Электронная субтракция изображений в интроскопии
При рентгенологических обследованиях врачом-рентгенологом решаются разные задачи. Например, при профилактических осмотрах врача интересует общая картина состояния внутренних органов человека. В этом случае перед разработчиками аппаратуры стоит задача формирования рентгеновского изображения, которое содержало бы максимум информации.
Исходя из расчетов максимального количества информации, содержащегося в кадре рентгенотелевизионной системы при стандарте разложения 25 Гц, 625 строк и экспериментов ряда авторов по определению пропускной способности зрительного анализатора [23, 41], время, необходимое для полного анализа одного кадра рентгенотелевизионного изображения, составляет 30–60 мин. На практике это время, как правило, значительно уменьшается за счет того, что врач-рентгенолог детально исследует не все поле изображения, а лишь диагностически важные участки. Причем уменьшение этого времени во многом определяется ранее накопленным опытом и квалификацией врача- рентгенолога.
Заметим, что в выражении (48) под Ср понимается пропускная способность зрительного анализатора по восприятию и распознаванию изображений, априорные данные о которых у наблюдателя отсутствуют. Врач-рентгенолог знает алфавит возможных изображений и поэтому скорость анализа более высокая.
В случае если общий визуальный анализ рентгеновского изображения не вызывает у врача подозрений о наличии патологии, обследование пациента на этом заканчивается. Таким, образом, задачей врача-рентгенолога в этом случае является обнаружение возможно ранней стадии патологических изменений, характер и местоположение которых заранее неизвестны.
Задачей другого рода, которая стоит перед врачом не менее часто, является обнаружение и диагностирование патологий, примерное расположение и характер которых заранее известны на основе ранее проведенных рентгеновских, радиоизотопных, ультразвуковых или иных обследований. Такие направленные рентгенологические исследования требуют от разработчиков аппаратуры реализации методов исследования, при которых диагностически важные области выделялись бы более отчетливо по отношению к общему полю изображения. Среди направленных способов рентгеновских исследований широко применяется ангиография, которая заключается в искусственном увеличении контраста интересующих врача участков кровеносной системы за счет введения в них контрастных (интенсивно поглощающих проникающее излучение) веществ.
Введение контрастного вещества в исследуемый сосуд улучшает условия рассматривания его, но не позволяет устранить окружающий фон – теневую картину костей и тканей, контраст которых может быть не меньше, чем у контрастируемого сосуда. Поэтому ангиография не избавляет рентгенолога от некоторой неопределенности при постановке диагноза, так как в ряде случаев остается затруднительным различение малоконтрастного диагностируемого органа на окружающем маскирующем фоне. Особенно остро стоит этот вопрос в церебральной ангиографии, где объектом исследования является сосудистая система мозга на насыщенном деталями контрастном фоне костной структуры черепа.
Устранение маскирующего фона может быть осуществлено при помощи вычитания (субтракции) рентгеновских изображений, полученных до и после введения контрастного вещества. При условии геометрической идентичности сравниваемых изображений происходит подавление участков изображений равной плотности, т. е. фона, а отличающиеся по плотности участки, т. е. контрастируемые органы предстают на ровном фоне. Устранение маскирующего фона приводит к уменьшению минимальных контрастов, различаемых зрительным анализатором с заданной вероятностью, а также и к сокращению времени анализа из-за снижения объема анализируемой информации.
Метод субтракции может оказаться полезным также и при исследовании динамики некоторых органов, зафиксированных на рентгенограммах. Субтракционное преобразование двух коронарных ангиограмм, полученных в момент систолы и диастолы, позволяет воспроизводить изображение, на котором отчет-
ливо представлены границы перемещения сердца и его сосудов.
В рентгенодиагностике до настоящего времени в ряде случаев применяется метод фотографической субтракции, впервые предложенный Z. Plantes [122]. Суть фотографической субстраткции сводится к следующему. До и после введения контрастного вещества при идентических геометрических и дозиметрических условиях изготовляются две рентгенограммы (негативы). С одной из них выполняется позитивная копия. После совмещения полученной копии со второй рентгенограммой в световом диапзоне волн получают отпечаток, который и представляет собой разностную (субтракционную) рентгенограмму.
Из перечисления операций, необходимых для получения субтракционной рентгенограммы, становится очевидным, что указанный способ обработки рентгенограмм отличается повышенной трудоемкостью, сложностью реализации и дороговизной. Для получения качественного субтракционного изображения необходимо иметь две исходные рентгенограммы, идентичные как по геометрии, так и по плотности. Последнее требование приводит к необходимости создания специализированных проявочных устройств [82].
В основе телевизионной субтракции лежат те же алгоритмические принципы, что и в фотографической. Наибольшее распространение получило Построение аппаратуры для электронной субтракции и коррекции рентгенограмм с применением 2 телевизионных камер на трубках типа видикон. Целесообразность выбора этого варианта определяется благоприятной возможностью обеспечения двух видов обработки рентгенограмм (субтракции и коррекции) с помощью единого комплекса аппаратуры.
Принцип работы двухкамерного телевизионного субтрактора рентгенограмм поясняет рис. 53. Переход от одного вида работы (субтракции) к другому (коррекции) осуществляется с использованием практически одного и того же состава оборудования. При этом изменяются лишь функции, выполняемые некоторыми узлами установки, что достигается изменением режимов работы этих узлов, а также вводится дополнительный усилитель записи.
Рис. 53. Устройство схем двухмерного телевизионного субтрактора (а) и пространственного корректора (б). 1 – ВКУ; 2 – блок формирования полного телевизионного сигнала; 3 – сумматор; 4, 5 – передающая телевизионная камера; 6 – усилитель записи; 7 – рентгенограмма; 8 – световой шкаф.
В режиме «субтракция» изображения двух равномерно подсвеченных рентгенограмм – одной основной и второй, полученной после введения контрастного вещества, – при помощи оптических систем проецируются на мишени видиконов передающих камер 4 и 5. После преобразования изображений рентгенограмм в электрические сигналы последние поступают на сумматор 2, где осуществляется их алгебраическое сложение. При этом совпадающие элементы («фон») взаимно вычитаются, а различающиеся элементы (полезный сигнал, несущий информацию о контрастированной части рентгенограммы) сохраняются и усиливаются. После формирования разностный сигнал поступает на вндеоконтрольное устройство, которое снабжено фотоприставкой. Заметим, что в этом случае достаточно просто осуществить и цветовое кодирование путем подачи разностного сигнала на один из электродов цветного ВКУ, а исходного сигнала – на другой.
В режиме «коррекция» (рис. 53, б) исследуемая рентгенограмма устанавливается перед камерой 4. Сигнал изображения, полученный от камеры 4, после соответствующего преобразования в усилителе записи б поступает на камеру 5, которая выполняет в этом случае роль фильтра верхних пространственных частот. Полоса пропускания фильтра может регулироваться путем изменения степени фокусировки считывающего пучка видикона. Сигнал изображения с подавленными низкочастотными составляющими от камеры 5 суммируется с задержанным исходным сигналом камеры 4, повышая в нем тем самым содержание высокочастотных составляющих. На изображении рентгенограммы это проявляется, как было рассмотрено в разделе 43 в виде увеличения контраста мелких деталей и подчеркивания контуров у крупных. На двухкамерном варианте построения аппаратуры основаны отечественные субтракторы «Муссон-МТ», УАР-1, УАР-2.
Внедрение в рентгенодиагностику электронных усилителей яркости и телевизионных систем, преобразующих теневое рентгеновское изображение в электрический сигнал, позволяет применить для запоминания рентгеновского изображения в процессе рентгеноскопии арсенал электронных средств. Возможность запоминания изображения с помощью электронных средств позволяет применить метод субтракции не только в рентгенографии, но и в телевизионной рентгеноскопии.
Среди устройств запоминания рентгенотелевизионного изображения можно выделить 3 основных класса: 1-й – регистрацию на магнитофонную пленку; к этому же классу можно отнести устройства с магнитной дисковой памятью; 2-й – устройства, осуществляющие дискретное преобразование аналогового сигнала изображения с последующей обработкой его в ячейках памяти ЭВМ (см. гл. 5, а также раздел 7.3); 3-й – устройства, основанные на применении запоминающих электронно-лучевых трубок (ЗЭЛТ).
Магнитофонный способ, обеспечивающий регистрацию как статических, так и динамических процессов, находит в настоящее время достаточно широкое применение в практической рентгенодиагностике. Недостатком такого способа регистрации является его сложность, ограниченный ресурс работы магнитофонной пленки, в ряде случаев низкое качество изображения. Кроме того, существующие видеомагнитофоны не способны осуществлять многокадровое накопление сигнала.
Перспективным представляется использование для запоминания рентгенотелевизионных изображений блоков памяти на основе систем памяти ЭВМ.
На рис. 54, а представлена блок-схема устройства, реализующая принцип «статической» субтракции в рентгеноскопии.
Рис. 54. Устройство «статического» (а) и динамического (б) субтракторов
Работа субтрактора заключается в следующем. Сразу же после введения контрастного вещества (до его появления в поле изображения) по команде с блока команд в блоке памяти 1 осуществляется запись изображения объекта исследования. После заполнения контрастным веществом исследуемого органа или его части по команде врача через блок команд подается сигнал на вторичную запись изображения, которая осуществляется в блоке памяти 2. Блоки памяти переводятся в режим синхронного считывания и после вычитания сигналов изображений разностный сигнал, несущий информацию лишь о контрастировавшем органе, поступает на ВКУ. Анализ полученного изображения может проводиться врачом при выключенном источнике проникающего излучения.
Приведенная на рис. 54, а схема субтрактора может быть использована также для регистрации перемещения подвижных внутренних органов человека. Команды на запись в блоки памяти 1 и 2 подаются при этом от биосинхронизаторов. Записав в блок памяти 1 изображение сердца, например, в систоле, а в блок памяти 2 – в диастоле, на разностном изображении получаем отчетливо выраженные области перемещения сердца, что облегчает в ряде случаев выявление патологий в его деятельности.
Получение динамического разностного изображения (динамическая субтракция) может быть осуществлено с помощью динамического субтрактора, упрощенная блок-схема которого представлена на рис. 54, б.
В блоке памяти осуществляется запись изображения исследуемого органа во время прохождения через него контрастного вещества или в одну из фаз его жизнедеятельности. Это изображение вычитается затем из динамического изображения, получаемого на выходе УРИ в процессе рентгеноскопии. Данное устройство облегчает -наблюдение и выделение подвижных органов, поскольку на разностном изображении эти органы предстают наиболее отчетливо.
Каждое из представленных устройств обеспечивает, запоминание изображения и, следовательно, возможность его анализа без дополнительного облучения пациента.
При запоминании подвижных рентгенотелевизионных изображений в устройствах памяти необходимо учитывать, что увеличение времени накопления наряду с уменьшением зашумленности изображения приводит к одновременному ухудшению его четкости и резкости. Поэтому для каждого конкретного случая существует допустимое время накопления. В табл. 7 представлены результаты расчета допустимого количества кадров накопления для некоторых конкретных скоростей перемещения объекта и мощностей доз на входе УРИ. Расчеты проводились на основании обобщенного мультипликативного критерия оценки качества рентгенотелевизионного изображения, построенного с учетом экспериментальных сенсорных характеристик рентгенолога [44].
Приведенные в табл. 7 данные показывают, что с ростом мощности дозы (отношения сигнал/шум) и скорости перемещения объекта количество кадров накопления должно быть уменьшено. При больших скоростях объекта (~ 40 мм/с) и высоких мощностях доз (100Н-200 мкР/с) только одноразовая запись изображения обеспечивает оптимальное качество изображения. Поэтому при записи изображения в блок памяти, как это делается и при съемке на рентгеновскую пленку, необходимо принимать меры, обеспечивающие минимальную подвижность пациента и его внутренних органов. При исследовании органов грудной клетки полезный эффект дает задержка дыхания. В случае коронарных и ангиографических исследований, когда объект исследования перемещается со скоростью свыше 40 мм/с, целесообразно применять только однокадровую запись изображения, т. е. запоминание в реальном времени, так как в противном случае наблюдается недопустимое падение резкости. Получение приемлемой зашумленности изображения обеспечивается в этом случае соответствующим выбором мощности дозы рентгеновского излучения и применением специальных методов цифровой фильтрации изображений.
