Цифровые методы рентгенодиагностики

1

Аналоговая и цифровая рентгенография

Все виды медицинской визуализации включают три этапа формирования изображения:

1. Образование пространственного изображения с наилучшими характеристиками.

2. Фиксация и воспроизведение пространственного изображения. При этом характеристики воспроизводящих устройств приходится оптимальным образом приспосабливать к клиническим требованиям.

3. Запись и архивация изображений. Изображение необходимо записывать в форме удобной для наблюдения, хранения и передачи на расстояния.

Эволюция радиологии в течение двух последних десятилетий огромна, в значительной мере это связано с внедрением компьютерной томографии (КТ) и ультрасонографии (УС) в семидесятых и магнитно-резонансной томографии (МРТ) в восьмидесятых годах. Эти новые методики создают секционные изображения, т.е. двухмерные отображения срезов тканей. Однако большинство обследований, проводимых в радиологических отделениях по-прежнему базируется на традиционных проекционных изображениях. Используемые в проекционной рентгеновской визуализации технологии можно разделить на три основные группы:

1. прямые аналоговые технологии;

2. непрямые аналоговые технологии;

3. цифровые технологии.

Стандартные рентгеновские системы осуществляют формирование и отображение информации аналоговым путем.

Прямые аналоговые технологии

При данной технологии окончательное рентгеновское изображение создается непосредственно в среде-детекторе, т.е. без каких-либо усложняющих промежуточных шагов. В качестве среды может использоваться радиографическая пленка или флюоресцирующий экран. Как пленка, так и экран являются аналоговыми детекторами рентгеновских лучей, т.е. их реакция на постоянную и непрерывно увеличивающуюся дозу излучения также постоянна и непрерывна, в противоположность пошаговой, дискретной реакции. Рентгеновская пленка реагирует потемнением, флюоресцентный экран – испусканием видимого света (флюоресценция).

Существует два основных направления прямой аналоговой технологии: а)прямая рентгенография и б) прямая флюороскопия.

Прямая рентгенография

Фотографическая эмульсия пленки содержит мельчайшие кристаллы бромида серебра, каждое зерно имеет диаметр порядка 1мкм. Полноразмерная рентгенография обеспечивает получение статических изображений с наивысшим из всех возможных методик пространственным разрешением (среднее линейное разрешение составляет примерно 1мкм=0,001мм).

Комбинации усиливающий экран-пленка соответствует характеристическая кривая , показывающая зависимость потемнения (плотности) , фотографической эмульсии от экспозиции (рис.2).

При радиографии изучаемые структуры должны находиться в средней, линейной части кривой. Здесь эффект усиления контрастности пленкой достигает максимума. Наклон линейной части кривой называется гаммой , и комбинации экран-пленка с большими значениями гаммы дают высококонтрастные изображения. Такие параметры как чувствительность, пространственное разрешение и шум в значительной мере определяются усиливающими экранами.

Прямая рентгеноскопия

Традиционная рентгеноскопия (или просвечивание ) использовалась для изучения динамических процессов до середины шестидесятых годов. С тех пор традиционную рентгеноскопию сменила непрямая рентгеноскопия, использующая усилители изображения и телевизионную технику.

2

Непрямые аналоговые технологии

В современной рентгеноскопии первичная проекция изображения создается на флюоресцентном экране, в целом также, как это делается при прямых технологиях. Однако изображение на экране не наблюдается непосредственно. Экран – это часть усилителя рентгеновских изображений (УРИ) , увеличивающего яркость (свечение) первичного изображения примерно в 5 000 раз. В состав УРИ входит рентгеновский электронно-оптический преобразователь (РЭОП) и замкнутая телевизионная система (рис.8-1). РЭОП состоит из вакуумной колбы с люминисцентным экраном на кождом из ее концов, фотокатода и электронно-оптической системы.

Поступающее с преобразователя уменьшенное и усиленное изображение через систему зеркал и линз можно записать малоформатной камерой (формат пленки 70, 100 или 105 мм) или кинокамерой (формат пленки 16 или 35 мм (см.рис.8-1)). Запись малоформатной камерой также называют выборочной съемкой , или флюорографией , а выборочный фильм – флюорограммой . При флюорографии получаемая пациентом доза составляет примерно 1/10 дозы при полноразмерной радиографии, однако качество изображения (особенно пространственное разрешение) заметно ниже. Кинофлюорография создает похожие на кино изображения с частотой, например, 50 кадров в секунду. Кинофлюорография с 35-мм пленкой в ангио- и кардиологических исследованиях еще применяется (хотя цифровые технологии постепенно замещают аналоговые).

С помощью указанной оптической системы изображение может быть записано телевизионной камерой и показано на мониторе. Изображение будет иметь лучшее качество в случае непосредственной оптической связи выходного экрана усилителя и телекамеры с помощью волоконной оптики. Конкретный выбор телекамеры (видикон, плюмбикон, кремникон) зависит от ее назначения.

Возникающий в телекамере электрический видеосигнал поступает на экран видеоконтрольного устройства, монитор. Флюоресценция или рентгеноскопия с помощью РЭОПа позволяет наблюдать на экране монитора изображение в реальном масштабе времени, в том числе и двигательные функции организма, при меньшей лучевой нагрузке на пациента. Изображение, регистрируемое телекамерой, может храниться на магнитной пленке видеомагнитофона.

Цифровые технологии

Все цифровые технологии и методики на начальном этапе являются аналоговыми. Интенсивность света на флюоресцентном экране, электрический ток, индуцируемый рентгеновскими лучами в КТ-детекторе или эхосигналом в ультразвуковом датчике, или магнетизмом в приемной МР-катушке – все это аналоговая, непрерывная реакция. Три последних методики – компьютерная томография (КТ), ультрасонография (УС) и магнитно-резонансная томография (МРТ) считаются цифровыми технологиями, поскольку в них аналоговая ответная реакция (электрический ток) преобразуется в цифровую форму.

«Настоящее» цифровое изображение представлено в виде цифровой матрицы , т.е. в виде числовых строк и колонок. Числа могут отражать силу эхосигнала при ультразвуковом исследовании, ослабление рентгеновских лучей при КТ, магнитные свойства тканей при МРТ или интенсивность испускаемого флюоресцентным экраном света при цифровой проекционной рентгеновской визуализации. Для показа изображений цифровая матрица трансформируется в матрицу видимых элементов изображения – пикселов – где каждому пикселу, в соответствии со значением цифровой матрицы, присваивается один из оттенков серой шкалы.

Названные системы называются цифровыми или дигитальными, поскольку в них информация о параметрах выражается в цифровой двоичной системе.

Цифровые технологии могут применяться и для проекционных рентгеновских методик, поэтому термин «цифровая рентгенография» обычно используется лишь в этом узком смысле.

Цифровые рентгенографические системы

Стандартные рентгеновские системы осуществляют формирование и отображение информации аналоговым путем. Аналоговые системы зачастую имеют очень жесткие ограничения на экспозицию из-зи малого динамического диапазона, а также скромные

3

возможности по обработке изображений. В отличие от аналоговых цифровые рентгенографические системы позволяют получать изображения при любом необходимом

уровне дозы, причем эти изображения можно обрабатывать и отображать самыми различными способами. Такие системы являются более дорогостоящими, нежели обычные рентгеновские системы, однако по мере развития компьютерной техники и систем визуализации находят все более широкое применение.

Цифровая рентгенодиагностика обеспечивается компьютерной технологией.



Рис 2.37 Составные элементы цифровой системы получения рентгеновских изображений

На рис. 2.37 приведена блок-схема типичной рентгенографической системы. Рентгеновская трубка и приемник сопряжены с компьютером и управляются им; а получаемое изображение запоминается, обрабатывается (в цифровой форме) и отображается на телеэкране, составляющем часть пульта управления (или устройства вывода данных) оператора рентгенолога. Аналогичные пульты управления применяются и в других цифровых системах получения изображения – компьютерной томографии, магнитно-резонансной томографии.

Формирование цифрового рентгеновского изображения имеет ряд достоинств. Цифровое изображение можно записать на магнитном носителе, оптическом диске или же вывести изображение на пленку в аналоговой форме с помощью лазерного принтера, т.е. перевести изображение на твердую копию.

В цифровой рентгенологии могут найти применение два класса приемников изображения: приемники с непосредственным формированием изображения и приемники с частичной регистрацией изображения, в которых полное изображение формируется путем

4

сканирования либо рентгеновским пучком либо приемным устройством (сканирующая проекционная рентгенография).

К приемникам с непосредственным формированием цифрового изображения относят: 1) усилитель рентгеновского изображения с аналого-цифровым преобразователем; 2) устройство с вынужденной люминисценцией ( рентгенография на запоминающих люминофорах). Эти приемники могут непосредственно формировать цифровое изображение без промежуточной регистрации и хранения.

Устройство УРИ + АЦП

(цифровая флюороскопия и флюорография)

В системе аналоговой видеофлюороскопии телевизионная камера образует непрерывно меняющийся по направлению электросигнал, который и модулирует яркость свечения экрана телевизионного монитора.

Цифровые флюороскопические системы превращают в аналого-цифровом преобразователе аналоговый видеосигнал в цифровой, который формирует цифровую матрицу покадровых изображений, пропорционально яркостным характеристикам видимого аналогового изображения.

На рис. 8-1 показана разница между аналоговым и цифровым сигналом, а также сформированные ими флюороскопические изображения. Цифровое изображение можно вывести на телевизионный экран (цифровая флюороскопия ) или сфотографировать малоформатной камерой (цифровая флюорография ). Разновидность этой технологии используется в ангиографии для вычитания изображений. Эту технологию называют «цифровой» (дигитальной ) субтракционной ангиографией (ДСА).

Помимо приемников, непосредственно передающих изображение на внешнее устройство отображения, используются и приемники, непосредственно запоминающие изображение.

Дигитальная (цифровая, компьютерная) рентгенография

на запоминающих люминофорах

Дигитальная рентгенография (ДР) основана на фиксации пространственного рентгеновского изображения запоминающими люминофорами. Люминофор с вынужденной люминисценцией разработан компанией Fuji Photo Film.

Приемник изображения представляет собой гибкую пластину, покрытую люминофором с вынужденной люминисценцией, способной хранить поглощенную энергию падающего рентгеновского излучения в квазиустойчивом состоянии, а также излучать эту энергию в виде фотонов при облучении светом видимого или ИК-диапазона. Люминофор должен иметь высокий коэффициент поглощения рентгеновского излучения, а также большую световую отдачу на единицу поглощенной энергии. Для быстрого считывания изображения постоянная времени люминофора должна быть менее 10мкс. Хорошо удовлетворяет этим требованиям фторид бария, активированный европием, который является основой для выпускаемых промышленностью приемников с вынужденной люминисценцией.

Экран (пластина), покрытый запоминающим люминофором, внешне похож на обычный усиливающий экран. Скрытое изображение на таком экране способно сохраняться, в зависимости от вида люминофора, от нескольких минут до нескольких дней, прежде чем качество его упадет ниже приемлемого уровня. Это скрытое изображение может быть считано с экрана сканирующей системой и воспроизведено электронно-лучевой трубкой.

Считывание скрытого изображения производится инфракрасным лазером, который стимулирует люминофор и он отдает накопленную им энергию в виде видимого света (рис. 8-3). Этот феномен называется фотостимулированной люминисценцией. Она, как и свечение обычных усиливающих экранов, пропорциональна числу рентгеновских фотонов, поглощенных запоминающим люминофором.

В процессе считывания высвобождается не вся накопленная экраном энергия. Чтобы полностью очистить люминисцентный экран от скрытого изображения он подвергается в процессоре кратковременному интенсивному облучению видимым светом, после чего экран можно использовать повторно.

5

Процесс считывания изображения осуществляется сканирующим лазером, световой поток которого сканирует поверхность экрана в растровой последовательности, подобно электронному пучку телевизионного кинескопа. Лазерный пучок имеет размер пятна приблизительно 0,1 мм, поэтому разрешение в изображении достигает 5-10 элементов/мм. Возбуждаемый в люминофоре лазером свет из каждой точки экрана фокусируется и трансформируется в электрический сигнал с помощью специальной оптической системы и фотоумножителя. Перед фотоумножителем раполагается фильтр, ослабляющий стимулированный свет, так как его интенсивность на несколько порядков выше чем у света, эммитируемого обычным усиливающим экраном.

Фотоумножитель, обладающий широким динамическим диапазоном, конвертирует варьирующийся по интенсивности световой поток с экрана в изменяющийся электрический сигнал, который усиливается, измеряется и проходит через аналого-цифровой преобразователь, чтобы сформировать бинарную (цифровую) матрицу, отражающую яркостные показатели каждого пиксела. 12-битная система представляет эти показатели в диапазоне от 0 до 4095 (2№І = 4096).

Сигнал, переведенный в цифровую форму, передается в процессор (буфер) изображения. Таблицы перекодировки процессора обеспечивают преобразование содержимого памяти изображения в требуемый диапазон яркости и контраста.

Это устройство выполняет две функции. Во-первых, оно вычисляет средний уровень затемненности изображения и суммарный диапазон между светлой и темной частями изображения. Во-вторых, оно использует эту информацию для расчета передаваемого на лазерный принтер оптимального изображения, которое последний и воспроизводит на прозрачной пленке.

Сравнение рентгенографии на запоминающих люминофорах

с рентгенографией на усиливающих экранах и системой УРИ+ТК

Обеим системам для получения качественного снимка нужна примерно одна и та же экспозиция (доза). Основное различие между двумя методами связано с их различной экспозиционной широтой, которая у запоминающих дюминофоров чрезвычайно велика, и примерно в 10 000 раз больше, чем у комплексов «экран-пленка». В результате запоминающие люминофоры способны отражать более широкий диапазон фотонных плотностей.

Система запоминающих люминофоров формирует цифровое изображение, которое может быть визуализировано на экране электронно-лучевой трубки или обработано компьютером. К преимуществам таких цифровых изображений относится возможность их компьютерной переработки (субтракция и краевое усиление) и управление ими.

Характеристики приемников с непосредственным формированием цифрового изображения (УРИ с телекамерой и запоминающими люминофорами) анализировались выше, поэтому целесообразно отметить лишь основные различия между ними. УРИ не обладают наилучшим пространственным разрешением или контрастом, однако имеют высокое быстродействие. Аналого-цифровое преобразование флюорограммы с числом пикселов 512´512 может занимать время менее 0,03 с. Даже при числе пикселов 2048´2048 в изображении время преобразования изображения в цифровую форму составляет всего несколько секунд.

Время считывания изображения с пластины с вынужденной люминисценцией значительно больше, хотя последняя выгодно отличается лучшим разрешением и динамическим диапазоном.

Лазерные принтеры

Несмотря на все преимущества передачи электронных изображений на расстояние, сохраняется потребность в переводе их на твердые копии. Для их формирования на пленке используются лазерные принтеры (рис.8-6). Галоидосеребряные пленки могут быть сенсибилизированы к свету лазера, аналогично как к синему или зеленому свечению усиливающих экранов. Большинство лазерных пленок должны обрабатываться в полной темноте.

Лазерные принтеры можно подсоединять к различного рода системам получения цифровых медицинских изображений. Данные от каждого интерфейса накапливаются в

6

памяти принтера, а затем в форме пиксел отражаются на пленке различными градациями серого. 8-битные принтеры обеспечивают экспозиционную модуляцию достаточную для передачи 256 градаций серого, а 12-битные – 4096 градаций. Такой диапазон оттенков серого позволяет создавать точные ....... изображения без всяких артефактов воспроизведения. Во всех дазерных принтерах используется метод интерполяции, увеличивающий число пиксел и позволяющий увеличивать размер изображения. Обычно используются два вида интерполяции: сглаживающая и резкая. К первому виду относится так называемый кубический сплайн, а ко второму – репликация.

Лазерные принтеры резко увеличили эффективность отделений лучевой диагностики. Благодаря непосредственному соединению лазерного принтера с проявочным автоматом, рентгенолаборанту больше не нужно покидать пациента, чтобы проявить пленку. Твердые копии цифровых изображений распечатываются в условиях обычной освещенности менее чем за две минуты.

При подключении одного или нескольких лазерных принтеров через интерфейсы к нескольким источникам цифровых изображений значительно повышается производительность, гибкость системы и возможность размножения твердых копий(рис. 8-7, и 8-8).

Линейная сканирующая система с твердотельным приемником

Системы получения изображения со сканированием рентгеновским пучком и приемником имеют важное преимущество, состоящее в том, что в них исключительно хорошо подавляется рассеяние. В этих системах один ...... располагается перед пациентом с целью ограничения первичного рентгеновского пучка до размеров, необходимых для работы приемника, а другой за пациентом, чтобы уменьшить рассеяние. На рис. 2.38 изображена линейная сканирующая система для получения цифрового изображения грудной клетки. Приемником в системе является полоска полупроводника (например, из оксида гадолиния), считывание информации с которой ведется линейной матрицей из 1024 фотодиодов. Проекционные рентгенограммы синтезируются сходным образом, также сканерами КТ и выполняют вспомогательную роль при выделении соответствующего сечения.

Главным недостатком сканирующей системы является то, что большая часть полезной выходной мощности рентгеновской трубки теряется и что необходимы большие времена экспозиции. Время экспозиции составляет около 10 с, что уменьшает срок службы рентгеновской трубки и создает сложности при визуализации движущихся органов. Следует заметить, что, несмотря на большое общее время экспозиции, время облучения каждого элемента изображения весьма мало, так что потери качества изображения за счет движения здесь не столь существенны по сравнению с традиционной рентгенографией при том же времени экспозиции.

Вообще говоря, цифровая рентгенографическая система будет иметь разрешение ниже, чем система «экран-пленка», однако при условии согласования размеров матрицы изображения и приемника в зависимости от области медицинского применения указанное обстоятельство не будет существенным. Матрицы изображения 512´512 элементов может быть вполне достаточно для целей цифровой флюороскопии, тогда как система рентгеноскопии грудной клетки может потребовать матрицы с числом элементов 1024´1024 при размерах элемента изображения около 0,4 мм [400мм:1024]. Для маммографических обследований необходима матрица из 2048´2048 элементов с размером элемента 0,1 мм [200мм:2048].

Число градаций в изображении будет также зависеть от медицинского назначения. Аналого-цифрового преобразователя на 8 бит (2 =256 уровней серой шкалы), обеспечивающего точность 0,4%, вполне достаточно для регистрации зашумленных изображений или больших массивов (меньшей ступени градации яркости соответствует больший уровень шума). Однако для ряда приложений может понадобиться и 10-битовый АЦП (2№є =1024 уровней серой шкалы, точность 0,1%). Человеческий глаз при хорошем освещении может обнаружить различия в контрастности около 2%.

7

Линейная сканирующая система с газонаполненным детектором

( многопроволочная пропорциональная камера – МППК)

В системе получения рентгеновского изображения обычно используют твердотельные приемники, позволяющие достичь высокого коэффициента поглощения рентгеновского излучения. При использовании камер, наполненных газом, высокой эффективности достигают путем подбора газа с высоким порядковым номером, с высоким давлением и работой в режиме пропорционального счета. Инертные газы ксенон и криптон имеют больший выход ионов, но фреон при достаточном выходе значительно дешевле.

Детектор состоит из области дрейфа и области регистрации и помещен в капсулу высокого давления с тонким входным окном.Проникающие через окно кванты


8-09-2015, 21:17

Страницы: 1 2 3
Разделы сайта