Вообще говоря, цифровая рентгенографическая система будет иметь разрешение ниже, чем система «экран-пленка», однако при условии согласования размеров матрицы изображения и приемника в зависимости от области медицинского применения указанное обстоятельство не будет существенным. Матрицы изображения 512´512 элементов может быть вполне достаточно для целей цифровой флюороскопии, тогда как система рентгеноскопии грудной клетки может потребовать матрицы с числом элементов 1024´1024 при размерах элемента изображения около 0,4 мм [400мм:1024]. Для маммографических обследований необходима матрица из 2048´2048 элементов с размером элемента 0,1 мм [200мм:2048].
Число градаций в изображении будет также зависеть от медицинского назначения. Аналого-цифрового преобразователя на 8 бит (2 =256 уровней серой шкалы), 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 (2№є =1024 уровней серой шкалы, точность 0,1%). Человеческий глаз при хорошем освещении может обнаружить различия в контрастности около 2%.
7
Линейная сканирующая система с газонаполненным детектором
( многопроволочная пропорциональная камера – МППК)
В системе получения рентгеновского изображения обычно используют твердотельные приемники, позволяющие достичь высокого коэффициента поглощения рентгеновского излучения. При использовании камер, наполненных газом, высокой эффективности достигают путем подбора газа с высоким порядковым номером, с высоким давлением и работой в режиме пропорционального счета. Инертные газы ксенон и криптон имеют больший выход ионов, но фреон при достаточном выходе значительно дешевле.
Детектор состоит из области дрейфа и области регистрации и помещен в капсулу высокого давления с тонким входным окном.Проникающие через окно кванты взаимодействуют с атомами газа (90% ксенона Xe и 10% метана при давлении 3-5 атм.), а возникающие при ионизации заряженные частицы дрейфуют в область регистрации под действием электрического поля напряженностью 1кВ·см−¹. В области регистрации нахлдятся три параллельных слоя из проволочек, причем два на наружных (катода) находятся под нулевым потенциалом, а средний (внутренний) слой находится под высоким положительным потенциалом (анод). Лавина заряженных частиц регистрируется слоями проволочек, причем оба проволочных катода с ориентированными перпендикулярно друг другу рядами проволочек обеспечивают пространственную локализацию точки регистрации.
Пространственное разрешение составляет до 0,5 мм.
Полупроводниковые матричные детекторы рентгеновского излучения
Детекторы на основе кремниевых и германиевых полупроводников характеризуются высоким разрешением по энергии. Для образования в них электрон-дырочной пары необходима энергия, равная всего лишь нескольким электрон-вольтам; при полном насыщении полупроводник начинает функционировать наподобие твердотельной ионизационной камеры и имеет весьма высокую эффективность при детектировании каждой электрон-дырочной пары. При этом в высокочистом германии (при температуре жидкого азота) и в кремнии (при комнатной температуре) можно добиться разрешения по энергии приблизительно 600 эВ несколько килоэлектронвольт соответственно.
Последние разработки позволили создать координатно-чувствительные кремниевые детекторы с пространственным разрешением 2,5 лн/мм [разрешение 0,2 мм].
Четкость на практике определяется пространственным разрешением, которое сообщает сколько деталей или линий (л/мм) можно различить; например в 1мм (единица измерения лп/мм). Обычно используют следующие величины:
20 лп/мм (пленка);
10 лп/мм (нормальная комбинация экран-пленка);
1-2 лп/мм (УРИ-ТВ, магнитная камера);
1 лп/мм ( КТ или УЗ устройство);
0,5 лп/мм (гамма-камера).
Получение цифровых изображений
Формирование цифрового изображения осуществляется оцифровкой анализируемого параметра (интенсивности свечения экрана, величины тока детектора и т.п.) в процессе регистрации. Реже оцифровка производится с уже записанных в аналоговой форме изображений, т.е. с твердых копий изображения объекта, например с рентгенограмм. В первом случае говорят об интерактивной (взаимодействующей) обработке информации, во втором – об ................ (отделенной от тверди). Несомненно, интерактивный способ предпочтителен, т.к. любое предшествующее формирование изображение ведет к утрате части первоначальной информации вследствие несовершенства приемного устройства ( в нашем примере малой динамической широты рентгеновской пленки).
Поскольку сам принцип растрового характера изображения в первом и втором случае идентичен, то рассмотрим для наглядности процесс оцифровки аналогового изображения – рентгенограммы (рис.1АД). Если уровень затемненности вдоль проходящей поперек аналогового изображения линии измерять денситометром, как на рис.1А, то результатом
8
будет кривая линия. Если полученную кривую разделить на равные части, для каждой части можно рассчитать среднюю плотность и поставить соответствующее числовое значение. Средние плотности показаны на рис. 1В, а соответствующие числовые значения – на рис. 1С. После того как вся поверхность рентгенограммы будет разбита на линии и измерена денситометром, аналоговое изображение можно преобразовать в так называемое цифровое (дигитальное) изображение (рис. 2С), представляющее собой матрицу (двухмерную карту) цифровых величин.
Расстояние между линиями и размер формирующих каждую линию равных частей определяют разрешение цифрового изображения. Четырехугольник с высотой, равной расстоянию между двумя линиями, и шириной, равной одному шагу вдоль линии, называют элементом изображения, или пикселом (сокращение от picture element). Каждый пиксел имеет в матрице свои пространственные координаты (ряд и колонку), аналогичные расположенному в теле пациента соответствующего ему элементарному объему, который называется воксел (volume element). Таким образом, пациент состоит из вокселов, а цифровое изображение – из пикселов.
Цифровое изображение по своей природе адаптировано к компьютерной технике. В ней информация о параметрах выражается в цифровой, двоичной, бинарной (от лат. binarius – двойной) системе. Бинарную единицу называют бит (bit [bit] кусочек). Бит имеет только два значения – ноль и единица, что отражает наличие электрического сигнала в системе только в двух состояниях: «есть-нет» или двух состояниях напряжения: «высокое-низкое».
Вся информация в двоичной цифровой системе кодируется комбинацией нулей и единиц. При переводе цифр десятичной системы счисления, которой мы пользуемся в двоичную систему, которая применяется в ЭВМ, т.е. в систему, в которой каждое число выражается при помощи лишь двух цифр 0 и 1, потребуется большое количество разрядов (цифромест). Так на рис. 1Д представлено 16 уровней затемненности. В двоичной цифровой системе это может быть передано четырьмя битами, четырьмя знакоместами, комбинацией четырех знаков из нулей и единиц, т.е. основанием два в четвертой степени (2 =2·2·2·2=16).
Восемь бит (двоичных единиц) используется как единица количества информации и носит название байт (от англ. byte [bait] кусок). В большинстве случаев байт формирует один символ (букву, цифру, специальный символ, включая все знаки клавиатуры с которой вводится информация оператором). Применительно к рассматриваемой задаче – передача уровней затемненности, 8-битный пиксел (байтная система формирования пиксела) передает 2 =256 вариантов оттенков, т.е. уровней серой шкалы в диапазоне между черным и белым.
Аналого-цифровое преобразование
Информация об изображении, передаваемая электронными или оптическими средствами в пределах радиологической установки, радиологического отделения или между различными отделами, посылается в аналоговой форме посредством электрического тока или оптического сигнала различной интенсивности, подобно изображенному на рис. 1А. Изображение может также передаваться в виде показанных на рис. 1Д цифровых сигналов.
Поскольку цифровые сигналы имеют бинарный характер, т.е. состоят из отдельных энергетических состояний, их называют пошаговыми, прерывными (дискретными) в отличии от постоянно изменяющихся, аналоговых, непрерывных.
Преобразование сигналов в цифровую форму происходит в аналого-цифровом преобразователе (АЦП). Чтобы представить передаваемую цифровую информацию на мониторе, т.е. преобразовать цифровой сигнал в аналоговый, необходим цифро-аналоговый преобразователь (ЦАП).
Таким образом, в АЦП происходит кодирование аналогового сигнала изображения в череду цифр для создания цифрового образа изображения. ЦАП осуществляет декодирование, превращение цифрового образа в аналоговый, видимое на дисплее или на твердой копии – отпечатке.
Все медицинские изображения в лучевой диагностике могут существовать в двух вариантах: 1) в нефиксированном виде – на экране дисплея, на магнитных носителях (лентах, жестких дисках, оптических дисках, компакт-дисках, дискетах); 2) в виде твердых копий – отпечатков на бумаге, термобумаге, фотобумаге, поляроидной фотобумаге, а также
9
рентгеновской пленке. На рентгеновскую пленку электронные изображения записываются с помощью лазерных печатающих устройств (принтеров).