Телевизионные установки для анализа рентгенограмм
Первая советская телевизионная аппаратура для рассматривания медицинских рентгенограмм РТ-3 («Муссон-МТ») разработана в 1975 г. Она рассчитана на исследование рентгенограмм двумя методами – гармонизации и субтракции. В аппаратуре РТ-3, как и в большинстве других телевизионных устройств для обработки рентгенограмм [79, 81], высокочастотные составляющие спектра пространственных частот анализируемого изображения получаются на нагрузке передающей телевизионной трубки типа видикон при записи на мишень трубки четкого изображения расфокусированным электронным пучком. При суммировании усиленного выходного сигнала этой трубки с исходным видеосигналом получают сигнал смеси, в котором подчеркнуты мелкие детали и контуры. Степень коррекции высокочастотных составляющих спектра пространственных частот можно изменять расфокусировкой коммутирующего луча.
Результаты клинической эксплуатации аппаратуры РТ-3 (а также УАР-1 и УАР-2, о которых будет сказано в последующих разделах) в режиме гармонизации показали, что этот режим дает более четкое представление о тонкой структуре рентгеновских изображении грудной клетки, желудка, кости, которые плохо различимы при изучении их на негатоскопе. Особенно ценен режим гармонизации для анализа изменений губчатого и компактного вещества кости, а также томограмм.
Установка РТ-3 позволяет анализировать рентгенограммы размером от 70X70 мм до 350x350 мм при плотности от 0,4 до 2,0 с разрешающей способностью 600 строк. В режиме гармонизации глубина модуляции видеосигнала на отметке 400 линий телевизионной испытательной таблицы увеличивается в 1,5 раза. Погрешность совмещения снимков в режиме субтракции не превышает 0,3% от высоты изображения.
Серийно выпускаемая с 1979 г. телевизионная установка для анализа рентгенограмм УАР-1 по сравнению с РТ-3 имеет расширенные функциональные возможности. Кроме гармонизации и субтракции рентгеновских снимков, установка позволяет осуществить их цветовое контрастирование, а также оценивать геометрические параметры выделенных рентгенологом участков, что дает возможность использовать методики планиметрии и волюметрии. Кроме того, на установке УАР-1 из стереопар можно синтезировать объемные изображения.
При дешифрировании снимков рентгенолог получает смысловую информацию, изучая их структуру и текстуру. Поэтому любое перекодирование изображения к виду, удобному для анализа, допуская отбрасывание ненужных и подчеркивание существенных структурных и текстурных признаков, не должно вносить в изображение ложные структуры и текстуры. При амплитудном цветовом кодировании рентгенограмм к настоящему времени выявлены причины нарушения структурно-текстурных признаков исходного изображения.
Медицинские испытания УАР-1 показали, что использован аналогового раскрашивания рентгенограмм позволяет обнаруживать нарушения легочной вентиляции. При исследовании кос ной системы можно четко выделить контуры кортикального слоя и трабекулярную структуру (рис. 90, а, б). При исследовании ангиограмм почек более четко выделяются мелкие артериальные ветви.
Использование дискретного амплитудного цветового кодирования усиливает возможность объективного выявления однородных по оптической плотности зон на всем поле рентгенограммы, помогая врачу обнаружить такие ранние симптомы патологических изменений, как начальные очаги остеопороза и остеосклероза, различных форм региональной эмфиземы легких. Использование дискретного контрастирования оказалось эффективным при изучении оптической плотности рентгенопневмограммы. Следовательно, цветовое контрастирование необходимо рассматривать как перспективную методику обработки рентгенограмм.
Как уже указывалось, установка УАР-1 позволяет синтезировать объемное изображение из стереопар. В аппаратуре один из сигналов стереопары подается одновременно на электронные прожекторы зеленого и синего лучей кинескопа, а другой сигнал стереопары – на электронный прожектор красного луча.
Пространственное разделение изображений осуществляется с помощью цветных очков (анаглифов). Качество селекции определяется степенью взаимного перекрытия спектральных характеристик цветных светофильтров очков и спектральных характеристик люминофоров цветного кинескопа. Для установки УАР-1 рекомендуются очки из пленочных светофильтров с коэффициентом пропускания мешающих изображений не более 0,05–0,25 со световыми потерями менее 20% и уравнивающие световые потоки на глаза рентгенолога (чтобы не было зрительного утомления) с точностью не хуже 30%. Установка УАР-1 является перспективным прибором для использования его в рентгенологических отделениях крупных больниц.
Вновь разработанная взамен УАР-1 телевизионная установка для анализа рентгенограмм УАР-2 имеет значительно больше возможностей по обработке рентгенограмм. Установка УАР-2 (рис. 91) состоит из стола оператора и устройства наблюдения. На столе оператора можно положить для одновременного анализа 2 рентгенограммы. Рентгенограммы подсвечиваются снизу равномерным белым светом, интенсивность которого регулируется для каждой рентгенограммы в 5 раз. Двухтрубочная телевизионная камера на видиконе ЛИ-421 установлена на кронштейне над столом оператора и может вручную перемещаться в вертикальном направлении для осуществления масштабирования снимков. В устройстве наблюдения размещены цветное ВКУ, 2 вставных каркаса с электронными блоками и пульт управления. Для фотографирования изображения с экрана ВКУ установка укомплектована фотоприставкой, а для проведения расчетов геометрических параметров фрагментов рентгенограмм – микрокалькулятором.
Рис. 91. Телевизионная установка для анализа рентгенограмм УАР-2.
Установка УАР-2 работает при вещательном стандарте разложения и имеет следующие параметры: максимальный размер анализируемых снимков на прозрачной основе – 356x356 мм; максимальная плотность снимков – 2,0; разрешающая способность– около 1 пары линий/мм (масштабирование в 10 раз позволяет во столько же раз увеличить разрешающую способность на фрагменте снимка); рассовмещение изображений 2 рентгенограмм– не более 0,7 мм; координатные искажения – не более 1,8 мм.
Установка УАР-2 позволяет получать позитивное, негативное, контурное, контрастированное и раскрашенное в условные цвета изображение снимка. При размещении на столе оператора 2 снимков можно получить их разностное изображение или же объемное, если снимки являются стереопарой. В последнем случае оператор надевает на глаза очки с цветными стеклами.
Можно обрабатывать все изображение или его выбранную» зону, ограниченную прямоугольной рамкой (формируется автоматически) или же контуром произвольной формы, который формирует оператор с помощью электромеханического манипулятора типа координатного шара, расположенного на пульте управления. Имеется возможность измерения площади и периметра выделенного оператором фрагмента с погрешностью не более 8%. Установка позволяет выделить области равной яркости и измерить их плотности. В самом общем виде принцип работы установки можно пояснить с помощью функциональной схемы, представленной на рис. 92. Изображения равномерно подсвеченных снимков с помощью объективов проецируют передающие телевизионные трубки, расположенные в камере. Изображения в камере преобразуются в видеосигналы, которые после предварительного усиления поступают на входы идентичных каналов обработки видеосигнала. На входе каналов обработки установлен корректор неравномерности сигнала по полю изображения, который позволяет снизить неравномерности сигнала и фона до 3–5%. Это достигается использованием мультипликативного компенсирующего сигнала, управляемого от сигнала белого поля. Из выровненных по полю изображения видеосигналов оператором с помощью генератора прямоугольного «окна» 4 или же координатного шара выделяется зона интереса, в которой видеосигнал подвергается обработке.
Рис. 92. Функциональная схема установки УАР-2. 1 – телевизионная камера; 2 – корректор неравномерности; 3 – блок измерения; 4 – формирователь зоны; 5 – блоки автоматической регулировки контраста; 6 – амплитудные лупы; 7 – логарифмические усилители; 8 – ЗУ; 9 – коммутатор; 10 – алгебраический сумматор; 11 – блок цветового кодирования; 12 – измеритель геометрических параметров; 13 – ВКУ; 14 – ЦВКУ; 15 пульт управления; 16 – микрокалькулятор; 17 – фотоаппарат.
Простейшим видом обработки является ограничение снизу части видеосигнала, не несущей информации, и автоматическое усиление (5) оставшегося видеосигнала до полного размаха. Если такого усиления контраста недостаточно, включают амплитудную лупу (6), которая выделенный двухсторонним ограничением диапазон видеосигнала растягивает на всю шкалу допустимых значений. Детали же за пределами выделенного диапазона значений видеосигнала стираются. Изменяя уровень ограничения, можно последовательно просмотреть контрастированное изображение во всем диапазоне исходных яркостей. В случае необходимости обработанные видеосигналы логарифмируются 7. С выходов каналов видеосигналы поступают на коммутатор 9, который позволяет выбрать необходимый режим обработки.
Например, если из двух изображений синтезируется одно, то видеосигналы первого и второго каналов подаются на алгебраический сумматор 10, где может быть синтезировано разностное или суммарное изображение с выбранным коэффициентом веса первого и второго изображения (рис. 93, а, б).
Если две рентгенограммы составляют стереопару, то, как уже упоминалось выше, возможно получение объемного изображения. С этой целью изображение одной рентгенограммы воспроизводится на экране цветного ВКУ 14 в красном цвете, а другое – в голубом цвете. Синтез объемного изображения осуществляется в зрительном анализаторе вследствие того, что одно изображение через цветные очки воспринимается правым глазом, а другое – левым.
Для подчеркивания контуров и мелких деталей, которое дает более четкое представление о тонкой структуре рентгеновских снимков грудной клетки, губчатого и компактного вещества кости и др., в установке УАР-2, так же как и в РТ-3 и УАР-1, из изображения выделяются высокочастотные составляющие спектра пространственных частот.
В установке предусмотрены меры по сведению к минимуму влияний особенностей восприятия цветных изображений, а используемые в контрасторе аналоговые алгоритмы цветного кодирования сохраняют монотонность яркости исходного изображения и непрерывность траектории цветностей, выбранных дЛя раскраски, что исключает появление ложных границ и инверсию контраста яркости.
Так как эффекты цветового контраста, возникающие при восприятии сложных цветных изображений, принципиально неустранимы, то для уменьшения их влияния на дешифрируемость изображения аппаратура сконструирована так, что допускает в любой момент времени обращение оператора к исходной рентгенограмме. Несколько уменьшить затрудняющие дешифрирование эффекты цветового зрения позволяет также цветовой клин, замешиваемый в изображение в блоке коррекции, который позволяет оператору установить корреляцию между яркостью деталей исходного изображения и их цветом в раскрашенном изображении. Положительный эффект дает также использование интерактивных методов выделения и цветовой обработки сигнала интересующих оператора фрагментов изображения, который после обработки замешивается в исходное черно-белое изображение. С этой целью в установку включен блок выделения зоны интереса (формирователь окна), положения, размеры и форму которой задает, как было указано, оператор. Амплитудная лупа, выделяющая часть видеосигнала, позволяет осуществлять раскраску только в выбранном диапазоне амплитуд. Вне окна и вне выбранного диапазона амплитуд видеосигнал преобразуется на экране ВКУ 13 в черно-белое изображение.
В цветном контрасторе аналогового типа 11 исходный видеосигнал разделяется на три канала, в каждом канале происходит нелинейное преобразование сигнала, зависящее от формы амплитудных характеристик каналов. Каждому каналу присваивается свой цвет: «красный», «зеленый», «синий». Видеосигналы R, G и В с выходов каналов через коммутатор режимов работы подаются на ЦВКУ для получения раскрашенного в условные цвета изображения. Амплитудные характеристики каналов контрастора определяют множество цветов, в которые раскрашивается изображение, определяют закон преобразования яркости входного изображения, характер разделения исходного видеосигнала по градациям цветности.
Дискретный метод цветового кодирования используется в установке для визуальной денситометрии, где несколько (до 8) уровней плотности рентгенограммы могут быть закодированы разными цветами и отображены на ЦВКУ. Зная, какие уровни плотности кодируются цветом, можно визуально оценить распределение выбранной плотности по полю рентгенограммы, а также измерить суммарную площадь деталей, имеющих выбранную плотность, подав квантованный видеосигнал в измеритель геометрических параметров (площади и периметра) 12. Существующие методы измерения площади и периметра фрагментов изображений обеспечивают относительную погрешность измерения 3–15%. Измерение площади S, ограниченной контурной линией области, производится путем подсчета количества
тактовых импульсов в пределах этой области [13]. Погрешность метода – не более 5%. В установке предусмотрена также возможность автоматического измерения площадей фрагмента снимка, имеющих плотность в выбранном диапазоне (12). В режиме дискретного цветового контрастирования эти фрагменты окрашиваются одним цветом. Результаты измерения площади и периметра отображаются на экране ЦВКУ в относительных единицах, которые при необходимости для каждого из объектов могут быть пересчитаны в реальные геометрические параметры фрагментов снимка с помощью переводных таблиц.
Введенный в состав установки коммутатор позволяет оперативно изменять связи между функциональными блоками, что увеличивает количество операций обработки, осуществляемых над изображением. Например, разностное изображение или изображение контуров и мелких деталей могут быть в цвете наложены на исходное черно-белое изображение снимка; может быть контрастировано цветом все изображение, фрагмент изображения только в зоне интереса или же фрагмент изображения после прохождения видеосигнала от него через амплитудную лупу. Учитывая растущий дефицит серебра в мире и в связи с этим тенденцию замены крупноформатной рентгенографии фотосъемкой с экрана усилителей яркости рентгеновских изображений на 100, 70 и даже 35 мм фотопленку, в установке УАР-2 предусмотрен диапазон масштабирования в 10 раз. Помимо медицинской рентгенологии, установка может применяться для анализа ультразвуковых, инфракрасных, изотопных и других видов изображений.
