Содержание к диссертации
Введение
Глава 1 Анализ основных путей развития цифровой рентгенотехники
1.1 Состояние разработок цифровых рентгеновских аппаратов 11
1.2 Анализ преимуществ цифровых рентгеновских аппаратов по сравнению с аналоговыми 19
1.3 Исследование путей снижения лучевых нагрузок в цифровых аппаратах . 27
Выводы 42
Глава 2 Исследование информативных параметров цифровых рентгеновских аппаратов
2.1 Исследование качества рентгеновского изображения на входе цифрового приемника 43
2.2 Исследование пространственной разрешающей способности . 53
2.3 Разрешающая способность во времени 61
2.4 Динамический диапазон 62
Выводы 64
Глава 3 Исследование эффективности цифровой обработки рентгеновских изображений
3.1 Цели цифровой обработки рентгеновских изображений 65
3.2 Коррекция аппаратурных искажений 68
3.2.1 Коррекция геометрических искажений 68
3.2.2 Коррекция неравномерности сигнала по полю изображения 69
3.2.3 Подавление шумов 71
3.3 Препарирование рентгеновских изображений 74
3.3.1 Цифровая субтракция 74
3.3.2 Пространственная фильтрация в линейном томографе 77
3.3.3 Согласование параметров изображения на мониторе со зрительным анализатором... 81
Выводы 86
Глава 4 Разработка цифровых рентгеновских аппаратов
4.1 Телеуправляемый рентгенодиагностический комплекс КРТ-Электрон»..88
4.2 Цифровой флюорограф ФЦ-01-«Электрон» 95
4.3 Аппарат рентгенографический цифровой АРЦ-01 -«ОКО» 101
4.4 Хирургические рентгеновские аппараты серии РТС-612(611) 107
Выводы 117
Заключение 118
Список литературы 122
Приложения 129
- Анализ преимуществ цифровых рентгеновских аппаратов по сравнению с аналоговыми
- Исследование пространственной разрешающей способности
- Коррекция аппаратурных искажений
- Цифровой флюорограф ФЦ-01-«Электрон»
Введение к работе
Как известно, от уровня технических средств рентгенологической службы лечебно-профилактических учреждений (ЛПУ) во многом зависят качество диагностического процесса, производительность персонала, экономические затраты, лучевая нагрузка, комфорт пациента.
В связи с тем, что парк эксплуатируемой в России рентгеновской аппаратуры физически и морально устарел (не менее 70% парка состоит из отработавших срок аппаратов и не отвечает современному уровню рентгенотехники), актуальной является задача правильного проектирования и выбора аппаратуры для переоснащения ЛПУ.
Вместе с окончанием XX века закончилась эра классической аналоговой медицинской рентгенотехники. На современном этапе развитие рентгенотехники перешло на цифровые технологии, которые интенсивно внедряют во все функциональные узлы рентгеновских аппаратов. В высокоразвитых странах цифровая рентгенотехника уже является реальностью: от 10 до 15% парка рентгеновских аппаратов в год заменяется на цифровые аппараты. Рентгенография на пленку, которая господствовала целое столетие, больше не является единовластной царицей рентгенологии. Это обусловлено целым рядом преимуществ цифровых рентгеновских аппаратов [1].
В Российской Федерации разработка цифровой рентгеновской аппаратуры идет с заметным отставанием от разработок ведущих иностранных фирм [1]. Особенно остро ощущается необходимость в цифровых аппаратах для общей рентгенологии, флюорографии и хирургии. Разделение СССР практически разрушило рентгеновскую промышленность России. Только в последние годы в России появились новые фирмы, которые разрабатывают цифровые модели систем визуализации рентгеновских изображений [2-5,10]. Несмотря на наметившийся прогресс, до настоящего времени не существует
5 научно-обоснованных технических требований к цифровым аппаратам
различных классов. Отсутствует подробный анализ их преимуществ перед
аналоговой рентгенотехникой. Не выявлены потенциальные возможности
снижения лучевых нагрузок на пациента и обслуживающий персонал, которые
таят в себе переход на новые способы преобразования сигналов и цифровые
технологии. Внедрение в рентгенотехнику цифровых технологий требует
переосмысления многих устоявшихся представлений, начиная с геометрии
съемки и заканчивая способом воспроизведения изображения и методом его
интерпретации. В цифровых аппаратах, в отличии от аналоговых, имеются
достаточно простые возможности адаптивного изменения пространственной,
временной и градационной разрешающих способностей в зависимости от
детальности, подвижности и контраста изображения исследуемого органа.
Однако практические рекомендации по адаптивному изменению параметров
дискретизации изображения в литературе отсутствуют. Эффективное
использование обменных операций требует детального изучения, свойств
различных классов рентгеновских изображений.
Любое теневое рентгеновское изображение искажено в той или иной
степени. Оно содержит информацию обо всех органах, пронизываемых
первичным пучком, но плохо согласовано со свойствами зрительного
анализатора. Поэтому после преобразования изображения в цифровой
видеосигнал должна быть произведена его обработка по трем направлениям.
Это коррекция аппаратных искажений, препарирование, связанное с
выделением интересующих и подавлением несущественных для данного
исследования структур, и, наконец, согласование наблюдаемого рентгенологом
изображения (по яркости, контрасту, детальности, динамическому диапазону и
т.д.) с возможностями зрительного анализатора. Значение цифровых обработок
рентгеновских изображений не только до конца не исследовано, но даже не в
полной мере осознано. »
Благодаря цифровой рентгенотехнике родилось новое направление рентгенологии - интервенционная радиология. Аппараты для интервенционной радиологии имеют широкий диапазон клинического применения на рабочих местах, где осуществляется инструментальное вмешательство, позиционирование, терапия и хирургия под рентгеновским контролем.
Наиболее остро проблема перехода на цифровые технологии стоит в общей рентгенологии, флюорографии и хирургии под рентгеновским контролем, на которые расходуется большая часть бюджета, выделяемого на оснащение рентгенологической службы. Такой переход должен обеспечить более точную диагностику, наименьшее отрицательное воздействие облучения на организм пациента и минимальную стоимость исследования.
Таким образом, в начале XXI века развитие теоретических основ и практических конструкций медицинской рентгенотехники следует рассматривать как переход ее на качественно новый цифровой уровень. Медицинская рентгенотехника еще очень далека от потенциально достижимого предела и, спустя столетие с момента своего появления, фактически находится в начале пути к полностью цифровой рентгенологии, объединенной во всемирную сеть телерадиологии.
Отечественная промышленность наиболее подготовлена для разработки цифровых рентгеновских аппаратов с использованием ПЗС- матриц в приемниках изображений. Выбор в качестве преобразователя свет-сигнал ПЗС-матрицы обусловлен следующими причинами. Приборам с зарядовой связью присущи высокая квантовая эффективность (может достигать 0,8). Динамический диапазон ПЗС-матриц превышает 3000. В таком широком диапазоне освещенностей ПЗС имеют линейную зависимость сигнала от освещенности. ПЗС-матрицы - это безынерционные приборы. Ряд свойств ПЗС-матриц: жесткий дискретный растр с точно известными координатами каждого элемента, отсутствие дисторсии, малые потребляемая мощность и габариты, высокая механическая прочность, стойкость к вибрациям и
7 электромагнитным полям, надежность и большой срок службы, безподстроечный режим работы, идеально вписываются в рентгеновские приборы, построенные по цифровой технологии.
Теоретической и методической базой данной диссертационной работы послужили труды ведущих ученых и специалистов - Е.С. Бару, Н.Н. Блинова, Р.Е. Быкова, Ю.В. Варшавского, Л.В. Владимирова, СБ. Гуревича, М.И. Зеликмана, Б.М. Кантера, В.В. Клюева, Э.Б. Козловского, Б.И. Леонова, Р.В. Ставицкого, Э.Г. Чикирдина, С. Нудельмана, А. Роуза и ряда других.
В соответствии с вышеизложенным, основная цель диссертационной работы состоит в оптимизации параметров и разработке малодозовых цифровых рентгеновских аппаратов, использующих приемники на базе ПЗС-матриц и цифровую обработку сигналов изображения.
Для достижения поставленной цели сформулированы следующие задачи исследования:
- проанализировать принципы построения и состояние разработок
цифровых рентгеновских аппаратов для общей диагностики,
флюорографии и хирургии;
выявить преимущества и оценить эффективность цифровой рентгенотехники;
исследовать пути снижения лучевых нагрузок в цифровых аппаратах, построенных на базе ПЗС-матриц;
выработать требования к параметрам и характеристикам этих аппаратов;
исследовать методы цифровой обработки, повышающие диагностическое качество рассматриваемого класса аппаратов;
- разработать, испытать и внедрить в клиническую практику цифровые
аппараты с применением приемников на ПЗС-матрицах, которые
чувствительнее и эффективнее аналоговых аппаратов.
8 Проведенные исследования позволили решить поставленные выше задачи, сформулировать основные полученные научные результаты и положения, выносимые на защиту.
К числу основных научных результатов отнесены следующие:
На основе сравнительного анализа цифровой и пленочной рентгенографии показано, что цифровые методы детектирования и обработки сигналов в сочетании с детекторами на ПЗС-матрицах, в отличие от пленочной технологии, обеспечивают широкий диапазон независимой оптимизации процедур детектирования, обработки, визуализации и хранения.
Получены аналитические соотношения, одно из которых (1.13) позволяет исследовать пути снижения лучевых нагрузок, а второе (2.20) дать количественную оценку относительного влияния на предельную разрешающую способность аппаратной функции приемника, размеров фокусного пятна, увеличения объекта и скорости его движения. Показано, что основной резерв заключается в увеличении жесткости рентгеновских лучей, использовании растров с высокой избирательностью, увеличении квантовой эффективности приемников за счет использования ПЗС-матриц и оптимизации (сокращении избыточности) качества изображения. Как показывают расчеты, в цифровых аппаратах лучевые нагрузки могут быть уменьшены не менее чем в 10 раз.
Исследование детальности, подвижности, контраста и размеров изображений в рентгеновском пучке показали, что в задачах общих диагностических исследований, флюорографии и хирургии с целью минимизации лучевой нагрузки пространственную разрешающую способность цифровых флюорографов следует ограничить величиной 2,5 мм-1, а цифровых рентгенографических аппаратов - величиной 3,7 мм-1.
На защиту выносятся следующие положения: 1. Сравнительный анализ цифровой и пленочной рентгенографии показал, что сочетание в одном носителе информации (пленка) процессов
9 детектирования, обработки, визуализации и хранения не позволяет их оптимизировать независимо друг от друга. В результате квантовая эффективность детектирования рентгенографических комплектов ограничивается на уровне близком к 0,2, а динамический диапазон не превышает 50. В цифровых приемниках на базе ПЗС-матриц такие ограничения отсутствуют: достигнутая квантовая эффективность детектирования составляет 0,65, а динамический диапазон 400. Высокая разрешающая способность рентгенографических комплектов (до 10 мм-1), как правило, не реализуется, что связано с геометрией съемки и подвижностью исследуемых органов. Поэтому цифровые аппараты превосходят пленочные как по чувствительности, так и по качеству изображения.
На основе анализа полученных соотношений (глава 1) и соответствующих расчетов показаны пути снижения лучевых нагрузок, которые могут быть уменьшены не менее чем в 10 раз за счет увеличения жесткости рентгеновских лучей, использования растров с высокой избирательностью, применения ПЗС-матриц с высокой квантовой эффективностью и оптимизации (сокращении избыточности) качества изображения. <
На основе проведенных исследований детальности, подвижности, контраста и размеров изображений в рентгеновском пучке оптимизированы требования к параметрам цифровых рентгеновских аппаратов для общих исследований, флюорографии и хирургии (глава 2). С целью минимизации лучевой нагрузки пространственную разрешающую способность цифровых флюорографов целесообразно ограничить величиной 2,5 мм'1, а цифровых рентгенографических аппаратов - величиной 3,7 мм'1.
Разработанные и внедренные в клиническую практику цифровые рентгеновские аппараты с приемниками на ПЗС-матрицах (глава 4).
10 Практическую ценность составляют:
На основании проведенных исследований выработаны требования к параметрам цифровых рентгеновских аппаратов для общих исследований, флюорографии и хирургии.
Показано, что в цифровой рентгенодиагностической аппаратуре на современном этапе ее развития успешно могут быть использованы коррекция аппаратурных искажений, препарирование изображения и согласование параметров изображения на мониторе со свойствами зрения. По результатам клинических испытаний из первого класса обработок для цифровых систем рекомендованы к практическому использованию коррекция неравномерности сигнала и фона по полю изображения, коррекция геометрических искажений и подавление шумов; препарирование изображения, которое традиционно используется в субтракционной ангиографии в цифровых- системах, реализуется с более высокой эффективностью.
Внедрение результатов
Результаты проведенных исследований использованы при разработке, изготовлении и испытаниях телеуправляемого рентгенодиагностического комплекса КРТ-«Электрон», цифрового рентгенографического аппарата АРЦ-01-«ОКО», цифрового флюорографа ФЦ-01-«Электрон» и передвижных хирургических аппаратов серии РТС-612.
Все цифровые аппараты, разработанные в рамках настоящей работы, прошли технические и медицинские испытания и рекомендованы ведущими клиниками России к применению в медицинской практике.
Анализ преимуществ цифровых рентгеновских аппаратов по сравнению с аналоговыми
В течении XX столетия пленочный рентгенографический комплект (экран-пленка) был основным приемником в рентгенографических аппаратах. И это не удивительно, так как по качеству изображения и простоте обслуживания ему не было альтернативы. Однако, начиная с 80-х годов прошлого столетия, пленке начали искать замену по экономическим соображениям. Дело в том, что рентгеновская пленка одноразовый приемник с большим содержанием серебра. Расход серебра в зависимости от типа пленки составляет 5-Ю г на квадратный метр, а только в лечебной сети России, не считая промышленности, ежегодно производят свыше 200 млн снимков различных форматов. Даже для минимального стандартного формата пленки (18x24 см) и наноса серебра 5 г/м расход серебра в год в России составляет более 40 тонн. В связи с истощением мировых запасов серебра стоимость рентгеновской пленки неуклонно растет, что порождает необходимость ее замены. Замена была найдена - это цифровые приемники (преобразователи рентгеновского изображения в видеосигнал). С появлением цифровых приемников сочетание процессов детектирования, обработки, визуализации и хранения в одном носителе информации, каким является пленка, стали рассматривать как недостаток пленочной технологии.
Стало ясно, что основное отличие и главное преимущество цифровой рентгенографии перед пленочной в том, что в ней процессы детектирования, обработки, визуализации и хранения разделены, что позволяет их оптимизировать независимо друг от друга. Независимая оптимизация звеньев цифрового процесса визуализации рентгеновских изображений позволяет не только заменить пленку приемниками с более высоким качеством изображения, но и по-новому более совершенно организовать рентгенологическую службу с использованием цифровых телевизионных камер, видеопроцессоров, автоматизированных рабочих мест и информационных сетей. Если еще в 1992г. в монографии [18] отмечено, что «пленочная рентгенография будет оставаться в обозримом будущем фундаментом медицинской визуализации», то сейчас можно сказать, что рентгеновские аппараты с пленочными приемниками тормозят организацию более совершенной рентгенологической службы. Переоснащение рентгеновских кабинетов аппаратами, построенными по пленочной технологии, затормозит их включение в рентгенологическую информационную сеть на срок службы этих аппаратов (6-15 лет). Как уже отмечалось выше, цифровые аппараты не могут заменить пленочные в ЛПУ в течении короткого промежутка времени. Этому противодействуют следующие обстоятельства. В ЛПУ существует огромный парк рентгеновских аппаратов для пленочной рентгенографии. Продолжают функционировать промышленные предприятия, выпускающие продукцию для традиционной рентгенографии. Большинство рентгенологов не подготовлено для восприятия цифровых изображений с экранов мониторов, а учебные заведения продолжают готовить кадры по старым программам. Создание нового всегда связано с преодолением барьеров, но большинство параметров и характеристик цифровых рентгеновских аппаратов намного превышают параметры и характеристики пленочных аппаратов, потенциал которых практически исчерпан.
Как видно из рис. 1.1, заимствованного из работы [9], рентгенографический комплект принципиально не может достичь чувствительности, близкой к чувствительности идеальной системы (квантовой эффективности равной единице). На рисунке данные приведены для рентгенографического комплекта: экран DuPont Cronex HiPlus, пленка Kodak X-Omatic PvP.
При низких дозах этому препятствует шум вуали, который принципиально не устраним. При больших дозах, соответствующих концу характеристической кривой, шум определяется, главным образом, зернистостью пленки и имеет ту же природу, что и шум вуали. И только в
середине на линейном участке характеристической кривой преобразованный шум входного рентгеновского изображения превосходит суммарный шум зернистости и вуали. Здесь квантовая эффективность близка к 0,2, а к концам характеристической кривой падает, приближаясь к 0. Диапазон входных сигналов для приемлемой квантовой эффективности пленки близок к 30. Это следует из соотношения:где Н - динамический диапазон, Емакс, Емин - максимальная и минимальная экспозиции соответственно, у - усредненный градиент (коэффициент контрастности) пленки, DMaKC - максимальная плотность пленки, DB - плотность вуали. Если средний коэффициент контрастности принять равным 2, DMaKC=3,2, a DB=0,2, то Н=31,6.
Таким образом, как следует из соотношения (1.1), рентгенографический комплект имеет в 5 раз меньшую квантовую эффективность по сравнению с идеальной системой в относительно узком динамическом диапазоне освещенностей. Ограничение квантовой эффективности рентгенографических комплектов на уровне близком к 0,2 является принципиальным, так как связано с физикой формирования скрытого изображения в пленке. В цифровых приемниках такое ограничение отсутствует. Уже в существующих цифровых приемниках некоторых классов достигнутая квантовая эффективность детектирования составляет 0,65 [11]. Следствием узкого динамического диапазона пленочных приемников по дозе является высокий процент брака (до 15%) из-за переэкспонирования или недоэкспонирования пленки даже лаборантами средней квалификации.
Вторым следствием узкого динамического диапазона пленки является необходимость обязательного применения свинцовых растров, отсеивающих вторичное излучение, при исследовании органов, когда рассеянное излучение
Исследование пространственной разрешающей способности
Исследованию пространственной разрешающей способности рентгеновских аппаратов посвящено много работ [9,19,23,27]. Наиболее полно разрешающая способность рассмотрена в статье [19], где она определяется по выбранному пороговому (отсчетному) уровню А=0,12 контрастно-частотной характеристики (КЧХ) аппарата. Такой подход исключает из рассмотрения влияние флуктуационных шумов, которые маскируют восприятие высокочастотных составляющих спектра изображения и, следовательно, снижают пространственное разрешение аппарата. Границу полезного спектра передаваемых аппаратом пространственных частот изображения, как известно [22], определяет не произвольно выбранный отсчетный уровень, а точка пересечения КЧХ аппарата с функцией порогового контраста.
КЧХ аппарата будем считать нормальной и описывать соотношением:где R - пространственная частота в мм"1, аа - среднеквадратичное отклонение аппаратной функции, приведенное к входной плоскости приемника, 71=3,14.
Предположение о нормальности КЧХ аппарата следует из многозвенности системы визуализации рентгеновского изображения [23, 27].
Функция порогового контраста рассчитывается по соотношению [23]: где Тп - пороговое отношение сигнал/шум; F - коэффициент шума; А -пересчетный коэффициент, зависящий; от энергетического спектра рентгеновских квантов, Р - мощность дозы на входе приемника, t - время экспозиции.
Пороговая характеристика пересечет КЧХ на каком-то уровне контраста, который определяется из системы уравнений:), (2.13) по точке их пересечения определяем контраст К гармоники максимальной частоты, обнаруживаемый с заданной вероятностью. Зная К, разрешающую способность аппарата определяем из соотношения (2.10), положив A(R)=K. В этом случае разрешающая способность будет равна:
Для отсчетного уровня К=Д=0,12; R=0,33/aa.Система уравнений (2.12), (2.13) показывает, что определение пространственной разрешающей способности по фиксированному отсчетному уровню А, а не контрасту К (который зависит от дозы) при низких дозах на кадр, может привести к завышению фактического разрешения аппарата, если пороговая характеристика аппарата пересечется с КЧХ выше порогового уровня А (К А). Оценить степень подавления шумами высокочастотных составляющих спектра рентгеновских изображений можно, анализируя идеализированные аппараты, приемники которых не вносят собственных шумов. В этом случае отношение сигнал/шум в изображении полностью определяется шумами входного рентгеновского изображения. Возьмем две такие системы, у одной из которых разрешающая способность без учета шумов, оцененная по уровню А =0,12, равна 2,5 мм 1, а у другой - 5 мм 1. В этих случаях графическое решение системы уравнений (2.12), (2.13) представлено на рис. 2.5.
Здесь же приведена функция порогового контраста аппарата с F=2.Из рис. 2.5 видно, что шумы существенно ограничивают разрешающую способность рентгеновского аппарата. Это ограничение тем больше, чем меньше экспозиционная доза. Так как зависимость разрешающей способности от шумов не нашла отражения в нормативных документах [28, 29], то указываемую в технической документации на аппараты разрешающую способность следует рассматривать как предельную при максимально допустимых дозах. На рис. 2.5 она соответствует К=А=0,12.
Если объект передается с увеличением, то в соотношение (2.14) необходимо ввести масштабный множитель т0, что следует из теоремы об изменении спектра частот при изменении масштаба [30]:
Среднеквадратичное отклонение аа аппаратной функции можно разложить на три некоррелированных слагаемых, первое из которых определяется аппаратной функцией приемника, второе размерами фокусного пятна и его увеличением в плоскости приемника, а третье связано с движением и увеличением объекта
Здесь Шф - увеличение фокусного пятна трубки, которое связано с увеличением объекта соотношением гпф= mo-1.
Подставив (2.15) в (2.16), получим:Для оценки относительного влияния на разрешающую способностькаждой из составляющих приведем, как это сделано в работе [19],разрешающую способность аппарата к разрешающей способности приемника,положивЗдесь а, Ь, с - постоянные величины, Rn - разрешающая способность приемника, f - размер фокуса рентгеновской трубки, V - скорость движения объекта, t - время экспозиции.С учетом (2.18) соотношение (2.17) принимает вид:
Коррекция аппаратурных искажений
При формировании и визуализации рентгеновских изображений ряд звеньев аппарата вносит геометрические искажения. Такими звеньями в аппаратуре разной структуры могут быть объектив, РЭОП и др. Эти искажения проявляются в искажении формы и изменении площади одинаковых деталей, расположенных в одной плоскости просвечиваемого объекта, которая перпендикулярна центральному лучу рентгеновского пучка. Геометрические искажения возникают из-за нарушения юстировки рентгеновской трубки относительно центра приемника изображения, дисторсии электронной оптики и объективов, нелинейности разверток изображения, сферической поверхности экрана РЭОПа, влияния магнитного поля Земли на перенос изображения в РЭОПе на выходной экран и ряда других причин.
В настоящей работе исследован и используется цифровой метод коррекции геометрических искажений, который позволяет скомпенсировать с заданной точностью любой тип искажений и их комбинацию. С этой целью во входном поле приемника рентгеновского изображения устанавливался рентгенонепрозрачный тест-объект с отверстиями в узлах решетки, которые по форме и площади идентичны с заданной точностью. Тест просвечивается и в цифровую память приемника записываются координаты всех отверстий горизонтальных и вертикальных линий решетки. Далее эти координаты сравниваются с координатами точек, которые должен был бы иметь приемник без геометрических искажений, то есть с координатами электронной маски сравнения. Полученные отклонения Ах и Ау координат точек пересечения тест-объекта служат исходными данными для коррекции координат каждого пиксела реального изображения. Такая коррекция геометрических искажений приемника исследована и внедрена в цифровом флюорографе ФЦ-01-«Электрон» и цифровом рентгенографическом аппарате АРЦ-01-«ОКО». Результаты коррекции иллюстрируются изображениями, представленными на рис. 3.1.
Быстродействие современных вычислительных средств позволяет корректировать подобным образом геометрические искажения как статических, так и динамических изображений в УРИ на РЭОПах. Особенно актуальна цифровая коррекция геометрических искажений в УРИ на РЭОПах с рабочими полями более 215 мм, так как в них геометрические искажения нередко выходят за допустимые пределы.
Необходимость коррекции сигнала по полю изображения вызвана целым рядом причин. В первую очередь к ним необходимо отнести неравномерную диаграмму пространственного распределения интенсивности тормозного излучения рентгеновской трубки и ее зависимость от анодного напряжения на трубке, а также угла скоса анода. С увеличением анодного напряжения и уменьшением угла скоса анода сильнее сказывается неравномерность тормозного излучения и, следовательно, тем больше проявляется неравномерность сигнала на входе приемника, что наиболее заметно при просвечивании однородного объекта. Разница в жесткости излучения по полю также сказывается на неравномерности сигнала изображения. Существенную неравномерность в сигнал вносит вторичное излучение от просвечиваемого объекта. Фактически за объектом, кроме изображения в проходящем пучке,
Компоненты приемников (РЭОПы, рентгеновские экраны, объективы, ПЗС-матрицы и др.) также искажают сигнал по полю изображения. Эти искажения имеют аддитивную и мультипликативную составляющие.
Аддитивная составляющая паразитного сигнала не зависит от величины полезного сигнала изображения и может быть определена при выключенном рентгеновском излучении. Это сигнал темного поля.
Мультипликативная составляющая паразитного сигнала, как правило, не содержит высокочастотных компонент. Поэтому наиболее эффективные методы компенсации мультипликативной составляющей паразитного сигнала состоят в фильтрации низкочастотных компонент спектра изображения. Оптимальная полоса и уровень подавления фильтруемых частот зависят от просвечиваемого органа и определяются экспериментальным путем по выборкам цифровых изображений. Пример коррекции неравномерности сигнала и фона приведен на рис. 3.2.
Для уменьшения зашумленности изображения на экране монитора, в цифровых приемниках используют шумоподавление. В основу принципа работы большинства шумоподавителей положены различные методы увеличения отношения сигнал/шум за счет накопления (суммирования) полезного сигнала на элементах изображения во времени или в пространстве. Существуют также шумоподавители, основанные на использовании модифицированного варианта преобразования Фурье или использовании других базисных функций при обработке сигнала изображения.
Эффективный метод подавления флуктуационных шумов использован нами в шумоподавителе для УРИ-612, который служит приемником
Цифровой флюорограф ФЦ-01-«Электрон»
До недавнего времени классическая флюорография (съемка с рентгеновского экрана на пленку с уменьшением изображения) широко использовалась во всем мире для периодических массовых профилактических исследований органов грудной клетки. Это позволяло с относительно малыми затратами обследовать большие массы населения с целью выявления скрыто протекающих заболеваний, в первую очередь туберкулеза. Повсеместное применение флюорографии было обусловлено экономичностью и высокой пропускной способностью метода. В 80-е годы прошлого столетия из-за низкой чувствительности метода (экспозиционная доза в плоскости экрана 4-5 мР против 0,25-1 мР для полноформатной рентгенограммы) и более низкого по сравнению с рентгенографией качества изображения наметилось сокращение профилактической флюорографии. Однако опыт последующих лет показал, что свертывание профилактической флюорографии было ошибочным в связи с уменьшением числа выявленных больных туберкулезом и другими легочными заболеваниями [51]. Поэтому с целью замены пленочных флюорографов ряд фирм разработал цифровые рентгеновские аппараты для исследования легких, основанные на различных принципах преобразования рентгеновских изображений [10, 11]. Главным преимуществом этих систем является снижение дозы по сравнению с пленочной флюорографией и увеличение информативности изображения. Кроме этих основных преимуществ цифровые аппараты для исследования легких имеют все преимущества, связанные с цифровой технологией, которые подробно рассмотрены в п. 1.2.
При рассмотрении перспектив цифровой флюорографии не следует забывать, что внедрение цифровых аппаратов для исследования легких связано со значительными исходными капиталовложениями и необходимостью подготовки персонала с компьютерной грамотностью. С первого взгляда достаточно высокая стоимость цифровых флюорографов делает невозможной массовую замену подобными аппаратами пленочных флюорографов в России.
Однако, исследования автора показали, что этот взгляд поверхностный.Продолжая оснащать медицинские учреждения пленочными флюорографами, мы фактически планируем на ближайшие 6-Ю лет отставание флюорографической службы этих учреждений от международных требований.
Обследуемые пациенты будут получать в 5-Ю раз большие дозы, что противоречит Закону о радиационной безопасности. Качество диагностики вследствие принципиальных возможностей метода не будет соответствовать международным нормам (нормам ВОЗ). Несовместимость пленочной флюорографии с современными цифровыми технологиями не позволит включить данное медицинское учреждение в информационную сеть противотуберкулезной службы. Поэтому при техническом переоснащении флюорографической службы России необходимо с самого начала ориентироваться на цифровые технологии. Учитывая проведенные исследования и эти выводы, компания НИПК «Электрон» при участии автора разработала цифровую камеру КФЦ-«Электрон» [52] и на ее базе цифровой флюорограф ФЦ-01 -«Электрон» [48, 50, 53].
Цифровой флюорограф ФЦ-01-«Электрон» включает в свой состав следующие основные компоненты: цифровую флюорографическую камеру КФЦ-«Электрон» с тремя автоматизированными рабочими местами, устройством получения твердой копии и сетевым оборудованием для передачи изображений на другие рабочие станции; среднечастотное питающее устройство мощностью 50 кВт; излучатель с двухфокусной трубкой и штатив (рис. 4.3).Цифровая флюорографическая камера КФЦ-«Электрон» -формирует видимое изображение на рентгеновском экране, передает его с помощью светосильного объектива на фотоприемник (ПЗС-матрицу) и преобразует видеосигнал с матрицы в цифровой сигнал. Камера включает также датчик сигнала автоматического контроля экспозиции.
Цифровой сигнал камеры поступает на АРМ лаборанта и записывается в оперативную память. АРМ лаборанта реализует следующие функции.
Здесь осуществляется предварительная обработка видеосигнала: компенсация фона и неравномерности сигнала по полю изображения, подавление шумов, подбор параметров яркости, контраста и др. С помощью АРМ лаборанта осуществляется задание режима питающего устройства, контроль качества полученного изображения и его пересылка в АРМ рентгенолога. С АРМ лаборанта возможен ввод данных о пациенте. Для ЛПУ, в котором проводится большой объем профилактических исследований, цифровой флюорограф ФЦ-01-«Электрон» поставляется с автоматизированным рабочим местом АРМ-3 для регистрации пациентов. АРМ-3 может быть установлено непосредственно в регистратуре.
Цифровой флюорограф ФЦ-01-«Электрон» имеет следующие основные технические параметры и характеристики: размер рабочего поля -390x390 мм; пространственная разрешающая способность - 2,5мм 1; контрастная чувствительность - 1%; динамический диапазон - 400. Производительность флюорографа - до 60 снимков в час. Экспозиционная доза на снимок составляет не более 1 мР.
С целью снижения цены аппаратов, базируясь на принципе достаточности качества изображения, целесообразно параметры и характеристики цифровых флюорографов оптимизировать на минимально необходимом уровне. В первую очередь это относится к пространственной разрешающей способности. Как указано выше, разрешающая способность флюорографа ФЦ-01-«Электрон» нормирована на уровне 2,5 мм"1.
Для скринингового метода разрешающая способность в 2,5 мм"1 часто считается избыточной и приводит к увеличению дозы на исследование [50]. Наши испытания, выполненные в клинических условиях, совместно с рентгенологами показывают, что пространственную разрешающую способность цифровых флюорографов необходимо оптимизировать на нормированном в ФЦ-01-«Электрон» уровне. Результаты этих исследований, выполненные автором совместно с А.И. Мазуровым, рассмотрены в работе [50], где показано, что разрешающая способность в 2,5 мм"1, нормированная для пленочной флюорографии, должна быть сохранена как оптимальная и для цифровых флюорографов.
Кроме того, в камере КФЦ-«Электрон» на ПЗС матрице с числом пикселов 2048x2048, которой оснащен цифровой флюорограф ФЦ-01 -«Электрон», имеется возможность изменения размера пиксела (биннинг) так,
Похожие диссертации на Разработка цифровых рентгеновских аппаратов с приемниками на основе ПЗС-матриц и оптимизация их параметров
