Иллюстрации: Йенс Аменде
Качество изображения и доза обычно рассматриваются как две стороны одной медали: чем больше доза, тем лучше качество изображения. Но сегодня можно получать хорошие изображения с более низкой дозой облучения. В этой статье мы рассмотрим опасности, связанные с излучением, обсудим значения дозы и возможный выбор аппаратных и программных решений.
Необходимость обеспечивать достоверность диагностики не подлежит обсуждению: какая польза будет от КТ-сканирования или рентгенографии, если они не позволят ответить на клинические вопросы? Рентгеновские методы стали незаменимым инструментом диагностики и терапии. Вместе с тем рентгеновское излучение влечет за собой риск повреждения генетического материала и может вызывать ожоги. По этой причине рентгеновское исследование всегда подразумевает компромисс между дозой облучения и диагностической задачей. Теоретически, каждый поглощенный квант рентгеновского излучения может вызвать мутацию, которая десятилетия спустя приведет к развитию опухолевого заболевания. Можно предположить, что эта взаимосвязь является линейной: чем выше доза облучения, тем больше риск развития онкологического заболевания. На медицинском языке такие риски называются стохастическими.
В отличие от этого возможность получить ожог кожи в результате соударения рентгеновских квантов о поверхность небольшой площади — это риск детерминированный. Для него существует пороговое значение. При КТ-сканировании этот порог обычно не достигается, так как гентри постоянно вращается вокруг пациента, сканируя тонкие срезы. Поэтому при КТ-сканировании основным риском является риск развития онкологического заболевания. Другая ситуация наблюдается при ангиографии: поскольку рентгеновский пучок обращен к телу только с одной стороны, доза облучения пациента в месте входа пучка может быть высокой. Это означает, что детерминированный риск необходимо учитывать в большинстве ангиографических исследований.
Дозиметрические показатели
В рентгенологии используются различные дозиметрические показатели, характеризующие энергию излучения, его воздействие и наносимые повреждения. Поглощенная доза характеризует количество поглощенной энергии на килограмм массы тела. Она поддается непосредственному измерению и выражается в греях (Гр). Так называемая эквивалентная доза, напротив, рассчитывается с учетом повреждений, вызванных различными видами излучения. Этот показатель нельзя измерить непосредственно. В качестве единицы измерения эквивалентной дозы используют зиверт (Зв) или миллизиверт (мЗв). Повреждения, вызванные воздействием излучения, характеризуются так называемой «эффективной дозой», которая также не поддается непосредственному измерению. Эффективная доза рассчитывается с учетом чувствительности различных органов и типов тканей к воздействию излучения и характеризует среднюю дозу облучения всего тела. Она также измеряется в Зв или мЗв.
Поскольку эффективная доза позволяет сравнивать различные исследования, именно ее используют для оценки риска. В этой связи важным показателем является естественный радиационный фон, который, по существу, определяется излучением от земных объектов и космическим излучением. Так, например, в Германии естественный радиационный фон составляет около 2,1 мЗв в год. Следует, однако, подчеркнуть, что не существует исследований, на основании которых можно было бы связать риски развития онкологических заболеваний с соответствующими эффективными дозами. Все расчеты, выполненные до настоящего времени, были основаны на исключительных ситуациях — атомных бомбардировках Хиросимы и Нагасаки и Чернобыльской аварии. Существуют предельно допустимые значения лучевой нагрузки для людей, подвергающихся воздействию излучения на работе, связанной с рентгеновским оборудованием, закрытыми радиационными источниками или открытыми радиоактивными веществами. В Европе предельно допустимая эффективная доза на рабочем месте составляет 20 мЗв, а в США — 50 мЗв. Эти ограничения не включают в себя медицинские исследования, проводимые в целях диагностики или терапии.
Различные условия проведения компьютерной томографии и ангиографии требуют и различных решений по снижению дозы.
Принцип ALARA
иВ медицине принято эмпирическое правило — принцип ALARA (As Low As Reasonably Achievable), согласно которому следует использовать «минимальную достаточную» дозу. С этой целью ряд компаний, и особенно Siemens Healthineers, на протяжении многих лет разрабатывали различные аппаратные и программные решения. На аппаратном уровне — это усовершенствованные рентгеновские трубки и детекторы, а также использование фильтров для предварительного увеличения жесткости рентгеновского пучка. Программные решения все чаще используются для автоматизации таких параметров, как анодный ток, время экспозиции или размер фокального пятна, а также для итеративной реконструкции изображений. Дозу облучения также можно снизить за счет оптимального позиционирования пациента и надлежащего обучения персонала.
Вместе с тем требования к КТ и ангиографии отличаются. Для ангиографии характерно создание проекционных изображений большой площади, которые должны иметь высокое пространственное разрешение для визуализации границ сосудов. Разрешение отдельных КТ-изображений может быть ниже, поскольку результирующее изображение рассчитывается на основе сотен отдельных проекций. Еще одним фактором является то, что при ангиографии необходимо обеспечить радиационную защиту медицинской бригады, так как часть рентгеновских квантов от источника не попадает на детектор, а отклоняется в других направлениях, образуя рассеянное излучение, которое может воздействовать на персонал.
Аппаратные решения
В частности, снижение дозы достигается за счет размера фокусного пятна рентгеновской трубки. Фокусное пятно — это область на поверхности анода, на которой сфокусирован пучок электронов с катода и где генерируются рентгеновские лучи. Чем меньше фокусное пятно, тем лучше результат визуализации и, следовательно, соотношение между содержащейся в изображении информацией и адаптированной дозой излучения. Отсюда следует, что оптимальным для визуализации было бы точечное фокусное пятно. Однако в этом случае мощность сфокусированного электронного пучка была бы настолько велика, что анод мог бы расплавиться. По этой причине необходимо найти оптимальное сочетание размера фокусного пятна, времени экспозиции и дозы излучения. Еще одной причиной, чтобы использовать фокусное пятно меньшего размера, является улучшение пространственного разрешения, которое возрастает по мере уменьшения фокусного пятна.
Для рентгеновского излучения невозможно автоматически выбрать энергетический спектр, который был бы оптимален для решаемой диагностической задачи. Поэтому кванты, которые не будут вносить вклад в изображение, автоматически исключаются путем выбора предварительного фильтра наиболее возможной толщины. Чтобы оставшихся рентгеновских лучей было достаточно для визуализации, мощности источника рентгеновского излучения должно хватить для компенсации предварительно отфильтрованной части излучения. По этой причине, в частности, спиральные нити накала катодов, которые использовались в прошлом, были заменены плоскими излучателями. Кроме того, используется активная система фокусировки электронного пучка, позволяющая получить фокусное пятно оптимального размера.
Поскольку в конечном итоге на детектор попадает лишь небольшое количество рентгеновских лучей, преобразование рентгеновских квантов в сигналы изображений также должно быть как можно более эффективным. Важной вехой в КТ-сканировании стал детектор Stellar компании Siemens Healthineers, в котором реализован более короткий путь сигнала до его оцифровки. Благодаря этому сигнал может передаваться без потерь, а уровень электронного шума в диапазоне низких доз уменьшается в два раза. Это особенно важно при исследовании тучных пациентов. В ангиографии важной разработкой стал детектор zen, в котором используется кристаллический, а не аморфный, кремний. Это также позволило снизить уровень электронного шума.
Программные решения
Это относится и к дозе излучения при КТ, которую можно уменьшить, если автоматически адаптировать к анатомии пациента и клинической задаче параметры сканирования. Так, например, камни мочевого пузыря отличаются высокой рентгеноконтрастностью, и их можно обнаружить при меньшей дозе излучения, чем метастазы в однородной паренхиме печени. Точно так же для сканирования пациентов некрупного телосложения требуется меньшая доза, чем для сканирования тучных пациентов. Регулировки такого типа выполняются путем модуляции анодного тока и напряжения. В системе с функцией автоматической модуляции анодного тока ток регулируется в соответствии с плотностью ткани и анатомией пациента для каждого отдельного среза. Это позволяет защитить такие органы, как молочные железы и хрусталики глаза, которые особенно чувствительны к излучению. Анодное напряжение адаптируют при сканировании с использованием контрастного вещества. Сканирование при 80 или 100 кВ позволяет существенно снизить дозу облучения по сравнению со сканированием при 120 кВ. Использование алгоритма итеративной реконструкции изображений так же косвенно снижает лучевую нагрузку, так как этот алгоритм позволяет компенсировать повышенный уровень шума, возникающий при использовании низкой дозы излучения.
В дополнение к этому в ангиографические системы был недавно внесен еще целый ряд усовершенствований. Новая цепочка формирования изображений OPTIQ нацелена на поддержание постоянного соотношения изображение/шум, что обеспечивает высокую экономию дозы излучения. Этот новый метод регулировки используется в сочетании с визуализацией, при которой спектр рентгеновского излучения оптимизируется в зависимости от визуализируемого материала. Это позволяет дополнительно снизить дозу излучения [1].
Несколько лет назад сотрудник Маастрихтского университета Мартин Кемеринк и его коллеги использовали рентгеновский аппарат старой конструкции, чтобы выяснить, насколько высока была лучевая нагрузка на пациента на момент открытия рентгеновских лучей. Согласно их исследованию, в 1895 году Вильгельм Рентген должен был использовать дозу около 74 мГр, чтобы получить известный рентгеновский снимок руки своей жены Берты [2]. В наши дни эта доза составила бы около 0,05 мГр, то есть в 1500 раз меньше. В то время на это требовалось 90 минут, а сегодня всего 20 миллисекунд. Таким образом, в историческом рентгеновском аппарате многое можно было усовершенствовать. И действительно, с тех пор много чего произошло.
Об авторе
Д-р Хильдегард Каулен (Hildegard Kaulen), молекулярный биолог. Отработав некоторое время в Университете Рокфеллера в Нью-Йорке и в Гарвардской медицинской школе, она с середины 1990-х годов стала внештатным журналистом нескольких авторитетных ежедневных газет и научных журналов
Редактура перевода на русский язык: Вера Городецкая, эксперт по оборудованию.