Работа с изображением в рентгеновской компьютерной томографии и контроль его качества
Результаты исследования в компьютерной томографии представляются в виде распределения величины линейного коэффициента ослабления рентгеновского излучения по исследуемому сечению. Поэтому полутоновое изображение является удобным способом представления полученной информации, а субъективная визуальная оценка изображения может быть проконтролирована врачом-диагностом с помощью точных и объективных данных, которые можно использовать для дальнейшего анализа.
Объем информации, содержащейся в томограмме, при прочих равных условиях примерно в 100–1000 раз больше, чем в обычной рентгенограмме. Для того чтобы диагност смог воспользоваться этой информацией в полном объеме, разработаны различные программы дисплейной обработки изображения. Пользуясь программами дисплейной обработки изображения, исследователь может проводить его анализ, выполняя следующие операции, предусмотренные в каждом компьютерном томографе.
Изменение уровня центра окна единичными шагами от –1000 до :+1000 и изменение ширины окна от 1 до 2000. Окном называют определенную часть полного диапазона значений коэффициента ослабления в единицах Н, которой соответствует перепад величины яркости экрана полутонового дисплея от белого до черного. Таким образом, всегда можно выбрать окно так, чтобы подробно рассматривать структуру Интересующих нас тканей с определенной рентгеновской плотностью. Все остальные ткани, значения плотностей которых не попадают в окно, будут выглядеть на экране либо черными либо белыми, независимо от реальных значений рентгеновских плотностей. Изменяя центр и ширину окна, можно подробнейшим образом исследовать структуру любых тканей с рентгеновскими плотностями, лежащими в диапазоне от –1000 до +1000 единиц Н.
Выбор области интереса и ее количественная оценка
Оператор-исследователь может выбрать область интереса произвольной либо определенной формы (например, круга) любого интересующего размера, начиная от точки (элемента изображения или, как его называют, пиксела – picture element) до всего изображения объекта, с помощью светового или электронного (маркера) пера. При этом на экране дисплея высвечивается следующая информация, относящаяся к области интереса – среднее значение рентгеновской плотности внутри области интереса, стандартное отклонение для этого среднего по области интереса, количество элементов изображения (пикселов) внутри области интереса.
Такая информация дает возможность находить области с плотностью, отличающейся от плотности окружающей ткани, неразличимые визуально на экране дисплея. При этом величины стандартных отклонений внутри двух сравниваемых областей характеризуют достоверность найденного различия или совпадения средних значений рентгеновской плотности внутри каждой из областей, если число пикселов достаточно велико для проведения статистического анализа. Наиболее любознательный исследователь имеет возможность вывести на экран дисплея или распечатать значения рентгеновской плотности для каждого из пикселов, входящих в область интереса.
Изменение масштаба изображения любой области интереса по крайней мере в 4 раза для более подробного исследования структуры объекта.
Наложение на изображение координатной сетки для визуальной оценки геометрических размеров интересующей области.
Вычитание друг из друга двух изображений одного слоя, например, с введением контрастных веществ и без них.
Построение профиля распределения рентгеновской плотности между двумя выбранными на изображении точками и вывод его на экран дисплея.
Построение гистограммы распределения вероятностей отклонений от среднего значения измеряемой величины в области интереса.
Расчет и воспроизведение фронтального или сагиттального срезов по совокупности поперечных срезов.
Применение перечисленных программ дисплейной обработка позволит извлечь из полученного изображения всю необходимую исследователю информацию.
Контроль качества изображения
Помимо умения извлечь нужную информацию из изображения, необходимо уметь оценить достоверность этой информации, т. е. осуществлять контроль качества изображения. Для контроля качества изображения к настоящему времени используется ряд общепринятых методик и соответствующих тест-объектов.
Хотя эти методы и средства контроля еще далеки от совершенства и разработка унифицированных методов продолжается, однако уже с помощью существующих можно оценить качество изображения, получаемого на данном компьютерном томографе, и проводить сравнение между собой различных томографов по их диагностическим возможностям. Основными характеристиками, проверяемыми при проведении контроля качества изображений томографа, являются: шум изображения, однородность изображения гомогенного фантома, плотностное разрешение, пространственное разрешение, полный диапазон и линейность шкалы плотностей, толщина исследуемого слоя, уровень артефактов, доза за исследование. При приемочных и периодических испытаниях, а также при проведении регламентных работ необходимо количественно измерять эти характеристики. При проведении ежедневного контроля качества изображения достаточно визуально оценивать изображение соответствующего тест-объекта.
Шум изображения – измеряется с помощью гомогенного фантома диаметром не менее 20 см, заполняющим материалом которого может быть вода или однородное вещество, отличающееся по плотности от воды не более чем на 2–3%. Характеристикой шума изображения служит стандартное отклонение от среднего значения М, полученное для любой выбранной области внутри однородного фантома, при условии, что эта область содержит достаточное количество элементов изображения (пикселов) для достоверной статистической оценки. При измерении суммарного шума изображения стандартное отклонение определяется для всей области однородности фантома. При этом не разделяются высокочастотная составляющая шума, обусловленная статистической природой излучения и низкочастотная составляющая, связанная с нестабильностью характеристик самого томографа за время сканирования. Наличие низкочастотной составляющей приводит к корреляции шума в различных точках изображения. Степень корреляции шума изображения однородного фантома можно оценить следующим образом. Если шум на томограмме имеет нормальное распределение с нулевым средним, то, измеряя среднее значение М и стандартное отклонение о в n областях, каждая из которых содержит достаточное число пикселов, и затем вычисляя стандартное отклонение ат для n средних, мы должны получить известное соотношение.
Значение отношения Snm, полученное непосредственным измерением, к Sm, вычисленному по величинам S и n, характеризует степень корреляции шумов. Если это отношение меньше 2, то можно считать что шумы коррелированы слабо. Визуально оценить, коррелирован ли шум изображения, исследователь может, выделив область интереса, увеличив масштаб не менее чем в 4 раза, установив центр окна на уровень среднего и ширину окна на величину нескольких стандартных отклонений. Если изображение области интереса будет состоять из светлых и темных участков, каждый из которых содержит несколько пикселов (более 10), то шум коррелирован. Наличие коррелированных шумов снижает достоверность диагноза, хотя они в области интереса могут быть невелики (если область интереса находится только на светлом или только на темном участке).
Неоднородность изображения однородного фантома
Контроль этой характеристики сводится к определению М, усредненного по достаточно большому количеству пикселов в разных областях однородного фантома и последующему сравнению этих средних. Оценить неоднородность изображения можно путем наблюдения на экране дисплея профилей однородного фантома, полученных по разным направлениям.
Если в томографе плохо скомпенсирован «ход с жесткостью», то профиль имеет характерную особенность, он «провисает». Наличие послесвечения при использовании сцинтилляционных детекторов дает протяженную переходящую область у границы перепада контраста (границы вода–оболочка, фантом–воздух). Неоднородность изображений однородной среды может привести к серьезным ошибкам в диагнозе.
Плотностное разрешение
Этот параметр характеризует возможность различать области определенного размера на окружающем их фоне, когда контраст между этими областями и фоном невелик.
Одним из возможных вариантов определения плотностного разрешения является построение кривой контраст–размер (рис. 70). Однако выбор методики для определения этой кривой представляет большую сложность. Это связано с тем, что такая методика должна включать критерии обнаружения объекта на фоне шума. При этом критерии обнаружения должны быть объективными, поддаваться полной формализации и не требовать вмешательства исследователя. Такие критерии обнаружения могут быть получены при условии, что шум изображения нормально распределен, т. е. отсутствуют коррелированные шумы и артефакты. Если эти условия не выполняются, то выбор объективных критериев обнаружения крайне затруднен. Учитывая наличие в современных томографах дисплейной обработки, включающей изменение ширины и уровня окна, субъективные методы обнаружения могут приближаться и даже превосходить объективные методы. Поэтому в большинстве случаев зависимость контраст–размер определяется с помощью фантома, в котором на фоне однородного вещества расположены наборы вставок различного размера и контраста. В качестве однородного фона, как правило, используется пластмасса, а вставки – это отверстия в пластмассе, заполненные раствором, близким по контрасту к фону. Критерием для определения характерной точки на кривой «контраст–размер» является: «видно» или «не видно» данное отверстие на фоне однородного материала. В качестве объективных критериев используется метод экспертных оценок. Трудностью возникающей при определении плотностного разрешения, является также зависимость контраста между вставкой и фоном от эффективной энергии рентгеновского излучения, что приводит к трудностям при паспортизации вставки и необходимости калибровки фантома для данной модели томографа и каждого значения анодного напряжения. Эту проблему удалось решить применяя вставки из полистирола, легированного различными добавками, на фоне чистого полистирола [39]. При этом контраст в диапазоне анодных напряжений 80–130 кВ (эффективных энергий 60–80 кэВ) оказался практически неизмененным.
Рис. 70. Зависимость «контраст – размер» определения плотностного и пространственного разрешения
Пространственное разрешение
Этот параметр характеризует возможность обнаруживать области небольшого размера, имеющие высокий контраст с окружающим их фоном. В основном пространственное разрешение определяется геометрией пучка рентгеновского излучения, его регистрацией и выбором вида фильтрующей функции при реконструкции.
Есть несколько путей определения пространственного разрешения. Один из них – определение ширины на полувысоте (FWHM) гистограммы изображения «точки» тонкой высококонтрастной вставки приведен на рис. 71, а.
Рис. 71. Определение пространственного разрешения по ширине на полувысоте (FWHM) гистограммы изображения «точки» (а) и по зависимости глубины пространственной модуляции от пространственной частоты (б).
Фантомом служит тонкая металлическая проволока диаметром существенно меньше, чем размер пиксела, помещенная в однородную среду, например воду или оргстекло. Второй способ– построение функции передачи пространственной модуляции (MTF). При этом характеристикой пространственного разрешения (рис. 71, б) может служить либо граничное значение пространственной частоты Vmax, при которой глубина пространственной модуляции равна нулю, либо частота Vo, при которой глубина пространственной модуляции равна 10%, т. е. достаточна для разрешения на телевизионном экране. Фантом при этом представляет собой (рис. 72, а) диск из оргстекла с отверстиями, заполненными водой или воздухом, диаметром Ф с центрами, лежащими на одной прямой с расстоянием между центрами 2Ф. Пространственная частота для данного ряда У=(2Ф)-1. Ассимптота кривой контраст–размер (см. рис. 70) также дает возможность характеризовать пространственное раз. решение. Визуальная оценка пространственного разрешения производится с помощью фантома рис. 72, б определением ряда, отверстия в котором еще разрешаются визуально на томограмме.
Рис. 72. Томограммы фантомов для определения пространственного разрешения
Линейность и полный диапазон шкалы плотностей
Этот параметр показывает, насколько линейна зависимость между рентгеновской плотностью в единицах Н и линейным коэффициентом ослабления в диапазоне плотностей от –1000 Н до + 1000 Н, при этом воздуху соответствует значение –1000 Н, воде 0 Н, кости или ее эквиваленту по плотности в фантоме + 1000 Н.
Эта характеристика измеряется с помощью водного фантома с помещенными в воду вставками различной плотности, паспортизованными в единицах Н. Как правило, материалом вставок являются фторопласт (+1000 Н), оргстекло ( + 120 Н), полиэтилен (–20 Н).
Уровень артефактов
Артефакты – искажения изображения, проявляющиеся в появлении в реконструированном изображении различного типа структур, не содержащихся в исследуемом объекте. Причины возникновения артефактов различны. Например, к появлению артефактов приводит: движение пациента во время сканирования; изменение эффективной энергии излучения по мере прохождения излучения через исследуемый объект («ход с жесткостью»); изменение чувствительности детектора между двумя калибровками.
Условно можно выделить три группы артефактов. Первая группа обусловлена перемещением пациента или его органов во время сканирования. Эти артефакты возникают при исследовании пациента.
Ко второй группе относятся артефакты, возникающие за счет плохой компенсации хода с жесткостью, из-за наличия коррелированных шумов, связанных с нестабильностью характеристик томографа. Артефакты, относящиеся ко второй группе, обнаруживаются при контроле качества изображения с помощью однородного фантома и проявляются в виде неоднородностей на фоне однородного материала. Оценивается уровень этих артефактов количественно так же, как неоднородность изображения однородного фантома.
Артефакты, относящиеся к третьей группе, обнаруживаются с помощью однородного фантома со вставками, сильно отличающимися по плотности от материала фантома. Эти артефакты возникают на границе областей с большим перепадом плотности. Характеризовать уровень этих артефактов можно размерами переходной области с искаженными значениями плотности на границе перепада плотностей и величиной искажений плотности.
Толщина исследуемого слоя определяется либо по количеству высоко контрастных меток, либо по размерам изображения высококонтрастной (например, алюминиевой) тонкой полоски, расположенной под углом в 45° к плоскости сканирования.
Для определения расстояния между двумя соседними слоями изображения, полученные в результате двух последовательных сканирований, складывают.
Доза за исследование
В компьютерной томографии дозовая нагрузка на пациента очень локальна, так как при сканировании облучается узкий слой толщиной от 1 до 15 мм.
Локализация излучения обеспечивает невысокую интегральную поглощенную дозу и, следовательно, органы, не подвергающиеся исследованию, практически не облучаются. Однако рассеянное излучение, обусловленное взаимодействием рентгеновского излучения с тканями тела, создает распределение дозы перпендикулярно плоскости сканирования, приводя к наложению дозовых профилей в результате последовательного сканирования нескольких рядом расположенных слоев.
Для различных томографов увеличение дозы за счет сканирования смежных слоев колеблется от 1,2 до 2 раз. Как правило доза, получаемая пациентом за исследование, определяется в 4 точках на поверхности дозиметрического тканеэквивалентного фантома и в одной точке в центре этого фантома, в режиме с максимальными допустимыми значениями мАс и кВ для данного томографа. В качестве детектора используют ионизационную камеру или термолюминесцентные детекторы LiF.
Дозовая нагрузка и качество изображения
Принципиальным ограничением повышения качества изображения в компьютерной рентгеновской томографии является шум изображения, обусловленный статической природой рентгеновского излучения. Среднее число регистрируемых фотонов рентгеновского излучения в единицу времени iN является случайной величиной со стандартным отклонением, равным 1/yN. Для того чтобы уменьшить шум изображения, необходимо увеличить число рентгеновских фотонов N, а следовательно и дозовую нагрузку на пациента. Бруксом получена следующая формула, связывающая стандартное отклонение S – характеристику шума изображения и максимальную поверхностную дозу на слой D.
На рис. 73, а, б, в, г приведены зависимости, иллюстрирующие связь между шумом и дозой, толщиной слоя, размерами объекта, размерами пиксела.
Рис. 73. Зависимость между шумом, характеризуемым относительным стандартным отклонением и параметрами, влияющими на качество изображения. а – диаметром объекта; б – толщиной слоя; в – размерами пиксела; г – поверхностной дозой.
Для получения приемлемого качества изображения необходимо взаимно варьировать дозовую нагрузку на пациента, толщину слоя, размеры пиксела в зависимости от размеров пациента.
