11.08.06 | Дослідження необхідності охолодження приладів із зарядовим зв'язком у системах візуалізації рентгенівського зображення

1

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

OOO “Лабораторія рентгенівської медичної техніки”, м. Харків, Україна

1. Введення

     Комп'ютерні безплівкові рентгенівські апарати в цей час уже не є фантастикою, і зараз навіть можна говорити про масове  впровадження цифрової рентгенівської техніки в медицину. Більше того, сьогодні існує безліч всіляких підходів при створенні цифрових систем візуалізації рентгенівського зображення, докладно описаних у літературі [1, 11].

     Ця робота присвячена дослідженню однієї із широко використовуваних схем системи візуалізації рентгенівського зображення: люмінесцентний екран - оптична система - матриця світлочутливого приладу із зарядовим зв'язком (ПЗС) - підсилювач - аналого-цифровий перетворювач. Охолодження ПЗС, що є одним з ланок у ланцюзі перетворення сигналу, повинне приводити до збільшення відносин сигнал/шум на підсумковому зображенні, а, отже, поліпшувати діагностичні властивості системи візуалізації по виявленню патологій на пацієнті без підвищення променевого навантаження. Метою цієї роботи є проведення експериментальних і теоретичних досліджень для обґрунтування необхідності охолодження приладів із зарядовим зв'язком, що дозволяє поліпшити характеристики рентгенівського зображення.

2. Формування корисного сигналу

     Корисним сигналом на вході в досліджуваній системі є кількість рентгенівських - квантів, що потрапили за час експозиції на елемент зображення (пиксел) вхідного люмінісцентного екрана:

                                                                  .                            (1)

Для дисперсії вхідного сигналу, що являє собою дисперсію числа -квантів , у припущенні пуассоновской статистики, приймемо:

                                                       .                        (2)

     Після перетворення зареєстрованого рентгенівського сигналу досліджуваною системою ми одержуємо результуючий оцифрюваний сигнал на кожному пикселе .

     Цей сигнал уже має свої статистичні характеристики: середнім значенням і дисперсією . Причому співвідношення між цими величинами не є таким простим, як у вхідного сигналу (2). Справа в тому, що кожний щабель перетворення сигналу вносить додаткові шуми й у підсумку співвідношення дисперсії й середнього виглядає в такий спосіб:

                                                  .                                (3)

      Тут величина відповідає власним шумам приладу із зарядовим зв'язком, а число виявляється більше одиниці й пов'язане із квантовою ефективністю детектирования приладу [2]. Чисельне значення цієї величини в основному визначається попередніми щаблями перетворення сигналу й, тому, задається схемою системи візуалізації.

       Власні шуми ПЗС, як видно з (3) сильно впливають на якість зображення при малих сигналах, і, тому питання про зменшення цих шумів виявляється  таким актуальним.

3. Природа шумів Пзс-матрицы

     У сформований корисний сигнал Пзс-матрицей вноситься цілий ряд додаткових перекручувань. До них ставиться, насамперед, темновой заряд (спонтанна генерація электрон-дірочних пара в пикселе, як у режимі нагромадження, так і в режимі переносу), температурна залежність, якого визначається в такий спосіб:

                  ,                                  (4)

де

                          ;                                  (5)

 – початкова температура; – зміна температури, при якому темновой заряд подвоюється; – темновой заряд, сгенерированный у пикселі під час переносу;  – темновой струм під час нагромадження сигналу.

     Крім того, помітний внесок дають і шуми перетворюючої ланки, що формує аналоговий сигнал як функцію числа утворених електронів. Цей шум – шум зчитування вихідним пристроєм – визначається конструкцією приладу

     З обліком (4) внесок у дисперсію, внесений ПЗС у корисний сигнал дорівнює:

                                              .                        (6)

     Середнє значення сигналу на зображенні, і певна в (3) дисперсія вихідного сигналу повністю визначають статистичні характеристики досліджуваної системи.

4. Контрастна чутливість як об'єктивний параметр якості системи візуалізації.

      Здатність систем візуалізації розрізняти об'єкти заданого розміру й малого контрасту завжди була однієї з якісних порівняльних характеристик різних пристроїв. Ця характеристика використалася в перших аналогових телевізійних системах, при визначенні якості підсилювачів рентгенівського зображення [3], і використається зараз, наприклад, при визначенні контрастної чутливості цифрових систем візуалізації рентгенівського зображення [4-8] і [12, 13, 14].

      У роботі [9] був запропонований об'єктивний варіант методу визначення контрастної чутливості приладу, що вводився в такий спосіб:

      Припустимо, що на зображенні перебуває об'єкт, що відрізняється від тла, певного розміру. Візьмемо, випливаючи [15], як корисний сигнал  відмінність середнього сигналу , обчисленого по пикселям, які займає об'єкт ( ), від середнього , обчисленого по іншому зображенню:

                                                         .                            (7)

      Якщо ми припустимо, що зоровий апарат людини, намагаючись знайти на зображенні об'єкти заданого розміру, усредняет сигнал від поруч лежачих пикселей і співвідносить всьому об'єкту сигнал , то дисперсія розподілу значень величини  по можливих сукупностях колективів по поруч лежачих пикселей буде дорівнювати:

                                                        .                        (8)

   Природним тепер є введення відносини сигнал/шум для цього конкретного об'єкта в такий спосіб:

     ,                         (9)

де   – контраст об'єкта.

      Як відомо ([10], [16]), ця величина дозволяє визначати можливість виявлення заданого об'єкта зоровим апаратом людини. Причому для цієї величини були зроблені оцінки [16] і проведені експерименти [15], з яких випливало, що як критичне значення, що визначає поріг розрізнення об'єкта, можна взяти величину

                                                .                    (10)

Тут ми ввели позначення , використане в роботах [5] – [7].

      За допомогою співвідношення (9) можна обчислити величину , що забезпечує конкретний прилад при певній дозі, заданому радіаційному контрасті й розмірі тест-об'єкта. Потім, з порівняння знайденої величини із критичним значенням або з такими ж величинами, обчисленими для інших приладів, судити про якість приладу. Таким чином, величина , яку можна назвати «розрізнення граничного контрасту», фактично є порівняльною характеристикою систем візуалізації рентгенівського випромінювання, причому об'єктивною й кількісною характеристикою.

      У цій роботі ми будемо використати параметр у якості об'єктивного кількісного параметра якості рентгенівського зображення.

5. Методика експерименту

     Основною метою цієї роботи було експериментальне визначення залежності контрастної чутливості приладу від температури, при якій перебував кристал ПЗС. В експериментах використався тест-об'єкт, що представляє собою набір об'єктів з послідовно мінливими толщинами й розмірами. При цьому для виключення суб'єктивності результатів виявлення цих об'єктів на знімках, використався параметр , уведений у попередньому розділі для кількісної оцінки контрастної чутливості приладу.

     Експерименти проводилися при певній напрузі на рентгенівській трубці – 70 кв, різних експозиційних дозах, і у двох граничних температурних режимах: при кімнатній температурі ( ) і в робочому режимі, коли ПЗС охолоджений нижче нуля градусів. При експериментах використався алюмінієвий фільтр товщиною 20 мм, і вимірялася експозиційна доза в приймача рентгенівського випромінювання. Як об'єкти використалися алюмінієві кружки різних розмірів.

     По отриманих знімках визначався середній сигнал по зображенню , сигнал за об'єктом , а також дисперсія сигналу . Використовувані тест-об'єкти мали певні розміри, тобто їхнє зображення займало певну кількість пикселій . Ці величини дозволяли, за допомогою (9), для кожного з об'єктів обчислювати величину , що визначає розрізнення даного об'єкта при тих або інших умовах експерименту.

     В якості першого результату було отримано граничне значення параметра , при якому об'єкт виявлявся видимим безперечно, тобто коли можна було безпомилково визначати не тільки місце розташування об'єкта, але і його форму. При значеннях величини , як місце розташування, так і форма об'єкта визначається однозначно навіть у випадку, коли спостерігачі споконвічно не знають, де перебуває об'єкт.

     При зменшенні зображення об'єкта втрачає форму, але місце розташування ще вдається визначити, якщо при цьому спостерігач знає, якого приблизно розміру об'єкт він повинен знайти. У міру наближення до граничного значення , реальний об'єкт губиться серед артефактів (помилкових об'єктів). У цьому випадку, у принципі, можна затверджувати, що об'єкт видний на зображенні. Однак, це можливо тільки у випадку, коли споконвічно відомо його точне місце розташування. Форма об'єкта при цьому взагалі не розпізнається, а розмір угадується з великою помилкою.

     Таким чином, як граничне значення розрізнення об'єкта при обробці експериментів ми вибирали значення (а не ). Використання отриманих нами раніше співвідношень (9), (3) і (6) дозволяє одержати загальне співвідношення, що зв'язує параметр розрізнення об'єкта заданого контрасту й розміру при відомій експозиції (яка визначає середнє значення на зображенні ) і температурі ПЗС (від якої залежать шуми ПЗС ) :

 ,                                    (11)

де – діаметр кружка.

     Це співвідношення дає теоретичне обґрунтування отриманим у цій роботі результатам і пояснює спостережувані на експерименті явища.

6. Аналіз проведених експериментів

     На першому етапі експериментів досліджувалося розрізнення певного об'єкта при заданій експозиції залежно від температури. Було показано, що зниження температури ПЗС приводить до зниження шумів і, як наслідок, до поліпшення розрізнення малоконтрастних об'єктів. На мал. 1 показана залежність від експозиційної дози параметра розрізнення об'єкта із заданими контрастом (1 %) і розміру (кружок діаметром 20 мм, що відповідало розміру в 100 пикселов). Крапками представлені результати експериментальних вимірів, а лінії відповідають розрахункам по формулі (11). На цьому й всіх наступних малюнках лінії 1 відповідає розрахунку, а білі крапки - експериментальним даним для охолоджуваного ПЗС, а лінії 2 і чорні крапки - для неохолоджуваного.

     Ріст кривих на мал. 1 відображає добре відомий факт поліпшення розрізнення слабоконтрастных об'єктів при збільшенні дози. У теж час істотна відмінність кривій 1, що відповідає охолодженому ПЗС, від кривій 2, що відповідає не охолодженому приладу свідчить про значний вплив охолодження на розрізнення об'єкта. Так, наприклад, якщо у випадку теплого ПЗС при дозі 1,5 мР об'єкт погано розрізнимо ( ), те на охолодженому приладі той же об'єкт безперечно виявляється: .

     На другому етапі досліджувався вплив охолодження на залежність розрізнення об'єкта від його розмірів і контрасту при постійній дозі. На мал. 2 показані залежності параметра розрізнення об'єкта від добутку контрасту на діаметр при постійній дозі в 1 мР для охолодженого приладу (крива 1) і неохолодженого приладу (крива 2). Там же нанесені експериментальні крапки. З малюнка видно, що охолодження ПЗС приводить як до більших значень параметра розрізнення , так і до зміни нахилу досліджуваної залежності. Із цього треба, що охолоджуваний ПЗС дозволяє не тільки детектировать об'єкти меншого контрасту й (або) розміру, але й краще розрізняти друг від друга об'єкти близького контрасту. Це властивість фактично приводить до збільшення динамічного діапазону приладу.

     На третьому етапі перевірялося поліпшення розрізнення об'єктів при охолодженні ПЗС, у випадку однакових експозицій. Тобто перевірялося, наскільки меншим буде контраст і (або) розміри цілком помітного об'єкта у випадку охолодженого ПЗС у порівнянні з неохолодженим. На мал.3 представлена залежність контрасту об'єкта, що надійно виявляється, як функція його розміру при постійній дозі для випадку охолоджуваної (крива 1) і неохолоджуваної (крива 2) ПЗС.

     З малюнка видно, що у випадку охолоджуваної матриці при заданому контрасті розпізнаються більше маленькі об'єкти, тому що крива 1 лежить практично у два рази ближче до вертикальної осі. Крім того, при заданому розмірі об'єкта вдається розпізнати менш контрастні об'єкти. Це видно з того, що крива 1 лежить практично у два рази нижче, ніж крива 2.

     Четвертий етап був найбільш важливим у змісті можливості зниження експозиційної дози при збереженні розрізнення об'єктів за рахунок охолодження. Основне питання було наступним: наскільки можна зменшити експозиційну дозу за рахунок охолодження ПЗС, щоб при цьому не погіршилося розрізнення об'єктів заданого розміру й контрасту.

     На мал.4 показана залежність дози, необхідної для забезпечення безумовної видимості об'єкта від його контрасту при заданих розмірах об'єкта. З малюнка видно, що крива 1, що відповідає охолодженому ПЗС, лежить завжди нижче в три рази, чим крива 2, що відповідає неохолодженому ПЗС. Це значить, що для забезпечення безумовного розпізнавання об'єкта у випадку охолодження потрібні в три рази менші дози, чим для випадку неохолоджуваної ПЗС.

     Помітимо також, що у випадку охолодження ПЗС поліпшення граничного контрасту системи було досягнуто без погіршення інших характеристик приладу, як це могло бути, наприклад, у випадку застосування об'єктивів з більшою світлосилою або застосування ПЗС із більшим розміром пикселя, використання яких приводить до погіршення частотно-контрастної характеристики приладу.

7. Висновки

     У роботі проведені експериментальні й теоретичні дослідження для обґрунтування необхідності охолодження приладів із зарядовим зв'язком, що дозволяє поліпшити характеристики рентгенівського зображення.

     Теоретичний аналіз всіх етапів перетворення сигналу від рентгенівських квантів до оцифрюваного сигналу на комп'ютері, дозволив одержати співвідношення (11), що визначає кількісний параметр якості системи візуалізації рентгенівського зображення. Задовільна відповідність цього співвідношення й результатів експериментів дозволяє надалі використати вираження (11) при проектуванні нових схем візуалізації.

     У результаті проведених експериментів і розрахунків було показано, що об'єкти певного контрасту й розміру нерозрізнені на зображенні у випадку відсутності охолодження стають помітними при тій же дозі, якщо ПЗС прохолоджується. Більше того, об'єкти заданого контрасту й розміру при охолодженні ПЗС стають помітними при більше низьких дозах, чим у випадку відсутності охолодження.

     Проведені в роботі експерименти показали, що охолодження ПЗС матриць у системах візуалізації рентгенівського зображення дозволяє зменшити радіаційне навантаження на пацієнта, не погіршуючи при цьому діагностичні властивості системи, а також поліпшити параметри системи, спостережувані при певній експозиційній дозі.

     Таким чином, отримані результати однозначно вказують на необхідність охолодження кристалів ПЗС - матриць у розглянутій схемі візуалізації рентгенівського зображення.

Покажчик використаної літератури

1. Недавній О. И., Удод В. А. // Дефектоскопія. - 2001. - № 8. - С. 62 – 82.

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

3. ДЕРЖСТАНДАРТ 26141-84 «Підсилювачі рентгенівського зображення медичних рентгенівських апаратів. Загальні технічні вимоги. Методи випробувань».

4. Млинців Н. Н., Мазуров А. И. // Мед. техніка. - 1999. -  N 5. - С. 3 – 10.

5. Млинців Н. Н., Мазуров А. И. // Мед. техніка. - 1999. - № 5. - С. 3 – 6.

6. Кантер Б. М. // Мед. техніка. - 1999. - № 5. - С. 10 - 13.

7. Млинців Н. Н., Козловский Э. Б., Лузін С. И., Первов А. Ю., Сонин А. Ф., Шахраїв И. Г., Батьківщин В. И. // Мед. техніка. - 1999. - № 5. – С. 24 – 26.

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

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

10. Роуз А. Зір людини й електронний зір. - 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. // У сб. Quality Assurance and Patient Radiation Protection in Diagnostic Radiology. - Berlin. - 1996.

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

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

15. H.Gfirtner // У 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. Рогів

OOO “Лабораторія рентгенівської медичної техніки”, м. Харків, Україна

1. Введення

     Комп'ютерні безплівкові рентгенівські апарати в цей час уже не є фантастикою, і зараз навіть можна говорити про масове  впровадження цифрової рентгенівської техніки в медицину. Більше того, сьогодні існує безліч всіляких підходів при створенні цифрових систем візуалізації рентгенівського зображення, докладно описаних у літературі [1, 11].

     Ця робота присвячена дослідженню однієї із широко використовуваних схем системи візуалізації рентгенівського зображення: люмінесцентний екран - оптична система - матриця світлочутливого приладу із зарядовим зв'язком (ПЗС) - підсилювач - аналого-цифровий перетворювач. Охолодження ПЗС, що є одним з ланок у ланцюзі перетворення сигналу, повинне приводити до збільшення відносин сигнал/шум на підсумковому зображенні, а, отже, поліпшувати діагностичні властивості системи візуалізації по виявленню патологій на пацієнті без підвищення променевого навантаження. Метою цієї роботи є проведення експериментальних і теоретичних досліджень для обґрунтування необхідності охолодження приладів із зарядовим зв'язком, що дозволяє поліпшити характеристики рентгенівського зображення.

2. Формування корисного сигналу

     Корисним сигналом на вході в досліджуваній системі є кількість рентгенівських - квантів, що потрапили за час експозиції на елемент зображення (пиксел) вхідного люмінісцентного екрана:

                                                                  .                            (1)

Для дисперсії вхідного сигналу, що являє собою дисперсію числа -квантів , у припущенні пуассоновской статистики, приймемо:

                                                       .                        (2)

     Після перетворення зареєстрованого рентгенівського сигналу досліджуваною системою ми одержуємо результуючий оцифрюваний сигнал на кожному пикселе .

     Цей сигнал уже має свої статистичні характеристики: середнім значенням і дисперсією . Причому співвідношення між цими величинами не є таким простим, як у вхідного сигналу (2). Справа в тому, що кожний щабель перетворення сигналу вносить додаткові шуми й у підсумку співвідношення дисперсії й середнього виглядає в такий спосіб:

                                                  .                                (3)

      Тут величина відповідає власним шумам приладу із зарядовим зв'язком, а число виявляється більше одиниці й пов'язане із квантовою ефективністю детектирования приладу [2]. Чисельне значення цієї величини в основному визначається попередніми щаблями перетворення сигналу й, тому, задається схемою системи візуалізації.

       Власні шуми ПЗС, як видно з (3) сильно впливають на якість зображення при малих сигналах, і, тому питання про зменшення цих шумів виявляється  таким актуальним.

3. Природа шумів Пзс-матрицы

     У сформований корисний сигнал Пзс-матрицей вноситься цілий ряд додаткових перекручувань. До них ставиться, насамперед, темновой заряд (спонтанна генерація электрон-дірочних пара в пикселе, як у режимі нагромадження, так і в режимі переносу), температурна залежність, якого визначається в такий спосіб:

                  ,                                  (4)

де

                          ;                                  (5)

 – початкова температура; – зміна температури, при якому темновой заряд подвоюється; – темновой заряд, сгенерированный у пикселі під час переносу;  – темновой струм під час нагромадження сигналу.

     Крім того, помітний внесок дають і шуми перетворюючої ланки, що формує аналоговий сигнал як функцію числа утворених електронів. Цей шум – шум зчитування вихідним пристроєм – визначається конструкцією приладу

     З обліком (4) внесок у дисперсію, внесений ПЗС у корисний сигнал дорівнює:

                                              .                        (6)

     Середнє значення сигналу на зображенні, і певна в (3) дисперсія вихідного сигналу повністю визначають статистичні характеристики досліджуваної системи.

4. Контрастна чутливість як об'єктивний параметр якості системи візуалізації.

      Здатність систем візуалізації розрізняти об'єкти заданого розміру й малого контрасту завжди була однієї з якісних порівняльних характеристик різних пристроїв. Ця характеристика використалася в перших аналогових телевізійних системах, при визначенні якості підсилювачів рентгенівського зображення [3], і використається зараз, наприклад, при визначенні контрастної чутливості цифрових систем візуалізації рентгенівського зображення [4-8] і [12, 13, 14].

      У роботі [9] був запропонований об'єктивний варіант методу визначення контрастної чутливості приладу, що вводився в такий спосіб:

      Припустимо, що на зображенні перебуває об'єкт, що відрізняється від тла, певного розміру. Візьмемо, випливаючи [15], як корисний сигнал  відмінність середнього сигналу , обчисленого по пикселям, які займає об'єкт ( ), від середнього , обчисленого по іншому зображенню:

                                                         .                            (7)

      Якщо ми припустимо, що зоровий апарат людини, намагаючись знайти на зображенні об'єкти заданого розміру, усредняет сигнал від поруч лежачих пикселей і співвідносить всьому об'єкту сигнал , то дисперсія розподілу значень величини  по можливих сукупностях колективів по поруч лежачих пикселей буде дорівнювати:

                                                        .                        (8)

   Природним тепер є введення відносини сигнал/шум для цього конкретного об'єкта в такий спосіб:

     ,                         (9)

де   – контраст об'єкта.

      Як відомо ([10], [16]), ця величина дозволяє визначати можливість виявлення заданого об'єкта зоровим апаратом людини. Причому для цієї величини були зроблені оцінки [16] і проведені експерименти [15], з яких випливало, що як критичне значення, що визначає поріг розрізнення об'єкта, можна взяти величину

                                                .                    (10)

Тут ми ввели позначення , використане в роботах [5] – [7].

      За допомогою співвідношення (9) можна обчислити величину , що забезпечує конкретний прилад при певній дозі, заданому радіаційному контрасті й розмірі тест-об'єкта. Потім, з порівняння знайденої величини із критичним значенням або з такими ж величинами, обчисленими для інших приладів, судити про якість приладу. Таким чином, величина , яку можна назвати «розрізнення граничного контрасту», фактично є порівняльною характеристикою систем візуалізації рентгенівського випромінювання, причому об'єктивною й кількісною характеристикою.

      У цій роботі ми будемо використати параметр у якості об'єктивного кількісного параметра якості рентгенівського зображення.

5. Методика експерименту

     Основною метою цієї роботи було експериментальне визначення залежності контрастної чутливості приладу від температури, при якій перебував кристал ПЗС. В експериментах використався тест-об'єкт, що представляє собою набір об'єктів з послідовно мінливими толщинами й розмірами. При цьому для виключення суб'єктивності результатів виявлення цих об'єктів на знімках, використався параметр , уведений у попередньому розділі для кількісної оцінки контрастної чутливості приладу.

     Експерименти проводилися при певній напрузі на рентгенівській трубці – 70 кв, різних експозиційних дозах, і у двох граничних температурних режимах: при кімнатній температурі ( ) і в робочому режимі, коли ПЗС охолоджений нижче нуля градусів. При експериментах використався алюмінієвий фільтр товщиною 20 мм, і вимірялася експозиційна доза в приймача рентгенівського випромінювання. Як об'єкти використалися алюмінієві кружки різних розмірів.

     По отриманих знімках визначався середній сигнал по зображенню , сигнал за об'єктом , а також дисперсія сигналу . Використовувані тест-об'єкти мали певні розміри, тобто їхнє зображення займало певну кількість пикселій . Ці величини дозволяли, за допомогою (9), для кожного з об'єктів обчислювати величину , що визначає розрізнення даного об'єкта при тих або інших умовах експерименту.

     В якості першого результату було отримано граничне значення параметра , при якому об'єкт виявлявся видимим безперечно, тобто коли можна було безпомилково визначати не тільки місце розташування об'єкта, але і його форму. При значеннях величини , як місце розташування, так і форма об'єкта визначається однозначно навіть у випадку, коли спостерігачі споконвічно не знають, де перебуває об'єкт.

     При зменшенні зображення об'єкта втрачає форму, але місце розташування ще вдається визначити, якщо при цьому спостерігач знає, якого приблизно розміру об'єкт він повинен знайти. У міру наближення до граничного значення , реальний об'єкт губиться серед артефактів (помилкових об'єктів). У цьому випадку, у принципі, можна затверджувати, що об'єкт видний на зображенні. Однак, це можливо тільки у випадку, коли споконвічно відомо його точне місце розташування. Форма об'єкта при цьому взагалі не розпізнається, а розмір угадується з великою помилкою.

     Таким чином, як граничне значення розрізнення об'єкта при обробці експериментів ми вибирали значення (а не ). Використання отриманих нами раніше співвідношень (9), (3) і (6) дозволяє одержати загальне співвідношення, що зв'язує параметр розрізнення об'єкта заданого контрасту й розміру при відомій експозиції (яка визначає середнє значення на зображенні ) і температурі ПЗС (від якої залежать шуми ПЗС ) :

 ,                                    (11)

де – діаметр кружка.

     Це співвідношення дає теоретичне обґрунтування отриманим у цій роботі результатам і пояснює спостережувані на експерименті явища.

6. Аналіз проведених експериментів

     На першому етапі експериментів досліджувалося розрізнення певного об'єкта при заданій експозиції залежно від температури. Було показано, що зниження температури ПЗС приводить до зниження шумів і, як наслідок, до поліпшення розрізнення малоконтрастних об'єктів. На мал. 1 показана залежність від експозиційної дози параметра розрізнення об'єкта із заданими контрастом (1 %) і розміру (кружок діаметром 20 мм, що відповідало розміру в 100 пикселов). Крапками представлені результати експериментальних вимірів, а лінії відповідають розрахункам по формулі (11). На цьому й всіх наступних малюнках лінії 1 відповідає розрахунку, а білі крапки - експериментальним даним для охолоджуваного ПЗС, а лінії 2 і чорні крапки - для неохолоджуваного.

     Ріст кривих на мал. 1 відображає добре відомий факт поліпшення розрізнення слабоконтрастных об'єктів при збільшенні дози. У теж час істотна відмінність кривій 1, що відповідає охолодженому ПЗС, від кривій 2, що відповідає не охолодженому приладу свідчить про значний вплив охолодження на розрізнення об'єкта. Так, наприклад, якщо у випадку теплого ПЗС при дозі 1,5 мР об'єкт погано розрізнимо ( ), те на охолодженому приладі той же об'єкт безперечно виявляється: .

     На другому етапі досліджувався вплив охолодження на залежність розрізнення об'єкта від його розмірів і контрасту при постійній дозі. На мал. 2 показані залежності параметра розрізнення об'єкта від добутку контрасту на діаметр при постійній дозі в 1 мР для охолодженого приладу (крива 1) і неохолодженого приладу (крива 2). Там же нанесені експериментальні крапки. З малюнка видно, що охолодження ПЗС приводить як до більших значень параметра розрізнення , так і до зміни нахилу досліджуваної залежності. Із цього треба, що охолоджуваний ПЗС дозволяє не тільки детектировать об'єкти меншого контрасту й (або) розміру, але й краще розрізняти друг від друга об'єкти близького контрасту. Це властивість фактично приводить до збільшення динамічного діапазону приладу.

     На третьому етапі перевірялося поліпшення розрізнення об'єктів при охолодженні ПЗС, у випадку однакових експозицій. Тобто перевірялося, наскільки меншим буде контраст і (або) розміри цілком помітного об'єкта у випадку охолодженого ПЗС у порівнянні з неохолодженим. На мал.3 представлена залежність контрасту об'єкта, що надійно виявляється, як функція його розміру при постійній дозі для випадку охолоджуваної (крива 1) і неохолоджуваної (крива 2) ПЗС.

     З малюнка видно, що у випадку охолоджуваної матриці при заданому контрасті розпізнаються більше маленькі об'єкти, тому що крива 1 лежить практично у два рази ближче до вертикальної осі. Крім того, при заданому розмірі об'єкта вдається розпізнати менш контрастні об'єкти. Це видно з того, що крива 1 лежить практично у два рази нижче, ніж крива 2.

     Четвертий етап був найбільш важливим у змісті можливості зниження експозиційної дози при збереженні розрізнення об'єктів за рахунок охолодження. Основне питання було наступним: наскільки можна зменшити експозиційну дозу за рахунок охолодження ПЗС, щоб при цьому не погіршилося розрізнення об'єктів заданого розміру й контрасту.

     На мал.4 показана залежність дози, необхідної для забезпечення безумовної видимості об'єкта від його контрасту при заданих розмірах об'єкта. З малюнка видно, що крива 1, що відповідає охолодженому ПЗС, лежить завжди нижче в три рази, чим крива 2, що відповідає неохолодженому ПЗС. Це значить, що для забезпечення безумовного розпізнавання об'єкта у випадку охолодження потрібні в три рази менші дози, чим для випадку неохолоджуваної ПЗС.

     Помітимо також, що у випадку охолодження ПЗС поліпшення граничного контрасту системи було досягнуто без погіршення інших характеристик приладу, як це могло бути, наприклад, у випадку застосування об'єктивів з більшою світлосилою або застосування ПЗС із більшим розміром пикселя, використання яких приводить до погіршення частотно-контрастної характеристики приладу.

7. Висновки

     У роботі проведені експериментальні й теоретичні дослідження для обґрунтування необхідності охолодження приладів із зарядовим зв'язком, що дозволяє поліпшити характеристики рентгенівського зображення.

     Теоретичний аналіз всіх етапів перетворення сигналу від рентгенівських квантів до оцифрюваного сигналу на комп'ютері, дозволив одержати співвідношення (11), що визначає кількісний параметр якості системи візуалізації рентгенівського зображення. Задовільна відповідність цього співвідношення й результатів експериментів дозволяє надалі використати вираження (11) при проектуванні нових схем візуалізації.

     У результаті проведених експериментів і розрахунків було показано, що об'єкти певного контрасту й розміру нерозрізнені на зображенні у випадку відсутності охолодження стають помітними при тій же дозі, якщо ПЗС прохолоджується. Більше того, об'єкти заданого контрасту й розміру при охолодженні ПЗС стають помітними при більше низьких дозах, чим у випадку відсутності охолодження.

     Проведені в роботі експерименти показали, що охолодження ПЗС матриць у системах візуалізації рентгенівського зображення дозволяє зменшити радіаційне навантаження на пацієнта, не погіршуючи при цьому діагностичні властивості системи, а також поліпшити параметри системи, спостережувані при певній експозиційній дозі.

     Таким чином, отримані результати однозначно вказують на необхідність охолодження кристалів ПЗС - матриць у розглянутій схемі візуалізації рентгенівського зображення.

Покажчик використаної літератури

1. Недавній О. И., Удод В. А. // Дефектоскопія. - 2001. - № 8. - С. 62 – 82.

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

3. ДЕРЖСТАНДАРТ 26141-84 «Підсилювачі рентгенівського зображення медичних рентгенівських апаратів. Загальні технічні вимоги. Методи випробувань».

4. Млинців Н. Н., Мазуров А. И. // Мед. техніка. - 1999. -  N 5. - С. 3 – 10.

5. Млинців Н. Н., Мазуров А. И. // Мед. техніка. - 1999. - № 5. - С. 3 – 6.

6. Кантер Б. М. // Мед. техніка. - 1999. - № 5. - С. 10 - 13.

7. Млинців Н. Н., Козловский Э. Б., Лузін С. И., Первов А. Ю., Сонин А. Ф., Шахраїв И. Г., Батьківщин В. И. // Мед. техніка. - 1999. - № 5. – С. 24 – 26.

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

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

10. Роуз А. Зір людини й електронний зір. - 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. // У сб. Quality Assurance and Patient Radiation Protection in Diagnostic Radiology. - Berlin. - 1996.

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

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

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

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