а) Коррекция плоского поля. Цифровой детектор состоит из миллионов пикселей. Если бы на каждый из них попало одинаковое количество рентгеновских лучей, некоторые пиксели давали бы больший сигнал, а другие — немного меньший. Точное определение интенсивности сигнала и силы напряжения, принимаемого каждым пикселем, имеет для получения качественных изображений решающее значение.
Чувствительность цифровых детекторов к интенсивности сигналов может изменяться во времени. По этой причине цифровые системы требуют строгого соблюдения процедур контроля качества (КК). Как правило, требования включают еженедельное обновление однородности поля массива. Для возврата системы к оптимальным настройкам в ходе процедуры калибровки используют фантом однородной плотности.
Качество цифрового изображения зависит от сохранения миллионов пикселей в массиве, чтобы все они одинаково реагировали на равномерное облучение.
Процедура, называемая коррекцией плоского поля, состоит из двух этапов: калибровки и коррекции. Калибровка — это один из тестов контроля качества, выполняемых лаборантом. Лаборант выполняет визуализацию фантома однородной плотности, делая несколько рентгеновских снимков. Компьютер усредняет несколько изображений, чтобы определить средний ответ каждого пикселя на рентгеновское излучение. Затем эти данные используются для коррекции всех последующих изображений.
Коррекция плоского поля выполняется автоматически по мере получения изображения: компьютер применяет алгоритм обработки для сглаживания изображения. Поскольку это изменение интенсивности сигнала (пятнистость) всегда происходит в одном и том же месте цифрового детектора и с одинаковой интенсивностью, для восстановления оптимальной эффективности пикселей выполняются поправки, определенные на этапе калибровки.
Хорошо спроектированная цифровая система уравновешивает контрастность, пространственное разрешение и эффективность дозы. В терминологии цифровой визуализации они определяются динамическим диапазоном, S/N, соотношением контраста и шума (C/N), размером малого пикселя, ФПМ и DQE. С точки зрения физики клинические характеристики цифровой визуализации превосходят таковые для пленочной за счет следующих факторов.
1. Более низкая доза рентгеновского облучения пациента, поскольку цифровая матрица более эффективна в обнаружении падающих рентгеновских фотонов.
2. Лучшая визуализация микрокальцинатов за счет ювелирного облучения объектов самого маленького размера.
3. Улучшенное отображение анатомических структур молочной железы от соска до самого края грудной стенки, к которой она прилежит, в результате линейного отклика во всем широком динамическом диапазоне и способности функции цифровой обработки выравнивать качество изображения во всем диапазоне плотности тканей молочной железы.
б) Факторы, влияющие на качество изображения. Физические принципы, связанные с воздействием рентгеновского излучения на молочную железу, показывают, что аналоговая и цифровая визуализация имеют много общего. Преимущество цифровой маммографии заключается в фундаментальных отличиях в способах сбора, обработки, отображения и хранения энергии рентгеновского излучения, проходящего через молочную железу.
При выполнении аналоговой маммографии все четыре функции — получение, обработку, отображение и хранение снимка — выполняет пленка. Качество и представление изображения определяет облучение пленки. В цифровой маммографии, напротив, эти четыре функции разделены. Получение изображения осуществляется массивом цифровых изображений. Хранение изображений происходит в PACS медицинского учреждения.
Снимок отображается на станции радиолога для просмотра изображений. Обработка изображений: для оптимизации сигнала каждого пикселя и каждой области молочной железы цифровое изображение может обрабатываться компьютером. Этому способствует широкий динамический диапазон цифровых детекторов.
Контрастность — характеристика, крайне важная как при цифровой, так и при аналоговой визуализации. Контрастность — это способность различать коэффициенты ослабления рентгеновского излучения во всех анатомических структурах и типах тканей молочной железы. Например, жировая ткань на снимке имеет темно-серый цвет, железистая ткань — светло-серый, связки Купера — белый и т.д.
Как правило, на маммограмме опухоли имеют вид белых объемных образований и могут сливаться с железистой тканью.
Именно поэтому выявить злокачественную опухоль молочной железы на маммограмме так сложно. Контрастность важна, ведь именно благодаря ей на маммограмме становятся заметными небольшие различия в ослаблении рентгеновского излучения или очаги белого цвета, что позволяет обнаруживать рак среди неупорядоченных структур нормальной ткани молочной железы.
При аналоговой визуализации контрастность контролируется прежде всего материалом мишени рентгеновской трубки и используемым значением кВп. В цифровой визуализации применяется обработка изображения, которая, по сути, преобразует его. В ее основе лежит использование детекторов с широким динамическим диапазоном, необходимым для эффективного оконного преобразования во всем диапазоне тканей молочной железы, что обеспечивает оптимальную визуализацию как жировой, так и железистой ткани.
Разрешение — это способность визуализировать анатомические образования очень маленького размера. Аналоговая визуализация зависит от размера фокусного пятна и разрешающей способности, выраженной в парах линий и обеспечиваемой носителем информации — экранной рентгеновской пленкой.
Пространственное разрешение снимка в цифровом формате вдвое меньше, чем при аналоговой маммографии, и все же сравнение изображений фантома, выполненных с использованием двух этих методик, демонстрирует лучшее качество цифровой маммографии. Минимальные требования ACR к аналоговой визуализации фантома — распознавание четырех типов волокон, трех групп специфических структур и трех объемных образований.
Тем не менее цифровое изображение того же фантома позволяет распознать большее количество волокон, групп специфических структур и объемных образований. Очевидно, что разрешение — это нечто большее, чем просто количество пар линий/мм.
Любой шум — враг разрешения номер один. Он скрывает детали, делая изображение «зернистым». Шум — это сигнал, исходящий не от объекта. Это колебания интенсивности. На рентгеновском снимке фантома однородной плотности по всему изображению можно увидеть небольшие ее изменения. Этот шум, или пятнышко, заметен на всех рентгеновских снимках.
Источниками шума при аналоговой визуализации являются свет усиливающего экрана (функция рассеяния линии), светочувствительная эмульсия, цикл обработки пленки и рентгеновские кванты. К источникам шума при цифровой визуализации относятся рентгеновские кванты, электронный шум цифровой матрицы и несовершенные процедуры КК калибровки или самопроизвольное движение в системе.
В целом при одинаковой дозе облучения пациентки шум на цифровом изображении ниже, чем на пленочном. Это особенно важно для визуализации образований экстремально маленьких размеров и образований с наименьшей контрастностью, обнаружение которых становится возможным, например при более высоких показателях исследования фантома по требованиям ACR. На пленочной маммограмме может быть отображено большее количество пар линий/мм, чем на цифровом снимке.
Однако при визуализации молочной железы при стандартных дозах облучения шум на пленочном снимке значительно выше, чем на цифровом. Эта разница обеспечивает превосходную производительность цифрового изображения.
в) Оценка цифрового изображения. Разные технологии требуют разных инструментов количественной оценки качества изображения. В цифровой визуализации используются инструменты, позволяющие оценить электронные сигналы: S/N, ФПМ, DQE.
1. S/N — соотношение сигнала и шума. S/N измеряет качество информации, предоставляемой изображением, и определяется количеством рентгеновских фотонов, поглощенных цифровым детектором. Сигнал — это разница в интенсивности двух областей молочной железы, например злокачественного новообразования и прилегающей к нему нормальной ткани. Цепочка цифровой обработки изображений оптимизирует изображение в соответствии с S/N.
В цифровой визуализации используются более высокие настройки кВп и рентгеновские трубки с вольфрамовой мишенью. Это позволяет увеличить количество фотонов, которые проходят ткани молочной железы насквозь и попадают в матрицу, обеспечивая тем самым более высокое S/N. Использование более высоких настроек кВп и более твердых металлических мишеней/фильтров приводит к более низкой контрастности изображения.
Однако динамический диапазон более чем из 16 000 оттенков серого и возможность манипулировать изображением для усиления контраста между анатомическими образованиями, структурами и фоном явно компенсируют потерю контрастности (рис. 1, см. также рис. 4).
Рисунок 1. Соотношение сигнала и шума и контрастность. Хотя контрастностью цифрового изображения можно управлять, это не позволяет преодолеть высокий уровень шума. Низкий уровень шума, в свою очередь, не может полностью компенсировать низкую контрастность. В результате, если рассматривать отдельно, ни один параметр не является достаточным для количественной оценки качества цифрового изображения
2. ФПМ — функция передачи модуляции. ФПМ оценивает разрешение системы в целом. Она измеряет передачу сигнала в диапазоне пространственных частот. Эта функция оценивает, насколько хорошо система визуализации передает формы или структуры от падающего рентгеновского излучения на итоговый рентгеновский снимок.
В цепочке формирования изображения учитывается индивидуальная ФПМ каждой подсистемы (например, размер пикселя, размер фокусного пятна, функция рассеяния линии, увеличение). ФПМ измеряется в идеальных лабораторных условиях с использованием полосной испытательной таблицы с 100% контрастностью в условиях отсутствия шума. Такие условия не являются клинически значимыми.
Значение ФПМ может быть очень высоким, и тем не менее это не гарантирует визуализацию очага поражения из-за разделения изображения на пиксели (рис. 2).
Рисунок 2. (А) При соотношении сигнала и шума, равном 2,5, разрешение изображения слишком велико, поскольку каждый пиксель четко идентифицируется. При этом трудно сказать, какие пиксели относятся к фону, а какие — к границе объемного образования. При соотношении сигнала и шума, равном 5, изображение не такое четкое, но на нем легче определить границы опухоли. (B) Характеристики разрешения, показанные функцией передачи модуляции при сравнении различных типов методов визуализации
3. DQE — пороговая квантовая эффективность. DQE — это мера совокупного влияния шума и контрастности, выраженная в виде функции детализации объекта. Кроме того, с ее помощью выполняют сравнение дозы (рис. 3).
Рисунок 3. Эффективность дозы, продемонстрированная пороговой квантовой эффективностью, при различных методах визуализации
Рисунок 4. Примеры изображений, полученных при использовании рентгеновских трубок с вольфрамом (W) и молибденом (Мо)
DQE идеального изображения равна 100%. Это подразумевает визуализацию всех пар линий фантома пар линий дозиметриста. Ни одна из существующих систем не способна визуализировать все пары линий из-за шума. DQE — это лучший метод измерения характеристик детектора, имеющих отношение как к шуму, так и к контрастности.
Она измеряет процент рентгеновских лучей, которые достигают детектора и поглощаются им. Квантовая эффективная система позволяет получать изображения более высокого качества при более низкой дозе облучения.
(S/N2 на выходе детектора) / (S/N2 на входе детектора)
DQE имеет отношение к распознаваемости объектов и является отличной мерой качества изображения. Контроль DQE осуществляется с помощью:
• увеличения количества рентгеновских лучей, которые достигают детектора;
• эффективного обнаружения рентгеновских лучей за счет использования эффективного сцинтиллятора и высокого коэффициента заполнения пикселей;
• эффективного соединения сцинтиллятора и фотодетектора;
• низкого электронного шума.
Для достижения большого значения DQE необходимо максимально увеличить S/N. Усиленный сигнал и пониженный шум обеспечивают лучшую видимость анатомических структур небольшого размера.
Практикум. Посмотрите на рис. 1, прочтите текст и ответьте на следующие вопросы.
1. Что такое контрастность?
2. Что такое шум?
3. Почему при выполнении маммографии необходимо добиться высокой контрастности и низкого уровня шума?
