 |
Области применения и преимущества цифровых систем.
|
|
|
|
Сфера применения цифровой рентгенографии в последующем будет расширяться, она постепенно будет замещать обычную рентгенографию. Это определяется рядом особенностей и преимуществ дигитальной радиологии:
1. Дигитальная рентгенография не требует дорогостоящей рентгеновской пленки и фотопроцесса. Она отличается быстродействием.
2. Возможность снижения лучевой нагрузки на пациента. Если в обычной рентгенологии доза облучения зависит от чувсвительности приемника изображения и динамического диапазона пленки, то в цифровой рентгенографии оба эти показателя могут оказаться несущественными. Снижения дозы можно достичь установкой экспозиции, при которой поддерживается требуемый уровень шума в изображении. Так при цифровой флюороскопии детальное изучение морфологических признаков возможно на стоп-кадре, а функциональных – на кинофлюорограммах в процессе самого исследования. Так, например, созданное фирмой «Сименс» устройство «Политрон» с матрицей 1024´1024 позволяет добиться отношения «сигнал-шум», равного 6000:1. Это обеспечивает выполнение не только рентгенографии, но и рентгеноскопии с высоким качеством изображения.
3. Увеличение информационного содержания материала. По пространственному разрешению цифровое изображение хуже обычного аналогового рентгеновского изображения. Это компенсируется природой цифровой технологии и заложенным в ней потенциалом.
3.1.В настоящее время изучаются методы интерактивной интерпретации и автоматического анализа изображений. Цель – увеличение точности диагностики (рис.5).
|
|
|
3.2.Улучшение разрешения по контрастности с помощью варьирования шкалы контрастности на мониторе. При цифровой рентгенографии для соотношения
11
цифрового значения каждого пиксела с тем или иным оттенком серого в воспроизводимом изображении используются специальные таблицы воспроизведения (рис. 8-5). Таблица переводит цифровые значения серой шкалы в показатели плотности или яркость свечения электронно-лучевой трубки или лазерного принтера. Это улучшает просмотр изображения на мониторе или распечатку его на выходном устройстве (лазерном принтере). Изменение ширины «окна» меняет контрастность окончательного изображения, а изменение уровня «окна» - его яркость. Рассмотрим использование уровня (яркости) и ширины «окна» (контрастности) в процессе оценки на мониторе КТ- или МР-изображений (рис. 4 A-F).
3.3.Наиболее важным применением цифровой обработки является, по-видимому, субтракционный метод визуализации (вычитание изображений). Рентгенолог может не заметить мелких деталей в изображении, которые система отображает, или пропустить слабоконтрастную структуру, видимую на фоне шумов изображения, из-за сложного строения окружающих (или сверхлежащих) тканей. Субтракционный метод в рентгенографии позволяет устранить большую часть паразитарной фоновой структуры и тем самым увеличить вероятность выявления важных деталей на рентгенограмме. Метод цифровой (дигитальной) субтракционной ангиографии (ЦСА) успешно используется для визуализации кровеносных сосудов после внутривенного или внутриартериального введения рентгеноконтрастного вещества. Изображение представляющей интерес области получают до введения контрастного вещества и используют как маску для вычитания из изображений, показывающих прохождение контрастного вещества по кровеносным сосудам. То есть снимок до инъекции фотографически конвертируется таким образом, что черное становится белым и наоборот, а затем совмещается со снимком после инъекции, в результате чего наблюдается только сосудистая система. Безусловно, данную процедуру быстрее и проще осуществлять электронным путем, используя компьютер. Целые последовательности кинокадров фона могут вычитаться из движущихся, заполненных контрастным веществом структур, таких как коронарные артерии бьющегося сердца. Зачастую вычитание осуществляется в масштабе реального времени, в процессе записи инъекции контрастного вещества. Преимущество компьютеризации в том, что при легком смещении изображений до и после инъекции, вследствие движения, можно автоматически находить оптимальную для вычитания ориентацию этих изображений. Компьютерную томографию можно рассматривать как частный случай метода субтракционной рентгенографии, в котором из обычных проекционных изображений устраняется информация о вышележащих структурах. Другим примером субтракционного метода является двухэнергетическая рентгеногрфия, в которой два изображения получают на различных длинах волн рентгеновского излучения. Затем можно получить раздельные изображения мягких тканей и костей.
|
|
|
3.4.Манипуляции с изображением:
а) инверсия изображения;
б) увеличение изображения или отдельного фрагмента;
в) усиление контуров;
г) выравнивание контрастности;
д) радиологические измерения: расстояния, углов, площадей.
Возможности осуществления математических операций с цифровыми изображениями в большей или меньшей степени неограниченны. Выравнивание контрастности объясняется необходимостью оценки в равной степени структур, расположенных как в очень темных, так и в очень светлых областях первоначального изображения.
|
|
|
Используемые для операций с изображениями методы математически основываются на перерасчете каждого пиксела, базируясь на значениях окружающих пикселов.
12
4. Архивирование цифровых изображений.
Достижения компьютерной техники сделали возможным хранить большое количество цифровых изображений, даже если для этого необходимы большие объемы памяти. Цифровое изображение можно записывать на магнитном или оптическом диске или магнитной ленте. Для уменьшения требуемых размеров хранилищ цифровые изображения обычно сжимают. Появление цифровых систем изображения предоставляет новые возможности управления изображениями и информацией. Например, значительно облегчается, по сравнению с традиционными архивами рентгенограмм, хранение и извлечение диагностических изображений из электронного архива (на оптических дисках). Значительно снижается и возможность утери или неправильного размещения конкретного изображения. Более того, один и тот же снимок может одновременно просматриваться в различных подразделениях больницы, значительно облегчается консультирование снимков.
5. Отделение цифровой радиологии. Отделение цифровой радиологии, использующее только цифровые изображения и мониторы, должно обладать разветвленной или кольцевой сетью, соединяющей все задействованные функциональные элементы. Такими элементами являются: 1) системы получения изображений; 2) рабочие станции для обработки изображений; 3) архивы; 4) централизованная или децентрализованная компьютерная система.
|
|
|
6. Система Передачи и Хранения Изображений (СПХИ). Picture Archiving and Communication System (PACS). Цифровое изображение можно передавать по электронным цепям, используя компьютерные сети. Подобная компьютерная система хранения и обработки изображений носит название СПХИ. В случае полностью разработанных систем СПХИ диагностические конференции, обсуждения случаев проводятся по изображениям на экране, а не по снимкам. В переходный период аналоговые снимки и выводимые на экраны изображения часто сосуществуют, и оба варианта могут использоваться во время обсуждений.
7. Телерадиология. Цифровые системы позволяют также передавать изображения на дальние расстояния, в частности из удаленных медицинских учреждений первичного звена в центральные. Новейшие телерадиологические системы подключаются к архивам, видеокамере или к лазерному дигитайзеру, который переводит аналоговое изображение в цифровую форму и записывает в отдельную телерадиологическую память. Такая способность передавать изображение в любое место, куда это необходимо, делает дигитальные системы особенно привлекательными.
Словарь
Аналогия (греч. analogia – соответствие, сходство) сходство предметов (явлений, процессов) в каких-либо свойствах.
Апостериорный (apo (прист.) отделение от чего-нибудь, удаление, отставание, прекращение) sterina – orum, u/pl, stereos – твердый).
Байт (от англ. byte [bait] кусок) единица количества информации из 8 бит.
Бит (англ. bit, от binary – двоичный и digit – знак), то же, что двоичная единица.
13
Дефлектор (от лат. deflecto – отклоняю, отвожу) устройство для отклонения светового пучка.
Дискретность (от лат. discretus – разделенный, прерывистый) прерывность противопоставляется непрерывности. Дискретное изменение какой-либо величины во времени – изменение, происходящее через некоторые промежутки времени (скачками).
|
|
|
Дисплей (от англ. display – показывать – воспроизводить) устройство визуального отображения информации (в виде текста, таблиц, чертежа и др.) на экране электронно-лучевого прибора.
Инвариантность (от лат. invarians – неизменяющийся), неизменность к.-л. величины при изменении физ. условий или по отношению к некоторым преобразованиям.
Инерция, инертность (от лат. iners, род.п. inertis – бездеятельный). В механике свойство тела сохранять состояние равномерного прямолинейного движения или покоя.
Интерактивный (от лат. interaction – взаимодействие) находящийся во взаимодействии.
Коммутация (от лат. commutatio –перемена) электрических цепей, процесс переключения электрических соединений в устройствах автоматики.
Ксенон (греч. xenos – чужой) инертный газ, открытый как примесь к криптону. Ат № 54. Ат. м. 131,29. Криптон (греч. kryptos – скрытый, в связи с трудностью получения) Ат. № 36. Ат. м. 83,80. Плотность 3,745 г/л. Аргон (греч. argos – недеятельный). Плотность 1,784 г/л, ат. № 18, ат. м. 39,95. Состав воздуха: азот 78%, кислород 21%, инертные газы 0,94%, углекислый газ 0,03%.
Люминесценция (от лат. lumen, род.п. luminis – свет и escent – суффикс, означающий слабое действие), свечение некоторых веществ, избыточное..... их тепловым излучением при данной температуре и возбуждение каким-либо источником энергии (возникает под действием света, радиоактивного и рентгеновского излучения, электрического поля при химических реакциях и механических воздействиях). По механизму различают резонансную, спонтанную, вынужденную и рекомбинац. Л., по длительности – флюоресценцию (кратковременную Л.) и фосфоресценцию (длительную Л.).
Люминофоры являются эффективными преобразователями различных видов радиации с перепадом энергии квантов от 0,1 до 10 эВ и выше в электромагнитное излучение с энергией фотонов 2-3 эВ. Энергия, запасенная в люминофоре при его возбуждении, может затем высвечиваться в течение примерно 10 - 10 с, т.е. длительность свечения колеблется от долей миллисекунд до года. 1 год=31 586 000 сек.=3٠10 сек.
Модуляция (лат. module – мера, modulatio – мерность, размерность) – изменение по заданному закону во времени величин, характеризующих какой-либо регулярный физический процесс.
Монитор (от лат. monitor – напоминающий, надзирающий) видеоконтрольное устройство.
Планарная технология (от англ. planar – плоский) – нанесение тонкой диэлектрической пленки на повехность полупроводника (Si,Ge,Ga,As); удаление способом фотографии или электролитографии определенных участков этой пленки; введение в кристалл через незащищенные пленкой участки донорных или акцепторных примесей (легирование). В результате этих операций в кристалле образуются области с электронно-дырочными переходами.
Полупроводники, вещества электропроводность которых при комнатной температуре имеет промежуточное значение между электропроводностью металлов (10 -10 Ом см) и диэлектриков (10 -10 Ом см). Характерная особенность П. – возрастание электропроводности с ростом температуры; на нее влияют и другие воздействия: свет, сильное электрическое поле, потоки быстрых частиц. Высокая чувствительность электропроводности к содержанию примесей и дефектов в кристаллах также характерна для П. Носителями тока в полупроводниках являются электроны проводимости и дырки (носители положит. Заряда). В идеальных кристаллах они появляются всегда парами, так что концентрации обоих типов носителей равны. В реальных кристаллах содержание примеси и дефекты структуры равенства концентрации электронов и дырок может нарушаться и проводимость осуществляется практически только одним типом носителей.
Полупроводниковые приборы служат для генерирования, усиления и преобразования электрических колебаний. Полупроводниковые интегральные схемы – электронные устройства в виде единого блока (пластины) из Si, Ge и др. на котором методом планарной
14
технологии образованы зоны, выполняющие функции активных и пассивных элементов (диодов, транзисторов, резисторов, конденсаторов и др.).
Режим реального времени – динамический режим. Используется в тех случаях, когда требуется непрерывное управление процессом сбора диагностической информации. В более общем смысле слова означает, что пользователь не ощущает задержки между командой и результатом ее выполнения.
РЭОП – рентгеновский электронно-оптический преобразователь. Состоит из вакуумной колбы с люминесцентным экраном на каждом из ее концов, фотокатода и электронно-оптической системы. Входное окно колбы должно иметь высокое пропускание для рентгеновского излучения. В усилителе фирмы «Сименс» применено алюминиевое окно с пропусканием 92%. После прохождения через входное окно рентгеновские фотоны бомбардируют поверхность флюоресцентного экрана, располагающегося на внутренней поверхности окна. Диаметр входного экрана ограничивает поле зрения усилителя и обычно составляет 12,5 – 35 см и даже 57 см. Входной экран на основе йодида цезия обеспечивает выход до 2000 фотонов на один поглощенный рентгеновский квант.
Возникающий световой образ на входном флюоресцентном экране превращается в фотокатоде в поток электронов. Эффективность фотокатода составляет около 0,1, так что на один поглощенный рентгеновский квант приходится примерно 200 фотоэлектронов. Под действием электрического ускоряющего поля с разницей потенциалов примерно 25 кВ энергия электронов возрастает в несколько тысяч раз. Фокусирующие электроды предназначены для уменьшения размера изображения.
Диаметр выходного люминесцентного экрана анода обычно равен 2,5 см. Это уменьшение изображения, связанное с ускорением электронов, гарантирует увеличение яркости (свечения) первичного изображения примерно в 5000 раз.
Счисление (нумерация) способ выражения и обозначения чисел. В системах С. некоторое число n единиц (например, десять) объединяется в одну единицу 2-го разряда (десяток), то же число единиц 2-го разряда объединяется в единицу 3-го разряда (сотню) и т.д. Число n называют основанием системы С., а знаки употребляемые для обозначения количеств единиц каждого разряда, - цифрами. Наиболее употребительная система С. – десятичная, с цифрами 0,1,2,3,4,5,6,7,8,9. В Др. Вавилоне была распространена шестидесятеричная система, следы которой сохранились в делении часа и градуса на 60 мин. и минуты на 60с. В ЭВМ применяется двоичная система С., в которой каждое число выражается при помощи двух цифр 0 и 1.
Телевизионная камера преобразует световое изображение в электрический видеосигнал. Видеосигнал с камеры по кабелю поступает в блок видеоканала, в котором происходит усиление видеосигнала и замешивание в него строчных и кадровых синхронизирующих импульсов для формирования полного видеосигнала. Из блока канала сигнал по кабелю передается на основное и выносное видеоканальное устройство (ВКУ).
РЭОП – первичный преобразователь, ТК – вторичный преобразователь. В качестве ТК используют фотоэлектрические приборы (ФЭП) с внутренним фотоэффектом (видикон, плюмбикон), матричные преобразователи на базе приборов переноса заряда (ППЗ)(кремникон), усилители света (УС) и др.
В настоящее время наибольшее распространение получили ФЭП с внутренним фотоэффектом – видикон и его модификации – плюмбикон (видикон с окисло-свинцовой мишенью (ОСН)).
Видикон (от лат. video – вижу и греч. eikon – изображение) передающая телевизионная камера с фотопроводящей мишенью на основе трехсернистой сурьмы, имеющей значительный темновой ток, гамма-контраст 0,7. Под действием света от объекта передачи на мишени образуется распределение зарядов (потенциальный рельеф), соответствующее изображению объекта. Считывание заряда с мишени осуществляется электронным пучком, управляемым магн. и электростатич. полями. Обладает малым быстродействием. Последнее свойство полезно при получении изображений неподвижных органов но неприемлимо при кардиологических исследованиях. Применяется в установках промышленного телевидения.
Плюмбикон (от лат. plumbum – свинец и греч. eikon – изображение) передающая телевизионная камера мишень которой представляет собой слой оксида свинца, нанесенный на прозрачную пленку диоксида олова. Используется главным образом в системах цветного телевидения. ОСМ – фотопроводник в виде полупроводникового p-n
15
перехода с весьма малым темновым током, поэтому гамма контраста близка к <1, а инерционность незначительна, так что плюмбиконы пригодны для визуализации движущихся органов.
Описание полупроводниковой мишени. Со стороны сигнальной пластины формируется прослойка полупроводника с проводимостью n-типа, далее следует слой чистой окиси свинца толщиной 12-20 мкм (окислосвинцовая мишень, ОСМ, обладающая светочувствительностью), затем слой полупроводника с проводимостью p-типа. Основное поглощение света происходит в слое окиси свинца, представляющем собой упорядоченную игольчатую структуру кристаллов размером 0,1´3´0,05 мкм, которые расположены перпендикулярно поверхности планшайбы.
Формирование потенциального рельефа происходит на поверхности слоя полупроводника с проводимостью p-типа, обращенного к остальной части телекамеры, предназначенной для формирования и отклонения коммутирующего электронного пучка. Выходной сигнал снимается с нагрузочного резистора Rh, включенного в цепь сигнальной пластины. Размер изображения на мишени 9,5´12,7 мм² при диаметре колбы 26,7 мм. При освещенности мишени 1 лк величина тока сигнала составляет около 0,05 мкА. Разрешающая способность 600 линий/мм.
Кремникон относится к фотоэлектронным приборам с полупроводниковой светочувствительной мишенью. Отличие его состоит в способе формирования потенциального рельефа. Мишень кремникона является дискретной – она представляет собой матрицу фотодиодов, изготовленных методом планарной технологии (фотолитографии). Матрица фотодиодов сформирована на стороне диска, обращенной к электронному лучу. В качестве мишени кремникона используется легированный полупроводник. Основой мишени является диск из монокристалла кремния с проводимостью n-типа, диаметр диска около 20 мкм, тольщина 150 мкм. На одной из поверхностей диска выращивается оксидная пленка SiO толщиной 15-20 мкм. В пленке методом фотолитографии создается матрица отверстий около 8 мкм, а путем диффузии вещества, имеющего p-проводимость, сформированная матрица преобразуется в мозаику дискретных p-n-переходов.
Матричные фотоэлектрические преобразователи.
Полным аналогом телевизионной передающей трубки являются матричные фотоэлектрические преобразователи
В конце 60-х годов нашего столетия появились твердотельные фотоэлектрические приборы (ФЭП) – приборы с переносом заряда (ППЗ). Они нашли широкое применение в электронике как устройства памяти, обработки цифровой и аналоговой информации, в качестве преобразователей изображений, в частности в эндоскопии.
Основой любого преобразователя на базе ППЗ является конденсатор со структурой металл-окисел-полупроводник (МОП-конденсатор), который является элементом, способным хранить информационные пакеты зарядов, сформированные под воздействием света или путем инжекции через p-n-переход. Цепочки из МОП-конденсаторов, связанных особым образом друг с другом, обладает способностью передавать зарядовые пакеты под воздействием управляющих напряжений от одного элемента структуры к другому до выхода, где зарядовые пакеты преобразуются в потенциал или ток.
Непосредственными предшественниками преобразователей на ППЗ-структурах явились матричные фотодиодные преобразователи с координатной выборкой сигналов изображения. В таких приборах считывание сигналов с отдельных элементов матрицы производится с помощью сдвиговых регистров.
Предельные характеристики ФЭП с координатной выборкой ограничиваются большой емкостью выводов сигналов изображения и неравномерностью чувствительности отдельных элементов матрицы. Удовлетворительные результаты удалось получить при 1024 элементах на линейных и при 100´100 элементов матричных ФЭП.
В ФЭП на ППЗ-структурах вывод сигналов изображения осуществляется, как правило, через один выход. Как и фотодиодные преобразователи ФЭП на ППЗ-структурах делятся на линейные и двумерные (матрицы). Линейные ФЭП содержат один ряд светочувствительных элементов, т.е. передают одну строку изображения. Для передачи двумерной картины линейный ФЭП перемещают относительно передаваемой сцены (сканируют объект). Матричные преобразователи являются полным аналогом передающей телевизионной трубки.
16
Активной ячейкой, осуществляющей преобразование светового потока в электрический заряд является МОП-конденсатор.
На рисунке показана такая ячейка, включающая в качестве основы подложку 1 из p-кремния. Путем термического окисления на ее поверхности формируется слой окисла 2, на который наносится металлический электрод 3. Если на электрод подать положительное напряжение V относительно подложки 1, то под действием электрического поля под электродом 3 будет образована
зона обеднения для основных носителей (указана пунктиром) – в рассматриваемом случае для дырок.
В образовавшейся потенциальной яме происходит накопление неосновных носителей заряда (в рассматриваемом случае – электронов). Эти заряды могут образовываться за счет фото- или термоэлектронной эмиссии. Распространение области потенциальной ямы вдоль границы раздела полупроводник-окисел ограничивается формированием областей полупроводника p-типа со степенью легирования на несколько порядков выше так называемых областей стоп-диффузии 4. В областях стоп-диффузии поверхностный потенциал на границе раздела окисел-кремний близок к нулю. Причем величина заряда, накопленного за дозированное время, оказывается пропорциональной освещенности.
Рассмотрим механизм считывания накопленных зарядов. Рассматриваемая строчка (рис.37) представляет собой трехфазную структуру, электроды которой соединены между собой через два. Потенциалы электродов изменяются с циклической последовательностью. Зарядовый пакет, который за время накопления формируется под электродом Э, после подачи на соседний электрод положительного потенциала будет перемещаться под электрод Э. Если потенциал Э будет уменьшен до исходного значения, то зарядовый пакет полностью переместится под электрод Э (рис 37). Аналогично зарядовый пакет может быть смещен под электрод Э и т.д. Во время переноса зарядовых пакетов вдоль структуры освещение прерывается. Элементу изображения соответствует ячейка из трех МОП-конденсаторов.
Быстродействие ППЗ-структур ограничивается временем переноса заряда от одной накопительной ячейки в другую, порядка нс. Поэтому максимальные тактовые частоты для ППЗ-структур составляют десятки-сотни МГц.
Линейные ФЭП могут быть скомпонованы в матрицу. Наибольшее распространение получили ППЗ-преобразователи с покадровым переносом (рис.38а). Секции накопления и хранения накопленной информации разделены. После завершения периода накопления в течение короткого времени (обратный ход по кадру) заряд переносится в секцию хранения; режим накопления возобновляется, а в это время в соответствии с принятыми параметрами разложения происходит считывание информации через регистр считывания.
В приборах с межстрочным переносом (рис.38б) столбца (1), в которых происходит накопление, располагаются параллельно со столбцами хранения зарядовых пакетов (2). Считывание происходит через регистр считывания (3), а переносом из столбцов накопления в столбцы хранения управляет затвор переноса (4).
|
|
|
