Реферат: Средства визуализации изображений в компьютерной томографии и цифровых рентгенографических системах

     Известно, что качество визуализации анатомических образований головного мозга и очагов поражения зависит в основном от двух  факторов: размера матрицы,  на которой строится томограмма, и перепада показателей поглощения.  Величина матрицы может оказывать существенное влияние на точность диагностики.  Так, количество ошибочных диагнозов при анализе томограмм на матрице 80х80 клеток составляло 27%, а при работе на матрице 160х160 - уменьшилось до 11%.

     Компьютерный томограф обладает двумя видами  разрешающей  способности:  пространственной и по перепаду плотности. первый тип определяется размером клетки матрицы (обычно - 1,5х1,5  мм),  второй  равен  5 ед.Н.  (0,5%).  В  соответствии  с этими характеристиками теоретически можно различать элементы изображения размером 1,5х1,5 мм при  перепаде плотности между ними не меньше 5 ед.Н. (1%) удается выявлять очаги величиной не менее 6х6 мм, а при разнице в 30 ед.Н. (3%) - детали размером 3х3 мм.  Обычная рентгенография позволяет уловить минимальную разницу по плотности между соседними участками в 10-20%. Однако при очень значительном перепаде плотностей рядом расположенных структур возникают специфические для данного метода условия, снижающие его разрешающую способность, так  как при построении изображения в этих случаях происходит математическое усреднение и при этом  очаги  небольших  размеров могут быть не обнаружены.  Чаще это происходит при небольших зонах пониженной плотности,  расположенных вблизи массивных  костных  структур (пирамиды височных  костей)  или костей свода черепа.  Важным условием для обеспечения проведения компьютерной томографии является  неподвижное положение пациента,  ибо движение во время исследования приводят к возникновению артефактов - наводок: полос темного цвета от образований с низким коэффициентом поглощения (воздух) и белых полос от структур с высоким КП (кость, металлические хирургические клипсы), что также снижает диагностические возможности. [№ 3, стр. 16-19]

2.3. Усиление контрастности.

      Для получения более четкого изображения патологически  измененных участков в головном мозге применяют эффект усиления контрастности, которых достигается внутривенным введением рентгеноконтрастного вещества. Увеличение плотности изображения на компьютерной томограмме после внутривенного введения контрастного  вещества  объясняется  внутри-  и внесосудистыми  компонентами.  Внутрисосудистое  усиление  находится в прямой зависимости от содержания йода в циркулирующей крови.  При этом увеличение концентрации на 100 мг йода в 100 мл обусловливает величины абсорбции на 26 ед.Н.  (ед.Н.  - единицы Хаунсфильда или числа  компьютерной томографии). При компьютерно-томографических измерениях венозных проб после введения 60%  контрастного вещества в дозе 1 мл  на  кг массы тела,  плотность  потока  повышается  в среднем в течение 10 мин после инъекции,  составляет 39,2 плюс-минус 9,8 ед.Н. Содержание контрастного вещества  в  протекающей  крови изменяется в результате того, что относительно быстро начинается выделение его почками.  Уже в течение первых 5 мин после болюсной инъекции концентрация вещества в крови в среднем снижается на 20%, в последующие 5 мин - на 13% и еще через 5 мин - на 5%.

     Нормальное увеличение плотности мозга на компьютерной  томограмме после введения  контрастного  вещества связано с внутрисосудистой кон-центрацией йода.  Можно получить изображение сосудов диаметром до  1,5 мм, если  уровень йода в крови составляет примерно 4 мг/мл и при условии, что сосуд расположен перпендикулярно к плоскости среза.  Наблюдения привели к выводу,  что контрастное вещество накапливается в опухолях. [№ 4, стр. 17-19]

3. ЦИФРОВЫЕ РЕНТГЕНОГРАФИЧЕСКИЕ СИСТЕМЫ

     Преобразование традиционной рентгенограммы в  цифровой  массив  с последующей возможностью обработки рентгенограмм методами вычислительной техники стало распространенным процессом. Такие аналоговые системы зачастую имеют  очень  жесткие  ограничения на экспозицию из-за малого динамического диапазона рентгеновской пленки.  В отличие от аналоговых прямые цифровые  рентгенографические  системы позволяют получать диагностические изображения без промежуточных носителей, при любом необходимом уровне дозы, причем это изображение можно обрабатывать и отображать самыми различными способами. [№ 6]

     На рис.2 приведена схема  типичной  цифровой  рентгенографической системы. Рентгеновская  трубка  и  приемник  изображения  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 можно применять и в других системах получения изображения, например на основе ядерного магнитного резонанса или компьютерной томографии. Цифровое изображение можно записать на магнитном носителе,  оптическом диске или же на специальном записывающем устройстве,  способном  постоянно вести регистрацию изображения на пленку в аналоговой форме.

Рис.2 Составные элементы цифровой системы получения рентгеновских

           изображений

     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 сканирования либо рентгеновским пучком, либо  приемным устройством (сканирующая проекционная рентгенография). В цифровой рентгенографии применяют усилитель изображения, ионографическую камеру и устройство с вынужденной люминисценцией. Эти приемники могут непосредственно формировать цифровые изображения без промежуточной регистрации  и хранения.  Усилители изображения не обладают наилучшим пространственным разрешением или  контрастом,  однако  имеют высокое быстродействие. Аналого-цифровое преобразование флюорограммы с числом точек в изображении 512х512 может занимать время менее 0,03  с. Даже при  числе  точек  2048х2048  в  изображении время преобразования изображения в цифровую форму составляет всего несколько секунд.  Время считывания изображения  с пластины с вынужденной люминисценции или ионографической камеры значительно больше,  хотя последнее выгодно отли-чается лучшим разрешением и динамическим диапазоном.

     Записанное на фотопленке изображение можно преобразовать в цифровую форму с помощью сканирующего микроденситометра,  но любая информация, зафиксированная на фотопленке со  слишком  малой  или,  наоборот, слишком высокой  оптической  плотностью,  будет искажена из-за влияния характеристик пленки.  В цифровую форму можно преобразовать  и  ксеро-рентгенограмму также с помощью сканирующего денситометра,  работающего в отраженном свете,  или путем непосредственного считывания зарядового изображения с селеновой пластины. [№ 5, стр. 99-100]

     В России  прямая  цифровая  рентгенографическая система Института ядерной физики (ИЯФ) СО РАН применяется в нескольких клинических больницах. В этой системе рентгеновская пленка как регистратор рентгеновского излучения заменена многопроволочной пропорциональной камерой. Такая камера  вместе  с электронными схемами усиления и формирования импульсов представляет собой линейку на 256 практически независимых  каналов, имеющих чувствительную поверхность 1х1 мм. (В последних моделях 350 каналов и 0,5х0,5 мм.) Использование в счетчиках в качестве  рабочего газа  ксенона  при давлении 3 кгс/см2 обеспечивает высокую эффективность регистрации излучения.  Эта система  может  быть  отнесена  к классу ионографических приборов для цифровой рентгенографии,  передающих изображение на внешние устройства отображения.

     В других цифровых рентгенографических системах используют твердотельные приемники с высоким  коэффициентом  поглощения  рентгеновского излучения.

     В обоих разновидностях упомянутых рентгенографических систем применяется метод сканирования с построчной регистрацией изображения, которое воспроизводится в целое на дисплее компьютера (сканирующая  проекционная рентгенография).

     Ко второму классу цифровых рентгенографических систем следует отнести люминофоры с памятью и вынужденной люминесценцией, которая затем регистрируется. Это приемник с непосредственным формированием  изображения. [№ 6]

     Системы получения изображения со сканированием рентгеновским пучком и приемником имеют важное преимущество, состоящее в том, что в них хорошо подавляется рассеяние. В этих системах один коллиматор располагается  перед  пациентом с целью ограничения первичного рентгеновского пучка до размеров, необходимых для работы приемника, а другой - за пациентом,  чтобы уменьшить рассеяние. На рис.3 изображена линейная сканирующая система для получения цифрового изображения  грудной  клетки. Приемником в системе является полоска из оксисульфида гадолиния,  считывание информации с которой ведется линейной матрицей из 1024 фотодиодов. Проекционные рентгенограммы синтезируются также сканерами компьютерной томографии и выполняют вспомогательную роль при выделении  соответствующего сечения.

     Главным недостатком сканирующих систем является то,  что  большая часть полезной  выходной  мощности рентгеновской трубки теряется и что необходимы большие времена экспозиции (до 10 с).

     Рис.3 Система линейного сканирования для цифровой  рентгенографии

              грудной клетки.

     Матрицы изображения из 512х512 элементов может быть вполне достаточно для целей цифровой флюороскопии (флюорографии),  тогда как система рентгеноскопии грудной  клетки  может  потребовать  матрицы  с  числом  элементов 1024х1024 при размерах  элемента изображения 0,4 мм.

     Число градаций  в изображении зависит от медицинского назначения. Аналого-цифрового преобразования на 8  бит,  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 (точность 0,1%).

     Если требуется  быстрый  доступ к информации,  полученной за длительный период времени,  целесообразно применять оптические диски. Емкость памяти 12-дюймового оптического диска равна примерно 2 гигабайт, что соответствует 1900 изображениям размером 1024х1024 по 8 бит каждое (без сжатия данных). Для считывания с оптического диска может быть использовано автоматическое  устройство  съема,  позволяющее  обеспечить быстрый доступ к любому изображению. Возможность работы со всеми изображениями в цифровой форме весьма привлекательна, а системы, выполняющие это, называются системами хранения и передачи изображения (СПХИ или СХПИ). [№ 5, стр. 100-102]

      Рис.5  Принципиальная схема взаимодействия элементов системы получения,                                     обработки, хранения и передачи рентгеновских диагностических изображений.

     На рис.5 изображена принципиальная схема взаимодействия элементов системы получения,  обработки,  хранения и передачи  рентгеновских диагностических изображений.

     Система представлена тремя каналами: 1) традиционная рентгенография;      2) цифровая рентгенографическая установка; 3) рентгеноскопия (видеосигнал с УРИ).

     Первый канал.  Рентгенограммы, полученные с помощью традиционного процесса, поступают на обработку в полутоновый графический  сканер,  с помощью которого рентгенодиагностическое изображение вводится в память компьютера. После этого такая преобразованная рентгенограмма может обрабатываться средствами компьютерной техники, но в рамках узкого динамического диапазона рентгеновской пленки.  Это изображение может  быть введено в  электронный  архив и извлекаться оттуда по требованию.  Эта оцифрованная рентгенограмма уже ничем не отличается от прямых цифровых рентгенограмм по доступности средствам обработки.

     Третий канал. Рентгеновские изображения из рентгенотелевизионного канала УРИ могут захватываться специализированным адаптером видеоввода как в режиме реального времени,  так и  с  видеомагнитофонного  кадра. Последнее предпочтительно, так как позволяет при просмотре видеомагнитофонных изображений выбрать нужный кадр для занесения  его  в  архив. Объектом ввода в электронный архив могут быть любые изображения, получаемые при рентгеноскопии с помощью УРИ.

     Первый и  третий каналы дают возможность преобразовать традиционные рентгеновские изображения (рентгенограммы и кадры видеотелевизионного тракта) в цифровое изображение. Этот прием имеет особое значение, потому что он представляет возможность достоверно  сравнить  изображения, полученные различными способами. Следующим преимуществом преобразования являются возможность помещения его в электронный архив  и  выполнение всех операций с цифровым изображением.  Следует особенно подчеркнуть возможность передачи изображения по компьютерным сетям, потому что  в  последние  годы  «взгляды  медиков фокусируются на передаче изображений» как основном средстве обеспечения доступа  к  материалам, что имеет колоссальное значение как для диагностики, так и для процессов обучения.

     Второй канал.  Это  собственно канал цифровой рентгенографической установки. Он состоит из двух подсистем:  автоматизированного рабочего места (АРМ)  лаборанта  и АРМ врача-рентгенолога (ВР),  объединенных в локальную сеть. В АРМ рентгенолаборанта происходит внесение сведений о больном, необходимых организационных и клинических данных и управление процессом регистрации изображения (синхронное включение сканера и  высокого напряжения  и др.).  После получения рентгеновского изображения оно и сведения о пациенте по локальной сети поступают в  АРМ  ВР.  При этом процесс  рентгенографии и передачи изображений от АРМ лаборанта в АРМ врача происходит без промедлений и в реальном времени, не прерывая работы врача ни на одной ступени,  т.е. происходит непрерывная и независимая работа на обоих рабочих местах.  На АРМ ВР  выполняются  программная обработка  изображений для извлечения диагностической информации, поиск предшествующих изображений пациентов и  сравнение  с  вновь полученными, регистрация  новых пациентов и изображений в базе данных, приведение их к формату,  оптимальному для архивирования, и другие манипуляции, доступные электронным технологиям персонального компьютера. Программное обеспечение позволяет врачу-рентгенологу при необходимости создать твердые  копии  изображений на лазерном принтере ( этот способ получения твердых копий несколько уступает в точности  передачи  диагностических изображений теплопечати или поляроидному фотопроцессу,  но значительно дешевле всех других способов воспроизведения изображения); при наличии  сетевой связи позволяет передать их клинические подразделения, связаться с консультационными центрами или центральным  архивом по электронной связи.  Блок базы данных, являющийся сердцевиной системы, формализует все этапы работы с пациентом от внесения данных  лаборантом до размещения в архивное хранение, позволяет врачу-рентгенологу создавать все виды стандартной отчетности,  а также анализировать проведенную работу по целевым выборкам. Конечным этапом работы с цифровым изображением всех трех видов является его архивирование  на  магнитный или оптический носитель. [№ 6]

3.1. Состав технических средств АРМ ВР.

     Выбор технических  средств  для  АРМ ВР (автоматизированное рабочее место врача-рентгенолога) во многом зависит от типа решаемых задач.  Обычно в качестве технической базы для АРМ  обработки изображений используют  графические станции или персональные компьютеры. Графические станции,  созданные прежде всего для решений задач машинной графики,  оборудованы  специальными  графическими процессорами, ускоряющими процедуры  построения  графических  примитивов   (особенно трехмерных). Для  задач  обработки и анализа изображений более существенна скорость обработки видеоданных.  Поэтому в качестве  технической базы АРМ  ВР  использована широко распространенная и дешевая ПЭВМ типа IBM PC/AT.

     Рис.4 Блок-схема технических средств АРМ ВР.

              1-негатоскоп; 2-телевизионная камера;  3-ПЭВМ; 4-фрейм-граббер; 5-телемонитор.

     Практическая работа показала, что производительность персонального компьютера во многих случаях достаточна,  чтобы решать задачи обработки видеоданных в реальном времени врача. Кроме того ПЭВМ имеют мощные технические  и программные средства для организации «оконного» человеко-машинного диалога.

     При использовании изображений, записанных в аналоговом виде, например рентгенограмм, необходимо устройство для ввода и визуализации их в ЭВМ.  В качестве такого устройства удобно использовать фрейм-граббер конструктивно оформленный в виде платы,  расположенной в корпусе ПЭВМ. Также необходимо  иметь  телекамеру  с  объективом,  световой стол для подсветки рентгенограмм (негатоскоп) и  телемонитор  для  визуализации изображений (рис.4). Устройство цифрового  ввода  и  визуализации  изображений  должно обеспечивать высокое  качество  представления медицинских изображений, чтобы при их использовании не терялась важная диагностическая информация.

[№ 7]

          3.2. Области применения и преимущества цифровых систем.

     К преимуществам  цифровых  рентгенографических  систем  относятся следующие четыре фактора: цифровое отображение изображения; пониженная доза облучения;  цифровая  обработка изображений;  цифровое хранение и улучшение качества изображений.

     Рассмотрим первое преимущество, связанное с отображением цифровой информации. Разложение изображения по уровням яркости на экране становится в полной мере доступным для пользователя. Весь диапазон оптических яркостей может быть использован для отображения лишь одного участка изображения,  что приводит к повышению контраста в интересующей области. В распоряжении оператора имеются алгоритмы для аналоговой обработки изображения с целью оптимального использования возможностей систем отображения. [№ 5, стр. 103]

     Это свойство  цифровой рентгенографии также дает возможность снизить лучевую нагрузку на пациента путем уменьшения количества  рентгенограмм для получения диагностической информации (той же полезности).

     Цифровое отображение при  его  компьютерной  обработке  позволяет извлечь количественную  и  качественную информацию и таким образом перейти от интуитивно-эмпирического способа изображения к объективно измеренному.

     Существенным преимуществам цифровой рентгенографии  перед  экранно-пленочным процессом  являются простота и скорость получения изображения. Изображение становится доступным анализу врачом-рентгенологом в момент окончания экспозиции. [№ 6]

     Второе преимущество цифровой рентгенологии - возможность снижения дозы облучения. Если в обычной рентгенологии доза облучения зависит от чувствительности приемника изображения и динамического диапазона пленки,  то  в  цифровой рентгенологии оба этих показателя могут оказаться несущественными.  Снижения дозы можно достичь  установкой  экспозиции, при которой поддерживается требуемый уровень шума в изображении. Дальнейшее уменьшение дозы возможно путем подбора такой длины волны  рентгеновского  излучения,  которая  обеспечивала  бы минимальную дозу при данном отношении сигнал/шум,  а также путем  ликвидации  любых  потерь контраста  с помощью описанных выше методов отображения цифровых изображений.

     Третье преимущество цифровой рентгенологии - это возможность цифровой обработки изображений. Рентгенолог должен выявить аномальные образования на осложненной фоном нормальной структуре биоткани. Он может не заметить  мелких деталей в изображении,  которые система разрешает, или пропустить слабоконтрастную структуру, видимую на фоне шумов изображения, из-за сложного строения окружающих (или сверхлежащих) тканей. Субстракционный метод в  рентгенографии  позволяет  устранить  большую часть паразитной  фоновой  структуры и тем самым увеличить вероятность выявления важных деталей на  рентгенограмме.  Компьютерную  томографию можно рассматривать  как частный случай метода субстракционной рентгенографии, в котором из обычных  проекционных  изображений  устраняется информация о вышележащих структурах. [№ 5, стр.103-104]

     Особенная ценность применения цифровой рентгенографии заключается в возможности полного отказа от рентгеновской пленки  и  связанного  с ней фотохимического процесса. Это делает рентгенологическое исследование экологически чище, а хранение информации в цифровом виде позволяет создать легкодоступные рентгеновские архивы. Новые количественные формы обработки информации открывают широкие  возможности  стандартизации получения изображений, приведения их к стандарту качества в момент получения и при отсроченных повторных исследованиях.  Немаловажна открывающаяся возможность  передачи изображения на любые расстояния при помощи средств компьютерных коммуникаций.

     Приведенные соображения  с достаточной наглядностью демонстрируют прогрессивность внедрения в практику цифровой рентгенографии,  которая сможет  перевести диагностическую рентгенологию на новый более высокий технологический уровень.  Отказ от дорогостоящих расходных  материалов обнаруживает и ее высокую экономическую эффективность, что в сочетании с возможностью уменьшения лучевых нагрузок на пациентов делает ее применение в практике особенно привлекательным. [№ 6]

3.3. Цифровая рентгенография с экрана электронно-оптического преобразователя (ЭОП).

     Система рентгенографии с экрана ЭОП (рис. 5) состоит, как и обычная система электронно-оптического  преобразования  для  просвечивания,  из ЭОП, телевизионного тракта с высоким разрешением, рентгеновского высоковольтного генератора и рентгеновского излучателя. Сюда же входит штатив для исследования, цифровой преобразователь изображения и другие компоненты.

     При обычной  методике рентгенографии с экрана ЭОП с помощью 100 мм фотокамеры или кинокамеры переснимается оптическое изображение на выходном экране преобразователя.

     В цифровой же системе сигнал, поступающий с видеокамеры, аналого-цифровым преобразователем  трансформируется в набор цифровых данных и передается в накопительное устройство. Затем эти данные, в соответствии с  выбранными  исследователем  параметрами,  компьютерное устройство переводит в видимое изображение.

      Рис.5 Цифровая рентгенография с экрана ЭОП

                1-генератор; 2-рентгеновская трубка; 3-пациент; 4-ЭОП; 5-видеокамера;

                6-аналого-цифровой преобразователь; 7-накопитель изображений;

                8-видеопроцессор; 9-сеть; 10-цифро-аналоговый преобразователь;

                11-монитор; 12-снимок; 13-рентгенолог.

            3.4. Цифровая люминесцентная рентгенография (ЦЛР).

     Применяемые в ЦЛР (рис.6) пластины-приемники изображения после их  экспонирования рентгеновским излучением последовательно,  точка за точкой, сканируются специальным лазерным устройством,  а возникающий  в процессе лазерного  сканирования  световой  пучок трансформируется в цифровой сигнал.  После цифрового усиления контуров и  контрастности элементов изображения  оно  лазерным  принтером печатается на пленке или воспроизводится на телевизионном мониторе рабочей консоли. Люминесцентные пластины-накопители   выпускаются  в  стандартных  формах рентгеновской пленки,  помещаются вместо обычных  комплектов  «пленка-усиливающий экран»  в кассету и применяются в обычных рентгеновских аппаратах.

     Такая пластина  обладает значительно большей экспозиционной широтой, чем общепринятые комбинации пленка-экран, благодаря чему значительно расширяется  интервал  между  недо-  и переэкспонированием. Этим способом можно получать достаточно контрастные изображения даже при резко сниженной экспозиционной дозе, нижним пределом которой является лишь уровень квантового шума. Поэтому даже при рентгенографии в палате  у  постели больного методика ЦЛР гарантирует получения качественного снимка.

Страницы: 1, 2, 3, 4