Формирование рентгеновского изображения лекция №

Формирование рентгеновского изображения лекция № 4

Преобразование рентгеновского изображения при рентгенологическом исследовании. а - схема преобразования; б - регулируемые характеристики элементов схемы преобразования изображения. 1 - рентгеновское питающее устройство; 2 - излучатель; 3 - диафрагма; 4 - объект исследования; 5 - кассета с пленкой (или цифровой детектор изображения); 6 - усилитель рентгеновского изображения УРИ; 7 - телевизионный передающий блок; 8 - телевизор; 9 - автоматизированное рабочее место рентгенолога.

Параметры аналоговых рентгеновских изображений

Зависимость чувствительности глаза человека к восприятию мелких деталей от яркости наблюдаемого изображения. 1 - контраст 100%; 2 - контраст 68%; 3 - контраст 26%; 4 - контраст 5%.

Аналогично определяют оптическую плотность почернения S , представляющую собой десятичный логарифм отношения плотности потока света, падающего на пленку F o , к плотности потока, прошедшего через неё (или отраженного от неё) F: Оптическая плотность почернения - величина безразмерная.

Штриховая мира для определения разрешающей способности системы преобразования рентгеновского изображения. а - расположение штрихов, б - уменьшение плотности почернения с увеличением числа штрихов на 1 мм (масштаб увеличен). 1 - поперечное сечение миры, 2 - распределение плотности почернения под штрихами.

Нерезкость - величина, обратно пропорциональная разрешающей способности (чем больше разрешающая способность, тем меньше нерезкость , и наоборот). Причины нерезкости – это размеры фокуса рентгеновской трубки, рассеяние света в слоях экрана и пленки (или электронов в рентгеновском электронно- оптическом усилителе), движения объекта, рентгеновского штатива, приемника изображения, а также форма и рентгенопрозрачность исследуемого объекта. Составляющие нерезкости: геометрическая (Hr), экранная ( Н э ), морфологическая (Н м ) и динамическая (Нд). Геометрическая составляющая зависит от размеров фокуса трубки и от взаимных расстояний фокуса, объекта и приемника излучения.

На рисунке показано образование геометрической составляющей нерезкости. Легко увидеть, что где b - размер фокуса в направлении определении нерезкости ; с - расстояние объект-приемник; а - расстояние фокус-объект. Образование геометрической нерезкости (схема эксперимента и граничная кривая Нr, вызванная конечными размерами фокуса). 1 -фокус рентгеновской трубки; 2 - острый край объекта исследования; 3 - изображение острого края на рентгенограмме.

Экранная составляющая нерезкости вызывается рассеянием света в слоях усиливающих экранов и пленки. При использовании УРИ её аналогом будет нерезкость , вносимая самим усилителем и телевизионным трактом. Морфологическая составляющая нерезкости определяется свойствами объекта исследования и окружающей его среды. Суммарная нерезкость с удовлетворительной для практических расчетов точностью может быть найдена как корень квадратный из суммы квадратов ее составляющих: Если составляющие нерезкости значительно отличаются друг от друга, то суммарная нерезкость приближается к составляющей с максимальным значением. Нерезкость является одной из самых наглядных характеристик рентгеновского изображения. Ее достаточно легко измерить по размеру полутени от острого непрозрачного края.

Градационная характеристика определяет собой способность системы преобразования воспроизводить полутоновые изображения. По градационной характеристике оценивают контраст изображения как отношение разности яркостей или освещенностей самой светлой и самой темной точек изображения к их сумме. Аналогично определяют и рентгеновский контраст: где Jмакс, Jмин - соответственно интенсивность излучения. Для телевизионного изображения вместо интенсивности вводят значения яркости самой светлой и самой темной точек изображения. Существуют и некоторый другие определения контраста. Контраст выражают в процентах.

Для оценки минимально различимой глазом величины оптического контраста вводят понятие контрастной чувствительности: где Вмин - минимальное значение разности яркостей, различимой глазом. Отношение этого минимального значения разности яркостей двух смежных участков к яркости одного из них называется порогом контраста: Иными словами, порог контраста глаза - это минимальная величина яркостного контраста, которую глаз ещё способен различить.

Контрастная чувствительность и порог контраста изображения легких Метод Впор , % Рентгенография 4 -5 25 -20 Просвечивание с экрана 15 -20 6 -5 Просвечивание с. УРИ и ТВ 8 -10 12 -10 Фотосъемка с УРИ 6 -7 16 -15

Изменение чувствительности глаза к восприятию контраста в зависимости от яркости наблюдаемого изображения. 1 - контраст; 2 - число различимых глазом ступеней яркости.

Зависимость контраста от анодного напряжения рентгеновской трубки. а - для легочной ткани при толщине 1 -1, 4; 2 -2, 5; 3 -3, 2; 4 -4 мм; б - для костной ткани при толщине 1 -0, 7 мм, 2 -1 мм; пунктиром обозначен порог контрастной чувствительности глаза.

Важнейшей частью усилителя рентгеновского изображения является рентгеновский электронно- оптический преобразователь РЭОП. Существенное значение имеет ещё один параметр, характеризующий градационные свойства РЭОП или цифровой матрицы, - коэффициент сохранения контраста: где Вс – яркость экрана при его засветке однородным излучением; В ф - яркость необлучаемого участка экрана. Другими словами, коэффициент сохранения контраста показывает, насколько изменится 100% рентгеновский контраст при его преобразовании.

Частотно-контрастная характеристика Kp=f(v) УРИ с телевизионным трактом (диаметр входного экрана 230 мм).

Определение частотно-контрастной характеристики усилителя рентгеновского изображения по ЧКХ составляющих звеньев 1 - оптическая система; 2 - рентгеновский электронно-оптический преобразователь; 3 - передающая телевизионная трубка типа «видикон» ; 4 - ЧКХ всей системы

Определение временной ЧКХ УРИ по временным ЧКХ составляющих его звеньев. 1 - оптическая система и рентгеновский электронно-оптический преобразователь; 2 - трубка типа «видикон» ; 3 - результатирующая ЧКХ.

Нормированные ЧКХ систем визуализации рентгеновских изображений и спектр пространственных частот внутренних органов: 1 - РТС экран-передающая трубка; 2 -РТС экран-ЭОП- передающая трубка; 3 - усиливающие экраны; 4 - экран - оптика-ПЗС матрица; 5 -складки желудка; 6 -тонкая кишка; 7 -кость ноги; 8 -желчные пути.

Коэффициент преобразования является важнейшей энергетической характеристикой изображения. Он представляет собой отношение сигнала на выходе преобразующей системы к сигналу на входе Ввых - яркость на выходе (кд/м 2), Рвх - мощность дозы на входе (мк. Р/с). В современных цифровых преобразователях для характеристики преобразования вход-выход часто употребляется термин: квантовая эффективность, выражаемый в процентах. Квантовая эффективность К э - это отношение числа квантов К з , зарегистрированных преобразующей системой, к общему числу квантов, попавших на вход системы к:

Между размером пиксел и пространственным тест-объектом можно установить следующую зависимость: где р - разрешаемая пара линий (мм-1), h - размер пиксела (мм), приведенный к входному экрану системы, α - угол расположения теста относительно стороны пиксела , Ср - коэффициент, учитывающий потери в системе (Ср < 1, 0) Для максимального разрешения ( = 45 ) выражение имеет вид а для минимального разрешения

Проверку дисторсии g производят с помощью испытательной тест-таблицы , представляющей собой рентгеноконтрастную сетку из квадратов и рассчитывают по соотношению где Дmax, Нmin 2 - значения наибольшей и наименьшей диагонали квадрата тест-таблицы.

Контрастная чувствительность В пленочной рентгенографии в реальных условиях проведения медицинского исследования принимается равной 2 %. Под контрастной чувствительностью понимается определяемая зрительным анализатором, выраженная в %, минимизированная разница в значениях визуализи- рованного изображения тест-объекта круглой формы, размеры которого достаточны, чтобы исключить возможное влияние на контраст пространственной частоты (диаметром не менее 15 мм).

Коэффициент сохранения контраста Кк – это отношение контраста тест-объекта 100% контраста на выходе к его контрасту на входе. Если априорно известно, что коэффициент сохранения контраста системы не превышает 0, 95, математически можно учесть это снижение. При подобных манипуляциях нужно понимать, что они возможны только при постоянном коррелируемом шуме, но ни в коей мере не способствуют снижению статистических некоррелируемых флуктуаций.

В России многие годы сохраняется предложенная А. Клеммом методика определения динамического диапазона Дд по тест-объекту, где предусматривается 5 % перепады контраста, которые и приняты за контрастную чувствительность при определении динамического диапазона. В общем виде: где Вмакс и Вмин удовлетворяют условию: где Вр - линейный участок сигнала, эт - эталонный уровень контрастной чувствительности, по А. Клемму И определение, и методика, приведенные выше, плохо применимы к условиям цифровой рентгенографии.

Тест-объекты контрастной чувствительности и пространственного разрешения а) тест пространственного разрешения МР-1 б) тест контрастной чувствительности ТКЧ-01

Значения В и Дд для отечественных цифровых рентгенодиагностических аппаратов Тип аппарата Производитель ΔВ, % Дд ФМЦ-Хе-125 НПЦМР, “Амико” 0, 5 140 МЦРУ Сибирь” ИЯФ СО РАН 0, 5 140 ФМПЦ-Si-125 НПЦМР, “Амико” 1, 0 125 АПЦФ-01 “Амико” 1, 5 105 ЦФ-1 Спектр-АП 1, 5 40 Ренекс-Флюоро Гелпик 1, 5 110

Отношение сигнал/шум вых. Этот градационный параметр косвенно связан с динамическим диапазоном и характеризует возможное превышение уровня полезного сигнала по отношению к суммарному шуму системы. Под термином “сигнал”, следуя Роузу понимается при этом разность между средними числами фотонов в рабочей зоне изображения и в зоне фона, а под термином “шум” среднеквадратичное отклонение этой разности за один и тот же интервал: Допустимая погрешность измерения согласно ГОСТ 26141 -84 сиг не более 15% от измеряемого значения.

Отличие параметров от Дд состоит, помимо методов их измерения, еще и в том, что отношение сигнал/шум характеризует сигнал в любой точке выходной характеристики преобразователя. При максимально возможном уровне сигнала значение приближается к значению динамического диапазона, отличаясь от него коэффициентом К дф , характеризующим минимальное превышение сигнала над шумом, обеспечивающее заданную контрастную чувствительность. Для двухпроцентной передачи контраста К дф может лежать в диапазоне 1, 5 - 4, 0. При таком подходе справедливо:

Источником шума в медицинских рентгенопреобразующих системах, помимо аппаратных шумов детекторов и последующей электроники, важную роль играет квантовый шум излучения, поскольку задача минимизации дозы облучения является доминирующей. Как известно, шум обратно пропорционален корню квадратному от числа квантов. Соответственно, входной шум пиксела вх ш. : Nвх - число входных квантов на пиксел за время экспозиции. Общий шум системы есть корень квадратный из суммы квадратов отдельных составляющих шума. где 1 ш, 2 ш, пш - шумы элементов системы преобразования.

Если необходимо с достаточно высокой вероятностью обнаружить требуемое количество квантов в заданном динамическом диапазоне (при суммарном шуме системы сш ), необходимое количество квантов составит: где аш - аппаратный шум (для ПЗС-матрицы шум считывания в электронах).

Рекомендуемые значения экспозиции для цифровых рентгенографических систем для Нд<0, 2 с в секундах Исследуемый Рентгенография Сканирующая Кимография орган рентгенография Сердце 0, 005 2 -5 10 - 15 Легкие 0, 05 - 0, 01 5 - 10 20 - 30 ЖКТ 0, 2 - 0, 3 5 - 10 Почки 0, 3 - 0, 5 5 - 10 Скелет 0, 5 - 1, 0 10 - 20 Контрастные 0, 001 - 0, 005 исследования кровеносной системы

Параметры цифровых рентгеновских изображений