08.09.06 | 09.06.06 | Цифровая рентгенология. Методы получение изображение и преимущества перед традиционными технологиями.

Аннотация к статье

О.Б. Согоконь, И.Л. Волочай,
Ю.Т. Киношенко, С.В. Бабанин,
В.В. Колишкин.

В наше время основной принцип рентгенографии и флюроскопии заключается в формировании информационного содержания объекта на плёнке или флуоресцирующем экране точками, оптическая плотность которых отображает степень поглощение объектом икс-облучения.

Низкая квантовая эффективность плёнки причиняет применение больших экспозиционных доз, что приводит к лишнему радиационному облучению пациента. В свою очередь, ограниченный динамический диапазон плёнки препятствует одновременном передавании на одном снимке как мягких, так и плотных тканей, а также усложняет выбор оптимальной экспозиции.

Расходы на фотохимический процесс и фотопроявляемую технику продолжают рости и становятся решающими для многих клиник, что предопределяет заинтересованность в переходе на более дешевые способы регистрации рентгеновского изображения.

Еще одним негативным фактором экранно-плёнковой рентгенографии это трудности содержания плёночного архива. Соответственно до мировой статистике, при сохранении в архивах до 20% рентгенограмм теряются или их трудно получить вовремя. Кроме того врачи-рентгенологи привязаны к процессу проявления плёнки, что, к тому же, требует некоторых затрат времени. Изображение не передаётся на расстояние. Брак, который не минуемо сопровождает выведение рентгенограмм, приводит к повторным обследованиям, а значит, увеличение лучевого нагрузки и трудовых затрат.

Другим способом формирования рентгеновского обследования это аналоговые электронно-оптические усиление изображения. При этом изображение. Которое сначала получают на флюоресциючому экране, проходит сквозь усилитель, где его яркость увеличивается в тысячи раз, и только после этого фиксируется приемочной телевизионной камерой с последующим выведением на экран монитора и видеомагнитофон. Безсомнительным преимуществом такой технологии это увеличение квантовой эффективности. И как следствие, уменьшение дозы облучения. Однако пространственно различительная способность данного изображения заметно уступает при рентгенографии.

Последнее время среди лучевых диагностиков активно обсуждается вопрос цифровой, или "дигітальної" регистрации, обработки и сохранению медицинских изображений.

Термин " Цифровая рентгенография" применяется ко всем методам проекции рентгенографии, при которых изображение формируется, а потом обрабатывается электронно-обчеслительной машиной. Основным заданием подобного рода приспособлений это преобразование икс - лучевого рельефа на детекторе в набор цифровых данных.

Принцип формирования цифрового изображения на всех приборах одинаковый. Если на каждой единицы площади аналогового изображения рассчитать среднюю оптическую плотность и поставить ей соответствующие числовые значения, то получим изображение в виде цифровой матрицы. Единицу площади цифрового изображения называют пикселем (неологизм от picture - рисунок и cell - ячейка). Каждый пиксель имеет на матрице свой пространственные координаты (ряд и столбик). В памяти компьютера в двоичной системе численная (в битах) содержится информация про оптическую плотность и координаты каждого пикселя.

Пространственно различительная способность обычной рентгенографии обусловливается свойствами плёнки, флюоресциюючих экранов геометрической нерезкостью. В цифровом изображении она зависит от размеров пикселя, что предопределяет размер детекторов и матрицы изображения. Последнее чаще формируется на квадратной матрице и имеет число пикселей, пропорционально двум. Соответственно матрица может состоять из 512*512, 1024*1024 (1К), 2048*2048 (2К) или 4096*4096 (4К) пикселей. Изображение в матрице 1024*1024 требует вчетверо большего объема памяти для изображения, чем в матрице 512*512, а изображение 4096*4096 - большего в 64 раза. Соответственно и возрастает стоимость объема памяти в расчете на одно изображение, а также увеличивает время на очисление изображения, запись данных на носитель и передача. Таким образом, при очислении рентгеновского изображения действует правило: Изображение должно быть детальным насколько это необходимо, и грубим - насколько это допустимо.

Для отображения малаконтрастных объектов основным фактором есть контрастно различительная способность, что определяется количеством бит на пиксель. Для воспроизведения, например, 256 оттенков необходимо 8 бит на один пиксел. В разных случаях объём этой информации может составлять от 8 до 16 бит на пиксель. Большая разрешающая способность устройства позволяет при выведении из изображения на экран монитора изучать обследуемый объём в более широком динамичном диапазоне. Это означает, что в цифровых системах одновременно можно получать изображение мягких и твёрдых объектов с достаточно высокой различительной способностью за контрастностью, тоесть различать большое количество градаций серой шкалы. Пространственно различительная способность на практике определяется количеством пар линий, которые можно различить в 1 мм (единица измерения - пар линий /мм). Для рентгена граничной плёнке пространственно различительная способность наибольшая - 20 пар линий / мм. Для систем экрана - плёнка - 8 - 10 пар линий/мм. Для приборов с усилителем изображения (ЕОП, РЕОП) - 1 - 2 пари линий/мм. В цифровом изображении пространственно различительная способность в зависимости от детекторов и размеров пикселя составляет от 0.7 до 4 - 5 пар линий/мм.

Несмотря на то, что цифровое изображение поступаются аналоговому за пространственно различительной способностью, оно имеет ряд существенных преимуществ, главной из которых это высокая контрастно различительная способность в широком различительном диапазоне.

Существующие системы цифровой рентгенографии и те, что находятся на стадии разработки, делятся за принципом детектування икс-излучения на шесть основных видов:

1. Системы с очислением рентгеновского изображения, полученного с усилителей изображения.

2. Цифровая рентгенография на запоминающих люминофорах.

3. Полупроводниковых детекторов.

4. Цифровая рентгенография на основе многопроводной пропорциональной камеры.

5. Цифровая рентгенография на основе многокамерной технологии.

6. Системы цифрового сканирования рентгенограмм для апостериорной обработки.

Цифровая флюороскопия и рентгенография с экрана электронно-оптических преобразователей.

Самая распространенная технология это цифровая флюраскопия и рентгенография методом очисления электронного изображения. Эта технология используется 15 лет и, за данными изготовителей, в мире насчитывается приблизительно 10000 установок такого типа (из них в Европе - 2500).

В цифровой системе сигнал, который получают с видеокамеры, аналого-цифровым преобразователем трансформируется в набор цифровых данных и передаётся в накопительное устройство. Потом эти данные компьютер переводит в видимое изображение.

Различительная способность указанной технологии ограничивается линией пропускания телевизионной системы, применяемой в усилителе изображения (ПРЗ). Другим недостатком таких систем это маленький размер рабочего поля ПРЗ.

В наше время создано цифровые установки на основе ПРЗ для обследования органов грудной клетки. Как примером можно привести флюорограф ФСЦ - У - 01 (СП "Спектр АП" и ТОВ "ТАНА").

Цифровая люминесцентная рентгенография (ЦЛР).

Второе место за распространённостью в мире заняла разработанная в начале 80 - х годов цифровая рентгенография на запоминающих минофорах. Метод основан на фиксации рентгеновского изображения экраном, покрытые специальным веществом. При экспозиции происходит запоминание информации люминофором в виде спрятанного изображения. Оно способно сохранятся долгое время (до 6 час.). Применённые в ЦЛР пластины - приемнике изображения после экспонирование икс-облучения последовательно, точка за точкой, сканируются специальным инфрокрасним или красным гелием - неоновым лазером, что стимулирует люминофор (отсюда другое название - "система на стимулированных люминофорах"), а световой пучок, что возникает в процессе лазерного сканирования, трансформируется в цифровой сигнал. Интенсивность светового пучка, как и у обычных экранов, пропорциональна числу икс - фотонов, поглощенных запоминающим люминофором. Скрытое изображение, которое осталось на экране, стирается интенсивным засвечиванием видимым светом, после чего экран можно многоразово использовать ещё.

Люминесцентные пластины - накопители выпускаются в стандартных форматах плёнки, вмещаются вместо обычных комплектов "плёнко-усилительный экран" в кассету и применяются в обычных рентгенодиагностических аппаратах.

Люминесцентные пластины - накопители имеют намного большую экспозицию, чем общепринятые комбинации плёнка - экран, благодаря чему заметно увеличивается интервал между недо - и переекспонуванням. Этим способом можно получить достаточно контрастные изображения даже при снижении экспозиционной дозы, нижней границей которой является уровень квантового шума. При этом обеспечивается емкость изображения до 8 бит/пиксель. Пространственно различительная способность люминесцентной цифровой рентгенографии определяется размером пикселя, что составляет от 0.1 * 0.1 мм при использовании запоминающих экранов не больше 20 * 20 см и до 0.2 * 0.2 мм в случае использования экранов размером 35 * 43 см.. И уже появилась публикация про создании матрицы с размером пикселя 0.1 мм с пространственно различительной способностью от 2.5 пар линий/мм (при размере пикселя 0.2 мм) до 5 - 6 пар линий/мм (при 0.1 мм) с пространственно различительной способностью от 2.5 пар линий/мм (при 0.1 мм). Эти технические характеристики пространственно различительной способности ничем не поступаются современным системам традиционной рентгенографии.

Примером современного рентгенодиагностического аппарата на основе фото стимулированной люминесценции может служить "Digiskan 2T Plus" ("Siemens"). При этом важно, что эту технологию можно применять, используя имеющийся парк аппаратов.

Цифровая полупроводимая рентгенография.

Считается, что качество цифрового изображения можно существенно облегчить, применяя метод прямой регистрации икс-облучения электронным детектором, который работает в непосредственной связи с компьютером.

Цифровая полупроводниковая рентгенография включает рентгенографию: цифровую селеновую; цифровую на основе полноформатной матрице; цифровую на основе линейки детекторов.

Селеновая рентгенография.

Одним из вариантов прямого детектирования икс-випроминювання это цифровая селеновая рентгенография. Основной частью такого прибора служит детектор в виде барабана, укрытого шаром аморфного селена. Под действием икс-облучения на поверхности селенового покрытия возникает электрический заряд (за принципом разряда в открытой цепи), размер которого зависит от энергии облучения. Дальше с помощью специальных преобразователей проводиться считывание сигнала и формирование цифровой матрицы изображения. Селеновую рентгенографию ныне используют только в системах для рентгенографии грудной клетки, например в установке "Thoravision" ("Philips"). Характерная для снимков грудной клетки высокая контрастность между легочными полями и позволяет при цифровой обработке сглаживается, не уменьшая при этом контрастности деталей изображения. Другое преимущество селенового детектора это соотношение сигнал/шум.

Цифровая рентгенография на основе полноформатной матрицы.

В 1998 г. появились объявления про создание твёрдой матрицы форматом 1024*1024, которая имеет размер пикселя 0.2 мм. Детектор матрицы состоит из сцинтилюючого экрана, прямо соединённого с комплексом фото диодов с помощью оптоволокна. Основой сцинтиляционного шара матрицы это соединения цезию, активирование талиям. Регистрация икс - квантов происходит за счёт и хне конверсии сцинтиляционным покрытием в видимый свет исследующего детектированием света кремневым фото диодом. Уникальной особенностью матрицы это быстрое считывание информации - до 30 изображений в секунду, что обеспечивает её применение в рентгенографии и флюороскопии.

В зарубежной литературе появилось объявление про создание других универсальных моделей полно форматных матриц, предназначенных как для рентгенографии, так и флюроскопии. Особенностью всех предложенных систем это стремление разработчиков повысить различительную способность, что позволяет за счёт уменьшения пикселя матрицы до 150, 97, 50 и даже 42,5 мкм уменьшить шум без увеличения экспозиционной дозы. Как детектор предлагается толстый шар (1 мм) аморфного селену, а как сцинтиляционный шар - разные соединения итрию, активированные европием, или цезием, активированные талиям. Чувствительность таких детекторов, за утверждением авторов, увеличивается вдвое. Максимальный формат существующих экспериментальных матриц с маленьким размером пикселя пока что составляет 2048(2).

Идеальный вариант прямого детектирования рентгеновского изображения усматривают в создании полномоштабной твёрдой ПЗС матрицы, способной на площади 400*400 мм сформировать цифровое изображение с количеством пикселей не меньше 4000*4000 и разрядностью до 12 бит. Такая матрица способна "поштучно" регистрировать икс - кванты. Она представляет собой двухмерную поверхность, разбитую на ячейки. Каждый квант, что "упал" на неё, приписывается к какой-то конкретной ячейки и суммируется с ранее собранными им квантами. Однако создать детектор необходимого для рентгенографии формата 40*40 см с достаточной эффективностью, быстродействием, высокой, пространственно различительной способностью очень сложно. К тому же при двухмерном детекторе нужно применять колиматоры, которые отрезают розсееные в теле пациента и икс-облучение, которое ухудшает изображение. Кроме того, достаточно сложно обеспечить радиационную стойкость матрицы, поскольку большинство полупроводников детекторов быстро уменьшают свои показатели под влиянием ионизирующего облучения, а также обеспечить равномерный порог регистрации квантов на всей поверхности. Существуют и другие технические проблемы.

Цифроваярентгенография на основе линейки

Цифроваярентгенография на основе линейки детекторов.

Трудности создания полноформатной матрицы с прямым детектированием икс-облучения, которая имела б характеристики, необходимые для медицинской рентгенологии, обусловили появление детекторов, которые работают за принципом сканирования. В этих приборах детекторы размещены в виде линейки и являют собою счётчики, которые измеряют интенсивность икс-облучения. Как детекторы используют кремнёвые фотодиоды и сцинтилятори. Регистрация икс-квантов, точно также как и в полноформатной матрицы, происходит за счёт ихней конверсии в сцинтиляторе в видимый свет и последующего детектирования света кремневым фотодиодом. Сканирование осуществляется с помощью одновременного равномерного перемещения икс-облучателя, колиматора и детектора в вертикальной плоскости. При этом обследованная область просвечивается плоским лучеподобным икс-пучком. В некоторых аппаратах сканирование осуществляется за счёт перемещения икс-облучателя, колиматора и детектора в заданном секторе. Лучи, которые прошли сквозь пациента, попадают на входное окно детектора. После обработки информации со всех рядков и кадров формируется цифровое изображение, которое отображает интенсивность икс-облучателя после прохождения сквозь тело пациента.

Пространственно различительная способность линий детекторов в основном определяется количеством каналов в линейке. Их может быть 320, 512. 640, 1024, 2048. Эффективность детекторов обозначается на дозе облучения пациента. Разработчики разных систем аппаратов указывают дозу в площадь детектора в межах 0.1 - 1 мР. Время сканирования, как правило, составляет 5 - 10 с. к аппаратам с полупроводниковыми линейными преобразователями относится ФМЦ - Si - 125 ("Амико", "Рентгенпром", Москва) и АПЦФ - 01 "Карс - Скан" ("Медрентекс", Москва).

Цифровая рентгенография на основе многопроводной пропорциональной камеры.

Примером такой системы служит цифровая рентгенографическая установка (МЦРУ) скандувального типа ("Научприбор", Орел ). Данная сканированная система отличается от описанных выше детектором, который является многопроводную пропорциональную камеру, заполненную смесью газов (ксенон и углекислый газ). На аноде и катоде камеры под высоким напряжением подаётся электрический заряд. Под действием икс-облучения происходит ионизация газа и иони, которые появились, влияют на анодные проволочки с помощью наведения дополнительного заряда, величина которого дальше оценивается в режиме прямого подсчёта квантов. Камера улавливает сигнал, которые минимально преувеличивают порог чувствительности усилители - дискриминатора, благодаря чему фоновое облучение не фиксируется, тогда, как полезный сигнал увеличивается в тысячи раз пропорциональную величину ионизации, а послащенные икс-кванты движутся поштучно. Эти особенности выгодно отличают пропорциональную камеру то других детекторов и позволяет максимально уменьшить дозу радиации, необходимую для получения рентгеновского изображения, и обеспечить его наибольшим динамическим диапазоном. В институте ядерной физики СО РАН разрабатывают принципиально новый тип детектора медицинского икс-облучения - много электродную ионизационную камеру, в которой будит использоваться аналоговый метод снимания информации. Ожидается, что эта камера облегчит пространственно различительную способность (1024 каналы), увеличить динамический диапазон, повысить быстродействие и ещё намного уменьшить дозу облучения пациентов.

Цифровая рентгенография на основе многокамерной технологии.

Приёмники рентгеновского изображения на основе многокамерной технологии это отечественные изготовители. Примерами таких систем служат цифровой усилитель рентгеновского изображения и цифровой мамограф АТ "Радмир" (Харьков) и малодозовые цифровые приёмники рентгеновского изображения АТ "Телеоптик" (Киев).

Принцип роботы этих устройств заключается в считывании рентгеновского изображения цифровыми камерами на основе ПЗЗ - матриц из люминесцентного экрана. Использование нескольких камер (от 4 до 36) позволяет повысить пространственно различительную способность. Изображения, полученные от каждой из камер при обработке компьютером "сшиваются" и формируют диагностическое изображение, которое отображается на экране монитора рабочей станции. Пространственно различительная способность этих аппаратов позволяет 2.4 - 4 пар линий/мм, а градационно-различительная - 1024 оттенков серого (10 бит/пиксель).

Системы цифрового сканирования рентгенограмм для апостериорной обработки.

Такие системы есть устройствами цифрового введения изображений с фотоплёнки в компьютер и представляет собой планшетные сканеры, оборудованные слайд-модулем, или специальные дигитайзеры.

Преимущества цифровой рентгенографии.

Преимуществом цифровой рентгенографии перед обычной экранно-плёночной это лучшая видимость незначительных разницы в контрастности и намного большая экспозиционная широта, тесть высокое качество изображений, что существенно уменьшает лучевое нагрузки на пациентов и медицинский персонал.

Апостериорная компьютерная обработка изображения (постпроцесинг) позволяет оптимизировать его качество. Изображения в цифровой форме можно простым и удобным способом анализировать на специальных рабочих станциях обработки изображения. С помощью разных программ могут быть общитаны линейные размеры, площадь и объём любого образование как автоматически, так и за специальным выбором врача. Могут быть определенные углы между разными анатомическими линиями. Возможно автоматические и ручное оконтурювання деталей изображения, увлечения и уменьшения контрастности, выделение любых объектов и плавное изменение ихнего масштаба, постройка трёхмерных изображений и т. др.

Относительно градационной различительной способности известно, что глаз обычного человека различает до 16 градаций серого, а глаз специально тренированного - до 30. Таким образом, врач, рассматривая снимок, может использовать для диагностирования объекта, который его интересует, только 2 - 3 десятки градаций серого тона, зафиксированных на фото носителях. Для выделения объектов, что отражаются в точных оттенках серого, необходимо использовать другие параметры облучения. Сегодня цифровые методы обеспечивают при регистрации изображения динамичный диапазон полутонов, который превышает в десятки раз возможности восприятия человеком. Перемещая с помощью компьютерных программ доступный для глаза интервал в 16 - 32 градации по всему этому диапазону, врач может, последовательно изменяя изображение, которое находится на экране монитора компьютера, выделять раньше не видимые для него детали без повторного обследования бального. Использование цветного кодирования позволяет не ограничивать интервал динамического диапазону, заменой тонового контраста на цвет. Соседним участкам изображения, которые мало отличаются за оптической плотностью, присваиваются контрастные цвета. Это позволяет уверенно различать данные делянки. Кроме того все делянки изображения, которые имеют одинаковую оптическую плотность, получают одинаковы цвет.

Цифровые изображения можно накапливать без любых потерь информации и передавать для анализа на другие рабочие станции. Системы цифровой рентгенографии можно объединять с системами электронного архивирования и передача изображений. Подобные сети позволяют одновременно передавать в разные места копии изображений, которые полностью идентичны оригиналу. Создание электронных систем обработки и передачи изображений, возможность составления результатов разных диагностических исследований (PACS) - обеспечивает условия для перехода к телерадиологии и телемедицины.

Архив цифровых изображений намного сокращает потребность в площади и исключает потерю изображений. Обычные плиточные рентгенограммы в результате природных процессов стареют, а при архивировании на магнитной плёнке или микрофильмировании приходится считать и возможность потери информации, что исключено при сохранении цифровых изображений.

Простота монтажу и эксплуатации, надёжность в работе, минимальна потреба в техническом обслуживании и текущему ремонте, возможность отмены от фотохимического процесса, который дорого стоит, дают существенную выгоду.

Таким образом, будущее современной радиологии заключается в полном переходе к цифровым технологиям.

Скачать в формате PDF