Приемник рентгеновских изображений

 

Изобретение относится к технике регистрации рентгеновских изображений с помощью устройств, в которых первичное рентгеновское изображение трансформируется экраном-преобразователем в видимое, регистрируемое далее детектором изображений. Сущность заключается в том, что приемник содержит люминесцентный экран-преобразователь, детектор изображений, а также систему переноса изображения с экрана-преобразователя на детектор изображений и защиты детектора от рентгеновских лучей, прошедших сквозь люминесцентный экран. Система переноса изображения и защиты детектора составлена из двух или более последовательно установленных плоских волоконно-оптических пластин, сердечники световодных волокон которых изготовлены из стекла, интенсивно поглощающего рентгеновское излучение. Оптические оси волокон ВОП-пластин наклонены к нормали к плоскости люминесцентного экрана и торцам пластин на небольшие углы α_o: 0≅ α_o≅ arctg d/l, где d и l - диаметр и длина волокон. 1 табл., 1 ил.

Изобретение относится к технике регистрации рентгеновских изображений с помощью устройств, в которых первичное рентгеновское изображение трансформируется люминесцентным экраном-преобразователем в видимое, регистрируемое далее фотоэлектрическим детектором изображений. При этом заметная часть рентгеновского потока неизбежно проходит сквозь экран-преобразователь и также попадает на детектор изображений, вызывая нестабильность его параметров по площади изображения и во времени. При превышении критической дозы воздействие рентгеновского излучения приводит к выходу детектора например, суперортикона или ПЗС-фотоматрицы из строя (R. Korde, J. Geist/Appl. Opt. 1987, 26, 5284/; M. Krumrey, E. Tegeler, J. Barth/Appl. Opt. 1988, 27, 4336).

Для предотвращения попадания рентгеновского излучения на детектор изображений в состав приемника вводят систему защиты детектора от рентгеновского излучения, реализуемой путем геометрического разделения видимых и рентгеновских лучей с выводом детектора из рентгеновского пучка и (или) поглощением рентгеновского излучения селективным фильтром.

В качестве аналога заявляемого технического решения взят приемник рентгеновских изображений, находящийся в светозащитном кожухе и включающий в себя люминесцентный экран-преобразователь, работающий на просвет, оптическую систему переноса видимого изображения с экрана на детектор изображений и защиты детектора от рентгеновских лучей, фотоэлектрический детектор изображений ("Рентгенотехника", М. 1980, т.2, с.246).

В описываемом приемнике-аналоге вывод детектора изображений из рентгеновского пучка достигается с помощью 45-градусного зеркала, прозрачного для рентгеновских лучей, но изменяющего на 90^o направление распространения видимых лучей.

Основной недостаток описываемого аналога существенное снижение эффективности приемника вследствие ограниченной угловой апертуры системы переноса изображения и защиты детектора, а также значительное увеличение габаритов приемника, связанное с применением этой системы. Но снижение эффективности приемника приводит к необходимости соответствующего повышения доз облучения объектов исследования. Увеличенные габариты в ряде случаев затрудняют использование приемника или вообще исключают возможность его применения например, в стоматологической рентгенодиагностике или в космическом приборостроении.

В качестве второго аналога взято устройство, в котором защита детектора изображений от воздействия рентгеновского излучения осуществляется с помощью селективного фильтра, прозрачного для видимого излучения, установленного между экраном-преобразователем и детектором и поглощающего рентгеновские лучи (см. "X-ray Protection", Вашингтон, 1936 г. с.5). Такой фильтр изготавливают из стекла, содержащего высокий процент тяжелых элементов, интенсивно поглощающих рентгеновские лучи, например свинца, бария и др. Этот аналог свободен от одного из указанных выше недостатков необходимости увеличения габаритов приемника. Его основной недостаток низкая светосила оптической системы переноса изображения и соответственно пониженная эффективность приемника.

Устройство, принятое за прототип, свободно от первого указанного недостатка необходимости увеличения габаритов. В нем значительно повышена светосила системы переноса изображения и соответственно эффективность приемника. В приемнике-прототипе защита детектора изображений от воздействия рентгеновского излучения осуществляется с помощью плоской волоконно-оптической пластины (ВОП), используемой одновременно в качестве системы переноса изображения с люминесцентного слоя экрана-преобразователя на окно детектора изображений (европейский патент EP N 0296737, кл. G 01T 1/00, G 01 T 1/20, опубликован 18.02.1991 г.).

Сердечники волокон ВОП-пластины, установленной в приемнике-прототипе, изготовлены из стекла, интенсивно поглощающего рентгеновское излучение в его состав введены свинец, барий, лантан, церий. Оси волокон отклонены на угол α_o (в варианте реализации на 35^o) от нормали к плоскости люминесцентного экрана, что позволяет исключить прохождение рентгеновских лучей от источника с угловой расходимостью α< α_o по прозрачному для них материалу оболочек волокон к детектору.

Недостатки приемника-прототипа: ограничение, накладываемое на угловую расходимость рентгеновских пучков, т.е. на величину углового рентгеновского поля приемника, а именно при угле отклонения осей волокон от нормали α_o угловая расходимость должна быть меньше α_o зависящее от угла наклона осей волокон некоторое снижение светосилы и разрешающей способности по сравнению со случаем применения ВОП-пластины с осями волокон, ортогональными к ее торцам (эффективная светосила и разрешающая способность снижаются при увеличении угла α_o примерно как cos α_o т.е. отмеченные недостатки сказываются практически лишь при больших углах α_o порядка 30^o и больше).

Техническая задача заявляемого технического решения расширение рентгеновского поля зрения устройства путем увеличения допустимой угловой расходимости рентгеновских лучей, регистрируемых приемником. Для этого в приемнике рентгеновских изображений, содержащем люминесцентный экран, детектор изображений и систему переноса изображения и рентгеновской защиты детектора, последняя выполнена в виде набора из двух или более ВОП-пластин, сердечники волокон которых изготовлены из стекла, интенсивно поглощающего рентгеновское излучение. При этом угол наклона осей световодных волокон ВОП-пластин выбран из соотношения , где d диаметр сердечника волокна, l длина волокна (толщина ВОП-пластины).

Заявляемое устройство представлено на чертеже с вариантами а и б. Оно содержит люминесцентный экран-преобразователь 1, фотоэлектрический детектор изображений 3 и систему переноса изображения с люминесцентного экрана на детектор изображений и рентгеновской защиты последнего 2. Эта система представляет собой две или более плоских, последовательно установленных ВОП-пластины из стекла, интенсивно поглощающего рентгеновское излучение, например из сверхтяжелого флинта. В первом варианте реализации (а) оси световодных волокон ВОП-пластин перпендикулярны их торцам. Во втором варианте (б) оси волокон по крайней мере одной из пластин отклонены на небольшой угол α_o от нормали к плоскости люминесцентного экрана и торцам пластины (при неортогональности волокон в двух или более пластинах их устанавливают в "скрещенной" конфигурации).

Благоприятная величина угла α_o определяется по формуле , где d и l диаметр сердечника волокна и его длина (толщина ВОП). Сущность изобретения заключается в том, что при замене одной ВОП-пластины в системе защиты на две или более достигается дополнительное существенное поглощение благодаря несоосности волокон в отдельных пластинах. Далее благодаря высокой степени коллимированности лучей, прошедших по материалу оболочек первой пластины (их расходимость ≈ d/l), отклонение от ортогональности осей волокон второй ВОП-пластины на угол обеспечивает полное или частичное поглощение рентгеновских лучей также в случае совпадения центров данной пары волокон в плоскости стыковки пластин. При типичных размерах d ≈ 10 мкм и l≥1 мм величина угла α_o не превышает 1^o, что существенно меньше, чем в прототипе (≈ 30^o), при этом также отсутствует ограничение на величину угла поля зрения, свойственное прототипу.

В первом случае (вариант a) защитное действие системы для рентгеновских лучей, параллельных осям волокон, определяется тем, что оси световодных волокон отдельных пластин в среднем не соосны между собой, что обусловлено флуктуационным разбросом в величине диаметра отдельных волокон. В результате те рентгеновские лучи от источника, которые прошли сквозь первую ВОП-пластину без существенного ослабления по материалу оболочек волокон, во второй и последующих пластинах попадают преимущественно на торцы сердечников волокон, интенсивно поглощающих излучение в соответствии с соотношением площадей на торце ВОП-пластины, относящихся к сердечникам и к оболочкам: последние занимают лишь несколько процентов общей площади. В первом приближении минимальная защищенность детектора, достигаемая с помощью заявляемого устройства, определяется следующими факторами: поглощением излучения материалом сердечников волокон; коллимирующим действием волоконной структуры последовательно установленных ВОП-пластин, ограничивающим угловую апертуру рентгеновского пучка, приходящего к детектору; "виньетирующим" действием ВОП-пластин для лучей, параллельных осям волокон, величина которого определяется соотношением площадей в поперечном сечении каждой пластины, относящихся к сердечникам и к оболочкам волокон. Относительная роль перечисленных факторов различна в зависимости от энергии излучения, числа и толщины пластин. Для эффективной работы системы защиты необходимо, чтобы суммарная толщина использованных в ней ВОП-пластин обеспечивала необходимую степень поглощения рентгеновских лучей. Например, для ВОП-пластин на основе свинцового флинта марки 3C-58 с содержанием свинца 52% поглощение в зависимости от энергии излучения и толщины пластин составляет величины, приведенные в таблице, полученные с использованием литературных данных по массовым коэффициентам поглощения.

Положительный ("сверхсуммарный") эффект, создаваемый устройством по заявляемому техническому решению для наименее поглощаемых лучей, параллельных осям волокон, можно определить как , где R_i S_обол./S_серд. отношение площадей поперечного сечения i-ой ВОП-пластины, занятых соответственно оболочками и сердечниками волокон (для выпускаемых промышленностью типов ВОП-пластин величина R составляет несколько процентов). Таким образом, определенная величина K характеризует минимальную степень уменьшения эффективного сечения рентгеновских пучков, прошедших через i-ую ВОП-пластину, по материалу оболочек волокон в первом варианте реализации. В варианте II с осями волокон по крайней мере одной из пластин, отклоненными от нормали на небольшой угол α_o, дополнительно практически полностью исключается прохождение рентгеновских лучей по материалу оболочек последовательно установленных ВОП-пластин независимо от величины угла α_o и направления прихода лучей (благоприятная величина угла , где d и l - диаметр сердечника и длина волокна ВОП).

Основным преимуществом заявляемого технического решения по сравнению с прототипом является отсутствие ограничений на величину поля зрения, регистрируемого приемником изображений. Дополнительным преимуществом являются более высокие светосила и разрешающая способность при работе с рентгеновскими лучами в широком поле зрения.

Для большинства возможных схем реализации необходимые элементы системы защиты по заявленному техническому решению две ВОП-пластины уже содержатся в составе приемника в качестве подложки люминесцентного экрана и как входное окно ВОП ПЗС-матрицы, т.е. конструктивно система защиты может быть полностью или частично совмещена с подложкой экрана-преобразователя и(или) с входным окном фотоэлектрического детектора изображений.

Заявляемый приемник изображений с системой защиты детектора может быть использован, в частности, в рентгенодиагностической аппаратуре различных типов, применяемой в промышленности, материаловедении, медицине, с целью повышения стабильности и надежности работы детекторов изображений, их долговечности при сохранении широкого поля зрения, высокой эффективности, разрешающей способности и малых габаритов, свойственных исходному, незащищенному приемнику.

Формула изобретения

Приемник рентгеновских изображений, содержащий люминесцентный экран, детектор изображений, систему переноса изображения и рентгеновской защиты детектора в виде плоской волоконно-оптической пластины, сердечники световодных волокон которой выполнены из стекла, интенсивно поглощающего рентгеновское излучение, отличающийся тем, что система переноса изображения и защиты детектора содержит дополнительно одну или несколько последовательно установленных волоконно-оптических пластин, при этом углы наклона осей cветоводных волокон волоконно-оптических пластин к нормали плоскости экрана выбраны из соотношения 0 ≅ α_o≅ arctg(d/l), где d диаметр сердечника волокна, l длина волокна.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2