Рентгеновская трубка — сердце рентгенологического аппарата. Внешне рентгеновская трубка маммографа может напоминать другие медицинские рентгеновские трубки, но внутренняя ее конструкция существенно влияет на рабочие характеристики и характеристики, необходимые для получения маммограммы.
Базовое понимание проблем, которые маммография ставит перед разработчиками рентгеновской трубки, и способов их решения позволяет критически оценивать аппараты для маммографии.
а) Измеряемая производительность. Вследствие различных конструктивных характеристик рентгеновских трубок, РИД, конструкции окон и характеристик пульсации различных генераторов при прогнозировании выходного рентгеновского излучения спецификация тока трубки может вводить в заблуждение.
Данные измеренного выходного облучения гораздо более полезны. Выходная мощность маммографа должна быть не менее 800 мР/с при 28 кВ при измерении в 4 см от края приемника излучения, обращенного к грудной стенке, с латеральной центровкой и на 4,5 см выше его плоскости.
Устройство должно поддерживать такое облучение не менее 3 с. В период измерения мощности экспозиционной дозы компрессионное устройство не передвигается. Недостаточная выходная мощность означает более длительное время облучения (более 3,5 с) или требуется применение больших величин кВп.
б) Фильтрация. В рентгеновских трубках с молибденовой мишенью используют молибденовые и родиевые фильтры, толщина которых составляет 0,03 мм, что позволяет за счет фильтрации уровней энергии выше 20 и ниже 17 кэВ получить почти монохроматический пучок.
Не следует заменять в трубках с молибденовой мишенью молибденовый фильтр алюминиевым: это сократит время облучения и серьезно ухудшит контрастность рентгенограммы. В трубках с родиевыми мишенями используются родиевые фильтры. В трубках с вольфрамовыми мишенями используются различные фильтры, в том числе алюминиевые фильтры для ДБТ. При чрезмерной фильтрации рентгеновского луча встроенный микровыключатель должен запретить облучение.
В рентгеновских трубках обычных аппаратов используют стеклянные окна. Трубки маммографа должны иметь бериллиевое окно. Стекло действует как фильтр при работе с мягким рентгеновским излучением и отфильтровывает фотоны, обеспечивающие контрастность маммографического изображения.
в) Слой половинного полуослабления. HVL влияет на контрастность рентгеновского изображения и дозу облучения. HVL измеряют в 4 см от края приемника излучения с латеральной центровкой, компрессионное устройство при этом неподвижно.
Для рентгеновской трубки с мишенью из мо-либдена/молибденовым фильтром значение НУТ должно быть равно значению пикового напряжения в киловольтах/100 + 0,03 в аппаратах из алюминия высокой степени очистки, с верхним пределом, не превышающим значение пикового напряжения в киловольтах/100 + 0,12 в аппаратах из алюминия.
При отсутствии каких-либо препятствий между рентгеновским фильтром и молочной железой НУТ не должен уменьшаться более чем на 20%, то есть минимальная фильтрация должна исходить от фильтра К-края, а не от бериллиевого окна, зеркала или устройства для компрессии.
г) Стационарный и вращающийся анод. Преимущество вращающегося анода состоит в более высокой нагрузочной способности трубки, следовательно, ток в мА может быть выше, а время облучения — сокращено. Однако вращающаяся система производит больше излучения вне фокуса, что является ее недостатком.
Оно может составлять от 5 до 25% общего радиационного выхода. Как и рассеянное, расфокусированное излучение добавляет к изображению общую дымку, уменьшая контрастность изображения. От большей части расфокусированного излучения можно избавиться, поместив внутрь корпуса трубки диафрагму.
Однако необходимо убедиться, что в результате не происходит недопустимого увеличения HVL. Рентгеновские трубки со стационарным анодом производят меньше излучения вне фокуса, но имеют более низкую нагрузочную способность.
д) Эффект крена и угол анода. Поскольку рентгеновские лучи генерируются внутри материала мишени на глубине 8 мкм, расположенная под углом мишень поглощает часть сгенерированного рентгеновского излучения — отсюда и возникает эффект крена анода (рис. 1).
Рисунок 1. Иллюстрация эффекта крена анода — самопоглощения рентгеновских лучей в верхнем слое мишени. Генерация рентгеновского излучения происходит внутри (в круге) мишени на глубине 8 мкм (затемненная область). Поскольку мишень расположена под углом, разница в длине выхода (от В1 до В3) приводит к ослаблению излучения от грудной стенки (катодная сторона) к соску (анодная сторона), известному как эффект крена анода
В диагностических рентгеновских трубках эффект крена анода имеет направление слева направо. Интенсивность рентгеновского излучения наиболее высока на катодной стороне трубки и уменьшается по направлению к анодной стороне. Эффект крена анода рентгеновских трубок маммографов аналогичен таковому у диагностических трубок.
Исключение состоит в том, что угол направления паттерна равен 90°, так что самые сильные рентгеновские лучи направлены на грудную стенку, и их интенсивность уменьшается в направлении кнаружи от соска (катодная сторона трубки находится ближе всего к грудной стенке пациентки, а анодная сторона обращена к соску).
Для получения рентгеновского луча необходим поток электронов от нити накала (катода) трубки к поверхности анода. Этот поток электронов регулируется уровнем кВ, количество электронного потока — мА. При увеличении значения регулирующих факторов (кВ или мА) тепловая нагрузка на анод увеличивается.
При производстве трубок поверхность анода наклоняют для лучшего распределения тепла. Таким образом, для получения более высоких значений мА может быть использован больший поток электронов. Кроме того, угол уменьшает размер эффективного фокусного пятна, обеспечивая тем самым лучшее разрешение.
Недостаток заключается в более выраженном эффекте крена анода: уменьшении интенсивности луча в направлении от грудной стенки до соска. В трубках новых конструкций обеспечивается баланс угла наклона трубки, размера фокусного пятна и результирующего падения оптической плотности, или эффекта крена анода.
Эффект крена анода, уровень экспозиции и размер зоны покрытия зависят от угла наклона мишени рентгеновской трубки, наклона рентгеновской трубки и РИД (рис. 2). Компромиссы в этой части конструкции рентгеновской трубки — обычное явление, поскольку три перечисленных фактора (эффект крена анода, уровень экспозиции и охват поля) тесно взаимосвязаны.
Рисунок 2. Отношения углов рентгеновской трубки. Рентгеновские трубки создают расходящееся рентгеновское поле. В рентгеновских трубках маммографов используется только половина этого расходящегося луча — луч от грудной стенки наружу. Если бы использовалась другая половина излучения, визуализация тканей задневерхнего отдела молочной железы, расположенного вдоль грудной стенки, была бы невозможна из-за расхождения луча. Рентгеновский аппарат должен обеспечивать правильный угол наклона мишени и трубки. Это гарантирует перпендикулярное грудной стенке направление луча и полный охват тканей при получении изображений большого формата (около 24x30 см). Такой комбинированный угол (угол наклона мишени и трубки) представляет собой расстояние между источником и детектором изображения (РИД) аппарата
Чем острее угол анода (чем он ближе к 0°), тем больше тепловых единиц может выдержать трубка. Эффект крена анода при этом будет больше. Чем он больше, тем меньше интенсивность пучка рентгеновских лучей на анодной стороне (на стороне соска). Чем ниже интенсивность рентгеновского излучения на стороне ПУПИ, обращенной к соску, тем меньшим будет покрытие поля с меньшей стороны приемника излучения размером 24x30 см.
Эффективные размеры фокусного пятна различных маммографических аппаратов могут быть одинаковыми независимо от угла анода (рис. 3). К факторам, на которые влияет угол анода, относятся: а) фактический размер фокусного пятна; б) количество единиц тепла, которое может выдержать мишень; в) эффект крена анода; г) колебания скорости потока (интенсивность рентгеновского излучения) (рис. 4).
Рисунок 3. Размеры проецируемого фокусного пятна в зависимости от угла анода. Если угол анода по отношению к плоскости изображения более острый (на представленной диаграмме он равен 7°), фактический размер фокусного пятна (область на поверхности мишени, на которую попадают электроны) будет больше, в то время как размер проецируемого фокусного пятна (эффективное фокусное пятно в плоскости изображения) будет аналогичным таковому при большем значении угла наклона мишени (равный 16°). Преимущество анодного угла, равного 7°, состоит в том, что система выдерживает большее количество тепловых единиц, поскольку площадь поверхности мишени почти вдвое превышает длину, полученную при использовании другого угла. Это явление называется принципом линейного фокуса. Недостатки заключаются в том, что эффект крена анода с углом 7° будет намного больше, как и изменение потока или энергии фотонов (см. рис. 4), а площадь области покрытия поля будет меньше
Рисунок 4. Эффект крена анода при наклоне мишени под углом 7° будет больше, чем при наклоне трубки под углом 16°. Интенсивность рентгеновского излучения при более остром угле наклона мишени (7°) составит 45%, тогда как при его величине, равной 16°, — 72%
Поскольку эффективные фокусные пятна измеряются на оси полуугла, чем длиннее РИД, тем меньше полуугол, следовательно, тем большим будет фактический размер фокусного пятна. Положительный эффект этой конструкции допускает более высокую нагрузку трубки в мА, однако у нее есть и нежелательный эффект.
Закон обратных квадратов гласит, что интенсивность излучения изменяется обратно пропорционально квадрату расстояния, то есть по мере перемещения трубки от цифрового детектора интенсивность рентгеновского излучения, его достигающего, уменьшается.
С практической точки зрения, чтобы перейти от РИД 60 см к РИД 65 см, необходимо для сохранения прежней дозы облучения на изображение увеличить мАс на 20%. Увеличение РИД на 10 см требует увеличения мАс на 36%.
е) Проекция фокусного пятна. Размер фокусных пятен маммографов гораздо меньше, чем в обычных рентгеновских аппаратах. Чаще всего маммография выполняется в целях скрининга для поиска самых ранних признаков рака молочной железы. Для того чтобы выявить заболевание на начальной стадии, изображение должно содержать мельчайшие детали. Разрешение зависит от небольшого размера фокусного пятна, а также от небольшого размера пикселя.
Размер большого фокусного пятна обычного маммографического аппарата составляет 0,3 мм, маленького — 0,1 мм. Эти фокусные пятна настолько малы, что не могут выдержать большое количество тепловых единиц, однако обеспечивают отличное разрешение.
Проекция фокусного пятна в зависимости от центрального луча еще один фактор, который имеет отношение к конструкции трубки. Чрезвычайно важно, чтобы устройство было спроектировано таким образом, чтобы пучок рентгеновских лучей проецировался параллельно грудной стенке.
Если пучок рентгеновских лучей, идущий от трубки к грудной стенке (луч, перпендикулярный ПУПИ), направлен к центру приемника излучения, несколько миллиметров ткани молочной железы рядом с грудной стенкой не могут быть визуализированы, если устройство для компрессии не смещено кнутри или кнаружи (см. рис. 2 и 5).
Рисунок 5. (А) Правильное расположение фокусного пятна над краем поддерживающего устройства для приемников изображения. Ткани заднего и (или) верхнего отдела молочной железы не ускользают из поля зрения. (B) При неверном расположении часть тканей не может быть визуализирована
Разрешение по направлению к краю ПУПИ, обращенного к соску, может быть в 3 или 4 раза резче, чем у его края, обращенного к грудной стенке (рис. 6). Этот фактор становится критическим при увеличении (рис. 7). Использование устройства для прицельной компрессии небольшого диаметра (2 дюйма) для увеличения ограничивает визуализацию области, которая совпадает с краем грудной стенки (рис. 8).
Рисунок 6. Проекция размера фокусного пятна в зависимости от центрального луча. Разрешение включает два измерения: ширину и длину. Разрешение по длине (FL) у грудной стенки ухудшается в 2 раза, разрешение по ширине остается неизменным (FW). Кажущееся (эффективное) разрешение приблизительно равно отношению ортогональных размеров
Рисунок 7. Размытие и проекция размера фокусного пятна в зависимости от центрального луча. Разрешение на анодной стороне трубки (по направлению к краю поддерживающего устройства для приемников изображения, обращенному к соску) будет лучше, чем на грудной стенке. Это положение верно как при визуализации с увеличением, так и при контактной визуализации
Рисунок 8. (А) Использование круглого устройства для точечного сжатия диаметром 2 дюйма требует точного позиционирования и ограничивает визуализацию областей, расположенных близко к краю поддерживающего устройства для приемников изображения. (B) Устройство для точечного сжатия с пластиной прямоугольной формы размером 4 дюйма делает возможной визуализацию большей площади молочной железы
В идеале подозрительный участок молочной железы должен располагаться подальше от края поддерживающего устройства, обращенного к грудной стенке. В таком случае он будет находиться под той частью рентгеновской трубки, которая обеспечивает наилучшее разрешение.
ж) Зона наилучшего восприятия. Маммограф с рентгеновской трубкой двухугловой конструкции (для получения рентгеновских лучей большие и маленькие фокусные пятна используют на мишени разные углы) имеет зону наилучшего восприятия, которая находится примерно в 4 см от грудной стенки для каждого фокусного пятна.
При всех других конфигурациях рентгеновской трубки маммографа эта область высокого разрешения будет находиться на расстоянии от 4 до 8 см от края грудной стенки по направлению к краю соска. Хотя двухугловая конструкция имеет определенное преимущество при выполнении маммограмм с увеличением, текущий угол мишени приводит к резкому падению оптической плотности вследствие эффекта крена анода. Наклон фильтра пучка под противоположным углом к мишени может уменьшить падение.
Практикум. Посмотрите на рис. 6, прочтите текст и ответьте на следующие вопросы.
1. Почему ширина фокусного пятна зависит от его длины?
2. Что такое зона наилучшего восприятия рентгеновской трубки? Где она находится?
з) Рентгеновские трубки и фильтры. В 1980-е гг. маммография горячо обсуждалась в сообществе радиологов. Продажи маммографов увеличивались, а число конференций, посвященных вопросам маммографии, росло в геометрической прогрессии. К середине 1980-х гг. стала очевидна потребность в стандартизации обучения и оборудования. Расхождения во мнениях среди педагогов и разработчиков маммографического оборудования вызвали разногласия в рядах специалистов, занятых в области маммографии.
В 1990 г. Центры по контролю и профилактике заболеваний (США) выделили ACR средства для выявления аспектов маммографии, которые можно улучшить посредством образования, исследований и внедрения процедур обеспечения качества, а также для разработки учебных материалов, курсов и рекомендаций для оказания помощи в улучшении обеспечения качества маммографии.
Ожидаемым результатом этой работы стал более высокий, более единообразный стандарт качества маммографии.
Результатом реализации одного из компонентов этого соглашения о сотрудничестве стала публикация ACR в 1995 г. официального документа «Рекомендуемые спецификации для нового маммографического оборудования: рентгенографические системы с экранной рентгеновской пленкой, приемники излучения и аппараты для проявления рентгеновских пленок».
Лавина продаж маммографических аппаратов в 1980-х гг. привела к производству плохо спроектированных маммографов. Для того чтобы захватить долю рынка и быть в курсе всех инноваций, созданных конкурентами, производителями были быстро спроектированы, изготовлены и проданы маммографы различной конфигурации. Некоторые из них имели хорошие характеристики, в то время как другие были плохо приспособлены для выполнения скрининговой маммографии в сложных условиях.
Классическим примером такого ошибочного хода мыслей стало то, что менее дорогие аппараты были предназначены для скрининга женщин, не имеющих жалоб со стороны молочных желез, а более дорогие (имеется в виду более качественные) выполняют диагностическую функцию. Как правило, маммографы, используемые для скрининга, были недостаточно мощными, имели большие фокусные пятна, большой HVL и меньшее количество принадлежностей. Это ошибочная точка зрения.
Маммографы для скрининговых исследований должны обеспечивать качественную визуализацию очагов поражения небольших размеров. При обследовании женщин, не предъявляющих жалобы на состояние молочных желез, необходимо искать самые ранние признаки онкологического заболевания, чтобы обнаружить очень маленькие новообразования. Именно поэтому при выполнении маммографии необходимо использовать лучшие аппараты.
Единая позиция «Спецификаций нового маммографического оборудования» заключалась в прекращении производства аппаратов, которые не позволяли бы получать изображения хорошего качества. При этом авторы документа не хотели препятствовать будущим инновациям в области визуализации (например, цифровой маммографии).
Хотя в документе заявлялось, что идеальная установка для выполнения аналоговой маммографии состоит из рентгеновской трубки с молибденовой мишенью, бериллиевого окна и молибденового фильтра, отвечающего критериям минимального HVL, возможно использование альтернативной комбинации целевого материала, окна и фильтра, если она обеспечивает сопоставимую с вышеуказанной комбинацией контрастность и детализацию при равной или меньшей дозе облучения молочной железы.
Рисунок 11.20 представляет собой графическое изображение различных материалов мишени и фильтров, различных настроек кВп и создаваемой ими контрастности.
