АЕС было открыто Расселом X. Морганом в 1942 г. Морган использовал теорию, разработанную Генрихом Франке, который утверждал, что на каждой рентгенограмме есть доминирующая область, затемнение которой пропорционально среднему затемнению и общему виду всего изображения.
Эта теория легла в основу работы любого устройства АЕС. Излучение, прошедшее через объект, преобразуется в электронный сигнал, который прекращает облучение при достижении заданного уровня облучения.
АЕС было стандартной функцией большинства диагностических рентгеновских аппаратов в течение многих лет, но в маммографии стало применяться только с начала 1970-х гг.
Эффективность фототаймеров в маммографии была признана не так давно. Уникальные особенности визуализации молочной железы требовали разработки умных фототаймеров, основанных на более совершенных электронных технологиях воспроизведения точной плотности изображения. До разработки таких фототаймеров большинство опытных лаборантов использовали ручные методы.
Для того чтобы понять уникальность фотосинхронизации при визуализации молочной железы, необходимо вспомнить ее анатомию (рис. 1). На боковом срезе по внешнему краю видна линия кожи, сразу под кожей залегают подкожно-жировая клетчатка, протоковые структуры и железистая ткань, поджелезистый слой жировой клетчатки, грудная мышца, к которой прикреплена молочная железа и которая простирается вниз до уровня соска, и, наконец, грудная клетка.
Рисунок 1. Строение молочной железы. На рисунке представлены ребро, мышца, доли, протоки, сосок, ареола, жировая ткань
Рак молочной железы не развивается в коже или жировой ткани. Он возникает в протоках или железистой ткани. Следовательно, эта ткань нуждается в качественной визуализации.
Жировая ткань на маммограмме выглядит темной, потому что мягкие рентгеновские фотоны, используемые для маммографии, обладают достаточной энергией, чтобы проникнуть через нее. Таким образом, многие фотоны проходят сквозь нижнюю часть молочной железы и взаимодействуют с цифровым детектором.
Железистая ткань очень плотная и поглощает больше фотонов мягкого рентгеновского излучения, поэтому на цифровой детектор попадает только небольшая часть выходящих фотонов. По этой причине железистая ткань на маммограмме выглядит белой.
а) Умный фототаймер. АЕС цифрового маммографического аппарата зависит от дозы. Инженер по обслуживанию программирует дозу при маммографии в компьютере маммографа. Этот метод фотосинхронизации более стабилен, чем его предшественник — ионизационная камера. Изображения, получаемые при недостаточной или избыточной дозе облучения, — редкость.
Умный фототаймер состоит из серии фотоэлементов, а не из одного датчика. Эти несколько детекторов подключаются параллельно, чтобы обеспечить лучшую согласованность уровня облучения от одной проекции (и пациентки) к другой.
Например, при визуализации молочной железы, в структуре которой преобладает железистая ткань, а в одной из областей — жировая ткань, при расположении одного из фотоэлементов под жировой, а других — под железистой тканью, этот фототаймер усредняет сигналы обеих областей. При получении изображения доза облучения не должна быть меньше или превышать необходимую. Эта особенность делает новые фототаймеры более надежными.
Умные фототаймеры запоминают и повторяют настройки кВ, реагируя на изменяющиеся настройки кВ. Более ранние модели ионизирующих камер не могли реагировать на различные настройки; при изменении настройки кВп необходимо было отрегулировать настройку плотности. Умные фототаймеры не нуждаются в дополнительных настройках плотности.
После того как необходимая доза облучения будет установлена и будет запрограммирована настройка плотности «О» или «Нормальная», необходимость в изменении настройки плотности будет возникать редко. В современных цифровых маммографах настройка плотности дает указание аппарату доставить пациенту большую или меньшую дозу облучения. Она больше не контролирует плотность изображения из-за функции выравнивания окна, доступной при цифровой обработке изображений.
Умные фототаймеры также реагируют на различную толщину ткани молочной железы. Часто молочная железа имеет большую толщину при ее визуализации в косой, чем в СС-проекции. Настройку плотности на фототаймере с ионизирующей камерой с одним датчиком обычно приходилось увеличивать при визуализации в косой проекции. Умные фототаймеры распознают и выравнивают толщину молочной железы при изменении ее положения.
Фототаймер должен выполнять следующие функции.
1. Отслеживать (поддерживать) одну и ту же дозу от одного значения кВп к другому.
4. Обеспечивать наличие показаний кВп и мАс после прекращения облучения.
5. Воспроизводить точные дозы облучения на каждом изображении (воспроизводимость).
б) Воспроизводимость автоматического управления экспозиционной дозой. Устройство АЕС должно создавать изображения, которые не отличаются более чем на 0,12 единицы оптической плотности от средней оптической плотности молочной железы из ПММА толщиной от 2 до 6 см и кВп, которые подходят для этой толщины.
Средняя оптическая плотность — это оценка рабочих характеристик при оптической плотности выше 1,20 со средним градиентом системы визуализации 3,0. Обратите внимание, что если используется средний градиент, отличный от 3,0, значение 0,12 следует линейно масштабировать градиенту пленки (то есть чем выше градиент пленки, тем выше допустимое изменение оптической плотности).
Таким образом, спецификация основана строго на определенном рентгенологическом оборудовании.
Интеллектуальное устройство АЕС практически не позволяет получить изображение с недостаточной дозой облучения. На рис. 2 показан ряд технических факторов для различного состава и толщины ткани молочной железы. Потенциальным недостатком фотосинхронизации является то, что она может побудить радиолога пригласить для выполнения маммографии неопытного лаборанта или большое число лаборантов — совместителей формирования штата из нескольких высококвалифицированных специалистов.
Рисунок 2. Зависимость электрического заряда (мАс) от типа ткани молочной железы и ее толщины после сжатия. Установленное значение кВп — постоянный коэффициент. Переменные величины: 1) соотношение объемов жировой и железистой ткани (от 100% железистой до 100% жировой ткани) и 2) толщина молочной железы (от 1,5 до 5,0 см). При визуализации молочной железы толщиной 4,5 см, на 100% состоящей из железистой ткани, для получения оптической плотности, эквивалентной оптической плотности молочной железы, состоящей на 100% из жировой ткани, потребует увеличение мАс примерно в 3 раза. При толщине молочной железы 3 см потребуется двукратное увеличение этого показателя
Следует помнить, что выбор параметров экспозиции является относительно простой задачей, в то время как успех лаборанта и, следовательно, изображений, которые он получает, определяют правильная укладка и компрессия молочной железы. Фотосинхронизация не должна служить оправданием небрежного технического выполнения исследования, даже при правильных ее настройках возможно получение маммограммы низкого качества.
в) Автоматический выбор технических факторов. Автоматический выбор технических факторов на маммографических аппаратах имеет несколько опций. В зависимости от определения и терминологии производителя маммографа функция фотосинхронизации может быть упрощенной, позволяющей маммографу выбирать все показатели: комбинацию мишени и фильтра, а также настройки кВп и мАс, либо вместо нее можно использовать полуавтоматическую опцию фотосинхронизации, когда лаборант выбирает мишень и фильтр, а фототаймер — кВп и мАс.
Возможен также другой вариант: лаборант выбирает вариант фотосинхронизации, который обеспечивает получение изображения с наивысшим индексом контрастности, или, возможно, вариант дозы для намеренного уменьшения контрастности изображения для снижения дозы облучения пациентки. Производители предоставляют разные варианты.
г) Нарушение закона взаимности. Нарушение закона взаимности пленки, используемой с усиливающим экраном, указывает на то, что по мере увеличения продолжительности облучения линейного увеличения плотности на пленке нет.
Например, если подвергнуть облучению две одинаковые пленки, одну в течение определенного периода времени, а другую — в течение вдвое большего времени, вторая пленка при измерении плотности не будет в 2 раза темнее, чем первая.
У фототаймеров цифровых маммографов линейная реакция, поэтому, в отличие от аналоговых фототаймеров, для компенсации нарушения закона взаимности их не нужно программировать. При цифровой визуализации увеличение продолжительности облучения приводит к нежелательному возрастанию дозы, возможности движения пациентки и может привести к усилению шума на изображении.
При цифровой визуализации значение кВ увеличивается по мере увеличения толщины молочной железы и (или) количества железистой ткани. Это необходимо для удержания дозы облучения пациентки в разумных пределах. Для оптимизации соотношения контраста и шума настройка напряжения согласуется с толщиной/составом молочной железы. При более высоком напряжении контрастность необработанного изображения ниже, однако обработка изображения восстанавливает ее.
В цифровых системах при фиксированной дозе облучения использование низкого напряжения приводит к высококонтрастному изображению, на котором при этом есть шум; использование более высокого напряжения приводит к снижению контрастности, но получению более размытого изображения. Зона наилучшего восприятия, лучший вариант компромисса контраста и шума, находится где-то посередине. При обработке изображения его контрастность регулируется, что приводит к получению высококонтрастного снимка, который радиолог привык видеть.
д) Получение изображения и качество. Для измерения и преобразования сигнала, проходящего через молочную железу при маммографии, используется цифровой детектор. Этот сигнал записывается, оцифровывается и количественно отображается в градациях серого на дисплее, который представляет количество сигнала, нанесенного на каждый пиксель. Программное обеспечение постобработки организует эти данные для отображения на мониторе сбора данных.
Цифровые системы предназначены для автоматической оптимизации изображения независимо от точности облучения при фотосинхронизации. Компьютер рабочей станции получения изображений сравнивает полученный сигнал с сигналом идеального изображения и применяет определенные алгоритмы (например, компенсацию толщины, контрастность), чтобы зафиксировать качественное изображение. Это одна из причин редкости выполнения повторных снимков по техническим причинам, потому что компьютер исправляет изображения за специалиста.
Эта автоматическая функция оптимизации преследует своей целью сокращение частоты повторного облучения пациентки по причине технических ошибок, однако непредвиденным последствием ее использования стало то, что лаборант не способен выбрать правильные технические факторы. С разделением контраста и яркости изображения с дозой облучения становится возможным некоторое уменьшение последней с использованием окна/ уровня изображения, позволяющего обеспечить его качество.
Однако если доза облучения пациентки слишком мала, на изображении будет присутствовать шум. Если условия слишком интенсивны, получают изображение достаточного качества, но доза облучения пациентки при этом выше, чем это необходимо для получения снимка такого качества. Лаборанту необходима методика, позволяющая визуально оценить правильность использованной техники получения изображения.
В аналоговой маммографии это было возможно путем просмотра пленки с помощью негатоскопа на предмет избыточного или недостаточного времени экспозиции. Лаборант цифрового маммографа выполняет эту оценку, проверяя индикатор состояния экспозиции.
е) Индикатор состояния экспозиции. У разных производителей индикатор состояния экспозиции имеет разные обозначения: номер EI, номер DEI, значение S. Этот числовой индикатор данных об облучении предназначен для контроля дозы, полученной пациенткой, и предупреждения специалиста кабинета маммографии о приемлемом качестве изображения путем отслеживания достижения адекватного рентгеновского излучения детектора.
Показания индикатора состояния экспозиции зависят от материала мишени рентгеновской трубки, фильтрации, РИД, коллимации и алгоритмов обработки изображения.
В настоящее время предпринимаются попытки стандартизации индикатора состояния экспозиции. У разных производителей различается не только название, но и диапазон допустимых/недопустимых значений, а некоторые из них даже не предоставляют лаборанту эту функцию. В 2009 г. ААРМ, Альянс по медицинской визуализации и Международная электротехническая комиссия разработали метод стандартизации индикатора состояния экспозиции для всего цифрового оборудования.
Индикатор состояния экспозиции должен отображаться сразу после ее завершения, чтобы лаборант мог оценить уровень облучения. Индекс отклонения должен быть равен нулю. Если время облучения недостаточно, индекс отклонения будет отрицательным, если избыточно — положительным. Технические приемы, сведенные в таблицу, и использование фототаймера помогают предотвратить снижение дозы.
