Разрешающая способность систем воспроизведения рентгеновских изображений

19.04.2017

Разрешающая способность систем воспроизведения рентгеновских изображений

Вопросу разрешающей способности систем воспроизведения рентгеновских изображений посвящено много работ [1, 4-6, 11].

Однако две причины побуждают вернуться к детальному рассмот рению этого вопроса.

Вопросу разрешающей способности систем воспроизведения рентгеновских изображений посвящено много работ [1, 4-6, 11].

Однако две причины побуждают вернуться к детальному рассмот рению этого вопроса. Эти причины состоят в следующем.

В большинстве работ способность рентгеновских систем воспроизводить мелкие детали оценивается по суммарной нерезкости Н_Е, причем указывается, что суммарная нерезкость всегда больше отдельных составляющих.

H_{z =>}/HГ + HД + HП , (1)

где Н_г, Н_д — соответственно геометрическая, динамическая составляющая нерезкости, Н_п — нерезкость приемника. Так как разрешающая способность системы обратно пропорциональна нерезкости, то напрашивается вывод, что разрешение мелких деталей не может быть больше разрешения приемника. При этом забывается тот факт, что изображение просвечиваемых органов из-за геометрии исследования всегда получается с некоторым увеличением,которое приводит к трансформации спектра пространственных частот изображения. Следовательно, видимость мелких структур будет зависеть не только от нерезкости, но и от того, как трансформированный спектр согласован с пропускной способностью системы, ее контрастно-частотной характеристикой (КЧХ), что нуждается в исследовании.

Вторая причина непосредственно вытекает из первой. Если разрешение мелких деталей может быть больше разрешающей
способности приемника, то представляет научный и практический интерес детальный анализ роли приемника и других эле-
ментов системы преобразования в разрешении системы в целом.

Это особенно важно в связи с бурным развитием цифровых приемников, которые имеют ряд преимуществ перед пленочными [2,8—10], но еще существенно уступают им по пространственному разрешению.

Как известно, разрешающая способность систем воспроизведения рентгеновских изображений R_c является функцией ряда параметров. Она зависит от размеров фокусного пятна рентгеновской трубки f, увеличения просвечиваемого объекта т₀ (т. е. геометрии съемки), разрешающей способности приемника R_n, скорости движения просвечиваемого объекта V и времени экспозиции t. Кроме того, на разрешение влияет зашумленность изображения. Последний фактор не изменяет относительного вклада в разрешение системы других параметров, поэтому при сопоставительном анализе его можно не учитывать. В этом случае разрешение можно определять не по пересечению КЧХ системы с пороговой характеристикой [9], а по выбранному пороговому (отсчетному) уровню. Следуя автору работы [1], примем отсчетный уровень Д = 0,12.

КЧХ системы будем считать нормальной и описывать соотношением:

A(v) = exp(—2n²a_c²v²), (2)

где v — пространственная частота в мм^-1, s_c — среднеквадратическое отклонение аппаратной функции системы, p = 3,14.

Предположение о нормальности КЧХ системы следует из многозвенности любой системы визуализации рентгеновских изо-
бражений [7, 11, 12].

Разрешающую способность системы можно непосредственно определить из (2), положив A (v = R_c) = Д. В этом случае разрешение системы равно:

R= лЯиД/1,41лст              

или для отсчетного уровня Д = 0,12

Так как объект всегда передается с увеличением т₀, то в соотношение (4) необходимо ввести множитель т₀, что следует из теоремы об изменении спектра частот изображения при изменении масштаба [6].

R_C = 0,33 ^m.            

Среднеквадратическое отклонение аппаратной функции системы о_с можно разложить на три некоррелированных слагаемых,
первое из которых определяется аппаратной функцией приемника о_П, второе — размерами фокусного пятна и его увеличением о_фт_ф, а третье связано с движением и увеличением объекта ст_вт_о:

^ssj+(^sg^mo У)

здесь т_ф — увеличение фокусного пятна трубки, которое связано с увеличением объекта соотношением т_ф = т₀ — 1.

Для оценки относительного влияния на разрешение каждой из составляющих приведем разрешающую способность системы к
разрешающей способности приемника.

Если допустить, что распределение интенсивности рентгеновского излучения по фокусу нормальное, то из методики определения размеров эффективного фокусного пятна рентгеновских трубок [3] следует, что:

^s* = 3.

Аппаратную функцию приемника принимаем нормальной,тогда:

sN=0.33

R_c = Rn

Соотношение (11) позволяет оценить вклад разрешения приемника в разрешающую способность системы при различных f,
т₀, V и t.

На рис. 1 и 2 представлены построенные по соотношениям (11) и (12) зависимости разрешения систем от увеличения объекта
при различных значениях произведений fR_n и VtR_n.

Рис. 1. Изменение пространственного разрешения системы преобразования в зависимости от коэффициента т₀

Рис. 2. Зависимость пространственного разрешения системы R_c от т₀ при различной скорости движения объекта V

На относительное разрешение системы R/R_n в сильной степени влияет увеличение объекта. В зависимости от fR_n и VtR_n при различных т₀ разрешение может быть как больше, так и меньше единицы.

Так как движение просвечиваемых объектов подавляет высокочастотный спектр пространственных частот, то при движении разрешение мелких структур всегда ухудшается. Поэтому для уменьшения смазывания изображения выдержку всегда необходимо сокращать насколько это позволяют возможности рентгеновского питающего устройства, излучателя и чувствительность приемника.

Следует отметить, что с уменьшением т₀ относительное влияние динамической нерезкости значительно возрастает, что существенно затрудняет реализацию потенциально высокого разрешения пленочной рентгенографии.

К сожалению, возможности использования коротких выдержек ограничиваются мощностью излучателей и рентгеновских пи-
тающих устройств. Например, при режиме съемки: напряжение на трубке V = 100 кВ, количество электричества Q = 5 мАс, экспозиция 5 мс, требуется питающее устройство и излучатель с мощностью 100 кВт.

При просвечивании неподвижных объектов разрешающая способность системы при реальных увеличениях может быть как
меньше, так и больше разрешающей способности приемника. Критерием может служить произведение fR_n.

Если fR_n < 1, то R_c всегда (кроме предельного нереального случая, когда R_c = R_n) превышает R_n (рис. 1).

Так как существующие конструкции рентгеновских аппаратов для пленочной рентгенографии имеют fR_n > 1 (f = 0,5—2 мм,
R_n = 5—20 мм^-1), то разрешающая способность пленки, которая,безусловно, имеет лучшее разрешение из всех существующих приемников, практически никогда не реализуется. Разрешение системы приближается к разрешению приемника экран—пленка только для очень тонких объектов, вплотную придвинутых к приемнику при больших расстояниях фокус трубки — приемник.

Чтобы полностью реализовать разрешение пленки (или пленки с усиливающими экранами) при увеличениях 1,1—1,8, по-
лучающихся на большинстве рентгеновских аппаратов, необходимо решить проблему микрофокусной рентгенографии f < 0,5 мм)при мощностях излучателей, обеспечивающих в плоскости приемника дозы 0,5—2 мР с временем экспонирования не более 5 мс. Это пока нереализуемая проблема.

Преимущества пленочной рентгенографии с мелкоструктурными экранами, когда R_n = 10 мм^-1, по сравнению с рентгеногра-
фией с крупнозернистыми экранами (R_n = 5 мм^-1) имеют место только при увеличениях менее т₀ = 1,2 (съемка тонких объектов —руки, ноги, шея). При т₀ > 1,2 (80% исследований) разрешающие способности этих систем выравниваются.

На рис. 3 а приведена типичная геометрия рентгенографии, а на рис. 3 б построена разрешающая способность, получаемая при этих условиях.

Рис. 3. Зависимость пространственного разрешения системы при т₀ = 1,2 от размеров фокуса:

а — геометрия съемки; б — пространственное разрешение R_c от f

Принятое нами условие т₀ = 1,2 в наибольшей степени соответствует исследованиям глубоко залегающих органов: легких,
сердца, желудочно-кишечного тракта. Для этих случаев (80% исследований) справедливым оказывается парадоксальный на первый взгляд вывод: бессмысленно использовать приемники с разрешением больше 3 мм^-1 при фокусах с размерами 2 мм и более,5 мм^-1 при фокусах с размерами 1 мм и более и только фокусы менее 0,5 мм могут обеспечить пространственное разрешение выше 5 мм^-1. Разумеется, приведенные соображения справедливы только для т₀ > 1,2. При рентгенографии конечностей, например, т₀ может быть обеспечено до значений 1,02—1,05, при этом достигается разрешение, близкое к пространственному разрешению приемника для фокусов от 1 мм и менее.

Из соотношения (12), приняв т₀ = 1,2, следует условие оптимизации суммарного разрешения системы при скорости движения
исследуемого органа V

Из исследований, проведенных в [5], значение V для движущейся стенки сердца составляет 20—30 мм/с, для края легкого —
5 мм/с, для стенки желудка — 2 мм/с.

Сегодня классическую рентгенографию вытесняет с рынка цифровая рентгенография, у которой разрешение приемников не
превышает 1—4 мм^-1. Однако, имея более высокую чувствительность, системы цифровой рентгенографии работают при меньших размерах фокусов рентгеновских трубок. Для них критерий fR_n близок к единице. Поэтому цифровая система в целом имеет разрешение больше, чем у приемника, причем разрешение растет с увеличением т₀, начиная с некоторого т₀ превосходит разрешение систем пленочной рентгенографии. В развитых странах, учитывая другие преимущества цифровой рентгенографии за последние несколько лет, наблюдается замена пленочной рентгенографии на цифровую с интенсивностью 5—15% в год. Например, при f = 100 мкм и R₀ = 10 мм^-1 оптимальным будет увеличение т₀ = 2, а при f = 50 мкм и R_n = 10 мм^-1 оптимальное увеличение т₀ = 5.

Результаты настоящих исследований подтверждаются при разработках и определении областей применения целого ряда сис-
тем воспроизведения рентгеновских изображений.

Таким образом, в современных усилителях с цифровым выходом, например УРИ-612-«ОКО», кроме непрерывного режима
просвечивания, предусмотрен режим экспонирования короткими импульсами, существенно меньшими, чем длительность кадра. Это  вызвано тем, что в УРИ на ПЗС-матрицах длительность накопления сигнала изображения составляет 20 мс. При более коротких экспозициях движущихся органов динамическая нерезкость существенно не влияет на разрешение системы.

Использование экспонирования короткими импульсами позволяет приблизить разрешение структур просвечиваемых объектов на УРИ к разрешению прицельной рентгенографии и, таким образом, реализовать цифровую рентгенографию на поворотных столах-штативах.

По мере отдаления просвечиваемого объекта от приемника разрешение его структур при классической рентгенографии резко
падает, а при цифровой рентгенографии, наоборот, возрастает. Начиная с некоторых увеличений в зависимости от f и R_n (разрешающие способности этих методов съемки становятся равными) и далее разрешение цифровой системы становится выше пленочной.

Из этих наблюдений можно сделать два вывода, важных для разработки рентгеновских систем. Во-первых, при цифровой рентгенографии можно допустить большее расстояние дека—приемник, минимизация которого обычно наталкивается на ряд ограничений.

Во-вторых, в системах с увеличением более 1,2—1,4, к которым, в частности, относятся передвижные хирургические аппараты с УРИ, например РТС-612, рентгенография на пленку теряет смысл и только инертность мышления заставляет в подобных системах предусматривать возможность съемки на пленку. Для получения твердых копий более целесообразно использовать мультиформатные камеры либо даже печатать просто на качественном принтере.

Цифровые флюорографические камеры, имеющие разрешение R_n = 2,5 мм^-1, например ЦФК-1, при фокусах рентгеновских
трубок не более 0,6 мм можно эффективно использовать на снимочных рабочих местах: столе снимков и вертикальной стойке, так как при реальных увеличениях объектов такая система разрешает практически все структуры, включая костную.

Необходимо в кратчайший срок исключить использование в стационарной аппаратуре фокуса 2 мм, не уменьшая теплоемкости анода. Переход на повсеместную работу при общей диагностике к фокусу 1,2 мм и новым усиливающим экранам с высокой чувствительностью ЭУ-ВИЗ [1] приведет к более чем двукратному выигрышу в разрешающей способности исследования.

Литература

Блинов Н. Н., Жуков Е. М., Козловский Э. Б., Мазуров А. И. Телевизионные методы обработки рентгеновских и гамма-изображений. - М 1982.

Теги: рентгеновское изображения, нерезкость приемника, относительное разрешение, просвечивание, разрешающая способность
234567 Начало активности (дата): 19.04.2017 20:10:00
234567 Кем создан (ID): 645
234567 Ключевые слова:  рентгеновское изображения, нерезкость приемника, относительное разрешение, просвечивание
12354567899