Цифровые системы обработки рентгеновского изображения

14.05.2019 3 комментария Наука и образование  1

В настоящее время в рентгенологии применяются несколько типов цифровых систем, это:

— CR система (Computed Radiography);

— CCD матрица (сокр. от англ. CCD, «Charge-Coupled Device») или PSA модули (Photo-diode Sensors Array/ Multi-CCD Detector Method);

— DR детектор (сокр. от англ. DR, «Digital Radiography»);

Каждая из этих систем и технологий имеет собственные достоинства и недостатки. Разберём их подробно.

I.

Работа CR системы (Computed Radiography) основана на фиксации пространственного рентгеновского изображения — запоминающими люминофорами. Приёмник изображения представляет собой гибкую пластину, покрытую люминофором с вынужденной люминесценцией, способной хранить поглощённую энергию падающего рентгеновского излучения в квазиустойчивом состоянии, а также излучать эту энергию в виде фотонов при облучении видимым светом или ИК-диапазона. Люминофор должен иметь высокий коэффициент поглощения рентгеновского излучения, а также большую световую отдачу на единицу поглощённой энергии.

Для быстрого считывания изображения постоянная времени люминофора должна быть менее 10мкс. Хорошо удовлетворяет этим требованиям фторид бария, активированный европием, который является основой для выпускаемых промышленностью приёмников с вынужденной люминесценцией.

Экран (пластина), покрытый запоминающим люминофором, внешне похож на обычный усиливающий экран. Скрытое изображение на таком экране способно сохраняться, в зависимости от вида люминофора, от нескольких минут до нескольких дней, прежде чем качество его упадёт ниже приемлемого уровня. Это скрытое изображение может быть считано с экрана сканирующей системой и воспроизведено электронно-лучевой трубкой.

Считывание скрытого изображения производится инфракрасным лазером, который стимулирует люминофор, и он отдаёт накопленную энергию в виде видимого света. Этот феномен называется фотостимулированной люминесценцией. Она, как и свечение обычных усиливающих экранов, пропорциональна числу рентгеновских фотонов, поглощённых запоминающим люминофором.

В процессе считывания высвобождается не вся накопленная экраном энергия. Чтобы полностью очистить люминесцентный экран от скрытого изображения, он подвергается в процессоре кратковременному интенсивному облучению видимым светом, после чего экран можно использовать повторно.

Процесс считывания изображения осуществляется сканирующим лазером, световой поток которого сканирует поверхность экрана в растровой последовательности, подобно электронному пучку телевизионного кинескопа. Лазерный пучок имеет размер пятна приблизительно 0,1 мм, поэтому разрешение в изображении достигает 5-10 элементов/мм. Возбуждаемый в люминофоре лазером свет из каждой точки экрана фокусируется и трансформируется в электрический сигнал с помощью специальной оптической системы и фотоумножителя. Перед фотоумножителем располагается фильтр, ослабляющий стимулированный свет, так как его интенсивность на несколько порядков выше, чем у света, эмитируемого обычным усиливающим экраном.

Фотоумножитель, обладающий широким динамическим диапазоном, конвертирует варьирующийся по интенсивности световой поток с экрана в изменяющийся электрический сигнал, который усиливается, измеряется и проходит через аналого-цифровой преобразователь, чтобы сформировать бинарную (цифровую) матрицу, отражающую яркостные показатели каждого пикселя. 12-битная система представляет эти показатели в диапазоне от 0 до 4095 (2№І = 4096). Сигнал, переведённый в цифровую форму, передаётся в процессор (буфер) изображения. Таблицы перекодировки процессора обеспечивают преобразование содержимого памяти изображения в требуемый диапазон яркости и контраста.

Основным звеном, связывающим обычные рентгеновские аппараты с CR комплексом, являются стандартного вида рентгеновские кассеты, содержащие специальные многоразовые фосфорсодержащие пластины. Рабочий процесс выглядит следующим образом: после сделанного обычным способом снимка пациента на кассету, последняя помещается в Дигитайзер, где из кассеты автоматически изымается или считывается пластина, изображение переводится в цифровой вид и отправляется на Рабочую станцию для компьютерной обработки, затем в Дигитайзере считанное с пластины изображение стирается, а кассета готова к следующему снимку.

II.

Работа приборов с зарядовой связью (ПЗС) (сокр. от англ. CCD, «Charge-Coupled Device») или PSA модуля (Photo-diode Sensors Array/ Multi-CCD Detector Method).

Принцип всех приборов с зарядной связью (ПЗС) основан на фотоэлектрическом эффекте — испускании электронов веществом под действием электромагнитных излучений (видимого света, инфракрасного, ультрафиолетового, рентгеновского излучений и других типов электромагнитных волн). Электроны, вылетающие из вещества при внешнем фотоэффекте, называются фотоэлектронами, а электрический ток, образуемый ими при упорядоченном движении во внешнем электрическом поле, называется фототоком.

ПЗС матрица (CCD) -специализированная аналоговая интегральная микросхема, состоящая из светочувствительных фотодиодов, выполненная на основе кремния, использующая технологию приборов с зарядовой связью (ПЗС). В оптическом блоке приёмника входящие рентгеновские лучи преобразуются усиливающим экраном в видимый свет, который одновременно накапливается в видео сенсорах.

Каждый из датчиков обрабатывает относительно маленькое поле обзора на усиливающем экране, что обеспечивает высокое разрешение изображения. Чем больше количество видео датчиков, установленных в оптический блок, тем выше пространственное разрешение диагностических изображений обеспечивается приёмником. Качество изображений может быть улучшено с помощью алгоритмов масштабирования, выбором интересующей области, настройкой яркости и контраста, инверсии цвета и т.д. Полученное с датчиков изображение непосредственно поступает на компьютер, обрабатывается и выводится на монитор в течении нескольких секунд.

III.

Принцип работы DR детектора (сокр. от англ. DR, «Digital Radiography»).

В настоящее время производство плоскопанельных DR детекторов развивается по двум технологиям: (Thin-film transistor) TFT и  (Complementary metal–oxide–semiconductor) (КМОП).

TFT основана на использовании разновидности полевого транзистора, при которой как металлические контакты, так и полупроводниковый канал проводимости изготавливаются в виде тонких плёнок (от 1/10 до 1/100 микрона).

CMOS технология производства светочувствительных матриц из полевых транзисторов с изолированными затворами и каналами разной проводимости.

Сравнительный анализ этих технологий показывает, что у каждой из них есть преимущества и недостатки. Например, TFT–фотоприемники более радиационностойкие и по этой технологии легче изготовить панели больших размеров. У CMOS -фотоприемников меньше аддитивные шумы, они позволяют обеспечить высокое быстродействие, что особенно важно в интервенционной рентгенологии. Важным преимуществом КМОП–фотопреобразователей является возможность выполнения цепей управления, усилителей и аналогово-цифровых преобразователей на том же кристалле. Однако как TFT, так и CMOS панели в режиме рентгеноскопии (при малых дозах на кадр) имеют низкое отношение сигнал/шум за счет аддитивных шумов. Это сильно снижает качество изображения. Этот недостаток имеют также панели прямого преобразования. Поэтому для исключения влияния на качество изображения аддитивных шумов ведутся интенсивные исследования по электронному усилению (умножению) сигнала изображения в полупроводниках.