Источники рентгеновского излучения

В настоящее время в практике рентгеновской интроскопии используются следующие источники рентгеновского излучения:

1) рентгеновские трубки;

2) рентгеновские излучатели;

3) рентгеновские моноблоки.

Рентгеновские трубки с неподвижным анодом:

Рентгеновская трубка с неподвижным анодом работает следующим образом:

при нагревании нити накала 1 (700÷800ºС) нагревается катод 2, из которого происходит эмиссия электронов (явление термоэлектронной эмиссии). Все элементы рентгеновской трубки располагаются в колбе 9 в глубоком вакууме.

За счет фокусирующих электродов 3 и 4, между которыми прикладывается высоковольтное напряжение (100 – 400 кВ), фокусируется тонкий электронный пучок, и за счет поля ему сообщается высокая энергия. Для того чтобы предотвратить воздействие на электронный пучок внешних магнитных полей, используется магнитная катушка 8, которая способствует фокусировке электронного пучка. При ударе электронного пучка о мишень 6, изготовленную из тугоплавкого металла (вольфрам, молибден), происходит излучение рентген-лучей, которые покидают трубку через окно 7, прозрачное для рентгеновского излучения. Так как при ударе электронов по мишени выделяется значительное количество тепловой энергии, то используется охлаждение анода 5 жидкостью, которая непрерывно протекает через его внутреннюю полость.

Понятие действительного и эффективного фокусного пятна.

Область решений, о которую ударяется электронный пучок, носит название фокуса.

При ударе электрического пучка о мишень он покрывает собой некоторую площадь, которую называют действительным фокусным пятном (ДФП). Как видно из рисунка, рентгеновские лучи направляются перпендикулярно оси электронного луча, а площадь проекции называется эффективным фокусным пятном (ЭФП). Чем меньше эта площадь, тем более резким получается рентгеновское изображение. Значение ЭФП можно уменьшить за счет уменьшения угла α. В современных трубках угол α = 15 – 17 градусов.

Форма пятна обычно принимается круглой или прямоугольной. Для этого нить накала изготавливается в виде спирали Архимеда или винтовой пружины.

В настоящее время ЭФП в рентгеновских трубках доводится до 2 мм, а в специальных – до 1,2 мм.

Рентгеновская трубка с неподвижной мишенью.

В этих трубках источник электронов, а также система фокусировки располагаются в удалении от мишеней и формируют электронный пучок (рис. 2), который ударяется о мишень той или иной формы.

На рисунке а) показана трубка с остронаправленным рентгеновским излучением.

На рисунке б) показана панорамная (кольцевая) трубка. Она позволяет создать рентгеновское излучение, имеющее форму кольца.

На рисунке в) – прострельная (торцевая) трубка. Здесь рентгеновское излучение возникает в мишени и просвечивает ее.

Рентгеновская трубка с вращающимся анодом.

В данной трубке, в отличие от предыдущих, охлаждение анода осуществляется за счет его вращения.

В стеклянной колбе 1 раскаленная нить 2 создает поток электронов, которые фокусируются с помощью электродов 3 в электронный пучок и под действием электрического поля направляются к поверхности анода. Возникающие рентгеновские лучи покидают колбу через окно 7.

Для вращения анода применяется специальный двигатель, ротор 6 которого во внутренней вакуумированной полости рентгеновской трубки, а остаток 5 – во внешней.

Так как электронный луч при вращении анода лишь малую долю периода первого оборота анода ударяется о его поверхность 4, то большую часть времени все точки поверхности охлаждаются. Это и позволяет исключить необходимость жидкостного охлаждения анода.

Некоторые характеристики рентгеновской трубки.

Вольтамперная характеристика трубки (ВАХ).

- анодный ток;

U – анодное напряжение.

Рисунок а) – ВАХ, из которого видно, что при различных токах накала катода i , анодный ток изменяется, причем обе кривые имеют насыщение, что является важным для стабилизации работы рентгеновской лампы. С увеличением тока накала i > i анодный ток увеличивается

Наличие характеристики, имеющей насыщение, позволяет так выбрать рабочее напряжение анода, чтобы при его возможных колебаниях ток анода не менялся.

Рисунок б) – зависимость интенсивности излучения от длины волны и напряжения. Как видно из рисунка, увеличение анодного напряжения сдвигается спектр рентгеновского излучения в сторону меньших длин волн, что используется при проведении рентгеновских исследований.

Мощность рентгеновской лампы:

К – определяется электрической схемой, используемой для питания лампы.

Неоднородности рентгеновского излучения, создаваемого рентгеновскими трубками.

Неоднородность излучения в пучке вызвана различными углами видения ∆φ фокусного пятна (ФП) на аноде со стороны приемника излучения (ПИ).

Как видно из рисунка а) положения 1, 2, 3 – угол видимости соответственно увеличивается. В результате, как в плоскости оси вращения анода (рис. б), так и в плоскости анода (рис.в) наблюдается неоднородность излучения. Она возникает также из-за того, что ПИ, как правило, является плоским, а рентгеновские лучи, исходящие из источника, распространяются по радиусу сферы. Таким образом, расстояние от фокуса до различных точек ПИ будет различным: по центру – минимальным, по периферии – максимальным. По истечении времени эксплуатации трубки интенсивность излучения уменьшается. После 5000 – 10000 срабатываний трубки интенсивность уменьшается, как показано на рисунке б). Это вызывает необходимость увеличения анодного тока в трубке по мере эксплуатации.

Рентгеновские излучатели и моноблоки.

На рисунке а) показан рентгеновский излучатель. Здесь рентгеновская трубка располагается в металлическом контейнере 1, заполненном трансформаторным маслом. Высоковольтное напряжение в трубке 2 подводится через высоковольтный изолятор 4. Масло в контейнере выполняет 2 функции:

1) создает надежную изоляцию между анодом и катодом;

2) охлаждает трубку, так как при ее работе выделяется теплота.

Так как масло при этом нагревается, то в конструкции предусмотрен расширитель 5, изготовленный бензостойкой резины, что исключает возникновение напряжений в корпусе контейнера.

Излучение выводится через окно 3.

Недостатком такого устройства является необходимость подвода высоковольтного напряжения с помощью специальных высоковольтных кабелей к рентгеновскому излучению, что затрудняет его возможное перемещение.

В моноблоке (рис.б) обеспечивается более простой способ подвода электроэнергии к трубке. Здесь во внутренней полости контейнера располагается, кроме трубки, еще и повышающий трансформатор 7 и трансформатор накала 8, а подвод электроэнергии из сети можно осуществлять обычными проводами.

Устройство электрического питания рентгеновских источников излучения.

В простейшем случае рентгеновский аппарат работает следующим образом:

помощью регулятора напряжения (РН) выбирается напряжение питания. С помощью РВ создается выдержка, т.е. длительность рентгеновского излучения. Значение этой выдержки выбирают в зависимости от просвечиваемого объекта. Кнопка (Кн) включает ТК и замыкает цепь питания между РН и главным трансформатором (ГТр), который является повышающим и позволяет получать напряжение 400кВ и выше. Это напряжение подается на выпрямитель (ВП) и далее к рентгеновской трубке (РТ), которая фокусирует пучок излучения.

Накал нити трубки осуществляется от отдельного источника питания (ИПН) через трансформатор накала (ТН).

Упрощенная электрическая схема рентгеновского аппарата:

Схемы устройств электропитания.

Схема а) – однополупериодный выпрямитель. Здесь функцию выпрямителя выполняет сама рентгеновская трубка, а именно: если на выходе ГТр имеем за 1 период изменение напряжения в форме рис. б), то, так как трубка проводит электрический ток только в одном направлении от катода к аноду, то напряжение на трубке будет меняться, как показано на рис. в). Причем импульс излучения будет длиться 0,01с.

На рисунке г) показана схема двухполупериодного выпрямителя. Здесь после ГТр в схему включен двухполупериодный диодный мост. Он позволяет получать при напряжении питания (рис. б) ток через рентгеновскую трубку в оба полупериода напряжение питания. Такие схемы применяются на небольших рентгеновских аппаратах. В основном, применяют трехфазную схему питания и выпрямитель напряжения – рис.ж). Здесь ГТр содержит 3 обмотки, и напряжение в них сдвинуто на 120 градусов относительно друг друга. Получаемый при этом ток и напряжение на трубке имеют форму, показанную на рисунке з). В данном случае за полный период электрических колебаний в сети ток через трубку никогда не равен 0. Это позволяет выбирать в пределах одного периода или более значений экспозиции (выдержки).

Еще более совершенными являются схемы с высокочастотным преобразователем напряжения (рис.и). Здесь после выпрямления сетевого напряжения выпрямителем ВП1 оно преобразуется с помощью преобразователя ПР в высокочастотный сигнал, который затем выпрямляется в выпрямителе ВП2. В результате ток и напряжение через трубку имеют форму, показанную на рис.к). Такая схема позволяет увеличить точность выполнения экспозиций.

Устройства формирования пучка рентгеновского излучения.

К этим устройствам относятся фильтры, диафрагмы, тубусы и растры.

Фильтры.

Известно, что рентгеновское излучение, которое создает трубка, примерно только на 70% состоит из фокального излучения (излучения, исходящего из фокуса), а остальная часть излучения исходит из зоны окружения фокуса – афокальное излучение. Оно имеет большую длину волны, что является нежелательным.

Для уменьшения влияния афокального излучения на результаты просвечивания применяют специальные фильтры, которые изготавливают из алюминия или меди.

Алюминиевые фильтры на длину рентгеновского излучения:

1 – без фильтра (100%)

2 – с алюминиевым фильтром толщиной 2мм

3 – с алюминиевым фильтром толщиной 5мм.

Как видно, алюминиевый фильтр убирает из пучка рентгеновских лучей лучи, имеющие большую длину волны. Обычно, фильтры выполняются в виде пластин размером 80х100мм или 100х100мм и устанавливаются в поток излучения сразу после рентгеновской лампы.

Диафрагмы.

Служат для придания пучку квадратной или прямоугольной в сечении формы.

Выпускаются нерегулируемые диафрагмы (рис.а) и регулируемые диафрагмы (рис.б). проходное сечение можно изменять за счет передвижения подвижных пластин. Диафрагмы изготавливаются из металлов, не пропускающих рентгеновское излучение.

Тубусы.

Эти устройства служат для создания требуемого по форме рентгеновского луча на заданном расстоянии. Эта форма может быть прямоугольной и круглой в сечении.

На рисунке в) длина тубуса L определяет расстояние от рентгеновской трубки до объекта.

Тубусы также применяют в дентальных аппаратах, где с их помощью создается расстояние до просвечиваемого зуба (рис.г).

Схема блока источника рентгеновского излучения.

Блок рентгеновскую трубку (излучатель или моноблок), фильтрация излучения которой осуществляется с помощью фильтра Ф, а площадь поля облучения задается диафрагмой Д. Для того чтобы направить рентгеновский луч точно на просвечиваемую часть объекта, блок содержит устройство, называемой центратором Ц. Простейший центратор содержит лампу накаливания 3 и зеркало 2. Луч света от лампы распространяется так же (пунктирная линия), как распространяется рентгеновский луч. Это позволяет перед просвечиванием точно навести рентгеновский луч на объект исследования. Существуют также лазерные центраторы.

Рентгеновские растры.

Известно, что при столкновении рентгеновского излучения с атомом объекта исследования оно частично рассеивается. Это уменьшает резкость изображения, т.е. изображение получается размытым. Для уменьшения этого эффекта используются растры.

Когда рентгеновское излучение проходит через объект, то, как видно из рисунка, в потоке лучей появляются такие траектории, которые отклоняются от траектории основного излучения. Растры размещают между объектом и приемником излучения ПИ. Растра обычно представляет собой прямоугольную конструкцию, в которой размещены тонкие пластины, которые называются ламелями и изготавливаются из свинца. Пространство между ламелями заполняют лавсаном, воздухом или углеродом. Угол наклона увеличивается к горизонту, что необходимо, чтобы лучи рентгеновского источника по всей плоскости растра имели возможность распространяться между ламелями. Причем для каждого источника подбирается свой растр, который располагается на соответствующем расстоянии от него. Как видно из рисунка, рассеянное излучение попадает на ламели и поглощается ими, не создавая отображение на ПИ.

Наиболее важные характеристики растр:

1) отношение толщины растра δ к расстоянию между ламелями φ (6÷8);

2) число ламелей на 1см (35 или 70). При этом растры с числом ламелей 35/см при экспонировании совершают возвратно-поступательное движение, что исключает появление изображения растра на ПИ. При 70/см – ламели могут оставаться неподвижными, что не сказывается на качестве изображения.

Приемники рентгеновского излучения.

Для каждого вида рентгеновского исследования применяют соответствующие приемники, а именно: рентгенометрические, рентгенографические, рентгеноскопические.

Рентгенометрические приемники излучения.

В настоящее время используются в основном ионизационные, полупроводниковые, сцинтилляционные и люминесцентные приемники рентгеновского излучения.

Ионизационные приемники рентгеновского излучения.

Принцип их действия основан на изменении ионного тока в герметичной камере, причем ионы газа возникают в этой камере под действием рентгеновского излучения.

Ионизационный приемник содержит герметичную камеру 1, заполненную ксеноном или смесью ксенона и аргона. Во внутренней полости камеры на второпластовом изоляторе 3 размещен коллектор 2. Между металлическим корпусом камеры и коллектором приложено напряжение от источника 4. Когда под действием рентгеновского излучения во внутренней полости камеры образуются ионы газа, под действием поля обычно собирают положительные ионы (ионизированные молекулы газа). Если положительный ион попадает к коллектору, то из внешней цепи поступает электрон, они соединяются, и образуются нейтральные молекулы. Чем больше интенсивность излучения, тем больше ионов поступает к коллектору и нейтрализуется на нем. Таким образом, по внешней цепи и через резистор R протекает ток электронов, который однозначно связан с током ионов, а, следовательно, с интенсивностью рентгеновского излучения. Этот ток создает на резисторе падение напряжения, которое воспринимается усилителем 5, усиливается и поступает на вольтметр 6 или другой приемник информации. Ток ионов, протекающий через ионизационный приемник, чрезвычайно мал (10 - 10 А). Такой же ток протекает и во внешней цепи.

Для измерения таких токов используют электрометрические усилители. Входное сопротивление такого усилителя составляет 1 – 20 ГОм.

Рассматриваемый приемник имеет 3 режима работы:

1 – режим работы ионизационной камеры. При Uнасыщ. ток не изменяется. Обычно ионизационные камеры работают при напряжениях больше, чем Uнасыщ., что и обеспечивает их работу.

2 – режим пропорционального счетчика. Интенсивность сигнала зависит от энергии поступающих частиц.

3 – режим счетчика Гейгера – Мюллера, при котором сигнал связан только с числом поступающих частиц.

Применяют многоэлектродные ионизационные камеры (линейки ионизационных камер).

Такие приемники представляют собой множество электродов, расположенных в камере 1, заполненной ксеноном или смесью. Расстояние между электродами 4 каждой камеры 1 – 3мм. Число камер: 512 или 1024. Высота электродов (перпендикулярно плоскости доски) 10 – 30мм, длина – 100 – 120мм. Электроды расположены на общем изоляторе 2.

Полупроводниковые приемники рентгеновского излучения.

На рисунке а) показан фоторезистор. Между электродами 1 и 2 расположен слой полупроводника 3 (селенистый, сернистый кадмий). Под действием рентгеновского излучения в полупроводнике рождается свободный носитель заряда, и его сопротивление уменьшается. Последнее измеряется с помощью электроизмерительных устройств.

На рисунке б) показан фотодиодный приемник рентгеновского излучения. Здесь используется диод, включенный в непроводящем направлении. При этом ток через диод очень мал, когда в одной из зон полупроводника, например, зоне р, под действием рентгеновского излучения возникает свободные носители зарядов (электронные дырки). Под действием тока электронные дырки перемещаются к р -переходу и уменьшают его сопротивление. Поэтому во внешней цепи начинает протекать ток, который создает падение напряжения на резисторе R, последнее воспринимается электронным усилителем 2.

В данном случае нет особых требований по входному сопротивлению к электронному усилению. 1 – источник питания.

Сцинтилляционные приемники рентгеновского излучения.

В таких приемниках рентгеновское излучение попадает в кристалл 1, содержащий фосфор, при этом возникают отдельные вспышки сцинтилляции. Кристалл покрыт отражательным слоем 2. Конструктивно кристалл расположен в окне фотоэлектронного умножителя 3, который преобразует видимое электромагнитное излучение, создаваемое вспышками, в электрический сигнал. Этот сигнал еще усиливается электронным усилителем и выводится на измерительный прибор 4 или другое устройство.

Люминесцентные приемники рентгеновского излучения.

Люминесценция – это излучение, которое при данной температуре возникает в дополнение к тепловому излучению.

Различают следующие виды люминесценции:

- катодосодержащая (под действием катодных лучей – пучка электронов);

- фотолюминесценция, или флюоресценция (возникает под действием электромагнитного излучения другой длины волны);

- рентгенолюминесценция (возникает под действием рентгеновских лучей);

- хемилюминесценция (под действием химических реакций);

- электролюминесценция (под действием электрического поля);

- сонолюминесценция (под действием звука).

Слой люминофора 1 покрыт отражательным слоем 2. При попадании рентгеновского излучения в слой люминофора последний светится, а излучение видимой части спектра, возникающее при этом, поступает в фотодиоды 3. В люминесцентных преемниках в качестве люминофора используют CsI (Tl); CsI (Na); NaI (Tl). Размеры: 1х0,5х0,5мм. Это позволяет набирать линейки из люминесцентных преемников, содержащие 512÷1024 приемника. Они находят применение в цифровой рентгенографии и рентгеноскопии.

Рентгенографические приемники излучения.

Рентгенографические пленки.

Они представляют собой фотографические пленки высокой чувствительности.

Различают однослойные (рис.б) и двухслойные (рис.а) рентгеновские пленки.

1- основа – прозрачная пленка, изготовленная из ацетатцеллюлозы или

лавсана;

2 – фоточувствительный слой;

3 – адгезионный слой (обеспечивает склеивание фоточувствительного слоя с

основой);

4 – защитный слой (от механических повреждений).

Обычно в процессе обработки рентгеновская пленка подвергается проявлению и высушиванию. Поэтому, как правило, она скручивается. Это не страшно для двухслойной пленки, так как фоточувствительные слои деформируются с двух противоположных направлений. Для однослойных пленок используют специальный антискручивающий слой 5, который уменьшает деформацию пленки.

Рентгеновские пленки разделяют на два типа:

- синечувствительные (кривая 1);

- зеленочувствительные (кривая 2).

Зеленочувствительные пленки обычно применяются в флюорографии.

S – чувствительность пленки при любой из принятых S-волн;

So – максимальная чувствительность.

Для того чтобы рентгеновское излучение обладало высокой проникающей способностью, как правило, пленки применяются вместе с металлическими или флюоресцентными экранами. Металлические экраны представляют собой тонкие пластины из олова, свинца или вольфрама толщиной от 0,02мм до 0,5мм.

Размеры этих экранов минимум 6 х 4см и максимум 30 х 40см. Флюоресцентные экраны представляют собой плоские куски картона или пластической массы, на которые нанесен слой люминофора. В качестве люминофора используется вольфрамит кальция, лантановый или иттриевый люминофоры. Размеры этих экранов такие же, как и металлических.

Действие металлических экранов состоит в следующем:

Рентгеновские лучи, попадая на металлическую пластину 3, размещенную в кассете 1 и плотно прижатую к однослойной рентгеновской пленке 4, выбивают из нее электроны. Электроны попадают в фоточувствительный слой и вызывают фотохимическую реакцию в этом слое.

Действие флюоресцентного экрана состоит в следующем:

1 или 2 флюоресцентного экрана 3 (рис.б) плотно прижаты к двусторонней пленке 4. При облучении Х-лучами флюоресцируют, и за счет этой флюоресценции происходит двухсторонне облучение электромагнитной фотопленки. В результате формируется рентгеновское излучение.

Обычно за счет использования экранов, которые называют усиливающими, создается 95 – 97% изображения. Это позволяет существенно уменьшить дозу рентгеновского излучения и просвечивания пациента.

Рентгеновские пленки обладают высоким разрешающей способностью, равной R = 60÷180 линий/мм.

Под разрешающей способностью понимают число пар линий белых и черных, которые размещаются на 1мм поверхности фотопленки.

В силу того, что в сочетании с рентгеновскими пленками для усиления изображения применяются рассмотренные выше экраны, разрешающая способность получаемой рентгенографии на порядок меньше, она составляет 6,5÷13 линий/мм.

Ксерографические рентгеновские приемники.

Ксерографический метод рентгеновских изображений состоит в облучении слоя полупроводникового материала, получении скрытого изображения, формируемого с помощью электрических зарядов и проявления этого изображения мелким красящим порошком.

Процесс получения ксерорентгенограммы разделяется на следующие этапы:

1) специальная алюминиевая пластинка, покрытая тонким слоем селена (полупроводника, имеющего высокое удельное сопротивление), электризуется, т.е. на ее поверхность наносятся электрические заряды. Эту пластинку 2 размещают на столе 1 и с помощью электризатора 3, приводимого в движение двигателем 5, на всю поверхность пластины при движении пластины под поверхностью электризатора наносится заряд. Заряд формируется за счет газового разряда между проволочками 6 и основанием 1, и создается поле 0,5 – 1,5 кВ от источника 4.

2) в кассете перед съемкой имеется пластина 2, верхний слой которой 3 несет на себе заряды. При просвечивании объекта, который размещается между источником рентгеновского излучения и кассетой 1, часть зарядов теряется, причем, чем меньше плотность, тем меньше зарядов остается на участке А.

3) пластинка подвергается проявлению. При этом скрытое электростатическое излучение преобразуется в видимое изображение.

4) для получения отпечатка на пластинку накладывается бумага и путем прижатия на нее переносится изображение. Затем оно закрепляется путем теплового воздействия.

Как видно из рисунка ксерографический способ позволяет быстро, минуя процессы мокрого проявления и использования дорогих реактивов, получать рентгеновское изображение.

По литературным данным, разрешающая способность селеновой пластины составляет 20÷30 линий/мм, а при переносе на бумагу уменьшается в 3-4 раза.

Рентгенографические приемники, основанные на фотостимулировании люминесценции.

Принцип действия этих приемников основан на эффекте захвата электронов в тонком слое специального материала вторидбария, активированного в европий. При облучении этого слоя рентгеновскими лучами (образование скрытого изображения) и последующего считывания этого изображения лучом лазера, создающего люминесценцию.

Фотоприемник выпускается в виде пленок, по форме напоминающих рентгеновский. После экспонирования в рентгеновских лучах в нем создается скрытое изображение тени объекта, которое считывается специальным образом: приемник 2 располагается на подвижном столе 1, который приводится в движение приводом 3. С помощью лазера 11 создается тонкий луч 12, который через зеркало 6 и механическое развертывающее устройство 5 посылается на поверхность пластины 2. Луч движется поперек пластины по стрелке А, и при облучении чувствительного слоя пластины возникает люминесценция из-за того, что электроны занимают прежнее положение (фотостимулированная люминесценция). Возникающее люминесцентное излучение собирается цилиндрической линзой 4 и направляется в приемное окно фотоэлектронного умножителя 7. Сигнал последнего усиливается электронным усилителем 8 и с помощью аналого-цифрового преобразователя 9 вводится в компьютер 10.

При повороте барабана луч света от лазера будет перемещаться поперек фотоприемника 2.

Приемники с фотостимулируемой люминесценцией выдерживают 5000 – 10000 экспозиций. Разрешающая способность: 5-10 линий/мм.

Рентгеноскопические приемники излучения.

Рентгенолюминесцентный экран содержит основание 1 (изготовленное из картона или пластмассы), на котором с помощью адгезионного слоя 2 закреплен люминофор (обычно цинк, кадмий, йодид цезия). При облучении экрана через объект на нем возникает тень. Изображение имеет желто-зеленый цвет и разрешение 2,5-4 линий/мм.

Рентгеновский электролюминесцентный экран.

В работе данного устройства используется принцип электролюминесценции, а именно свечение люминофора под действием электрического поля. Экран содержит две стеклянные пластины 1 и 2, между которыми расположены два полупрозрачного металлического электрода 3, слоя полупроводника и слой электролюминофора. Под действием рентгеновского излучения, исходящего из объекта, изменяется электрическое сопротивление полупроводника. Причем чем больше интенсивность излучения, тем меньше местное сопротивление в слое полупроводника и тем больше интенсивность свечения слоя люминофора, которое можно наблюдать через стекло 2.

Напряжение питания, подводимого к электроду 3, составляет 600-1000В переменного тока. Разрешение экрана: 3-5 линий/мм.

Рентгеновские электронно-оптические преобразователи.

Данный преобразователь представляет собой электровакуумное устройство и содержит стеклянную колбу 1, во внутренней полости которой создан глубокий вакуум и расположены электроды: сферическая пластина 2 из алюминия, покрытая слоем люминофора 3, который сверху покрыт слоем соединения CsI имеющий малую работу выхода электрона. При попадании на люминофор рентгеновского излучения слой его светится, в результате из слоя 4 вылетают фотоэлектроны. Причем на 1 квант рентгеновских лучей преобразуется до 2000 электронов.

Под действием электрического напряжения, приложенного между слоем 4 и электродом 5 (примерно 25кВ), а также напряжения, приложенного к цилиндрическому электроду 11, поток электронов, вылетающих из пластины 4, фокусируется и направляется к люминесцентному экрану 6, нанесенному на стеклянную пластину 7. Получаемое при этом видимое изображение является перевернутым. С помощью оптической системы линз 8 и 9 это изображение переворачивается, в результате в окуляре 10 можно наблюдать прямое изображение контролируемого объекта, т.е. его тени. Входной диаметр электронно-оптического преобразователя РЭОП может составлять 120÷570мм; выходной диаметр РЭОП 35÷50мм. Разрешение составляет 2,5÷7 линий/мм. Усиление яркости изображения происходит за счет эффекта фотоэлектронной эмиссии и электрического поля.

Плоский рентгеновский электронно-оптический преобразователь.

Плоский РЭОП содержит стеклянный корпус 1, в котором расположен на соответствующем держателе слой люминофора 2, полупрозрачный электрод 3 и слой CsI 4, который является источником электронов (фотокатод). Фотоэлектроны, вылетающие из слоя 4 под действием электростатического поля, приложенного между электродами 3 и 6, ускоряются и направляются к слою люминофора 5, вызывая его люминесценцию.

Изображение наблюдают через полупрозрачный электрод 6 и стеклянное окно 7. Внутренняя полость преобразователя вакуумированная. Размеры этого устройства могут составлять 400 х 400мм, толщина 100-120мм. Разрешение 1,5-2,5линий/мм.

Рентгеновский видикон.

Рентгеновский видикон – передающая телевизионная трубка. Принцип действия видикона для видимого и рентгеновского изображения одинаков.

Вакуумный видикон представляет собой электровакуумную лампу, из внутренней полости которой полностью выкачан воздух. Он содержит стеклянную колбу 1 с внешним диаметром 15-30мм, где расположены электроды. Здесь используется для формирования электронного луча явление термоэлектронной эмиссии. Электроны вылетают из нагретой нити 7 и с помощью анода – модулятора 6, анода 5, анода 4, фокусирующей магнитной катушки 9 собираются в электронный луч, который под действием электрического поля направляется к полупроводниковой мишени 3, нанесенной на сигнальную полупрозрачную пластину 2. Сетка 11 обеспечивает перпендикулярность движения электронного луча к мишени 3. Мишени для видимой части спектра излучения изготавливают из окиси свинца (в этом случае видикон называется плюмбокон), кремния (кремнекон) и т.д. Рентгеновский видикон имеет мишень, изготовленную из аморфного селена. Кроме этого, рентгеновские видиконы снабжаются алюминиевым фильтром, который служит для предотвращения попадания видимого излучения на мишень. Перемещение электронного луча (имеет диаметр 15-20мкм) осуществляется с помощью отклоняющей системы 10. Причем перемещение луча по мишени происходит перпендикулярно плоскости доски постепенно по всей высоте мишени (рис.а). При этом электронный луч заряжает поверхность мишени равномерно электростатическим напряжением. Мишень можно представить (рис.б) в виде совокупности конденсаторов и сопротивлений, равномерно распределенных по поверхности. При попадании видимого и рентгеновского излучений на мишень за счет внутреннего фотоэффекта в мишени появляются свободные носители электричества. Причем чем больше интенсивность излучения, тем больше появляется названных носителей.

Поэтому в тех точках мишени, на которые попадает излучение большей интенсивности, происходит большая потеря заряда конденсатора, и этот заряд сохраняется до тех пор, пока в следующем кадре электронный луч, обегая мишень, попадет в рассматриваемую точку А. При этом электроны будут опять заряжать мишень до постоянного потенциала, а для этого будет необходим больший или меньший электрический заряд. Если эта точка А потеряла больший электрический заряд за счет большой освещенности, то ток электронного луча, протекает через эту точку мишени (сигнальную пластину 2) и входной резистор Рвх от источника напряжения 12 будет больше. Отсюда следует, что падение напряжения на резисторе будет больше, и это напряжение, усиленное электронным усилителем 13, будет создавать уже на экране телевизора 14 точку большей яркости, и так соответственно точка за точкой (строка за строкой) будет создаваться один кадр изображения.

Разрешающая способность видиконов составляет 20-80линий/мм.

Твердотельные преобразователи изображения (ПЗС матрицы).

ПЗС – это приборы с зарядовой связью.

Эти устройства по сравнению с вакуумным видиконом являются более совершенными, так как имеют очень малые размеры и очень высокую чувствительность. Они представляют собой множество полупроводниковых конденсаторов, состоящих из металла, диэлектрика и проводника (МДП конденсаторы) или металла, оксида и полупроводника (МОП конденсаторы).

Основным элементом твердотельных преобразователей изображения являются ПЗС матрицы.

В ПЗС матрице по всей поверхности размещены металлические полупрозрачные электроды. Они нанесены на слой диэлектрика Д, который в свою очередь нанесен на полупроводниковые электроны. При считывании заряда потенциала U и U в противофазе меняются значениями, а именно: потенциал U становится отличным от нуля, а U равен 0. При этом пакет зарядов 1 передвигается за счет электрического поля под электрод 2, а пакет зарядов 2 – под электрод 4. В следующем также U > 0, а U = 0. Поэтому
ПЗ 1 и ПЗ 2 передвигают под электрод 3 и т.д., попадая к p-n-переходу, сформированному в полупроводниковой пластине р в виде выходного сигнала посылается на электронный усилитель. Так поочередно считываются все заряды, расположенные на одной строке.

Управление напряжением осуществляется с помощью устройства управления 1, а выбор строк матрицы осуществляется с помощью устройства 2. Заряды с каждой строки поступают на устройство 3, а далее на электронный усилитель, который воспринимается устройством отображения.

Усилители рентгеновского изображения.

1 – рентгеновский ЭОП посылает видимое изображение в оптическую систему 2, а с помощью зеркальца 3, имеющего полупрозрачный отражающий слой, это изображение посылается на аналоговый видикон (цифровой видикон) на базе ПЗС матрицы 4. Одновременно изображение можно посылать через окуляр 5.

Рентгенолюминесцентный экран с цифровой фотокамерой.

1 – рентгенолюминесцентный экран;

2 – цифровая камера.

Размер изображения 400 х 400мм. Разрешение определяется разрешающей способностью рентгенолюминесцентного экрана.

Матричные приемники рентгеновского излучения.

В матричных преобразователях рентгеновского излучения используются матрицы из чувствительных элементов, которые могут электронным путем подключаться к электронному усилителю 1 и далее согласующей системе 2 и монитору 3. Подключение осуществляется с помощью коммутатора столбцов 1 и коммутатора строк 2. В каждый момент времени с такой матрицы считывается сигнал элемента, находящегося на пересечении активированного столбца и такой же строки. Перспективными считаются два типа матричных приемников рентгеновского излучения: а) – люминесцентный экран 1 (слой люминофора) с матрицей фотодиодов 2, непосредственно соприкасающихся с экраном 1; б) – приемник с полевыми транзисторами. В последнем между тонким металлическим электродом 1 и полевым транзистором приложено электрическое поле. При облучении такого приемника рентгеновскими лучами в слое селена 2 появляются носители электрического заряда в тем большем количестве, чем больше интенсивность излучения. Под действием электрического поля эти носители движутся к полевому транзистору, попадают в его затвор 5 и изменяют сопротивление между истоком 3 и стоком 4 этого транзистора, тем самым изменяется ток, проходящий через него.

Матричные приемники выпускаются размерами 350 х 450мм и имеют разрешение 3,5 линии/мм.

Классификация рентгеновских аппаратов.

Их разделяют:

1. По назначению: - общего назначения;

- специального назначения.

В последних принято выделять в зависимости от исследуемого органа специальные аппараты:

а) флюорограф (исследование легких);

б) актограф (исследование сосудов);

в) дентальные аппараты (исследование зубов);

г) манографы (для исследования молочной железы).

Кроме того, к специальным аппаратам относят:

- рентгеновские терапевтические аппараты;

- рентгеновские денсиметры (измерение плотности костей и тканей).

2. По исполнению:

а) переносные (которые способны перенести два человека);

б) передвижные;

в) разборные;

г) перевозимые;

д) стационарные.

3. По виду рентгеновской интроскопии:

а) рентгенографические;

б) рентгеноскопические;

в) рентгенометрические.

4. По зависимости от получаемого изображения:

а) рентгенографические;

б) томографические;

в) стереорентгенографы;

г) кинографические.

Конструкции рентгеновских аппаратов.

а) – переносной (для получения рентгенографии прямо в палате). РИ – рентгеновский излучатель. ИП – источник питания.

б) - передвижной.

в) - передвижной с С-образной дугой (позволяет осуществлять рентгеноскопическое цифровое исследование).

г) – дентальный аппарат с монтажом на стене.

д) - дентальный аппарат на подвижном штативе. ШМ – шарнирный механизм, обеспечивающий возможность наилучшего позиционирования рентгеновского источника РИ, снабженного тубусом.

Стационарные рентгеновские аппараты.

Обычно они представляют собой комплексы, имеющие источники питания, пульты управления, штативы рентгеновского источника, стол для съемки, стойку для съемки, стол-штатив для съемки, фотолабораторию.

а) – штатив для рентгеновского источника, к которому подводится энергия по кабелю. Причем рентгеновское излучение может располагаться вертикально, горизонтально и под любым промежуточным углом.

б) – стол для съемки 1: под столом на отдельной плите кассета 2 и привод 3, который используется в тех случаях, когда при съемке используется растр.

в) – стойка для съемки 4. Остальные элементы идентичны б).

Для просвечивания как в б), так и в в) используется штатив (рис.а), на котором рентгеновский излучатель располагается вертикально или горизонтально.

г), д) – стол-штатив. Наиболее современное устройство. Пациент располагается на столе так, что ноги упираются в ограничитель. За счет поворота стола пациенту может придаваться горизонтальное (рис.г) и вертикальное (рис.д) положение. Рентгеновский источник находится под столом, приемник – над пациентом. Аппарат может использоваться как рентгенографический, так и рентгеноскопический.

Рентгеновский кабинет (типовой).

1 – стол для приема пациента.

2 – источник питания.

3 – стол для съемки.

4 – стойка для съемки.

5 – стол-штатив.

6 – пульт управления рентгеновским источником.

7 – автоматизированное рабочее место.

8 – пульт для подачи электропитания.

9 – фотолаборатория.

10 – штатив РИ.

11 – окно с большим содержанием свинца.

Флюорографы.

Флюорограф с пленочной фотокамерой:

При просвечивании с помощью источника 2 на люминесцентном экране 1 создается теневое изображение грудной клетки, которое фотографируется с помощью фотокамеры 3 на широкую (70мм) фотопленку.

Рентгеновский флюорограф с цифровыми приемниками излучения.

1. Вместо люминесцентного экрана может быть кассета с пленкой, позволяющая получать скрытое изображение за счет индуцируемой люминесценции.

2. Усилитель рентгеновского изображения с цифровой фотокамерой. Люминесцентный экран с цифровой фотокамерой. Матричные приемники излучения.

Сканирующие цифровые флюорографы.

Использование флюорографов с матричным приемником изображения дорого. Поэтому найдено компромиссное решение, позволяющее получать цифровые изображения более простыми средствами.

Цифровой флюорограф со сканированием горизонтальной плоскости.

Здесь на штативе 1 размещается подвижный узел, состоящий из РИ 2, выходного коллиматора 3, входного коллиматора 5 и линейки чувствительных элементов 6. Все названные элементы соединены с помощью кронштейна 4 и вращаются одновременно вокруг штатива 1. Рентгеновский луч в коллиматоре 3 превращается в узкий пучок, который посылается в щель входного коллиматора 5 и далее к линейке приемников рентгеновского излучения. При повороте всех элементов слева направо последовательно создаются столбцы цифрового изображения флюорограмм (10-30с.) В качестве приемников излучения используются линейки из люминофорных чувствительных элементов с фотодиодами и ионизационной камерой.

Данный флюорограф осуществляет сканирование пациента в вертикальной плоскости. При этом все его элементы перемещаются синхронно, например, сверху вниз. Информация от линейки детекторов 6, как и в предыдущем случае, посылается на ПК 7. Назначение всех элементов в этом устройстве аналогично предыдущему флюорографу.

Сканирующий флюорограф с селеновым барабаном (флюорограф Philips).

В данном флюорографе в качестве примера показана реализация вертикального сканирования (возможно горизонтальное сканирование). Здесь создается теневое изображение объекта для текущего слоя сканирования и через коллиматор 5 направляется в приемник, содержащий селеновый барабан 8 (рис.а). Селеновый барабан (диаметр менее 400мм) вращается с постоянной скоростью, а с помощью разрядного устройства 9 (рис.б) по всей длине его образующей наносится электрический заряд (физика процесса ксерографии). Поверхность барабана через коллиматор 5 облучается пучком рентгеновского излучения, прошедшим через объект. В каждый момент времени по поверхности барабана лучом освещается полоска П. При этом, чем больше местное рентгеновское излучение в каждом элементе полоски П, тем меньше зарядов остается на поверхности барабана. Таким образом, формируется скрытое электростатическое изображение. При дальнейшем вращении барабана скрытое электростатическое изображение считывается с помощью блока считывания 10. В блоке считывания находится более 1000 элементов усилителей 11, к входам которых подключаются счетчики 12, которые соприкасаются с поверхностью барабана по его образующей. Протекающий через входную цепь к каждому усилителю электрический сигнал пропорционален электрическому заряду, который остался на поверхности барабана в той зоне, где щеточки соприкасаются с этим барабаном. Это позволяет одновременно с помощью считывающего устройства получать электрические сигналы по распределению сигналов вдоль образующей барабана. Это несет информацию о рентгеновском изображении очередной полочки. Так последовательно считывается информация в процессе всего сканирования, что и позволяет получать флюорограммы. Количество щеточек 900 – 1024 шт. Усилители 11 – электрометрические.

Рентгеностереография.

Зрение человека бинокулярно, т.е. он видит определенные предметы двумя глазами. Это позволяет человеку составить представление о размещении отдельных предметов в пространстве. При некотором рентгеновском исследовании также необходимо иметь представление об отдельных фрагментах предметов в пространстве. Для этого используется стереорентгенография (рентгеностереография).

Для получения рентгеновских стереофотографий используются два приема:

Рисунок а – съемку осуществляют с помощью одной кассеты, в которой расположена рентгеновская пленка. Эта кассета размещается в металлическом боксе Б, и при получении фотографии в кассете предусмотрены два положения: I и II. В первом положении объект просвечивается с помощью рентгеновского источника, расположенного в правой части рисунка. При этом засвечивается только половина рентгеновской пленки, которая незащищена металлическим боксом. Затем кассета с пленкой перемещается в положение II, а рентгеновский источник перемещается влево (см. пунктир). И при просвечивании получается второе рентгеновское изображение. Первое изображение соответствует рассмотрению объекта левым глазом, а второе – правым глазом.

Рисунок б – здесь рентгеновский источник остается неподвижным, и используются две кассеты. Сначала съемка осуществляется на первую кассету 1, которая расположена под углом к столу, где находится объект исследования. А затем повторной съемкой осуществляется изображение на пленке, размещенной в кассете 2. Причем К1 – К2, как видно по рисунку, расположены под углами к столу, а суммарный угол между ними обычно составляет 6-10 градусов. На первой кассете получается изображение для левого глаза, а на второй – для правого. В результате можно видеть пространственное изображение органов.

Рентгеновская стереоскопия.

В данной рентгеновской установке используется конструкция, называемая С-дуга 1, которая приводится в движение с помощью приводов 2 вертикального и горизонтального перемещения и вращения.

Установка содержит 2 рентгеновских излучателя РИ 1 и РИ 2, которые просвечивают объект под двумя углами, и общий приемник излучения ПИ, в качестве которого могут быть использованы усилители рентгеновского изображения, снабженные телевизионной камерой, и матричные приемники, работающие совместно с компьютером. Облучение объекта исследования осуществляется поочередно, например, источником РИ 1 и РИ 2. При этом на экране монитора при каждой экспозиции формируются поочередно изображения для левого (например, красное) и для правого (например, синее) глаз. Обязательным является использование цветного монитора. Для наблюдения стереоскопического изображения рентгенолог использует специальные очки, которые имеют красное и синее стекло или фильтры. Этот метод сепарации изображения для левого и правого глаз называется методом цветных анаглифов. Таким образом, левый глаз видит только одно изображение для левого, а правый – для правого. Мозг совмещает эти два изображения в одно стереоскопическое, что позволяет наблюдать объемное изображение.

Рентгеновская томография.

Получение изображения слоя рентгеновской томографии базируется на одновременном перемещении по дугам рентгеновского источника РИ и кассеты К с рентгеновской пленкой. При этом перемещении изображение исследуемого слоя получается значительно более резким, чем изображение всех остальных точек исследуемого объекта. Причем расстояние от источника излучения до исследуемого слоя l заранее задается рентгенологом в зависимости от требований врача.

Как видно на рисунке, при перемещении рентгеновского источника из положения I в положения II и III объект непрерывно облучается лучом рентгеновского излучения. Кассета совершает синхронное перемещение (см. положение I). Точка а имеет проекцию а , а проекция точки в - в располагается слева отпроекции точки а. При повороте, например, в положение II проекции точек а и в - а и в - совпадают. А при перемещении в положение III проекция точки в находится уже справа от проекции точки а (см. а и в ). Таким образом, точка в все время меняет свое положение на рентгеновской пленке. Поэтому изображение получается размытым. А положение точки а получается резким. В большей или меньшей степени разным будет изображение всех точек, располагающихся в исследуемом слое. Упрощением является прием, при котором кассета с рентгеновской пленкой двигается не по дуге, а по прямой. Располагая соответствующим образом объект, источник и приемник, с помощью томографии можно получить резкое изображение любого заданного слоя объекта.

Рентгеновская компьютерная (трансмиссионная) томография.

Создание рентгеновской компьютерной томографии рассматривается как второе по значимости после открытия Рентгена изобретения, деланное в рентгеновской интроскопии. Точно известна дата создания первого компьютерного томографа – 1972г. этот томограф был создан группой английских инженеров под руководством Хаусфеймера. В 1979г. Хаусфеймеру была вручена Нобелевская премия по медицине. Впоследствии было выявлено, что первый томограф работал по принципу, предложенному Хаусфеймером, который был создан ранее в СССР в 1958г.

Принцип томографии состоит в просвечивании тонким (0,5 – 2мм) лучом исследуемого слоя объекта, измерении поглощения этого луча (причем просвечивание осуществляется под разными углами) и обработке измерительной информации с помощью ПК. Томография имеет целью получение информации о распределении плотности вещества по сечению объекта.

Компьютерная томография позволяет получить на порядок большее разрешение, чем обычная рентгенография, что, в основном, определяется тем фактом, что тонкий луч рентгеновской длины волны практически не содержит произвольного излучения.

Простейшее исследование компьютерной томографии осуществляется следующим образом: с помощью системы, состоящей из рентгеновского источника РИ и приемника ПИ, которые способны двигаться параллельно друг другу, осуществляется просвечивание выбранного слоя объекта. После этого полученная информация усиливается и преобразуется в устройстве 1 и посылается в ПК 2, где она запоминается. Затем источник и приемник поворачиваются на некоторый угол к плоскости исследуемого слоя, и операция сканирования повторяется. Эта процедура повторяется многократно. После математической обработки полученной информации удается получить изображение исследуемого слоя объекта.

Принцип компьютерной томографии.

В первом приближении принцип компьютерной томографии можно уяснить, рассматривая некоторый модельный опыт в видимой части спектра.

Например, необходимо установить, в какой части исследуемого слоя расположен стержень, размещенный в стакане. Для этого, например, можно снять изображение слоя под тремя различными углами 1, 2 и 3. в результате получатся теневые проекции П1, П2, П3 этого слоя. Как видно из рисунка, изображение стержня в каждой из проекций располагается по-разному. Так делается в томографии при просвечивании слоя толщиной под различными углами.

Полученные теневые проекты можно использовать для получения (восстановления) изображения. Например, расположив проекции как показано на рис.б, относительно листа бумаги, можно провести проекции изображения стержня на данный лист бумаги. Такая процедура называется обратным проецированием. Причем каждая из проекций а, в, с имеет одинарную плоскость, в то время как в месте их пересечения плоскость будет тройной. Как видно из рисунка, это позволяет получить информацию о расположении стержня в исследуемом слое. Если необходимо исследовать следующий слой, то все процедуры можно повторить, а, продолжая исследование вдоль всей высоты стакана, можно восстановить объемное изображение объекта.

Как видно на рисунке, в процессе обратного проецирования на листе бумаги остаются полосы от проекций а, в, с, которые мешают получению точной информации. Математическим путем с помощью специальных компьютерных программ удается удалить названные изображения.

Системы сканирования компьютерных томографов.

В настоящее время известны пять поколений систем сканирования для компьютерных томографов. Примеры приведены на рисунках а, б, в, г, д, е.

Рисунок а) – сканирующая система первого поколения. Здесь рентгеновский источник и приемник излучения движутся параллельно по прямоугольной раме 1. сканирование осуществляется одним лучом. Затем рама поворачивается на некоторый угол α вокруг объекта, и сканирование повторяется.

Рисунок б) – сканирующая система второго поколения. Здесь используется 20 -40 приемников излучения, а рентгеновский источник снабжается коллиматором (направителем), который формирует 20 – 40 отдельных лучей. Сканирование осуществляется при движении ПИ и РИ вдоль рамы 1, затем рама поворачивается и осуществляется сканирование под другим углом.

Рисунок в) – сканирующая система третьего поколения. Здесь РИ и ПИ, которых бывает 256 – 512шт., синхронно вращаются на кольцеобразной раме 1. При этом осуществляется сканирование под различными углами.

Трудности отвода сигналов от движущихся приемников вызваны появлением системы четвертого поколения (рис.г). Здесь ПИ расположены по кольцу неподвижно, а перемещается только РИ, снабженный компьютером.

В настоящее время такие системы имеют преимущественное применение (рис.д). С их помощью осуществляется спиральная компьютерная томография, при которой просвечивание осуществляется под некоторым небольшим углом, вызванным перемещением пациента на специальном столе по внутренней полости сканирующей системы.

Рисунок е) – сканирующие системы пятого поколения. Здесь используется большая рентгеновская трубка 1, в которой имеется источник электронов 2. Под действием электрического поля и отклоняющей системы в виде пучка 4 электроны направляются к мишени 5, выбивая из нее пучок рентгеновского излучения 6. Этот пучок через коллиматор 8 и объект исследования направляется к ПИ (детекторам) 7. В виду того, что движение электрического луча по дуге мишени 5 происходит за миллисекунды, сканирование объекта происходит очень быстро под разными углами. В результате удается исследовать внутренние органы человека, например, сердца в движении.

Методы обработки сигналов детекторов и получения изображения.

Если при каждом сканировании построить кривую распределения сигналов ПИ по ширине l объекта, то получим одну теневую проекцию, выраженную через сигналы детектора. Эта информация преобразуется в цифровую форму и вводится в ПК (рис.б). А после накопления информации о подробных проекциях, полученных под разными углами сканирования, ПК восстанавливает или формирует изображение слоя, который внесен в информацию о распределении плотности вещества в плоскости выбранного слоя объекта.

Логарифм отношения интенсивности входного I и выходного I излучений несет информацию о коэффициенте ослабления и толщине l просвечиваемого слоя:

ln , где ρ – плотность.

U = K ρ, где U – сигнал каждого детектора,
K – коэффициент плотности.

Для восстановления изображения используется итерационные и аналитические алгоритмы. Аналитические алгоритмы основаны на верхних фильтрациях метода Фурье или методе обратного проецирования и одномерной фильтрации Фу