10.08.06 | Исследования необходимости охлаждения приборов с зарядовой связью в системах визуализации рентгеновского изображения

1

О.Н. Моргун, К.Э. Немченко, Ю.В. Рогов

OOO “Лаборатория рентгеновской медицинской техники”, г. Харьков, Украина

1. Введение

     Компьютерные беспленочные рентгеновские аппараты в настоящее время уже не являются фантастикой, и сейчас даже можно говорить о массовом  внедрении цифровой рентгеновской техники в медицину. Более того, сегодня существует множество самых различных подходов при создании цифровых систем визуализации рентгеновского изображения, подробно описанных в литературе [1, 11].

     Эта работа посвящена исследованию одной из широко используемых схем системы визуализации рентгеновского изображения: люминесцентный экран – оптическая система – матрица светочувствительного прибора с зарядовой связью (ПЗС) – усилитель – аналого-цифровой преобразователь. Охлаждение ПЗС, который является одним из звеньев в цепи преобразования сигнала, должно приводить к увеличению отношения сигнал/шум на итоговом изображении, а, следовательно, улучшать диагностические свойства системы визуализации по выявлению патологий на пациенте без повышения лучевой нагрузки. Целью этой работы является проведение экспериментальных и теоретических исследований для обоснования необходимости охлаждения приборов с зарядовой связью, которое позволяет улучшить характеристики рентгеновского изображения.

2. Формирование полезного сигнала

     Полезным сигналом на входе в исследуемой системе является количество рентгеновских - квантов попавших за время экспозиции на элемент изображения (пиксел) входного люминисцентного экрана:

                                                                     .                            (1)

Для дисперсии входного сигнала, которая представляет собой дисперсию числа -квантов , в предположении пуассоновской статистики, примем:

                                                           .                        (2)

     После преобразования зарегистрированного рентгеновского сигнала исследуемой системой мы получаем результирующий оцифрованный сигнал на каждом пикселе .

     Этот сигнал уже обладает своими статистическими характеристиками: средним значением и дисперсией . Причем соотношение между этими величинами не является таким простым, как у входного сигнала (2). Дело в том, что каждая ступень преобразования сигнала вносит дополнительные шумы и в итоге соотношение дисперсии и среднего выглядит следующим образом:

                                                          .                            (3)

      Здесь величина соответствует собственным шумам прибора с зарядовой связью, а число  оказывается больше единицы и связано с квантовой эффективностью детектирования прибора [2]. Численное значение этой величины в основном определяется предварительными ступенями преобразования сигнала и, поэтому, задается схемой системы визуализации.

       Собственные шумы ПЗС, как видно из (3) сильно влияют на качество изображения при малых сигналах, и, поэтому вопрос об уменьшении этих шумов оказывается  таким актуальным.

3. Природа шумов ПЗС-матрицы

     В сформированный полезный сигнал ПЗС-матрицей вносится целый ряд дополнительных искажений. К ним относится, прежде всего, темновой заряд (спонтанная генерация электрон-дырочных пар в пикселе, как в режиме накопления, так и в режиме переноса), температурная зависимость, которого определяется следующим образом:                                                                              

                                        ,                (4)

где

                                       ;                    (5)

 – начальная температура; – изменение температуры, при котором темновой заряд удваивается; – темновой заряд, сгенерированный в пикселе во время переноса;  – темновой ток во время накопления сигнала.

     Кроме того, заметный вклад дают и шумы преобразующего звена, формирующего аналоговый сигнал как функцию числа образованных электронов. Этот шум – шум считывания выходным устройством – определяется конструкцией прибора

     С учетом (4) вклад в дисперсию, вносимый ПЗС в полезный сигнал равен:

                                                    .                        (6)

     Среднее значение сигнала на изображении, и определенная в (3) дисперсия выходного сигнала полностью определяют статистические характеристики исследуемой системы.

4. Контрастная чувствительность как объективный параметр качества системы визуализации.

      Способность систем визуализации различать объекты заданного размера и малого контраста всегда являлась одной из качественных сравнительных характеристик различных устройств. Эта характеристика использовалась в первых аналоговых телевизионных системах, при определении качества усилителей рентгеновского изображения [3], и используется сейчас, например, при определении контрастной чувствительности цифровых систем визуализации рентгеновского изображения [4-8] и [12, 13, 14].

      В работе [9] был предложен объективный вариант метода определения контрастной чувствительности прибора, который вводился следующим образом:

      Предположим, что на изображении находится отличающийся от фона объект определенного размера. Возьмем, следуя [15], в качестве полезного сигнала  отличие среднего сигнала , вычисленного по пикселям, которые занимает объект (), от среднего , вычисленного по остальному изображению:

                                                        .                            (7)

      Если мы предположим, что зрительный аппарат человека, пытаясь найти на изображении объекты заданного размера, усредняет сигнал от рядом лежащих пикселей и соотносит всему объекту сигнал , то дисперсия распределения значений величины  по возможным совокупностям коллективов по рядом лежащих пикселей будет равна

                                                      .                        (8)

   Естественным теперь является введение отношения сигнал/шум для этого конкретного объекта следующим образом:

              ,                (9)

где   – контраст объекта.

      Как известно ([10], [16]), эта величина позволяет определять возможность обнаружения заданного объекта зрительным аппаратом человека. Причем для этой величины были сделаны оценки [16] и проведены эксперименты [15], из которых следовало, что в качестве критического значения, определяющего порог различимости объекта, можно взять величину

                                                .                    (10)

Здесь мы ввели обозначение , использованное в работах [5] – [7].

      С помощью соотношения (9) можно вычислить величину , которую обеспечивает конкретный прибор при определенной дозе, заданном радиационном контрасте и размере тест-объекта. Затем, из сравнения найденной величины с критическим значением или с такими же величинами, вычисленными для других приборов, судить о качестве прибора. Таким образом, величина , которую можно назвать «различимость порогового контраста», фактически является сравнительной характеристикой систем визуализации рентгеновского излучения, причем объективной и количественной характеристикой.

      В этой работе мы будем использовать параметр в качестве объективного количественного параметра качества рентгеновского изображения.

5. Методика эксперимента

     Основной целью этой работы являлось экспериментальное определение зависимости контрастной чувствительности прибора от температуры, при которой находился кристалл ПЗС. В экспериментах использовался тест-объект, представляющий собой набор объектов с последовательно меняющимися толщинами и размерами. При этом для исключения субъективности результатов обнаружения этих объектов на снимках, использовался параметр , введенный в предыдущем разделе для количественной оценки контрастной чувствительности прибора.

     Эксперименты проводились при определенном напряжении на рентгеновской трубке – 70 кВ, различных экспозиционных дозах, и в двух предельных температурных режимах: при комнатной температуре () и в рабочем режиме, когда ПЗС охлажден ниже нуля градусов. При экспериментах использовался алюминиевый фильтр толщиной 20 мм, и измерялась экспозиционная доза у приемника рентгеновского излучения. В качестве объектов использовались алюминиевые кружки различных размеров.

     По полученным снимкам определялся средний сигнал по изображению , сигнал за объектом , а также дисперсия сигнала  . Используемые тест-объекты имели определенные размеры, то есть их изображение занимало определенное количество пикселов . Эти величины позволяли, с помощью (9), для каждого из объектов вычислять величину , которая определяет различимость данного объекта при тех или иных условиях эксперимента.

     В качестве первого результата было получено граничное значение параметра , при котором объект оказывался видимым бесспорно, то есть когда можно было безошибочно определять не только местоположение объекта, но и его форму. При значениях величины , как местоположение, так и форма объекта определяется однозначно даже в случае, когда наблюдатели изначально не знают, где находится объект.

     При уменьшении изображение объекта теряет форму, но местоположение еще удается определить, если при этом наблюдатель знает, какого примерно размера объект он должен найти. По мере приближения к предельному значению , реальный объект теряется среди артефактов (ложных объектов). В этом случае, в принципе, можно утверждать, что объект виден на изображении. Однако, это возможно только в случае, когда изначально известно его точное месторасположение. Форма объекта при этом вообще не распознается, а размер угадывается с большой ошибкой.

     Таким образом, в качестве предельного значения различимости объекта при обработке экспериментов мы выбирали значение (а не ). Использование полученных нами ранее соотношений (9), (3) и (6) позволяет получить общее соотношение, связывающее параметр различимости объекта заданного контраста и размера  при известной экспозиции (которая определяет среднее значение на изображении ) и температуре ПЗС (от которой зависят шумы ПЗС ) :

      ,        (11)

где – диаметр кружка.

     Это соотношение дает теоретическое обоснование полученным в этой работе результатам и объясняет наблюдаемые на эксперименте явления.

6. Анализ проведенных экспериментов

     На первом этапе экспериментов исследовалась различимость определенного объекта при заданной экспозиции в зависимости от температуры. Было показано, что снижение температуры ПЗС приводит к снижению шумов и, как следствие, к улучшению различимости малоконтрастных объектов. На рис. 1 показана зависимость от экспозиционной дозы параметра различимости объекта с заданными контрастом (1 %) и размера (кружок диаметром 20 мм, что соответствовало размеру в 100 пикселов). Точками представлены результаты экспериментальных измерений, а линии соответствуют расчетам по формуле (11). На этом и всех последующих рисунках линии 1 соответствует расчету, а белые точки – экспериментальным данным для охлаждаемого ПЗС, а линии 2 и черные точки – для неохлаждаемого.

     Рост кривых на рис.1 отображает хорошо известный факт улучшения различимости слабоконтрастных объектов при увеличении дозы. В тоже время существенное отличие кривой 1, соответствующей охлажденному ПЗС, от кривой 2, соответствующей не охлажденному прибору свидетельствует о значительном влиянии охлаждения на различимость объекта. Так, например, если в случае теплого ПЗС при дозе 1,5 мР объект плохо различим (), то на охлажденном приборе тот же объект бесспорно обнаруживается: .

     На втором этапе исследовалось влияние охлаждения на зависимость различимости объекта от его размеров и контраста при постоянной дозе. На рис. 2 показаны зависимости параметра различимости объекта от произведения контраста на диаметр при постоянной дозе в 1 мР для охлажденного прибора (кривая 1) и неохлажденного прибора (кривая 2). Там же нанесены экспериментальные точки. Из рисунка видно, что охлаждение ПЗС приводит как к большим значениям параметра различимости , так и к изменению наклона исследуемой зависимости. Из этого следует, что охлаждаемый ПЗС позволяет не только детектировать объекты меньшего контраста и (или) размера, но и лучше различать друг от друга объекты близкого контраста. Это свойство фактически приводит к увеличению динамического диапазона прибора.

     На третьем этапе проверялось улучшение различимости объектов при охлаждении ПЗС, в случае одинаковых экспозиций. То есть проверялось, насколько меньшим будет контраст и (или) размеры вполне различимого объекта в случае охлажденного ПЗС по сравнению с неохлажденным. На рис.3 представлена зависимость контраста объекта, который надежно обнаруживается, как функция его размера при постоянной дозе для случая охлаждаемой (кривая 1) и неохлаждаемой (кривая 2) ПЗС.

     Из рисунка видно, что в случае охлаждаемой матрицы при заданном контрасте распознаются более маленькие объекты, так как кривая 1 лежит практически в два раза ближе к вертикальной оси. Кроме того, при заданном размере объекта удается распознать менее контрастные объекты. Это видно из того, что кривая 1 лежит практически в два раза ниже, чем кривая 2.

     Четвертый этап был наиболее важным в смысле возможности снижения экспозиционной дозы при сохранении различимости объектов за счет охлаждения. Основной вопрос был следующим: насколько можно уменьшить экспозиционную дозу за счет охлаждения ПЗС, чтобы при этом не ухудшилась различимость объектов заданного размера и контраста.

     На рис.4 показана зависимость дозы, необходимой для обеспечения безусловной видимости объекта от его контраста при заданных размерах объекта. Из рисунка видно, что кривая 1, соответствующая охлажденному ПЗС, лежит всегда ниже в три раза, чем кривая 2, соответствующая неохлажденному ПЗС. Это значит, что для обеспечения безусловного распознавания объекта в случае охлаждения требуются в три раза меньшие дозы, чем для случая неохлаждаемой ПЗС.

     Заметим также, что в случае охлаждения ПЗС улучшение порогового контраста системы было достигнуто без ухудшения других характеристик прибора, как это могло быть, например, в случае применения объективов с большей светосилой или применения ПЗС с большим размером пикселя, использование которых приводит к ухудшению частотно-контрастной характеристики прибора.

7. Выводы

     В работе проведены экспериментальные и теоретические исследования для обоснования необходимости охлаждения приборов с зарядовой связью, которое позволяет улучшить характеристики рентгеновского изображения.

     Теоретический анализ всех этапов преобразования сигнала от рентгеновских квантов до оцифрованного сигнала на компьютере, позволил получить соотношение (11), определяющее количественный параметр качества системы визуализации рентгеновского изображения. Удовлетворительное соответствие этого соотношения и результатов экспериментов позволяет в дальнейшем использовать выражение (11) при проектировании новых схем визуализации.

     В результате проведенных экспериментов и расчетов было показано, что объекты определенного контраста и размера неразличимые на изображении в случае отсутствия охлаждения становятся различимыми при той же дозе, если ПЗС охлаждается. Более того, объекты заданного контраста и размера при охлаждении ПЗС становятся различимыми при более низких дозах, чем в случае отсутствия охлаждения.

     Проведенные в работе эксперименты показали, что охлаждение ПЗС матриц в системах визуализации рентгеновского изображения позволяет уменьшить радиационную нагрузку на пациента, не ухудшая при этом диагностические свойства системы, а также улучшить параметры системы, наблюдаемые при определенной экспозиционной дозе.

     Таким образом, полученные результаты однозначно указывают на необходимость охлаждения кристаллов ПЗС – матриц в рассматриваемой схеме визуализации рентгеновского изображения.

Указатель использованной литературы

1. Недавний О.И., Удод В.А.// Дефектоскопия. – 2001. – № 8. – С. 62 – 82.

2. Моргун О.Н., Немченко К.Э., Рогов Ю.В.// Мед. техника. – 2003. – т.37 (5). – С. 258 – 261.

3. ГОСТ 26141-84 «Усилители рентгеновского изображения медицинских рентгеновских аппаратов. Общие технические требования. Методы испытаний».

4. Блинов Н.Н., Мазуров А.И.// Мед. техника. – 1999. –  N 5. – С. 3 – 10.

5. Блинов Н.Н., Мазуров А.И.// Мед. техника. – 1999. – № 5. – С. 3 – 6.

6. Кантер Б.М. // Мед. техника. – 1999. – № 5. – С. 10 – 13.

7. Блинов Н.Н., Козловский Э.Б., Лузин С.И., Первов А.Ю., Сонин А.Ф., Плутов И.Г., Родин В.И. // Мед. техника. – 1999. – № 5. – С. 24 – 26.

8. Владимиров Л.В. //Мед. радиология. – 1981. – Т. 26, № 6. – С. 44 – 48.

9. Моргун О.Н., Немченко К.Э., Рогов Ю.В.// Мед. техника.– 2003. – т.37 (5). – С. 243 – 245.

10. Роуз А. Зрение человека и электронное зрение. – М. – 1977.

11. Mammography – recent technical developments and their clinical potential, Hemdal B, Andersson I, Thilander A., et al, 2002, SSI-raport, 2002:08.

12. .Connoly P.A. // В сб. Quality Assurance and Patient Radiation Protection in Diagnostic Radiology. – Berlin. – 1996.

13. Noel A. // В сб. The Expanding Role of Medical Physics in Diagnostic Imaging. – Madison, Wisconsin. – 1997. – P. 361 – 379.

14. Sprawls P. // В сб. The Expanding Role of Medical Physics in Diagnostic Imaging. – Madison, Wisconsin. – 1997. – P. 1 – 16.

15. H.Gfirtner // В сб. Quality Assurance and Patient Radiation Protection in Diagnostic Radiology. – Berlin. – 1996.

16. Rose A.// J. Opt. Soc.Am. – 1948. – V. 38. – P. 196.

О.Н. Моргун, К.Э. Немченко, Ю.В. Рогов

OOO “Лаборатория рентгеновской медицинской техники”, г. Харьков, Украина

1. Введение

     Компьютерные беспленочные рентгеновские аппараты в настоящее время уже не являются фантастикой, и сейчас даже можно говорить о массовом  внедрении цифровой рентгеновской техники в медицину. Более того, сегодня существует множество самых различных подходов при создании цифровых систем визуализации рентгеновского изображения, подробно описанных в литературе [1, 11].

     Эта работа посвящена исследованию одной из широко используемых схем системы визуализации рентгеновского изображения: люминесцентный экран – оптическая система – матрица светочувствительного прибора с зарядовой связью (ПЗС) – усилитель – аналого-цифровой преобразователь. Охлаждение ПЗС, который является одним из звеньев в цепи преобразования сигнала, должно приводить к увеличению отношения сигнал/шум на итоговом изображении, а, следовательно, улучшать диагностические свойства системы визуализации по выявлению патологий на пациенте без повышения лучевой нагрузки. Целью этой работы является проведение экспериментальных и теоретических исследований для обоснования необходимости охлаждения приборов с зарядовой связью, которое позволяет улучшить характеристики рентгеновского изображения.

2. Формирование полезного сигнала

     Полезным сигналом на входе в исследуемой системе является количество рентгеновских - квантов попавших за время экспозиции на элемент изображения (пиксел) входного люминисцентного экрана:

                                                                     .                            (1)

Для дисперсии входного сигнала, которая представляет собой дисперсию числа -квантов , в предположении пуассоновской статистики, примем:

                                                           .                        (2)

     После преобразования зарегистрированного рентгеновского сигнала исследуемой системой мы получаем результирующий оцифрованный сигнал на каждом пикселе .

     Этот сигнал уже обладает своими статистическими характеристиками: средним значением и дисперсией . Причем соотношение между этими величинами не является таким простым, как у входного сигнала (2). Дело в том, что каждая ступень преобразования сигнала вносит дополнительные шумы и в итоге соотношение дисперсии и среднего выглядит следующим образом:

                                                          .                            (3)

      Здесь величина соответствует собственным шумам прибора с зарядовой связью, а число  оказывается больше единицы и связано с квантовой эффективностью детектирования прибора [2]. Численное значение этой величины в основном определяется предварительными ступенями преобразования сигнала и, поэтому, задается схемой системы визуализации.

       Собственные шумы ПЗС, как видно из (3) сильно влияют на качество изображения при малых сигналах, и, поэтому вопрос об уменьшении этих шумов оказывается  таким актуальным.

3. Природа шумов ПЗС-матрицы

     В сформированный полезный сигнал ПЗС-матрицей вносится целый ряд дополнительных искажений. К ним относится, прежде всего, темновой заряд (спонтанная генерация электрон-дырочных пар в пикселе, как в режиме накопления, так и в режиме переноса), температурная зависимость, которого определяется следующим образом:                                                                              

                                        ,                (4)

где

                                       ;                    (5)

 – начальная температура; – изменение температуры, при котором темновой заряд удваивается; – темновой заряд, сгенерированный в пикселе во время переноса;  – темновой ток во время накопления сигнала.

     Кроме того, заметный вклад дают и шумы преобразующего звена, формирующего аналоговый сигнал как функцию числа образованных электронов. Этот шум – шум считывания выходным устройством – определяется конструкцией прибора

     С учетом (4) вклад в дисперсию, вносимый ПЗС в полезный сигнал равен:

                                                    .                        (6)

     Среднее значение сигнала на изображении, и определенная в (3) дисперсия выходного сигнала полностью определяют статистические характеристики исследуемой системы.

4. Контрастная чувствительность как объективный параметр качества системы визуализации.

      Способность систем визуализации различать объекты заданного размера и малого контраста всегда являлась одной из качественных сравнительных характеристик различных устройств. Эта характеристика использовалась в первых аналоговых телевизионных системах, при определении качества усилителей рентгеновского изображения [3], и используется сейчас, например, при определении контрастной чувствительности цифровых систем визуализации рентгеновского изображения [4-8] и [12, 13, 14].

      В работе [9] был предложен объективный вариант метода определения контрастной чувствительности прибора, который вводился следующим образом:

      Предположим, что на изображении находится отличающийся от фона объект определенного размера. Возьмем, следуя [15], в качестве полезного сигнала  отличие среднего сигнала , вычисленного по пикселям, которые занимает объект (), от среднего , вычисленного по остальному изображению:

                                                        .                            (7)

      Если мы предположим, что зрительный аппарат человека, пытаясь найти на изображении объекты заданного размера, усредняет сигнал от рядом лежащих пикселей и соотносит всему объекту сигнал , то дисперсия распределения значений величины  по возможным совокупностям коллективов по рядом лежащих пикселей будет равна

                                                      .                        (8)

   Естественным теперь является введение отношения сигнал/шум для этого конкретного объекта следующим образом:

              ,                (9)

где   – контраст объекта.

      Как известно ([10], [16]), эта величина позволяет определять возможность обнаружения заданного объекта зрительным аппаратом человека. Причем для этой величины были сделаны оценки [16] и проведены эксперименты [15], из которых следовало, что в качестве критического значения, определяющего порог различимости объекта, можно взять величину

                                                .                    (10)

Здесь мы ввели обозначение , использованное в работах [5] – [7].

      С помощью соотношения (9) можно вычислить величину , которую обеспечивает конкретный прибор при определенной дозе, заданном радиационном контрасте и размере тест-объекта. Затем, из сравнения найденной величины с критическим значением или с такими же величинами, вычисленными для других приборов, судить о качестве прибора. Таким образом, величина , которую можно назвать «различимость порогового контраста», фактически является сравнительной характеристикой систем визуализации рентгеновского излучения, причем объективной и количественной характеристикой.

      В этой работе мы будем использовать параметр в качестве объективного количественного параметра качества рентгеновского изображения.

5. Методика эксперимента

     Основной целью этой работы являлось экспериментальное определение зависимости контрастной чувствительности прибора от температуры, при которой находился кристалл ПЗС. В экспериментах использовался тест-объект, представляющий собой набор объектов с последовательно меняющимися толщинами и размерами. При этом для исключения субъективности результатов обнаружения этих объектов на снимках, использовался параметр , введенный в предыдущем разделе для количественной оценки контрастной чувствительности прибора.

     Эксперименты проводились при определенном напряжении на рентгеновской трубке – 70 кВ, различных экспозиционных дозах, и в двух предельных температурных режимах: при комнатной температуре () и в рабочем режиме, когда ПЗС охлажден ниже нуля градусов. При экспериментах использовался алюминиевый фильтр толщиной 20 мм, и измерялась экспозиционная доза у приемника рентгеновского излучения. В качестве объектов использовались алюминиевые кружки различных размеров.

     По полученным снимкам определялся средний сигнал по изображению , сигнал за объектом , а также дисперсия сигнала  . Используемые тест-объекты имели определенные размеры, то есть их изображение занимало определенное количество пикселов . Эти величины позволяли, с помощью (9), для каждого из объектов вычислять величину , которая определяет различимость данного объекта при тех или иных условиях эксперимента.

     В качестве первого результата было получено граничное значение параметра , при котором объект оказывался видимым бесспорно, то есть когда можно было безошибочно определять не только местоположение объекта, но и его форму. При значениях величины , как местоположение, так и форма объекта определяется однозначно даже в случае, когда наблюдатели изначально не знают, где находится объект.

     При уменьшении изображение объекта теряет форму, но местоположение еще удается определить, если при этом наблюдатель знает, какого примерно размера объект он должен найти. По мере приближения к предельному значению , реальный объект теряется среди артефактов (ложных объектов). В этом случае, в принципе, можно утверждать, что объект виден на изображении. Однако, это возможно только в случае, когда изначально известно его точное месторасположение. Форма объекта при этом вообще не распознается, а размер угадывается с большой ошибкой.

     Таким образом, в качестве предельного значения различимости объекта при обработке экспериментов мы выбирали значение (а не ). Использование полученных нами ранее соотношений (9), (3) и (6) позволяет получить общее соотношение, связывающее параметр различимости объекта заданного контраста и размера  при известной экспозиции (которая определяет среднее значение на изображении ) и температуре ПЗС (от которой зависят шумы ПЗС ) :

      ,        (11)

где – диаметр кружка.

     Это соотношение дает теоретическое обоснование полученным в этой работе результатам и объясняет наблюдаемые на эксперименте явления.

6. Анализ проведенных экспериментов

     На первом этапе экспериментов исследовалась различимость определенного объекта при заданной экспозиции в зависимости от температуры. Было показано, что снижение температуры ПЗС приводит к снижению шумов и, как следствие, к улучшению различимости малоконтрастных объектов. На рис. 1 показана зависимость от экспозиционной дозы параметра различимости объекта с заданными контрастом (1 %) и размера (кружок диаметром 20 мм, что соответствовало размеру в 100 пикселов). Точками представлены результаты экспериментальных измерений, а линии соответствуют расчетам по формуле (11). На этом и всех последующих рисунках линии 1 соответствует расчету, а белые точки – экспериментальным данным для охлаждаемого ПЗС, а линии 2 и черные точки – для неохлаждаемого.

     Рост кривых на рис.1 отображает хорошо известный факт улучшения различимости слабоконтрастных объектов при увеличении дозы. В тоже время существенное отличие кривой 1, соответствующей охлажденному ПЗС, от кривой 2, соответствующей не охлажденному прибору свидетельствует о значительном влиянии охлаждения на различимость объекта. Так, например, если в случае теплого ПЗС при дозе 1,5 мР объект плохо различим (), то на охлажденном приборе тот же объект бесспорно обнаруживается: .

     На втором этапе исследовалось влияние охлаждения на зависимость различимости объекта от его размеров и контраста при постоянной дозе. На рис. 2 показаны зависимости параметра различимости объекта от произведения контраста на диаметр при постоянной дозе в 1 мР для охлажденного прибора (кривая 1) и неохлажденного прибора (кривая 2). Там же нанесены экспериментальные точки. Из рисунка видно, что охлаждение ПЗС приводит как к большим значениям параметра различимости , так и к изменению наклона исследуемой зависимости. Из этого следует, что охлаждаемый ПЗС позволяет не только детектировать объекты меньшего контраста и (или) размера, но и лучше различать друг от друга объекты близкого контраста. Это свойство фактически приводит к увеличению динамического диапазона прибора.

     На третьем этапе проверялось улучшение различимости объектов при охлаждении ПЗС, в случае одинаковых экспозиций. То есть проверялось, насколько меньшим будет контраст и (или) размеры вполне различимого объекта в случае охлажденного ПЗС по сравнению с неохлажденным. На рис.3 представлена зависимость контраста объекта, который надежно обнаруживается, как функция его размера при постоянной дозе для случая охлаждаемой (кривая 1) и неохлаждаемой (кривая 2) ПЗС.

     Из рисунка видно, что в случае охлаждаемой матрицы при заданном контрасте распознаются более маленькие объекты, так как кривая 1 лежит практически в два раза ближе к вертикальной оси. Кроме того, при заданном размере объекта удается распознать менее контрастные объекты. Это видно из того, что кривая 1 лежит практически в два раза ниже, чем кривая 2.

     Четвертый этап был наиболее важным в смысле возможности снижения экспозиционной дозы при сохранении различимости объектов за счет охлаждения. Основной вопрос был следующим: насколько можно уменьшить экспозиционную дозу за счет охлаждения ПЗС, чтобы при этом не ухудшилась различимость объектов заданного размера и контраста.

     На рис.4 показана зависимость дозы, необходимой для обеспечения безусловной видимости объекта от его контраста при заданных размерах объекта. Из рисунка видно, что кривая 1, соответствующая охлажденному ПЗС, лежит всегда ниже в три раза, чем кривая 2, соответствующая неохлажденному ПЗС. Это значит, что для обеспечения безусловного распознавания объекта в случае охлаждения требуются в три раза меньшие дозы, чем для случая неохлаждаемой ПЗС.

     Заметим также, что в случае охлаждения ПЗС улучшение порогового контраста системы было достигнуто без ухудшения других характеристик прибора, как это могло быть, например, в случае применения объективов с большей светосилой или применения ПЗС с большим размером пикселя, использование которых приводит к ухудшению частотно-контрастной характеристики прибора.

7. Выводы

     В работе проведены экспериментальные и теоретические исследования для обоснования необходимости охлаждения приборов с зарядовой связью, которое позволяет улучшить характеристики рентгеновского изображения.

     Теоретический анализ всех этапов преобразования сигнала от рентгеновских квантов до оцифрованного сигнала на компьютере, позволил получить соотношение (11), определяющее количественный параметр качества системы визуализации рентгеновского изображения. Удовлетворительное соответствие этого соотношения и результатов экспериментов позволяет в дальнейшем использовать выражение (11) при проектировании новых схем визуализации.

     В результате проведенных экспериментов и расчетов было показано, что объекты определенного контраста и размера неразличимые на изображении в случае отсутствия охлаждения становятся различимыми при той же дозе, если ПЗС охлаждается. Более того, объекты заданного контраста и размера при охлаждении ПЗС становятся различимыми при более низких дозах, чем в случае отсутствия охлаждения.

     Проведенные в работе эксперименты показали, что охлаждение ПЗС матриц в системах визуализации рентгеновского изображения позволяет уменьшить радиационную нагрузку на пациента, не ухудшая при этом диагностические свойства системы, а также улучшить параметры системы, наблюдаемые при определенной экспозиционной дозе.

     Таким образом, полученные результаты однозначно указывают на необходимость охлаждения кристаллов ПЗС – матриц в рассматриваемой схеме визуализации рентгеновского изображения.

Указатель использованной литературы

1. Недавний О.И., Удод В.А.// Дефектоскопия. – 2001. – № 8. – С. 62 – 82.

2. Моргун О.Н., Немченко К.Э., Рогов Ю.В.// Мед. техника. – 2003. – т.37 (5). – С. 258 – 261.

3. ГОСТ 26141-84 «Усилители рентгеновского изображения медицинских рентгеновских аппаратов. Общие технические требования. Методы испытаний».

4. Блинов Н.Н., Мазуров А.И.// Мед. техника. – 1999. –  N 5. – С. 3 – 10.

5. Блинов Н.Н., Мазуров А.И.// Мед. техника. – 1999. – № 5. – С. 3 – 6.

6. Кантер Б.М. // Мед. техника. – 1999. – № 5. – С. 10 – 13.

7. Блинов Н.Н., Козловский Э.Б., Лузин С.И., Первов А.Ю., Сонин А.Ф., Плутов И.Г., Родин В.И. // Мед. техника. – 1999. – № 5. – С. 24 – 26.

8. Владимиров Л.В. //Мед. радиология. – 1981. – Т. 26, № 6. – С. 44 – 48.

9. Моргун О.Н., Немченко К.Э., Рогов Ю.В.// Мед. техника.– 2003. – т.37 (5). – С. 243 – 245.

10. Роуз А. Зрение человека и электронное зрение. – М. – 1977.

11. Mammography – recent technical developments and their clinical potential, Hemdal B, Andersson I, Thilander A., et al, 2002, SSI-raport, 2002:08.

12. .Connoly P.A. // В сб. Quality Assurance and Patient Radiation Protection in Diagnostic Radiology. – Berlin. – 1996.

13. Noel A. // В сб. The Expanding Role of Medical Physics in Diagnostic Imaging. – Madison, Wisconsin. – 1997. – P. 361 – 379.

14. Sprawls P. // В сб. The Expanding Role of Medical Physics in Diagnostic Imaging. – Madison, Wisconsin. – 1997. – P. 1 – 16.

15. H.Gfirtner // В сб. Quality Assurance and Patient Radiation Protection in Diagnostic Radiology. – Berlin. – 1996.

16. Rose A.// J. Opt. Soc.Am. – 1948. – V. 38. – P. 196.