселя матрицы.l is the matrix size, L is the size of the X-ray screen, h is the width of the trace of the RI fan beam on the X-ray screen, m is the pixel size of the matrix.

Таким образом, приведенные отличительные признаки показывают, что предлагаемый способ соответствует критериям патентоспособности.Thus, the above distinguishing features show that the proposed method meets the criteria of patentability.

На Фиг. 1 представлена структурная схема устройства, поясняющая предлагаемый способ. Устройство содержит рентгеновский излучатель 1 с рентгеновским питающим устройством 2, щелевой коллиматор 3 с приводом 4, двумерный рентгеновский экран 5, объектив 6, двумерную фоточувствительную матрицу 7, блок управления режимом работы матрицы 8, блок обработки и оцифровки сигналов 9, цифровой интерфейс 10, блок управления и синхронизации привода коллиматора, рентгеновского питающего устройства и блока управления режимом работы матрицы 11 и автоматизированное рабочее место оператора 12. Здесь же показано экспозиционное окно 13 на матрице 7, веерный пучок РИ 14 и след веерного пучка РИ 15 на рентгеновском экране.In FIG. 1 is a structural diagram of a device explaining the proposed method. The device comprises an X-ray emitter 1 with an X-ray power supply device 2, a slit collimator 3 with a drive 4, a two-dimensional X-ray screen 5, a lens 6, a two-dimensional photosensitive matrix 7, a control unit for the operating mode of the matrix 8, a signal processing and digitizing unit 9, a digital interface 10, a block control and synchronization of the collimator drive, the X-ray feed device and the control unit for the operating mode of the matrix 11 and the automated workstation of the operator 12. The exposition window 13 on the matrix 7, the fan beam RI 14 and the trace of the fan beam RI 15 on the x-ray screen are also shown here.

Предлагаемый способ осуществляется следующим образом. Первоначально оператор с автоматизированного рабочего места 12 задает режим работы рентгеновского излучателя 1, исходное положение и скорость перемещения щелевого коллиматора 3, а так же режим работы двумерной матрицы 7. В предлагаемом способе используют КМОП матрицу со строковым затвором, в которой устанавливают необходимую ширину экспозиционного окна 13, скорость его перемещения и устанавливают матрицу в режим внешнего запуска, что обеспечивает синфазность и синхронность перемещения окна по матрице и веерного пучка РИ по рентгеновскому экрану. После размещения перед рентгеновским экраном объекта диагностики (на схеме не показано), с блока 11 выдается команда начала записи рентгенограммы. По этой команде включается рентгеновский излучатель 1, привод коллиматора 4 и с поступлением внешнего кадрового синхроимпульса с блока 11 на блок 8 начинается регистрация оптических фрагментов рентгеновского изображения с первой строки матрицы. Объект диагностики в процессе записи кадра изображения облучают, перемещающимся по нему и по экрану 5, узким веерообразным рентгеновским пучком 14. В пределах следа 15 перемещающегося веерообразного пучка 14 со стороны люминесцентного слоя экрана 5 последовательно формируются фрагменты оптического изображения внутренней структуры объекта диагностики, которые проецируют на перемещающееся синхронно с ними экспозиционное окно 13 матрицы. Считываемые с матрицы аналоговые сигналы в блоке 9 преобразуют в цифровой массив данных, который через цифровой интерфейс 10 передают на автоматизированное рабочее место оператора 12.The proposed method is as follows. Initially, the operator from the workstation 12 sets the operation mode of the X-ray emitter 1, the initial position and speed of movement of the slotted collimator 3, as well as the operation mode of the two-dimensional matrix 7. In the proposed method, a CMOS matrix with a line shutter is used, in which the required exposure window width 13 is set , the speed of its movement and set the matrix to the external start mode, which ensures the phase and synchronism of the window moving along the matrix and the RI fan beam along the x-ray screen. After placing a diagnostic object in front of the x-ray screen (not shown in the diagram), a command to start recording the x-ray image is issued from block 11. By this command, the X-ray emitter 1 is turned on, the collimator drive 4, and with the arrival of an external frame sync pulse from block 11 to block 8, the registration of optical fragments of the X-ray image begins from the first row of the matrix. The diagnostic object in the process of recording the image frame is irradiated, moving along it and on the screen 5, with a narrow fan-shaped x-ray beam 14. Within the next trace 15 of the moving fan-shaped beam 14, fragments of the optical image of the internal structure of the diagnostic object are successively formed from the side of the luminescent layer of the screen 5, which are projected onto the exposition window 13 of the matrix moving synchronously with them. The analog signals read from the matrix in block 9 are converted into a digital data array, which is transmitted through a digital interface 10 to the operator’s workstation 12.

Апробация предлагаемого способа проводилась по приведенной структурной схеме устройства, в которой использовались рентгеновский излучатель типа РИД-1, рентгеновский экран типа Gd₂O₂S(Tb) размером 430×430 мм, светосильный объектив и фоточувствительная камера на базе КМОП - матрицы со строковым затвором. Испытания проводились по методикам стандарта предприятия /3/. Контрастная чувствительность, равная 1%, была получена при дозе в плоскости экрана равной 0,4 мР, что совпадает с чувствительностью сканирующего способа получения изображения и превышает чувствительность прототипа. Динамический диапазон был получен равным 300, что в 6 раз превышает аналогичный параметр РЭОП /4/. Минимальное время регистрации одного кадра составляло 0,166 секунды, что не достижимо для известного сканирующего способа получения цифрового рентгеновского изображения.Testing of the proposed method was carried out according to the structural diagram of the device, which used an X-ray emitter of the RID-1 type, an X-ray screen of the Gd ₂ O ₂ S (Tb) type with a size of 430 × 430 mm, a fast lens and a photosensitive camera based on CMOS matrix with a row shutter . Tests were conducted according to the methods of the enterprise standard / 3 /. Contrast sensitivity equal to 1% was obtained with a dose in the screen plane of 0.4 mR, which coincides with the sensitivity of the scanning method of image acquisition and exceeds the sensitivity of the prototype. The dynamic range was obtained equal to 300, which is 6 times higher than the similar parameter REOP / 4 /. The minimum recording time of one frame was 0.166 seconds, which is not achievable for the known scanning method for obtaining digital x-ray images.

Источники информации.Sources of information.

1. Основы рентгенодиагностической техники / Под редакцией Н.Н. Блинова. - М.: Медицина, 2002.1. Fundamentals of x-ray diagnostic technology / Edited by N.N. Blinova. - M .: Medicine, 2002.

2. А.И. Мазуров, Н.Н. Потрахов. Влияние рассеянного рентгеновского излучения на качество изображения и методы его подавления // Медицинская техника. 2014. №5. С. 12-15.2. A.I. Mazurov, N.N. Potrakhov. The effect of scattered x-ray radiation on image quality and methods for its suppression // Medical Technology. 2014. No5. S. 12-15.

3. Приемники рентгеновского изображения рентгеновских диагностических аппаратов с цифровой регистрацией изображений. Номенклатура параметров и характеристик качества изображения, методы и средства их определения СТО - 23 - 2012 - 12.3. X-ray image receivers of X-ray diagnostic apparatus with digital image registration. The nomenclature of parameters and characteristics of image quality, methods and means of their determination STO - 23 - 2012 - 12.

4. Усилители рентгеновского изображения медицинских рентгеновских аппаратов. ГОСТ 26141-84.4. Amplifiers of the x-ray image of medical x-ray devices. GOST 26141-84.

Claims

1. A method of obtaining a digital x-ray image, which consists in irradiating the diagnostic object with x-ray radiation, converting the radiation intensity transmitted through the object using a two-dimensional x-ray screen into an optical image, recording the optical image with a two-dimensional photosensitive matrix, followed by converting the video signals into a digital data array and transmitting the resulting digital array data to the operator’s automated workstation, characterized in that the diagnostic object is irradiated with a narrow fan scanning beam of x-ray radiation, and the radiation intensity transmitted through the object is converted using a two-dimensional x-ray screen into successively illuminated narrow fragments of an optical image that are recorded by a narrow exposure window of a two-dimensional matrix, the exposure window is moved along the photosensitive surface of the two-dimensional matrix in phase and synchronously with the movement of the trace of the fan beam x-ray radiation on an x-ray screen.

2. The method according to p. 1, characterized in that the total number of photosensitive rows of the matrix forming the exposure window of the matrix onto which the fragments of the optical image are projected is determined by the formula