Рентгеновские трубки требуют эффективного использования электроэнергии. Существует два метода доставки электроэнергии: переменный и постоянный ток. Электронные схемы требуют постоянного тока, а современные специализированные маммографы — плавной, без пульсаций, подачи электроэнергии постоянного тока.
Способ выработки электроэнергии в специализированном маммографе влияет на несколько важных рабочих характеристик: эффективность, интенсивность рентгеновского излучения, продолжительность воздействия и мощность дозы. Выходная мощность экспозиционной дозы рентгеновской трубки маммографа должна быть не менее 800 мР/с при 28 кВп при измерении в 4 см от края приемника изображения, обращенного к грудной стенке, с латеральной центровкой и на 4,5 см выше его плоскости.
Устройство должно поддерживать такое облучение не менее 3 с.
При измерении мощности экспозиционной дозы компрессионное устройство не передвигается. При недостаточной мощности экспозиционной дозы время облучения увеличивается (более 3,5 с) или требуется применение больших величин кВп. Здесь представлено краткое обсуждение основ электричества, помогающее читателю понять ключевую роль электроэнергии в создании изображения, имеющего диагностическую ценность.
Переменное напряжение или ток обычно определяются как напряжение или ток, сила которых изменяется по синусоидальной кривой. В каждом полупериоде переменное напряжение меняет полярность, а переменный ток меняет направление потока. Точка максимального напряжения на синусоидальной кривой, также называемая пиковым напряжением, соответствует углу 90° (рис. 1).
Рисунок 1. Синусоида достигает своего пика при значении угла 90°. В этой точке измеряется пиковое подаваемое напряжение
Эффективное напряжение во время получения рентгеновских лучей начинается на 45° и продолжается до 135° (рис. 2).
Рисунок 2. При генерации рентгеновских лучей полезная часть синусоидальной волны расположена от точки начала подачи эффективного до точки окончания его подачи через пиковое напряжение. Остальная часть сигнала не используется
Частота переменного напряжения или тока — это количество циклов (завершенных синусоид) в секунду (ц/с). В США стандартное значение составляет 60 ц/с, или 60 Гц.
Однако электронные схемы требуют постоянного тока. Эффективная составляющая напряжения волны переменного тока равна мощности постоянного тока. Полупериодное выпрямление преобразует переменный ток в постоянный, используя только положительный (+) полупериод (от 0 до 180°) входного напряжения, тем самым эффективно отсекая переменную форму волны (рис. 3). Это приводит к колебаниям напряжения постоянного тока с той же частотой, что и на входе переменного тока.
Рисунок 3. Полупериодное выпрямление — недорогое средство преобразования переменного тока в постоянный. Его эффективность очень низка (50%). Использование полупери-одного выпрямления приведет к тому, что время экспозиции будет вдвое больше, чем при полнопериодном, или почти в 3 раза больше, чем у устройства с постоянным потенциалом
Это крайне неэффективно, поскольку выходная мощность намного меньше входной. Двухполупериодное выпрямление более эффективно. Оно меняет полярность одного полупериода входной синусоидальной волны. Таким образом, постоянное напряжение колеблется с частотой, в 2 раза превышающей частоту входной синусоидальной волны (рис. 4).
Рисунок 4. Двухполупериодное выпрямление в 2 раза эффективнее полупериодного, но на 30% менее времясберегаю-щее, чем мощность, генерируемая постоянным потенциалом
Это обеспечивает среднее или эффективное напряжение в 2 раза больше, чем при полупериодном выпрямлении, при этом пиковое выходное напряжение остается прежним.
Фильтрующий контур сглаживает колебания выхода постоянного тока, так что оборудование будет работать, даже если напряжение входа не полностью сглажено. Эти небольшие колебания называют пульсациями, которые измеряются по частоте и амплитуде. Фильтрующий контур используется для сжатия пиков отдельно колеблющихся импульсов постоянного тока и для заполнения точек минимума между импульсами.
Конденсаторы накапливают энергию, а затем выделяют ее между импульсами (в точки минимума), чтобы сгладить пульсации. В маммографах, работающих при частоте сети 60 Гц, для получения мощности, близкой к таковой постоянного тока, должны быть использованы чрезвычайно большие конденсаторы (настолько большие, что они непрактичны). Таким образом, при работе с маммографом всегда приходится учитывать эффекты пульсации (рис. 5).
Рисунок 5. Схематическое изображение тока в трубке и интенсивности рентгеновского излучения. Выходное переменное напряжение рентгеновского трансформатора преобразуется в постоянное с помощью двухполупериодного выпрямления. Однофазные, однофазные с измененной формой волны, трехфазные/шестиимпульсные, трехфазные/12-импульсные цепи и схемы с постоянным потенциалом демонстрируют неуклонное уменьшение изменения кривой напряжения во времени (уменьшение эффекта пульсации). Короткие импульсы рентгеновского излучения производятся однофазным генератором, в то время как стабильная интенсивность рентгеновского излучения является результатом функционирования системы постоянного потенциала
Один из способов получения чистой мощности постоянного тока (0% пульсаций) — использование аккумулятора. Однако, учитывая значение кВп для выполнения маммографии, это непрактично. Для создания постоянного тока в фильтрующем контуре аккумулятор должен быть больше, чем конденсаторы, необходимые для сглаживания формы волны на частоте 60 Гц. Другой метод, генерация постоянных потенциалов, более практичный.
Его используют производители всех доступных сегодня на рынке маммографов. Он обеспечивает эффективное и желаемое энергетическое состояние за счет быстрого включения и выключения сигнала и использования только пиков каждого сигнала. Благодаря использованию микропроцессора для управления включением и выключением возможна эффективная передача мощности.
Сегодня все маммографы производят с использованием высокочастотной инверторной технологии (что подразумевает значение частоты более 10 000 Гц) с выходом постоянного напряжения (то есть значение пульсации менее 13,5%). При этом есть различие: у наиболее эффективных аппаратов с постоянным напряжением значение пульсации будет равным 2%, у менее эффективных оно колеблется от 5 до 13%. Величина пульсации при работе с фокусным пятном большого и малого размера должна оставаться практически одинаковой.
Важным положением настоящей статьи на сайте является то, что маммографы работают по-разному и должны использоваться в соответствии с их значением пульсации. Вследствие различной пульсации разные маммографы требуют при эксплуатации использования разных настроек килоэлектронвольт (кэВ) или кВп. Без должных настроек кэВ или кВп время облучения может стать недопустимо большим. Сравнение этих настроек, используемых в специализированных маммографах с различной пульсацией, приведено в табл. 4.
Высокочастотные маммографы/маммографы с постоянным напряжением имеют несколько преимуществ. Weigl сравнил обычный однофазный генератор с генератором высокочастотного/посто-янного напряжения (многоимпульсный генератор), который также питается от однофазной линии. Он отметил следующие основные различия.
1. Выход дозы и время облучения. Как уже было показано, выход дозы трехфазного генератора примерно на 60% выше выхода дозы однофазного. Это означает, что у многоимпульсного генератора (вы-сокочастотный/постоянного напряжения) выход дозы также выше, чем у обычного однофазного.
2. Кожная доза. Сравнительные измерения глубины дозы показывают, что доза, получаемая кожей во время выполнения одного и того же снимка, значительно меньше при использовании высокочастотного генератора, чем обычного однофазного. Это связано с различной формой высоковольтных волн.
3. Требования по размещению. Еще одно достоинство высокочастотного генератора — сравнительно небольшой размер. Он не занимает большую площадь и состоит только из пульта управления и однокамерной рентгеновской трубки. Нет необходимости в дополнительном высоковольтном трансформаторе или шкафах для электронного оборудования.
Высокочастотные маммографы/маммографы с постоянным напряжением имеют следующие преимущества.
1. Возможность использования настроек с более низкими значениями кВ, что увеличивает контрастность.
2. Увеличение мР/с означает более эффективное рентгеновское излучение, что, в свою очередь, сокращает время облучения.
3. Непродолжительное облучение подразумевает снижение вероятности движения пациентки.
4. Пациентка получает меньшую дозу облучения.
5. Рентгеновская трубка должна служить дольше, потому что мощность излучения выше.
6. Меньший размер маммографа. Размер деталей аппарата становится меньше, поэтому маммограф более компактный и требует меньшей площади.
Сигнал радиационного выхода должен иметь пульсацию кВп менее 5% (пульсация облучения — не более 10%). Время нарастания (время до тех пор, пока кВп не станет точным и контролируемым) и время до прекращения облучения должны быть менее 16 миллисекунд.
а) Выбор кВ. В 1992 г. компания General Electric представила первого серьезного соперника трубке с мишенью из молибдена (Мо), по крайней мере, в отдельных случаях (рис. 6). Мишень этой трубки содержит два разных металла: Mo/ванадий и родий (Rh). Температура плавления родия, равная 1966 °C (по сравнению с 2610 °C для молибдена), требует для компенсации более низкой тепловой нагрузки меньшего значения мА станции.
Рисунок 6. Двухканальная рентгеновская трубка: родий и молибден/ванадий. Фокусные пятна большого и малого размера для каждой дорожки. Дорожка с родием используется при визуализации молочных желез большого размера с преобладанием в их составе железистой ткани, дорожка с молибденом — во всех остальных случаях
Контрастность объекта уменьшается с увеличением его толщины (для фиксированного кВп) и увеличения кВп (для данной толщины фантома), независимо от падающего спектра (Мо/Мо; Mo/Rh; Rh/Rh)... Контрастность объекта при более низком пиковом напряжении в киловольтах наибольшая для Мо/Мо и наименьшая для Rh/Rh. При увеличении напряжения контрастность Мо/Мо снижается быстрее, чем контрастность Mo/Rh или Rh/Rh, при некоторых вариантах тканевого состава молочной железы и ее толщины контрастность Мо/Мо ниже, чем Mo/Rh или Rh/Rh.
Этот кроссовер происходит при все меньшем напряжении в киловольтах по мере того, как увеличивается затухание ткани молочной железы (то есть ее толщины или плотности железистого компонента).
Рентгеновские лучи генерируются двумя способами: эффектом Комптона (рис. 7) и фотоэлектрическим эффектом (рис. 8). В аналоговой маммографии фотоэлектрический эффект создавал специальный спектр высококонтрастных рентгеновских лучей, необходимый для обнаружения опухолевой ткани (белого цвета), скрытой в фиброзно-железистой ткани (также белого цвета).
Рисунок 7. Эффект Комптона высвобождает электрон внешней электронной оболочки. Испускаемое излучение представляет собой разницу между уровнем энергии входящего рентгеновского фотона и количеством энергии, необходимой для удаления слабо удерживаемого электрона внешней оболочки. Поскольку при этом взаимодействии передается только часть энергии поступающего фотона, он продолжает двигаться, но с меньшей энергией. Этот фотон может совершить больше столкновений и отдавать больше своей энергии, всегда с разным качеством излучения
Рисунок 8. При фотоэлектрическом эффекте электрон с катода рентгеновской трубки ударяет по мишени и удаляет прочно связанный электрон внутренней оболочки, фотоэлектрон. После этого исходный рентгеновский фотон исчезает, потому что он израсходовал всю свою энергию. Дыра, образовавшаяся после выброса фотоэлектрона, заполняется электроном с внешней орбиты. Когда электрон внешней оболочки теряет часть своей энергии, приближаясь к ядру, испускается характеристическое излучение
Фотоэлектрический эффект зависит от атомного номера вещества (материала мишени), которое подвергается бомбардировке. Элементы с атомными номерами от 40 до 45 испускают мягкое характеристическое излучение в диапазоне от 15 до 30 кэВ. В этом диапазоне преобладает фотоэффект.
• Молибден с атомным номером 42 дает характеристические пики с К-краем при 17,4 и 19,6 кэВ; К-край поглощения составляет 20 кэВ. Молибденовый фильтр толщиной 0,03 мм, который находится в молибденовой мишени, используется для поглощения всего, что сгенерировано при энергии ниже 17 кэВ или выше 20 кэВ, вследствие чего излучение представляет собой монохроматическую узкую полосу (рис. 9). Такой режим наиболее подходит для визуализации молочных желез с преобладанием жирового компонента и молочных желез небольшого и среднего размера.
Рисунок 9. Типичные рентгеновские эмиссионные спектры (нормированные на единицу площади), используемые в маммографии. В мишени из молибдена используется молибденовый фильтр толщиной 0,03 мм. Представлены спектры, полученные при 24 и 30 кВ
Молочная железа большого размера или с преобладанием в ее структуре железистого компонента ослабляет рентгеновский луч, так что сквозь нее проходят только фотоны с более высокой энергией (то есть с меньшей контрастностью) плюс рассеяние, которое создает изображение. Молибден становится неэффективным примерно при 32 кВп. Если для визуализации молочной железы требуется значение кВ/с в этом диапазоне, лучше воспользоваться трубкой с мишенью из альтернативного материала.
• Родий, имеющий более высокую среднюю энергию рентгеновских фотонов, проникает в молочную железу большего размера или с преобладанием в ее ткани железистого компонента. Именно поэтому при визуализации молочной железы, толщина которой после компрессии составляет 6 см и более, в качестве материала мишени рентгеновской трубки должен выступать родий.
Это может оказаться полезным при маммографии около 15% женщин. Правильное использование новых комбинаций «анод/фильтр» обеспечит снижение дозы без потери контрастности. В противном случае контрастность при минимальном снижении дозы будет значительно снижена (см. табл. 5).
Родий с атомным номером 45 дает характеристические пики с К-краем при 20,1 и 22,7 кэВ; К-край поглощения составляет 23,2 кэВ. Родиевый фильтр толщиной 0,03 мм, который находится в родиевой мишени, используется для поглощения всего, что сгенерировано при энергии ниже 20 кэВ или выше 23 кэВ, вследствие чего излучение представляет собой монохроматическую узкую полосу.
• Вольфрам с атомным номером 75 дает характеристические пики при 57,98 и 59,32 кэВ. Рентгеновские трубки с мишенью на основе вольфрама используются преимущественно в цифровой визуализации. С мишенью из вольфрама используют разные фильтры.
Фотоэлектрический эффект связан с атомными номерами. При исследовании состава молочной железы атомные номера двух основных компонентов ее тканей тесно связаны. Три четверти массы жировой ткани составляют атомы углерода (атомный номер 6). Три четверти массы железистой ткани состоят из азота (атомный номер 7) и кислорода (атомный номер 8). Рентгенологическими симптомами рака молочной железы в 40% случаев являются микрокальцинаты, которые состоят из кальция (атомный номер 20) и фосфора (атомный номер 15).
Цель исследования состоит в том, чтобы создать контрастность, позволяющую различать атомные номера 6, 7, 8, 15 и 20. Это непростая задача для любой системы, поэтому крайне важно свести к минимуму факторы, ухудшающие контрастность.
Эффект Комптона относится к электронной плотности. Электронная плотность жировой ткани — 3,36х1023 электрон/г, железистой — 3,34х1023 электрон/г. Таким образом, между ними нет разницы контрастности, поэтому необходимо приложить все усилия, чтобы избежать комптоновского рассеяния.
Согласно Johns и Cunningham, при 20 кэВ вероятность фотоэлектрического поглощения в мягких тканях составляет 70%, вероятность комптоновского взаимодействия — 30%. При 26 кэВ шансы обоих взаимодействий одинаковы. По замечанию Feig, для максимального увеличения количества фотоэлектрических взаимодействий необходим пучок низкого напряжения. При напряжении ниже 20 кВ во всех мягких тканях преобладает фотоэлектрический эффект.
При напряжении в диапазоне от 20 до 28 кВ большая часть поглощения излучения в жировой ткани происходит за счет фотоэлектрического эффекта, тогда как в фиброзно-железистой ткани большая часть его поглощения является результатом эффекта Комптона. При напряжении больше 28 кВ большинство взаимодействий в этих тканях обусловлены комптоновским рассеянием. Эти соотношения возникают из-за того, что фотоэлектрический эффект увеличивается с уменьшением энергии быстрее, чем эффект Комптона.
Таким образом, различия контрастности жировой и фиброзно-железистой ткани увеличиваются со снижением напряжения. Для достижения практически наивысшей контрастности при экранно-пленочной маммографии следует использовать настройки напряжения со значениями от 25 до 27 кВ (выделено автором). Настройки 26-27 кВ могут быть полезны при выполнении исследований с увеличением или решеткой, а меньшие значения, превышающие 20 кВ, могут использоваться при рентгенографии образцов секторов молочной железы.
Использование рентгеновской трубки с мишенью из молибдена при напряжении 25 кВ обеспечивает максимально возможную контрастность изображения при сохранении приемлемой дозы облучения пациентки. Это было предпосылкой аналоговой визуализации. Однако процесс создания цифровых изображений сильно отличается от пленочных.
Традиционно кВп контролирует контрастность, а мАс — плотность. В цифровой визуализации эта концепция претерпевает изменения. В цифровой визуализации контрастность эквивалентна оттенкам серого, а плотность — яркости. Значения кВп и мАс не влияют на оттенки серого и яркость.
В цифровой визуализации оттенки серого и яркость контролируются алгоритмами компьютерной обработки и функциями ширины окна и уровня окна. Значение кВп контролирует проникновение рентгеновских фотонов. В цифровой визуализации возможно использование более высоких значений кВп, поскольку этот показатель больше не контролирует отображение в оттенках серого.
Вместо этого уровни оттенков серого контролируются настройками окна/уровня. Увеличение в настройках значения кВп приводит к снижению значения мАс.
Использование рентгеновских трубок с вольфрамовой мишенью неприемлемо в аналоговой визуализации, потому что атомный номер и характеристические пики вольфрама находятся далеко за пределами предпочтительного диапазона 15-30 кэВ, в котором преобладает фотоэлектрический эффект. Но с разделением кВп и контрастности большинство производителей цифровых маммографов перешли с молибдена и родия, используемых в качестве материала мишени, на вольфрам. Они приводят конструкцию цифрового детектора в соответствие с рентгеновским спектром, излучаемым трубкой.
Назначение альтернативного фильтра и (или) материала мишени состоит в обеспечении визуализации с меньшей дозой без снижения качества изображения (рис. 10). В цифровых маммографах индикатор облучения предупреждает лаборанта о его качестве.
Рисунок 10. Снимки молочных желез, полученные при использовании мишени из молибдена и родия. (А) Родий: толщина сжатой молочной железы — 4,5 см. (B) Молибден: 4,5 см
