Новые реальности в современной рентгенотехнике

13.04.2017

Новые реальности в современной рентгенотехнике

Глубокие изменения, которые претерпела рентгенотехника за последние два десятилетия, требуют нового осмысления ряда сложившихся в рентгенотехнике представлений.

Глубокие изменения, которые претерпела рентгенотехника за последние два десятилетия, требуют нового осмысления ряда сложившихся в рентгенотехнике представлений. Ныне мы знаем, что рентгенография на пленку, которая господствовала целое столетие, больше не является единовластной царицей рентгенологии. С появлением в конце прошлого века цифровых технологий база рентгенотехники существенно расширилась и изменилась. К базовым изделиям, таким как излучатели, рентгеновские питающие устройства, штативы, экраны, пленка и ряд других, добавились цифровые приемники, автоматизированные рабочие места на базе компьютеров и специализированных видеопроцессоров, информационные сети лучевой диагностики с цифровыми архивами, системы телерадиологии.

Цифровые технологии внедряются и в традиционные разделы рентгенотехники. Все большая часть «железа» (hardware) рентгеновских аппаратов заменяется программами (software), а микропроцессорное управление охватило все их функции.

Такая экспансия привела к тому, что применительно к цифровым рентгеновским системам ряд утверждений классической рентгенотехники требует пересмотра. Оставаясь верными для классической пленочной рентгенотехники, эти положения приобрели другой смысл в цифровых системах. Ниже утрата определенности ряда утверждений рентгенотехники рассмотрена на конкретных примерах.

1. Геометрия исследования. Если исключить частный случай рентгеносъемки с прямым увеличением [5], при всех остальных исследованиях рентгенолаборант знает, что для получения четкой рентгенограммы пациента необходимо как можно ближе устанавливать (прижимать) к экрано-снимочному устройству или кассето-держателю. С этой же целью при конструировании штативов стремятся максимально сократить расстояние между пленкой и пациентом. Это справедливое для пленочной рентгенографии утверждение может оказаться неверным для цифровых аппаратов. Причина заключается в следующем.

Обычно способность рентгеновских систем воспроизводить четкое изображение неподвижного объекта оценивается по суммарной нерезкости Н_Е:

HS=VH_г² + HП , (1)

где Н_г — геометрическая нерезкость, Н_п — нерезкость приемника.

Из соотношения (1) следует, что нерезкость изображения не может быть меньше нерезкости приемника. Это ошибочный вывод, так как в соотношении (1) не учитывается тот факт, что изображение просвечиваемых органов из-за геометрии исследования всегда получается с некоторым увеличением. Учет увеличения объекта т₀ позволяет записать (1) в виде:

S = —¹ + (^mo ^-l)/^ f^Л v ^H п 0

где f — размер эффективного фокусного пятна рентгеновской трубки.

Рис. 1. Зависимость относительной нерезкости изображения Н_Е/Н_П от увеличения просвечиваемого объекта т₀ при различных отношениях f /Н_П:

1 - f /Нп = 0,5; 2 - f /Нп =1; 3 - f /Нп = 3; 4 - f /Нп = 5

На рис. 1 видим, что в зависимости от соотношения f/H_n рентгенография с увеличением будет давать либо меньшую, либо большую нерезкость, чем нерезкость приемника.

Для каждого соотношения //Н_П существует оптимальное увеличение просвечиваемого объекта

можно перейти к разрешающим способностям приемника и системы в целом [1]. Тогда соотношения (2), (3) и (4) примут соответственно вид:

Из соотношения (7) видно, что пространственное разрешение аппарата возрастает пропорционально квадратному корню из оптимального увеличения объекта.

В соответствии с соотношением (6) построен рис. 2, по которому можно определять оптимальные увеличения для случая пленочной рентгенографии (Ж_П = 2,5—20), цифровой рентгенографии (Щ_П = = 0,3—6) [4] и съемки с микрофокусными рентгеновскими трубками (/Я_П = 0,25—2).

Полученные результаты показывают, что в цифровых аппаратах оптимальные увеличения объекта съемки могут достигать нескольких раз, если это позволяет размер поля зрения приемника.

Таким образом, по мере развития цифровых приемников их распространения в медицинской практике следует ожидать (в отличие от классической рентгенографии) более широкого применения съемки с прямым увеличением.

Рис. 2. Зависимость оптимального увеличения от fR_n

2. Рентгеновские отсеивающие растры. Как известно, для подавления рассеянного излучения от объекта с целью увеличения контраста изображения применяются растры [6]. Однако отсеивающие растры при увеличении контраста в

раз требуют в случае пленочного приемника увеличения экспозции на пленку в

Здесь Тр — коэффициент пропускания растром первичного излучения, T_t — прозрачность растра для общего потока рентгеновских лучей (первичное плюс вторичное излучения).

Таким образом, чувствительность пленочной рентгенографии с растром уменьшается в В раз. С появлением цифровых приемников это положение классической рентгенотехники автоматически распространили на цифровые аппараты. Однако внимательное рассмотрение вопроса показывает, что это заблуждение. Растр не уменьшает, а увеличивает чувствительность цифрового приемника.

Суть в том, что цифровые рентгенографические системы имеют,

как правило, очень широкий динамический диапазон, достигающий сотен и даже тысяч раз. Поэтому в них отсутствует опасность ограничения полезного сигнала и в то же время имеется возможность увеличения контраста изображения в электронных схемах, например с помощью ограничения видеосигнала по уровню черного. Это эквивалентно исключению вуали на пленочной рентгенограмме, что физически на пленке невозможно достигнуть. Растр же, ослабляя в большей степени вторичное излучение, чем первичное, увеличивает отношение сигнал/шум на входе приемника.

Здесь Тр — прозрачность растра для первичного излучения

Из соотношения (8) следует, что для цифровых приемников необходимо выбирать растры с максимальной избирательностью, в то время как для пленочной рентгенографии приходится искать компромиссное решение между коэффициентом улучшения контраста и фактором увеличения экспозиции.

1. Оптимизация качества изображения. В рентгенологии всегда имеется необходимость установления оптимального соотношения между уровнем предполагаемого риска от рентгеновского излучения и ожидаемым выигрышем за счет лучшей диагностики. Эта оптимизация достигается ограничением качества изображения на уровне достаточности с целью минимизации экспозиционной дозы. В цифровых аппаратах это приобретает особо важное значение,так как появляется возможность адаптивного изменения пространственной, временной, градационной разрешающих способностей аппарата в зависимости от детальности, подвижности и контраста изображения исследуемого органа.

В рентгенологии часто принимается, что доза, полученная пациентом, обратно пропорциональна размеру разрешаемого элемента изображения в четвертой степени [6].

В организме человека патология может развиваться в любом направлении (х, у, z), поэтому желательно, чтобы разрешающие способности аппарата были одинаковыми во всех направлениях, т. е. должно выполняться равенство Ах = Ay = Dz. В этом случае снижение требований к размерам разрешаемого объема в 2 раза позволяет снизить дозу в 16 раз. Это соотношение в полной мере реализуется при воспроизведении трехмерных цифровых изображений (3Б-изображение). Для характеристики элементарного объема 3D-изображения введено понятие воксела (voxel) по аналогии с пикселом, характеризующим минимальный размер плоского 2D-изображения.

В цифровых аппаратах эта операция может реализоваться изменением размеров пиксела адаптивно в зависимости от требуемого разрешения. Аналоговые аппараты не имеют такой возможности.

Регулировать частоту информативных данных в зависимости от подвижности исследуемых органов стало возможным, когда появилась кадровая память. Кадровая память позволяет генерировать недостающие кадры для преодоления критической частоты слияния мельканий. Для исследования в рентгеноскопическом режиме неподвижного органа достаточно одного информативного кадра, который повторяется с частотой более критической частоты слияния мельканий в течение всего времени исследования.

Частота информативных кадров при исследовании подвижных органов должна выбираться в соответствии с теоремой отсчетов (теоремой Котельникова). Как показали исследования зрительного анализатора [2], для обеспечения слитности движения частота информативных кадров может не превышать 15 кадров в секунду, если недостающие кадры для обеспечения критической частоты воспроизводятся из памяти. В цифровых рентгеновских аппаратах используются «псевдодинамические» режимы исследования с частотой повторения кадров от 1 до 15, что позволяет многократно снижать дозу облучения по сравнению с традиционным просвечиванием.

Только в случае исследования быстропротекающих процессов, когда для диагностики важны все фазы движения исследуемого органа, например в кардиологии, частоту информативных кадров не понижают, а повышают до 60 в секунду и более и воспроизводят изображение в замедленном ритме.

Эти примеры показывают, что цифровая рентгенотехника не должна иметь строго заданных параметров дискретизации изображения. Она должна позволять производить обменные операции между качеством изображения и лучевыми нагрузками путем изменения параметров дискретизации. Эффективное использование обменных операций требует детального изучения статистических свойств двух- и трехмерных рентгеновских изображений, что является самостоятельной сложной задачей.

Проблема твердой копии. Рентгенологи привыкли иметь снимок не только как изображение внутреннего строения исследуемого органа, но и как документ, подтверждающий (или опровергающий) правильность интерпретации изображения.

Приказ № 81 Минздрава СССР от 08.02.87 предписывает хранить рентгенограмму в архиве не менее 5 лет. Эти правила распространяются рентгенологами на цифровые системы, в состав которых они требуют введения устройств для получения твердых копий. Многие рентгенологи предпочитают ставить диагноз по твердой копии, а не по изображению на мониторе. Мы усматриваем здесь две причины. Во-первых, современные мониторы не обеспечивают необходимого для одновременной визуализации всех градаций рентгенограммы динамического диапазона. Для согласования со свойствами зрения этот диапазон должен быть не менее 1000. У современных мониторов эта цифра едва превышает 100. Поэтому, анализируя цифровую рентгенограмму на мониторе, рентгенолог вынужден для просмотра всех градаций яркости использовать режим «окна», который позволяет увидеть все градации последовательно.

На негатоскопе рентгенолог видит все градации одновременно, что, вероятно, более привычно и удобно.

Во-вторых, рентгенолог привык иметь в руках документ, который в случае необходимости можно переслать другим медикам или экспертам в случае судебного разбирательства. С широким развитием информационных сетей эта проблема отпадет, но первая останется. Кроме того, должен быть обозначен юридический статус электронной информации и ее носителей.

Учитывая, что любое дополнительное преобразование изображения нежелательно, так как вносит артефакты и удорожает процесс диагностики, авторы настоятельно рекомендуют рентгенологам привыкать ставить диагноз уже сейчас по изображению на мониторе. Опыт ряда рентгенологов, работающих с цифровыми аппаратами, подтверждает, что адаптация к постановке диагноза по монитору происходит достаточно быстро.

Методы оценки качества рентгеновского изображения. С включением в состав цифрового рентгеновского аппарата компьютера появились новые возможности контроля и измерения параметров изображения. Появление таких возможностей особенно актуально в связи с тем, что многие применяющиеся испытательные тест-таблицы, включающие периодические структуры (например,миры для измерения разрешения), непригодны для оценки качества изображения цифровых систем.

Они вызывают биения со структурой, дискретизирующей изображение. Практическое же применение мир обусловлено инерцией и отсутствием заменяющих их методик.

По этой причине в цифровом телевидении уже давно для оценки качества изображения применяют типичные натурные сцены, а не таблицы с периодическими структурами [8]. Для цифровых рентгеновских приемников тест - объектами могли бы служить фантомы исследуемых органов. Однако в заводских условиях контроль качества изображения по фантомам мало реален, так как только рентгенолог может оценить качество передачи внутренней структуры исследуемых органов.

В связи с неограниченными (в практическом смысле) вычислительными возможностями компьютеров «универсальной испытательной таблицей» может служить равномерно засвеченное рентгеновскими лучами входное поле приемника, имитирующее случайный белый шум. Еще С. Гольдман [3] предлагал применять случайный шум для определения функции передачи системы, а Россманом [7] такая испытательная таблица была рекомендована для измерения КЧХ рентгенографической системы.

Использование вычислительных средств компьютера позволяет по входному белому шуму определять не только КЧХ приемника, но и ряд других характеристик: обобщенную квантовую эффективность (DQE), отношение сигнал/шум, динамический диапазон, равномерность сигнала по полю изображения.

Работа по измерению параметров цифровой рентгеновской аппаратуры проводится МЭК и Госстандартом. Но, очевидно, нас ожидает довольно длительный период нормализации и стандартизации методов и средств контроля параметров цифрового изображения.

Количество проблемных задач цифровой рентгенологии может быть продолжено. Например, ожидает своего решения оптимизация параметров и форм отсеивающего растра для цифровых систем, имеющих дискретную структуру приемника.

Необходимо изменить таблицы выбора физико-технических режимов исследований с новыми цифровыми детекторами. Уже сейчас ясно, что в цифровых системах первичная фильтрация должна быть более сильной. Начинает просматриваться общая траектория движения диагностической радиологии — видеть объект, а не его проекцию.

В заключение еще раз отметим, что новое цифровое поколение рентгеновской аппаратуры требует пересмотра многих положений традиционной рентгенотехники, порой более глубокого, чем это представляется на первый взгляд.

Литература

1. Блинов Н. Н., Мазуров А. И. // Мед. техника. - 2000. - № 5. - С.12-15.

2. Брайс Р. Справочник по цифровому телевидению. - М., 2001.

3. Гольдман С. Теория информации. - М1957.

4. Зеликман М. И. //Мед. техника. - 2002. - № 5. - С. 3-6.

5. Основы рентгенодиагностической техники / Под ред. Н. Н. Блинова. - М., 2002.

6. Физика визуализации изображений в медицине. - М., 1991.

7. Фризер X. Фотографическая регистрация информации. - М., 1978.

8. Цифровое кодирование телевизионных изображений / Цуккерман И. И., Кац Б. М., Лебедев Д. С. и др. - М., 1981.

Теги: рентгенотехника, изображения, аппарат, растор, пленка, разрешение, цифровая рентгенография
234567 Начало активности (дата): 13.04.2017 16:54:00
234567 Кем создан (ID): 645
234567 Ключевые слова:  рентгенотехника, изображения, аппарат, растор, пленка, разрешение
12354567899