Квантовая эффективность и качество изображения в рентгенотелевизионных системах

Размещено на http://www.allbest.ru/

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени

кандидата технических наук

КВАНТОВАЯ ЭФФЕКТИВНОСТЬ И КАЧЕСТВО ИЗОБРАЖЕНИЯ В РЕНТГЕНОТЕЛЕВИЗИОННЫХ СИСТЕМАХ

Фальк Якоб

Специальность 05.12.04 - Радиотехника, в том числе системы

и устройства телевидения

Санкт-Петербург - 2007

Работа выполнена в Санкт-Петербургском государственном электротехническом университете «ЛЭТИ» им. В.И. Ульянова (Ленина)

Научный руководитель

доктор технических наук, профессор Быков Р. Е.

Научный консультант профессор Бронислав Ситар

Официальные оппоненты:

доктор технических наук Тимофеев Б.С.

кандидат технических наук,

Ведущая организация -

Защита диссертации состоится “_____” _________ 2007 г. в часов на заседании диссертационного совета Д212.238.03 Санкт-Петербургского государственного электротехнического университета «ЛЭТИ» им. В.И.Ульянова (Ленина) по адресу: 197376, Санкт-Петербург, ул. Проф. Попова, 5.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке университета

Автореферат разослан “____” ___________ 2007 г.

Ученый секретарь

диссертационного совета, Баруздин С. А.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Новые технологии визуализации невидимых изображений, технической базой которых является цифровая телевизионная (ТВ) техника, направлены на повышение эффективности анализа, обработки и дешифрируемости исследуемых изображений. Системы, использующие цифровые технологии визуализации изображений, работают в ультрафиолетовом, рентгеновском, инфракрасном и других областях спектра. Это объясняется такими свойствами ТВ систем, как высокая световая и контрастная чувствительность, высокая разрешающая способность и возможность анализа изображений в реальном времени. Широкие перспективы развития систем визуализации обусловлены также такими свойствами, как возможность использования количественных оценок, процедур распознавания и классификации непосредственно в процессе исследования. В устройствах медицинского назначения наибольшее распространение ТВ системы визуализации нашли для решения задач диагностики.

В процессе проектирования и создания систем визуализации неизбежно возникают вопросы выбора устройств детектирования невидимого изображения, видов преобразования цифровых сигналов и оценки эффективности преобразований. Естественно, оценка эффективности связана с прикладным назначением конкретной системы. Преобразование рентгеновских изображений можно отнести к числу наиболее распространенных процедур визуализации. В прикладном аспекте это области медицинской рентгенодиагностики и технической дефектоскопии. Этому направлению посвящены многочисленные публикации в научно-технической литературе.

Актуальность и необходимость дальнейших исследований в области проектирования цифровых рентгенотелевизионных систем (РТС) подтверждается в решениях Европейского Конгресса по радиологии - European Congress of Radiology (ECR 2007), Vienna/Austria, March, 2007 рассмотревшего вопросы стандартизации измерений, физиологической интерпретации рентгеновских изображений и клинического применения РТС. Таким образом, дальнейшие исследования и разработки в области цифровых технологий рентгенотелевизионной техники и повышения их эффективности следует считать актуальными.

Цель диссертационной работы состоит в повышении квантовой эффективности рентгенотелевизионных систем и улучшении качества формируемого изображения в задачах медицинской диагностики на базе тех технических возможностей, которые открывают цифровые технологии обработки сигналов изображения и применение дискретных твердотельных преобразователей изображения.

Для достижения поставленной цели сформулированы следующие основные задачи исследований и разработок:

- для дальнейшего повышения квантовой эффективности всей системы осуществить аналитическое исследование прохождения сигнала и помех через отдельные звенья цифровой ТВ системы, включая формирование цифрового сигнала изображения дискретным преобразователем,

- провести анализ факторов, ограничивающих диагностическое качество изображения в процессе формирования сигнала в дискретных преобразователях одно- и многоматричного типов,

- провести обоснование выбора и разработку новых методов цифровой обработки видеосигналов для повышения дешифрируемости изображений и формирования диагностических заключений,

- осуществить внедрение полученных результатов в создаваемую цифровую аппаратуру для медицинской диагностики.

Методы исследования. Для решения поставленных задач в теоретической части диссертационной работы использовались методы математического анализа, имитационного моделирования, математической статистики, теоретических основ обработки изображений.

Работа выполнена на кафедре Телевидения и видеотехники Санкт-Петербургского государственного электротехнического университета им. В.И. Ульянова (Ленина), а также на реальных цифровых РТС в лабораториях фирмы «Электрон» (Россия) и фирмы «Roesys» (Германия).

Научные положения, выносимые на защиту.

- В результате разработки методики расчета квантовой эффективности цифровых матричных видеосистем получены соответствующие соотношения, учитывающие влияние вторичного рентгеновского излучения в различных режимах работы РТС;

- результаты вычисления квантовой эффективности дискретных преобразователей рентгеновского изображения и всей системы, привели к созданию методики выбора структуры РТС и характеристик отдельных ее звеньев; качество изображение рентгенотелевизионный дискретный

- разработанный метод глобального и локального гистограммного управления контрастностью ТВ изображений позволил создать программу управления качеством сложных рентгенотелевизионных изображений;

- на основе использования в качестве входного эталона (теста) равномерно засвеченного потоком рентгеновского излучения рабочего поля приемника разработаны методы измерения основных параметров цифровых рентгенотелевизионных систем;

- результаты диссертации использованы при разработке структурных схем рентгенотелевизионных систем, реализованных в цифровом аппарате фирмы «Электрон» АРЦ-01-«ОКО» (Санкт-Петербург) и цифровых ТВ системах для рентгенографии фирмы «Roesys» DR system DIGIGRAPH 9M (Германия).

Научная новизна работы.

- Разработаны методы расчета квантовой эффективности цифровых матричных рентгенографических видеосистем и получены соответствующие соотношения, учитывающие влияние вторичного рентгеновского излучения в различных режимах работы ТВ системы;

- разработан и исследован алгоритм глобального и локального гистограммного управления качеством сложных ТВ изображений;

- предложены методы реализации процедуры измерения основных параметров цифровых рентгенотелевизионных систем, основанные на использовании в качестве входного эталона (теста) непосредственно входной поток источника рентгеновскогоизлучения.

Практическая ценность работы.

- Разработанные методы расчетов позволяют учесть влияние рассеянного рентгеновского излучения при количественной оценке квантовой эффективности системы и осуществить выбор конкретной структуры системы с учетом ее назначения.

- Алгоритм глобального и локального гистограммного управления качеством сложных ТВ изображений может быть использован при проектировании рентгенотелевизионных систем для медицинской диагностики и дефектоскопии.

Внедрение результатов.

Результаты диссертационной работы использовались при создании цифрового рентгенотелевизионного аппарата АРЦ-01-«ОКО» фирмы «Электрон» (Санкт-Петербург) и цифровой рентгенотелевизионной системы фирмы «Roesys» (Германия), которые нашли широкое применение в клиниках стран ЕС (Германия, Австрия, Словакия, Франция и др.).

Апробация работы.

Основные положения и результаты диссертационной работы докладывались на Международных научно-технических конференциях «Телевидение: передача и обработка изображений», Санкт-Петербург: СПбГЭТУ, 2004 и 2005 гг, Невском радиологическом форуме «Наука-клинике», Санкт-Петербург, 2005, Ежегодных Научно-технических конференциях профессорско-преподавательского состава СПбГЭТУ. Разработанные рентгенотелевизионные системы демонстрировались на Международных специализированных выставках по медицинской технике Medico 2005, Medico 2006 (Дюссельдорф, Германия), а также по рентгеновской технике ECR - 2006, ECR - 2007 (Вена, Австрия).

Публикации.

По теме диссертации опубликовано 6 научных работ, из них - 3статьи, опубликованные в ведущих рецензируемых научных журналах и изданиях, определенных ВАК, 3 работы в материалах международных конференций.

Структура и объем диссертации.

Диссертация состоит из введения, четырех глав с выводами, заключения, списка литературы, включающего 89 наименований, и приложения. Основная часть работы изложена на 104 страницах машинописного текста. Диссертация содержит 34 рисунка и 2 таблицы.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы диссертационной работы, определена цель и сформулированы задачи исследований, приведены научные положения, выносимые на защиту, научная новизна и практическая значимость результатов.

В первой главе диссертации приведен обзор современного состояния систем визуализации рентгеновских изображений и методов повышения качества ТВ изображения. На основе анализа различных структур рентгенотелевизионных устройств показано, что цифровой ТВ метод визуализации имеет ряд преимуществ по сравнению с фотографическим и электронно-оптическим преобразованиями. К числу достоинств ТВ метода можно отнести: простую возможность оптимизации устройств путем согласования характеристик системы со свойствами зрения, возможность цифровой обработки сигналов изображения с целью повышения качества изображения, возможность оперативной консервации сигналов изображения и др.

Интерес к цифровым технологиям поддерживается также вследствие необходимости в улучшении представления выходных данных для автоматической обработки изображений. Подходы к обработке изображений обычно основаны на сочетании теоретических и интуитивных представлений, а также последующей экспериментальной проверке.

Анализ литературы и основных направлений развития ТВ систем визуализации показывает, что цифровые устройства медицинской рентгенодиагностики относятся к числу одного из наиболее интенсивно развивающихся в настоящее время направлений исследований в этой области.

Следует отметить, что разработка рентгенотелевизионных устройств для медицинской диагностики имеет особую специфику: она подчинена решению двух главных и принципиальных задач - снижению лучевой нагрузки на пациента и улучшению качества (дешифрируемости) изображения с целью повышения эффективности диагностики. Очевидно, что эти две задачи противоречивы и усилия разработчиков аппаратуры направлены на поиск разумного компромисса. Рядом исследований показано, что пути снижения лучевых нагрузок на пациента следует искать в подавлении рассеянного излучения, увеличении квантовой эффективности преобразователя и оптимизации качества формируемого изображения.

Многочисленные варианты построения цифровых рентгенотелевизионных устройств можно свести к нескольким наиболее распространенным схемам. К первой группе можно отнести системы, основанные на съемке изображения с флюороскопического экрана при помощи преобразователя на ПЗС- матрице. Они получили широкое распространение в аппаратуре ряда российских и зарубежных фирм. К другой группе относятся устройства, основанные на методах, использующих люминесцентные экраны с запоминанием рентгеновских изображений и последующей их визуализацией. К третьей группе относятся матричные детекторы рентгеновского изображения, построенные по принципу прямого преобразования рентгеновского излучения в электронное или с использованием промежуточных рентгеновских экранов.

Анализ состояния промышленных разработок и исследований в области медицинской рентгенотехники показывает, что большинство разработок базируются на преобразовании с использованием ПЗС- матриц. Выбор в качестве преобразователя свет-сигнал ПЗС- матрицы связан с характеристиками приборов с зарядовой связью, такими, как высокая квантовая эффективность, которая достигает 0,8, большой динамическим диапазоном, который превышает 3000 и др.

Качество результирующего изображения, формируемого любой ТВ системой, определяется не только механизмами образования видеосигнала, но и используемыми методами его цифровой обработки. Цифровое преобразование видеосигналов преследует цели улучшения качества изображения, предъявляемого для анализа оператору (рентгенологу), а также выделение признаков, которые несут наибольшую информационную нагрузку. Аналогичные цели преследует обработка сигнала изображения в системах технической дефектоскопии. Эффективность рассмотренных выше перспективных рентгенотелевизионных систем может быть повышена за счет использования цифровой обработки сигналов изображения. Главная задача обработки в рассматриваемых применениях состоит в повышении его качества, оцениваемого визуально. Улучшение изображения носит, следовательно, целевой характер.

Анализ опубликованных работ позволяет сформировать общий взгляд на перспективы исследований и разработок в рассматриваемой области и определить основные направления, подлежащие исследованиям и разработкам в диссертации:

- с целью дальнейшего повышения квантовой эффективности всей системы осуществить аналитическое исследование прохождения сигнала и помех через отдельные звенья системы на ПЗС- матрицах в условиях формирования цифрового сигнала изображения дискретным преобразователем,

- анализ факторов, ограничивающих диагностическое качество изображения в процессе формирования сигнала в дискретных преобразователях, в том числе при визуализации динамических изображений,

- обоснование выбора и разработка новых структурных решений при проектировании рентгенотелевизионных систем, методов цифровой обработки видеосигналов с целью повышения дешифрируемости изображений и формирования диагностических заключений,

- решение прикладных задач при проектировании цифровых рентгенотелевизионных систем.

Во второй главе приведены результаты анализа квантовой эффективности цифровых рентгенотелевизионных систем. Известно, что о качестве изображения судят по частным характеристикам системы (пространственной разрешающей способности, контрастной чувствительности, числу воспроизводимых градаций и др.) или интегральным критериям. Применительно к РТС в работах С.Б.Гуревича использован информационный подход, при котором вычисляется максимальное количество информации, передаваемое РТС в одном кадре. В исследованиях Э.Б.Козловского использован функционал М.В.Антипина, который вычисляется по совокупности оценок отдельных параметров и сенсорным характеристикам зрительного анализатора. Широко применяется критерий дешифрируемости Хэя (G.A.Hay), определяющий связь пороговой контрастной чувствительности системы с размерами обнаруживаемой детали при заданной дозе на входе приемника.

В последнее время в качестве интегрального критерия для оценки РТС стали использовать квантовую эффективность, которая уже давно используется в фотографии и прикладном телевидении. Квантовую эффективность выражают функцией пространственных частот з(х), которая показывает изменение квадрата отношения сигнала к шуму на выходе приемника рентгеновского изображения (преобразователя) по отношению к входу во всем спектре пространственных частот:

,

здесь А(х) - контрастно-частотная характеристика приемника; N(х) - спектральная плотность шумов, нормированная так, что N(0)=1; з(0) - квантовая эффективность в области низких пространственных частот, когда А(х) =1 и N(х)=1.

Приемник рентгеновского изображения в данном случае рассматривается как «черный ящик», и принципиально важным является коэффициент использования им рентгеновских квантов. Этот «черный ящик» можно рассматривать также как идеальный (нешумящий) приемник с установленным перед ним фильтром, поглощающим часть рентгеновского потока. Эта часть является функцией пространственной частоты и физически определяет потерянную реальным приемником энергию изображения по сравнению с идеальным приемником.

В настоящей работе исследована квантовая эффективность в области низких пространственных частот з(0) РТС с рентгеновскими приемниками класса «экран - оптический узел - ПЗС». Получены соотношения для квантовой эффективности без учета рассеянного излучения, с учетом рассеянного излучения и с растром, подавляющим рассеянное излучение. В случае отсутствия рассеянного излучения, соотношение для з(0)имеет вид:

, (1)

с учетом рассеянного излучения:

, (2)

с растром, установленным перед приемником:

, (3)

где б1 - средний коэффициент поглощения рентгеновских фотонов в экране, бУ - суммарный коэффициент преобразования сигнала, показывающий среднее значение числа электронов, накопившихся в элементе ПЗС- матрицы от одного рентгеновского фотона; Sф - среднее число рентгеновских фотонов, приходящихся на элемент изображения; Dа - дисперсия аддитивного шума ПЗС; Тр - коэффициент пропускания растром первичного излучения; д - отношение интенсивности рассеянного излучения к интенсивности первичного; У - избирательность растра.

Зависимости квантовой эффективности от основных из перечисленных выше параметров представлены на рис. 1 а), б), в), г). В расчетах использовались следующие параметры:, ,, Sф=2000, д=4,6, У = 8.4, TP = 0,59.



Рис. 1. Зависимости квантовой эффективности от основных параметров РТС (пояснения в тексте)

Как следует из соотношения (2), квантовая эффективность рентгеновского приемника з2(0) является сравнительной мерой «шумности» приемника по сравнению с шумностью невидимого рентгеновского изображения. Она характеризует не абсолютное, а относительное качество приемника. Из соотношения (2) следует, что квантовую эффективность можно увеличить, увеличивая отношение рассеянного излучения к первичному - д. Однако такое решение не улучшает, а ухудшает качество изображения, так как в случае большого д входное изображение, следовательно, и выходное, настолько зашумлено, что аддитивным шумом рентгеновского приемника практически можно пренебречь.

Для подавления рассеянного излучения на входе приемника необходимо устанавливать отсеивающий свинцовый растр. Из соотношения (3) следует, что растр можно характеризовать собственной квантовой эффективностью:

.

Зависимость квантовой эффективности растров зP от величины д - отношения интенсивности рассеянного излучения к интенсивности первичного, представлена на рис. 2, где r-отношение растра (рабочая характеристика растра).

Рис. 2. Зависимость квантовой эффективности растров з_P от величины д

Из рис. 2 видно, что при д>1, растр необходим. Он особенно эффективен, когда рассеянное излучение существенно превышает полезный сигнал. Только при просвечивании «тонких» органов (например, руки, ноги) растр можно не устанавливать (д<1). В РТС необходимо использовать растры с высокой избирательностью.

Проведенный анализ показал, что значительное влияние на квантовую эффективность оказывает коэффициент поглощения рентгеновских фотонов в экране б1 (рис.1а). Без установки растра квантовая эффективность не может быть больше этого коэффициента, а растр позволяет превысить этот предел. Это объясняется большим поглощением в растре рассеянного излучения и связанных с ним шумов по сравнению с рентгеновским излучением, которое формирует изображение. Например, для случая использования растра Lycholm (Швеция) с параметрами Фp = 0,59, ФS =0,07, У= 8,65, при д=4,6 квантовая эффективность растра з=2,2. Квантовая эффективность системы, если пользоваться принятым определением, в этом случае может превысить единицу.

В реальных РТС всегда присутствуют шумы, влияние которых на квантовую эффективность можно свести к минимуму, увеличивая входной сигнал (рис.1в) или выбирая компоненты с меньшим уровнем аддитивных шумов (рис.1г).

Из соотношений (1) и (2) следует, что при отсутствии аддитивных шумов приемника квантовая эффективность не зависит от величины сигнала и полностью определяется коэффициентом поглощения рентгеновского излучения в экране б1 и суммарным коэффициентом преобразования сигнала бУ. Как следует из расчетов и видно на рис.1б, суммарный коэффициент преобразования должен быть больше единицы. В приемнике «экран-объектив-ПЗС» трудно обеспечить это условие из-за больших потерь светового потока в оптике.

С целью возможного увеличения бУ в работе произведено сопоставление одно- и многоматричных (n) преобразований сигналов при формировании изображения на входе ПЗС- матрицы. Показано, что выигрыш в в световом потоке Ф при многоматричном приемнике можно определить из соотношения:

.

Для размеров экрана L=400 мм и матрицы lм =25 мм при числе матриц n=4 в = 3,56. Таким образом, с увеличением числа матриц выигрыш в сборе на фотоприемник светового потока возрастает и уже при 4-х матрицах увеличивается более чем в 3 раза. Следовательно, это один из возможных способов увеличения коэффициента эффективности системы, позволяющий в приемниках на ПЗС- матрицах обеспечить выполнение неравенства бУ>>1. Однако при этом возникает ряд проблем сшивки изображения, в том числе, обеспечения идентичности параметров по полю сшитого изображения. При сшивке изображений особенно трудно обеспечить одинаковую четкость по полю сшитого изображения, так как изображение с каждой матрицы будет иметь спад четкости к краям от центра. Например, при сшивке изображений с 4-х матриц в центре - наиболее информативном участке рабочего поля, будет самая низкая четкость, так как центр будет сшит из частей изображений, сформированных угловыми частями фоточувствительных поверхностей этих матриц.

В многоматричной схеме суммарный коэффициент сбора светового потока увеличивается, однако, освещенность каждой матрицы уменьшается на величину и при размере экрана L=400мм, lм =25 мм, следовательно, масштабе проекции m1 = 25/400 = 0,0625, а m4 = 0,125 . С учетом темновых токов чувствительность снизится еще больше.

Таким образом, применять многоматричную схему преобразования с целью повышения квантовой эффективности нецелесообразно, так как у нее имеется целый ряд отмеченных выше недостатков.

Проведенный анализ позволил установить степень влияния каждого из звеньев системы на величину квантовой эффективности РТС. А именно, коэффициента эффективного поглощения рентгеновского излучения в экране, суммарного коэффициента преобразования сигнала (числа накопленных в пикселе электронов, вызванных одним рентгеновским квантом), величины входного сигнала, аддитивных шумов, отношения рассеянного излучения к излучению, формирующему изображение, параметров растра, подавляющего рассеянное излучение.

При проектировании РТС для расчета квантовой эффективности отдельных звеньев, так и всей системы можно использовать приведенные выше данные и методику расчета.

В третьей главе рассмотрены проблемы, связанные с повышением качества ТВ изображения, которое достигается за счет цифровой обработки видеосигнала. При этом учтено, что в медицинской рентгенодиагностике ставится задача облегчения понимания (дешифрируемости) изображения.

Одной из принципиальных особенностей рассматриваемых в настоящем разделе методов обработки сигнала для обеспечения необходимого качества изображения является выбор алгоритмов цифровой обработки, подходящих для решения поставленных задач, т.е. рассматриваемые методы цифровой обработки в значительной степени проблемно ориентированы.

С целью формирования на экране устройства воспроизведения изображения заданного качества (определяемого целями исследований) часто используют управление контрастом изображения. При проектировании специализированных устройств цифровой обработки изображений, предназначенных для работы в реальном времени для выполнения конкретных задач, связанных с повышением дешифрируемости изображений, обработкой архивных материалов и др., возникает необходимость создания полностью автоматических, автоматизированных или интерактивных методов и устройств управления контрастностью изображения.

В практике рентгенодиагностики, дефектоскопии и других применениях цифровых методов встречаются изображения, которые, наряду с малоконтрастной информативной частью, включают фрагменты высокой и низкой яркости (помехи). В этом случае преобразование контраста путем динамического автоконтрастирования затруднено или неосуществимо. Для подобных ситуаций в работе были применены гистограммные преобразования. Гистограммы реальных изображений включают участки, свободные от информационной компоненты сигнала. Эти участки можно эффективно использовать для повышения качества изображения. В этом разделе диссертации рассмотрен метод и алгоритм автоконтрастирования реальных рентгенотелевизионных изображений. Эти преобразования сигнала показывают, что при соответствующем отношении сигнал/шум можно более полно использовать динамический диапазон системы с целью повышения дешифрируемости изображения или более полного исследования межградационных связей в анализируемом объекте.

Предварительная обработка включает исключение из управления автоконтрастором элементов изображения, для которых значения сигналов меньше sп1, sп2 - пороговых значений, устанавливаемых автоматически или оператором, т.е. и , а также элементов, количество которых для соответствующей яркости не превышает установленного порогового значения, т.е. . В этой ситуации преобразование имеет вид:

,

где - сигналы, соответствующие элементам наиболее темного и светлого участков информативной части изображения.

Наряду с рассмотренными методами обработки изображений, которые носят глобальный характер, т. е. относящийся ко всему изображению в целом, часто используют локальное управление характеристиками изображения. В этом случае преобразование производят для улучшения визуального качества деталей (участков) изображения. В подобных алгоритмах анализ изображения и управление его характеристиками относят к окрестности определенного участка или элемента изображения. Для этого можно произвести свертку сигнала с другой локальной пространственной функцией h(i, j), заданной как функция окна с размерами Li, Lj.: h(i, j) на интервале ; .

В процессе формирования локальной обработки изображения возникает необходимость изменять координаты элемента локальной области, выбранного в качестве ведущего. В качестве такого ведущего элемента при локальном участке (окне) прямоугольной или квадратной формы, может быть выбран центральный элемент окна или его первый элемент в процессе сканирования поля изображения.

Окно выделяемой области ориентированное заданным образом в поле изображения (окно без границы) может быть представлено, как:

где - решающие двухзначные предикаты, соответствующие четырем прямым, образующим окно; - отображение, которое ставит в соответствие истинным предикатам , а ложным . Коэффициенты , , , ,..., устанавливающие положение границ, могут быть определены через координаты вершин окна (xa ,ya , xb ,yb ….) или заданы координатами центра.

Реализация процедуры выделения элементов локальной области с помощью операций суммирования и определения знака суммарного сигнала в процессе сопоставления с порогом позволяет реализовать ее в реальном времени простыми техническими средствами. При увеличении n вид окна можно приблизить к сложной форме исследуемых объектов. В практической работе определенные классы окон могут быть сохранены в элементах памяти управляющего устройства.

В медицинских исследованиях и диагностике часто используют визуальный анализ или регистрацию на накопитель динамических изображений. Низкое качество формируемого изображения динамических объектов часто не соответствует высоким требованиям диагностики. В системах и устройствах формирования изображений, предназначенных для визуального восприятия, четкость, в том числе и динамических участков поля изображения, как и другие его характеристики, определяют общее результирующее качество воспроизводимого изображения. Повышение качества воспроизведения динамических объектов на экране дисплея имеет существенное значение в ангиографических исследованиях сосудов, сердца и других органов. Данные по динамике внутренних органов имеют значительный разброс: примерно от 5 до 100 мм/с. Например, скорость движения клапанов сердца составляет 500 мм/с, тканей сердца - 100 мм/с.

Зависимость глубины модуляции Mj сигналов изображения штриховой таблицы от скорости ее перемещения v, времени накопления tc, частоты штрихов fl можно представить соотношением , где - нормированное значение сигнала изображения. Если допустимое значение глубины модуляции сигнала изображения для заданных частоты fмакс и максимальной скорости объектов в поле изображения vмакс составляет Дп , то максимальное время экспозиции (накопления) - tс можно определить из уравнения:

.

Процедуру расчета графически иллюстрирует рис. 3: для f=0,350 (v=10 i эл/с) и различного времени накопления M1 - tc=0,04 c, M2 - tc=0,02 c, M3 - tc=0,004 c.

Для рассматриваемого примера уменьшение глубины модуляции испытательной таблицы на величину Д < 0,15 на частоте f=0,350 будет обеспечено при скорости v < 1.0 отн. ед., если время экспозиции составит не больше tc=0,04 c. При скорости v < 3.0 отн. ед. это время должно быть меньше tc=0,02 c и т.д.



Размещено на http://www.allbest.ru/

Рис. 3. Зависимости глубины модуляции M сигналов от скорости v испытательной таблцы

Рассмотренный подход может быть использован при проектировании и выборе режима преобразователя изображений в режиме регистрации движущихся фрагментов. Метод обеспечивает заданную четкость изображения динамических фрагментов.

В четвертой главе рассмотрены особенности измерения характеристик рентгенотелевизионного изображения, результаты разработки новых методов измерения, экспериментальных исследований и внедрения.

До появления цифровых рентгеновских аппаратов в качестве аналоговых приемников (детекторов) изображений использовались УРИ - усилители рентгеновских изображений. Для измерений применялись изготовленные с высокой точностью рентгеноконтрастные тест-объекты. Телевизионные измерения, широко применяемые в системах вещательного и измерительного ТВ, не всегда могут быть использованы для измерения характеристик рентгенотелевизионного изображения. Применяющиеся испытательные тесты, включающие периодические структуры (например, миры для измерения разрешающей способности), часто непригодны для оценки качества изображения цифровых систем, т.к. периодические структуры вызывают биения со структурой, дискретизирующей изображение (например, ПЗС- матрицей). По этой причине в цифровом телевидении для субъективной оценки качества изображения применяют типичные натурные сцены, которые оценивают эксперты, а не таблицы с периодическими структурами. Для цифровых рентгеновских аппаратов тест-объектами могли бы служить фантомы исследуемых органов. Однако в заводских условиях контроль качества изображения по фантомам затруднен, так как только рентгенолог может оценить качество передачи внутренней структуры исследуемых органов.

Наряду с исследованиями, результаты которых изложены в диссертации, в период проектирования и создания цифровых рентгенотелевизионных систем, проведены эксперименты и разработана методика измерения характеристик изображения и элементов РТС, используемые при настройке аппаратуры.

Для разработки методики проведения калибровочных операций при настройке сенсоров ПЗС- матрицы в качестве базы использовалась цифровая рентгеновская камера KRZ1-000-02. Рентгенографическая цифровая камера KRZ1-000-02 предназначена для проведения рентгенографии органов человека в стационарных условиях медицинских учреждений. Камера разработана для визуализации рентгеновского изображения на мониторе и одновременной регистрации его на электронных носителях с целью хранения рентгенограммы в электронном архиве.

Для контроля разрешающей способности по полю изображения использовалась установленная во входной плоскости камеры испытательная таблица KRZ1-9120 с пятью рентгеноконтрастными мирами (одна в центре и четыре в углах квадрата на отметке рабочего поля 0,7). Камера обеспечивала разрешающую способность в центре не менее 5 мм, в углах поля на отметке 0.7 разрешающая способность составляла не менее 2,8 мм.

Универсальной «испытательной таблицей» для рассматриваемого класса ТВ устройств было выбрано равномерно засвеченное рентгеновским излучением входное поле цифрового приемника, имитирующее случайный белый шум. Шумы рентгеновского излучения, обусловленные флуктуациями рентгеновских квантов в пространстве и времени, распределены по закону Пуассона и их спектр постоянен в области пространственных и временных частот, которые используются в медицинской диагностике. Изображение на выходе системы, вызванное белым шумом на входе, можно рассматривать как сигнал, отражающий поведение самой системы. Таким образом, выходное изображение от входного изображения в виде белого шума формирует «функциональный образ» приемника изображения, то есть отображает его параметры. Следовательно, если известно, как система будет реагировать на белый шум, то мы будем знать, как она будет реагировать на любой входной сигнал. Белый шум рентгеновского излучения как универсальный испытательный сигнал для оценки качества рентгенотелевизионных систем в ряде случаев позволяет отказаться от дорогостоящих рентгеноконтрастных тест-объектов и заменить субъективные методики объективными. Равномерный поток рентгеновского излучения на входе приемника позволяет измерять пространственную и временную разрешающие способности, контрастно-частотную характеристику, шум приемника, квантовую эффективность, динамический диапазон, неравномерность чувствительности по полю изображения, линейность амплитудной характеристики и ряд артефактов (пятна, неработающие пикселы фотоприемника).

В экспериментальных исследованиях использовались калибровочные операции, предназначенные для настройки и контроля сенсоров ПЗС-матрицы, таких, как калибровка фона, калибровка одиночных помех большой яркости на изображении, калибровка шейдинга, поиск кластеров (образований скопления точек), калибровка дисторсии и др. Приведены примеры изображений помех и изображений, иллюстрирующих результаты калибровки. Один из таких примеров: измерение неравномерности сигнала по полю изображения, вызванной неравномерностью потока рентгеновского излучения, показало, что она имеет достаточно большую величину и составляет для рассматриваемого случая по принятой методике измерения 116,8% (рис. 4 а). Для уменьшения этой неравномерности при обработке сигнала изображения использовалась цифровая компенсация неравномерности по полю изображения. После компенсации неравномерность составляет не более 1,2% (рис. 4, б)

Рис. 4. Пример калибровки изображения

Анализ исследований и разработок в области принципов построения и выбора структурных схем рентгенотелевизионных систем различного назначения, а также результаты работы, проведенной автором в этом направлении, были использованы при проектировании цифрового рентгенографического аппарата АРЦ-01-«ОКО» - ЗАО НИПК «Электрон». Модификация этого аппарата - DIRA 9M, разработана НИПК «Электрон» совместно с немецкой фирмой Roesys при участии автора и выпускается в Германии.

В заключении излагаются основные результаты диссертационной работы.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУДЬТАТЫ РАБОТЫ

В настоящей диссертационной работе с целью повышения квантовой эффективности диагностических рентгенотелевизионных систем, а также повышения качества (дешифрируемости) формируемых изображений проведены исследования и получены следующие основные результаты:

1. Показано, что рациональный выбор растра, экрана, объектива и ПЗС- матрицы обеспечивает высокую квантовую эффективность РТС со структурой «экран - объектив - одноматричный ПЗС- преобразователь», что позволяет им конкурировать с РТС других типов.

2. Реальная чувствительность диагностических РТС может быть определена по квантовой эффективности собственно приемника с учетом воздействующего вторичного излучения.

3. При проектировании РТС для расчета квантовой эффективности предложено использовать модифицированную методику расчета, учитывающую механизмы прохождения сигнала и шума во всех звеньях системы, включая многоматричный оптический преобразователь.

4. Разработана методика и алгоритм управления контрастностью информативными участками изображения при наличии высококонтрастных помех. Структура обработки данных, реализующая метод контрастирования рассматриваемого класса изображений, при соответствующем отношении сигнал/шум, позволяет более полно использовать динамический диапазон системы и обеспечить повышение дешифрируемости изображения или более полное изучение межградационных связей в анализируемом объекте.

5. Для локального управления характеристиками изображения разработаны быстродействующие алгоритмы формирования окон сложной формы.

6. Для режима регистрации движущихся фрагментов, предложен метод выбора режима преобразователя, обеспечивающий заданную четкость изображения динамических фрагментов. При оценке предельной разрешающей способности приемника по КЧХ отсчетный уровень, как показывают эксперименты, можно выбрать по 5% контрасту.

7. Экспериментальные исследования, проведенные на цифровом приемнике DIRA_5, подтвердили возможность использования равномерно засвеченного рентгеновскими лучами рабочего поля приемника в качестве универсальной испытательной таблицы.

8. Результаты диссертационной работы использовались при создании цифрового рентгенотелевизионного аппарата АРЦ-01-«ОКО» фирмы «Электрон» (Санкт-Петербург) и аппаратов серии DIRA фирмы “Roesys” DR system DIGIGRAPH 9M (Германия), которые широко применяются в клиниках стран ЕС (Германия, Австрия, Словакия, Франция и др.).

ПУБЛИКАЦИИ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

1. Мазуров, А.И. Квантовая эффективность цифровых телевизионных камер / А.И. Мазуров, Я. Фальк // Материалы 3-й международной конференции «Телевидение: передача и обработка изображений», Санкт-Петербург, 5 - 6 июня 2003. - СПб.: ГЭТУ, 2003. - С. 82 - 83.

2. Борисов, А.А. Цифровой рентгеновский аппарат АРЦ-01-«ОКО» / А.А. Борисов, Ю.А. Вейп, А.И. Мазуров, В.О. Ребони, Я. Фальк // Медицинская техника. - 2004, № 5. - С.42 - 45.

3. Фальк, Я. Формирование и обработка сигнала изображения в цифровых рентгенотелевизионных системах / Я. Фальк // Известия Государственного электротехнического университета, серия Радиоэлектроника и техника. - 2004, № 2. - С. 30-34.

4. Фальк, Я. Оценка квантовой эффективности телевизионных систем визуализации. Материалы 4-й международной конференции «Телевидение: передача и обработка изображений», Санкт-Петербург, 22 - 24 мая 2005. - СПб.: ГЭТУ, 2005. - С. 69 - 71.

5. Рентгеновский аппарат АРЦ-01-«ОКО» для цифровой рентгенографии / А.А. Борисов, Ю.А. Вейп, В.О. Ребони, Я. Фальк, М.Б Элинсон // Материалы Невского радиологического форума «Наука-клинике», СПб.: 2005, с. 425 - 426.

6. Фальк, Я. Гистограммное управление контрастностью телевизионного изображения. Я. Фальк, Р.Е. Быков / Известия Государственного электротехнического университета, серия Радиоэлектроника и телекоммуникации. - 2006, - № 2. - С. 36 - 42.

Размещено на Allbest.ru

...