Среди известных методов медицинской диагностики ведущее место благодаря своей высокой информативности занимает рентгенографический метод исследования. В свою очередь, одним из наиболее распространенных видов рентгенодиагностических исследований в медицине является дентальная диагностика. При этом роль рентгенологических обследований в современной стоматологии и челюстно-лицевой хирургии неуклонно растет. К традиционной задаче выявления заболеваний зубо-челюстной системы и уточнения их природы, все чаще добавляются показания к использованию рентгенологических методик при определении результатов консервативного и хирургического лечения, оценке динамики течения патологических процессов и полноты выздоровления.
По данным Всемирной организации здравоохранения уже в 2000 году около половины от общей эквивалентной дозы облучения человека, вызванной рентгенологическими обследованиями за время его жизни, для жителей развитых стран мира обусловлено диагностированием различных заболеваний зубов и полости рта. Более трети этой дозы связано с так называемыми панорамными исследованиями, применяемыми, например, при диагностике и лечении такого распространенного заболевания, как пародонтоз.
Параллельно расширению объема рентгенологических исследований увеличивается частота воздействия рентгеновского излучения на население. Принятая ведущими отечественными и зарубежными клиниками методика диагностики в терапевтической стоматологии предполагает при первичном обращении пациента и его последующем лечении назначение трех-четырех дентальных рентгеновских снимков.
Отмеченные тенденции развития рентгенодиагностики в стоматологии и челюстно-лицевой хирургии требуют повышенного внимания к вопросам обеспечения радиационной безопасности при проведении соответствующих рентгенологических обследований. Дополнительно этому способствует также ряд специфических обстоятельств. Во-первых, дентальные снимки в последнее время все чаще выполняются не специалистами-рентгенологами, а непосредственно стоматологамивследствие чего возможны ошибки в укладках, выборе режимов съемки и обработки снимков, что, соответственно, требует повторных снимков. Во-вторых, из-за отсутствия специализированных аппаратов при проведении отдельных исследований выполняются серии снимков, зачастую накладывающихся друг на друга. В-третьих, значительная часть исследований в стоматологии приходится на детей и молодых людей, обладающих максимальной чувствительностью к ионизирующему излучению.
Анализ тенденции развития диагностики в стоматологии и челюстно-лицевой хирургии позволяет выделить две основные задачи совершенствования дентальной рентгенодиагностики, характерной для всей медицинской диагностики в целом:
— максимально возможное снижение дозы облучения пациентов при проведении рентгенологических обследованийповышение информативности рентгеновских снимков и достоверности получаемой информации о состоянии исследуемых тканей и органов.
Как показывает практика, для решения указанных задач существуют два пути: экстенсивный и интенсивный.
Экстенсивный заключается в совершенствовании существующей рентгенодиагностической аппаратуры, например:
— улучшении характеристик источников рентгеновского излучения за счет перехода от полуволновых схем питания рентгеновских трубок к высокочастотным схемам или к схемам с постоянным напряжением;
— повышении чувствительности приемников рентгеновского излучения за счет использования «зеленых» комплектов экран-пленка или цифровых систем визуализации на основе ПЗС-матриц, экранов с памятью фотостимулированных люминофоров), крупноформатных электронных кассет (матриц фототранзисторов).
Однако более перспективным является интенсивный путь решения указанных задач — создание новых методик диагностирования и оригинальной аппаратуры для их реализации. Примером может служить разработка томографических методов диагностики (рентгеновская или позитронно-эмиссионная томография), фазо-контрастного метода получения рентгеновских изображений или методов микрофокусной рентгенографии.
За последние годы в области отечественного микрофокусного рентгеноаппаратостроения достигнут значительный прогресс. Разработаны и освоены в серийном производстве оригинальные рентгеновские трубки на напряжение 50−150 кВ и выше. Основными отличительными особенностями конструкции этих трубок является использование прямонакального катода V-образной формы и вынесенного анода трубки с мишенью прострельного или массивного типов. Указанные трубки позволяют на практике реализовать современные высокоинформативные малодозовые методики рентгенодиагностики в различных областях медицины, в том числе в стоматологии и челюстно-лицевой хирургии.
Разработаны и широко используются для питания микрофокусных рентгеновских трубок высоковольтные источники с частотой преобразования напряжения 50−100 кГц и более. Современные принципы построения высоковольтных схем, включая ключевой режим работы преобразователя, широтноимпульсную или частотноимпульсную модуляции, многокаскадное умножение напряжения, позволили создать компактные конструкции источников рентгеновского излучения. Благодаря небольшим габаритам и весу, а также низкой экспозиционной дозе излучения, рентгенодиагностические аппараты, созданные на основе указанных источников излучения, могут быть с успехом использованы в неспециализированных стоматологических кабинетах медицинских учреждений, в том числе расположенных в жилых домах или в смежных с жилыми помещениях.
Существенным шагом, значение которого в развитии рентгенодиагностической аппаратуры трудно переоценить, явилось широкое внедрение микропроцессорной техники. С помощью высокопроизводительных контроллеров и эффективных языков программирования были реализованы достаточно сложные алгоритмы управления режимами работы рентгеновской трубки. К традиционным функциям, выполняемым пультом управления современного рентгенодиагностического аппарата: установке напряжения и тока трубки, а также времени экспозиции, прибавились новые. Например, автоматический выбор режимов работы трубки в зависимости от диагностируемого органа, тестирование работоспособности основных узлов аппарата и оповещение в случае неисправности. Важнейшими из таких новинок являются: автоматическая оценка электрической прочности трубки, соответственно возможность тренировки трубки в случае возникновения недопустимо больших токов утечки или возникновения высоковольтных разрядов. Программа тренировки при этом может также автоматически корректироваться в зависимости от величины токов утечки, количества разрядов и длительности перерыва в работе аппарата.
Большую роль в совершенствовании рентгенодиагностической аппаратуры сыграло внедрение цифровых методов визуализации рентгеновских изображений. Как известно, особенности традиционной пленочной технологии в ряде случаев не позволяют воспользоваться всем объемом диагностической информации, заключенной в так называемом первичном рентгеновском изображении, полученном с помощью микрофокусного источника излучения. Относительно небольшая фотографическая широта пленки (0,5−2,5) при низкой квантовой эффективности (около 0,2) обуславливают достаточно высокий процент брака микрофокусных снимков, как правило, вследствие недоэкспонирования. Современные цифровые приемники рентгеновского изображения позволяют в большинстве случаев практически полностью скорректировать последствия неправильного выбора экспозиции съемки. При этом относительно низкая, по сравнению с пленкой, разрешающая способность таких приемников (3−4 мм" 1) практически не сказывается на качестве снимков, благодаря возможности получения резких увеличенных изображений способами микрофокусной рентгенографии.
Таким образом, можно с полным основанием говорить о том, что в отечественном производстве рентгеновской техники сложилась целая отрасль — микрофокусное рентгеноаппаратостроение, и это, несомненно, будет способствовать успешному решению задач, стоящих перед российской медицинской рентгенодиагностикой в настоящее время.
Одной из таких задач можно считать проведение широкого круга физических, технологических, а также медицинских исследований с привлечением современных методов компьютерного анализа в области микрофокусной рентгенодиагностики.
Целью диссертационной работы являются теоретическое обоснование, исследование, разработка и внедрение в медицинскую диагностику малодозовых методов микрофокусной рентгенографии, а также аппаратуры для их практической реализации.
Для достижения поставленных целей потребовалось решить следующие теоретические и практические задачи:
— выявление преимуществ и оценка эффективности микрофокусной рентгенографии в стоматологии и челюстно-лицевой хирургии;
— создание теоретического обоснования и разработка критериев выбора физико-технических условий микрофокусной рентгенографии;
— разработка аналитических методов определения экспозиционной и поглощенной доз при проведении рентгенологических обследований способами микрофокусной рентгенографии;
— разработка объективных критериев оценки и сравнения качества микрофокусных рентгеновских изображений, а также изображений, полученных на традиционных рентгеновских аппаратах;
— разработка малодозовых способов микрофокусной рентгенодиагностики в стоматологии и челюстно-лицевой хирургии;
— разработка, испытание и внедрение в клиническую практику комплекта аппаратуры нового поколения, обеспечивающего снижение дозы облучения пациентов при проведении рентгенологических обследований в стоматологии и челюстно-лицевой хирургии.
Научная новизна работы отражается в следующих результатах: экспериментально обнаружен, теоретически обоснован и количественно оценен эффект уменьшения экспозиционной дозы рентгеновского излучения при использовании для медицинской диагностики рентгеновских источников с фокусным пятном микронных размеров;
— обоснованы и использованы при описании процесса формирования рентгеновского изображения микрофокусным источником излученияпонятия «квантовая эффективность источника рентгеновского излучения» и «контрастно-частотная характеристика узла формирования рентгеновского изображения" — выявлена зависимость квантовой эффективности источника рентгеновского излучения от пространственной частоты и контрастно-частотной характеристики узла формирования рентгеновского' изображения от размеров фокусного пятна и напряжения рентгеновской трубки источника излучения;
— разработан аналитический метод оценки экспозиционной дозы, а также эквивалентной дозы облучения пациентов при проведении рентгенологических обследований;
— исследована зависимость эквивалентной дозы облучения пациентов от основных параметров микрофокусных ренгенодиагностических аппаратов, определены условия для ее минимизации, предложен и теоретически обоснован малодозовый метод «жесткой» микрофокусной съемки в медицинской диагностикеразработаны методы микрофокусной рентгенографии для стоматологии и челюстно-лицевой хирургии, а также общей рентгенодиагностики, подтвержденные патентами РФ;
— разработан метод объективной оценки качества и информативности рентгеновских изображений, подтвержденный патентом РФ.
Практическая значимость работы определяется тем, что в ней решена имеющая важное социальное и хозяйственное значение крупная научная проблема — снижение дозы облучения населения Российской Федерации при проведении рентгенологических обследований путем создания высокоинформативной малодозовой технологии медицинской рентгенодиагностики, включая методы микрофокусной рентгенографии, аппаратуру для их реализации, а также методы оценки эквивалентной дозы облучения пациентов и качества получаемых рентгеновских изображений.
Результаты работы, во-первых, используются в лечебном процессе главного клинического госпиталя МВД России, Центрального военного клинического авиационного госпиталя, Главного военного клиническогого госпиталя МО РФ им. Н. Н. Бурденко, Военно-Медицинской Академии и некоторых других ведущих лечебных учреждений России, а также в учебном процессе кафедры лучевой диагностики МГМСУ на этапе последипломной подготовки врачей-рентгенологов и кафедры электронных приборов и устройств Санкт-Петербургского государственного электротехнического университета.
Во-вторых, результаты работы нашли применение в разработанных за пятнадцать лет деятельности ЗАО «ЭЛТЕХ-Мед» (ТЕХНОПАРК СПбГЭТУ), внедренных и выпускаемых в настоящее время серийно:
— микрофокусных источниках рентгеновского излучения семейств РИ иРАП;
— рентгенодиагностических аппаратах семейства «ПАРДУС» для стоматологии, челюстно-лицевой хирургии, травматологии, педиатрии и других областей медициныустройствах для визуализации дентальных рентгеновских изображений «РЕНТГЕНОВИДЕОГРАФ»;
— универсальных рентгенотелевизионных микрои острофокусных комплексах для цифровой рентгенографии семейства «НОРКА».
В результате проведенных теоретических и экспериментальных исследований на защиту выносятся следующие научные положения:
1. Закономерности формирования медицинских рентгеновских изображений, позволяющие качественно объяснить и количественно оценить эффект снижения экспозиционной дозы рентгеновского излучения в медицинской рентгенографии в случае использования источников излучения с фокусным пятном размером менее 0,1 мм с помощью понятия «контрастно-частотная характеристика узла формирования рентгеновского изображения».
2. Способ объективной экспресс-оценки диагностической значимости медицинских рентгеновских изображений, который заключается в разбиении исходного изображения на отдельные участки, сравнении яркости соседних участков между собой и вычислении информационного индекса, характеризующего изображение одним числом.
3. Методика микрофокусной съемки в стоматологии, обеспечивающая снижение эквивалентной дозы облучения пациентов в два и более раз по сравнению с известными способами дентальной съемки, которая заключается в использовании источников излучения с фокусным пятном размером менее 0,1 мм и уменьшении фокусного расстояния до 60−80 мм.
4, Разработанные, внедренные в клиническую практику и поставленные на серийное производство рентгеновские аппараты семейства «ПАРДУС», а также цифровые рентгенодиагностические комплексы на их основе, созданные под руководством и при непосредственном участии автора в ЗАО «ЭЛТЕХ-Мед» (ТЕХОПАРК СПбГЭТУ) в период с 1997 по 2007 год.
Апробация работы.
Результаты исследований прошли широкое обсуждение на Всероссийских и региональных конференциях, съездах и научных форумах:
III Международная НТК «Актуальные проблемы электронного приборостроения» (Новосибирск, 1996 год), Всероссийская НТК «Актуальные вопросы медицинской радиологии» (Санкт-Петербург, 1998 год), II Международная НТК «Радиационная безопасность: радиоактивные отходы и экология» (Санкт-Петербург, 1999 год), Международная НТК «Лучевая диагностика и лучевая терапия на пороге третьего тысячелетия» (Москва, 2000 год), VI Международная конференция челюстно-лицевых хирургов и стоматологов (Санкт-Петербург, 2002 год), VI Съезд стоматологических ассоциаций России (Санкт-Петербург, 2001 год), XV Международная НТК по неразрушающему контролю (Москва, 2002 год), I и II Евразийские конгрессы «Медицинская физика» (Москва, 2001 и 2005 годы), I и II Международные конгрессы «Невский радиологический форум» (Санкт-Петербург, 2004 и 2005 годы), V-VIII Международная НТК «Медико-технические технологии на страже здоровья» (2003;2006 годы), 57−61 НТК, посвященная Дню радио (Санкт-Петербург, 2002 — 2006 годы).
Разработанные образцы рентгеновской аппаратуры демонстрировались на международных и всероссийских выставках, в том числе.
Здравоохранение" (Москва, 2006 год), «Больница» (Санкт-Петербург, 2001 — 2005 годы), «Российский промышленник» (СанктПетербург, 2003 — 2006 годы), «Неделя высоких технологий» (Санкт Петербург, 2003 — 2006 годы), где неоднократно награждались дипломами и медалями. Указанные образцы аппаратуры внедрены в крупнейших клиниках России и за рубежом.
По теме диссертации опубликовано 33 печатных работы (из них 12 в рекомендованных ВАК изданиях), методическое и два учебных пособия, две монографии. Получено 4 АС СССР, 6 Патентов РФ на изобретение и 8 Патентов РФ на полезную модель, 1 Свидетельство о регистрации программы для ЭВМ.
Структура и объем диссертации
Диссертационная работа состоит из введения, семи глав, заключения, списка литературы, включающего 108 наименований и приложений с актами внедрения. Основная часть работы изложена на 188 страницах машинописного текста. Работа содержит 68 рисунков и 18 таблиц.
Выводы.
Представленная работа решает крупную научно-техническую проблему отечественного здравоохранения, имеющую важное социальное и хозяйственное значение — снижение дозы облучения пациентов при проведении рентгенологических обследований.
Основные научные результаты,полученные в ходе данной работы, заключаются в следующем:
— срав нительный анализ известных способов рентгенографии показал существенные преимущества способа микрофокусной съемки при проведении диагностических исследований в различных областях медицины;
— впервые с помощью введенных и обоснованных понятий «квантовой эффективности источника рентгеновского излучения» и «контрастно частотной характеристики узла формирования рентгеновского изображения» описан процесс получения микрофокусных рентгеновских снимков;
— выявлена зависимость квантовой эффективности источника рентгеновского излучения от пространственной частоты;
— выявлена зависимость контрастно-частотной характеристики узла формирования рентгеновского изображения от размеров фокусного пятна и напряжения рентгеновской трубки источника излученияэкспериментально обнаружен, теоретически обоснован и количественно оценен эффект уменьшения экспозиционной дозы рентгеновского излучения при использовании для получения рентгеновских изображений микрофокусных источников излучения;
— разработан аналитический метод оценки экспозиционной дозы, а также эквивалентной дозы облучения пациентов при проведении рентгенологических обследований;
— исследована зависимость эквивалентной дозы облучения пациентов от основных параметров микрофокусных ренгенодиагностических аппаратов, определены условия для ее минимизации, предложен и теоретически обоснован малодозовый метод «жесткой» микрофокусной съемки в медицинской диагностикеразработаны методы микрофокусной рентгенографии для стоматологии и челюстно-лицевой хирургии, а также общей рентгенодиагностики, подтвержденные патентами РФ;
— разработан метод объективной оценки качества и информативности рентгеновских изображений, подтвержденный патентом РФ;
— на основе проведенных исследований разработаны и серийно выпускаются предприятиями ЗАО «ЭЛТЕХ-Мед» и HI 111 «Буревестник», ОАО рентгеновские аппараты, не имеющие в настоящее время аналогов как в России, так и за рубежом: рентгенодиагностические аппараты и цифровые рентгенотелевизионные комплексы семейства «ПАРДУС» общим объемом выпуска более 120 штук, а также микрофокусные источники излучения серий РИ и РАП — около 500 штук.
Заключение
.
Достижения в области стоматологии и челюстно-лицевой хирургии неразрывно связаны с внедрением в медицинскую практику новых, более перспективных методик диагностики и, в первую очередь, рентгенодиагностики. Одним из возможных путей дальнейшего развития рентгенодиагностики в указанных областях медицины может быть микрофокусная рентгенография.
Важнейшими отличительными особенностями микрофокусной рентгенографии, как было показано, являются более высокая информативность снимков, пониженная радиационная нагрузка на пациента и обслуживающий персонал. В качестве существенных достоинств следует также отметить малые габариты, вес и низкое энергопотребление аппаратуры, используемой для реализации схем микрофокусной съемки. Благодаря этим обстоятельствам микрофокусные рентгеновские аппараты могут с успехом использоваться в нестационарных и полевых условиях, в том числе жилых или смежных с жилыми помещениях.
Степень законченности разработок в области создания отечественных медицинских микрофокусных рентгеновских аппаратов достаточно велика. Свидетельством этому служит наличие действующих образцов и конструкторской документации, положительных отзывов специалистов и руководителей профильных организаций, а также «разрешительные» документы: лицензии и сертификаты соответствия.
Однако, несмотря на отмеченные преимущества, микрофокусная рентгенография еще не нашла широкого применения в повседневной медицинской практике. В большинстве лечебных учреждений России она фактически не используется. Это обстоятельство и послужило основанием для подробного анализа диагностических возможностей способов микрофокусной рентгенографии в стоматологии и челюстно-лицевой хирургии.
И несколько слов о перспективах отечественной микрофокусной рентгенодиагностической аппаратуры. Вполне реально, учитывая, имеющийся задел, и накопленный за последние годы опыт, в короткие сроки провести цикл разработок с доведением до серийного производства всей аппаратуры, необходимой для внедрения известных в настоящее время методик применения микрофокусной рентгенографии в медицинскую практику.
При этом, в качестве базового микрофокусного рентгено-диагностического аппарата может рассматриваться конструкция, обладающая следующими характерными особенностями:
— трех (четырех)электродная рентгеновская трубка с вынесенным массивным анодом и высокоэффективным, например, металлосплавным, катодом, а также дополнительной электромагнитной фокусировкой электронного пучка;
— излучатель моноблочного типа с комбинированной (твердотельной и масляной) высоковольтной изоляцией на напряжение 160−200 кВ мощностью до 200 Вт;
— миниатюрный центратор, формирующий (и обозначающий) поле облучения заданного размера и формы;
— пульт управления на основе современного микроконтроллера, например, с АРМ-архитектурой повышенной производительности и функциональности, обеспечивающий, помимо выбора и установки режимов работы рентгеновской трубки, диагностику и тренировку аппарата, а также автоматическую регулировку размеров фокусного пятна, в зависимости от исследуемого органа;
— специализированный штатив, позволяющий реализовать все известные способы микрофокусной рентгенографии, включая съемку различных органов с прямым увеличениемвысокочувствительная система цифровой визуализации микрофокусных рентгеновских изображений с возможностью автоматической корректировки ошибки в выборе режима съемки, например, на основе экранов с памятью или крупногабаритных матриц фототранзисторов (электронных панелей).
В предлагаемом направлении существуют широкие возможности как для работ поискового характера применительно к медицинской диагностике и рентгеноаппаратостроению, так и прикладных работ по созданию новых методик применения и новых конструкций аппаратов. С этой точки зрения планомерное развитие усилий по данной тематике способно привести к качественным изменениям в соответствующих областях медицинской техники. Кроме того, при соответствующей поддержки дизайн-проектов и умелой рекламной кампании возможно продвижение указанной российской продукции на зарубежный, весьма дорогостоящий рынок медицинского рентгеновского оборудования.