а) Прямое и непрямое преобразование. Существует несколько методов получения цифрового изображения (табл. 4). Наиболее четко их можно охарактеризовать с точки зрения того, как создается электронное изображение: визуализация с прямым преобразованием в цифровое изображение и непрямая визуализация.
Системы прямого цифрового преобразования автоматически генерируют сигнал и отправляют изображение на управляющий компьютер. При непрямой визуализации требуется вмешательство лаборанта. КР — пример непрямой визуализации. Лаборант должен удалить облученную пластину КР и перенести ее в считывающее устройство. Только так он получит изображение.
Осуществление прямого цифрового преобразования возможно двумя способами: непрямым и прямым. У каждого метода есть свои преимущества и недостатки.
1. Методы косвенного преобразования похожи по поведению на экранно-пленочную визуализацию: рентгеновские лучи генерируют свет, формируя световое изображение, которое затем обнаруживается какой-либо светочувствительной системой.
Пленка — первый метод косвенного преобразования, но, конечно, это не цифровая технология. Методы непрямого цифрового преобразования — это КР-маммография и система, в которой используется CsI.
2. Существует только они вид прямого преобразования цифрового изображения. При этом рентгеновские лучи создают изображение напрямую. В системах прямого преобразования используются детекторы, имеющие в своем составе аморфный селен.
В США КР-маммография постепенно уходит в прошлое. В 2017 г. страховые компании начали сокращать платежи учреждениям, использующим эту цифровую технологию. В настоящем издании руководства КР-маммография более не рассматривается.
б) Детекторы прямого преобразования:
1. Плоскопанельный детектор. Плоскопанельные детекторы представляют собой большие сборные устройства, которые автоматически генерируют изображения при воздействии рентгеновских лучей. Как уже упоминалось выше, они могут использовать прямые или косвенные методы преобразования поглощенного излучения.
В FFDM используются плоскопанельные детекторы, настроенные как на прямой, так и на непрямой метод. Последний, аналогичный захвату изображения экранной пленкой, представляет собой двухэтапный процесс: а) преобразование рентгеновских лучей в свет и б) регистрация световой энергии в цифровом массиве. Прямой метод подразумевает одноэтапный процесс: рентгеновские лучи (напрямую) преобразуются в изображение. Промежуточные этапы отсутствуют.
2. Плоскопанельный детектор непрямого преобразования. Плоскопанельный детектор непрямого преобразования формирует изображение почти так же, как это происходит при экранно-пленочной визуализации (рис. 1). Рентгеновские фотоны, проходящие через молочную железу, попадают на сцинтиллятор, состоящий из йодида цезия. Он преобразует рентгеновские лучи в свет.
Рисунок 1. Детекторы с непрямым преобразованием работают за счет поглощения рентгеновских лучей, которые испускают световые сцинтилляции, обнаруживаемые фотодиодами
Свет регистрируется фотодиодами и преобразуется в электроны. Электроны образуют цифровое изображение. Как и в случае экранно-пленочной визуализации, именно диффузия света в сцинтилляторе служит причиной снижения четкости изображения (размытия).
2.1 Процесс непрямой визуализации. Сцинтиллятор состоит из CsI. Он представляет собой люминофорный экран, функции которого аналогичны функциям усиливающего экрана в экранно-пленочной кассете. При попадании рентгеновских фотонов экран из CsI излучает свет.
После этого CsI направляет свет на слой фотодиодов, которые превращают его в электрические сигналы. Фотодиоды установлены на подложке из аморфного кремния, на которой размещены массив электронных переключателей и сигнальные линии, расположенные над пикселями. Каждый светочувствительный диодный элемент соединен с линией управления и данных с помощью ТПТ.
В результате осуществляется сбор цифровых данных, которые точно описывают интенсивность рентгеновского излучения, падающего на каждый пиксель (рис. 2).
Рисунок 2. Верхний слой: сцинтиллятор с Cal. Средний слой: аморфный кремний. Нижний слой: массив тонкопленочного транзистора (ТПТ)
Обеспечивается плотный контакт CsI сцинтиллятора и аморфного кремния фотодетектора, что ведет к уменьшению потерь света при его передаче от одного слоя к другому. Если слой CsI будет тоньше, чтобы уменьшить рассеяние света, это отрицательно скажется на эффективности квантового поглощения. Кристаллы CsI имеют вид игольчатых столбиков, что позволяет направлять свет на поверхность фотодиода.
Такая столбчатая структура способствует минимизации потери света во время процесса переноса. Однако все еще возможно некоторое рассеяние света, ухудшающее разрешение. Рассеяние света служит причиной снижения разрешения, поскольку сигнал от одного входящего рентгеновского луча принимается на расстоянии до 3 пикселей от источника (всего около 50 пикселей).
2.2 Разрешение при непрямом преобразовании. Разрешение детектора с непрямым преобразованием составляет 100 пм (0,1 мм). Это расстояние между двумя транзисторами. Может ли меньший размер пикселей улучшить пространственное разрешение? Собственное разрешение цифровой системы определяется световым потоком, а не размером пикселя. Именно поэтому уменьшение размера пикселей не сделает изображение более резким.
Другим фактором, способным снизить разрешение, является расположение той части массива, которая фактически захватывает изображение. При экранно-пленочной визуализации пленка размещается на верхней поверхности усиливающего экрана. Пленка находится в непосредственном контакте с усиливающим экраном и реагирует на свет, излучаемый экраном.
Массив ТПТ, где происходит захват цифрового изображения, располагается в нижней части цифрового массива и не контактирует со слоем сцинтиллятора.
Свет от сцинтиллятора направляется на ТПТ. При этом происходит рассеяние света, что снижает пространственное разрешение (рис. 3).
Рисунок 3. В детекторах с непрямым преобразованием, для поглощения рентгеновского излучения и генерации световых фотонов, которые обнаруживаются матрицей фотодиодов, используется сцинтилляционный слой
Если бы толщина сцинтиллятора была меньше, это позволило бы уменьшить рассеяние света и получить, таким образом, более четкое изображение, однако эффективность поглощения рентгеновских фотонов матрицей станет меньше, S/N снизится.
3. Плоскопанельный детектор прямого преобразования. Плоскопанельный детектор прямого преобразования генерирует изображение сходным образом, как и при ксеромаммографии. Рентгеновские фотоны, проходящие через ткань молочной железы, попадают на фотопроводник, который изготовлен из аморфного селена (рис. 4). Такое взаимодействие создает электростатическое изображение с высоким пространственным разрешением.
Рисунок 4. Детектор прямого преобразования изготовлен с использованием аморфного селена. Он напрямую превращает рентгеновские лучи в электрический заряд
Плоская панель имеет равномерный заряд. Рентгеновское излучение вызывает разряд пластины, причем степень разряда пропорциональна количеству излучения, попадающего на нее.
3.1 Процесс прямой визуализации. Рентгеновские лучи попадают на поверхность фотопроводника из аморфного селена. Электроннодырочные пары («+» и «-» ионы) создаются путем сбивания электронов с атомов селена. К слою селена прикладывается высоковольтное электрическое поле. Положительный и отрицательный электроды помещаются на верхнюю и нижнюю поверхности, на них также оказывает воздействие электрическое поле.
Этот перепад напряжения толкает электроны в одном направлении, а электронные дырки — в другом. В силу разности напряжений ионы движутся к ТПТ по прямой линии. Распространение света в боковом направлении минимально и составляет примерно 1 пм. Следовательно, оно не влияет на пространственное разрешение (рис. 5).
Рисунок 5. К верхней и нижней поверхностям слоя аморфного селена притягиваются противоположные электрические заряды. Когда рентгеновские лучи попадают на слой аморфного селена, ионы движутся к тонкопленочному транзистору по прямой линии. Пространственное разрешение достаточно резкое, потому что практически отсутствует боковое рассеяние света. Массив транзисторов поглощает электрический заряд и измеряет заряд ионов. Величина заряда преобразуется в цифровое изображение
3.2 Разрешение при прямом преобразовании. Идеальный материал для использования в маммографии — аморфный селен. Он очень хороший детектор рентгеновских лучей в диапазоне энергий, типичных для маммографии. Процесс производства селена хорошо изучен, поскольку он использовался в 1970-1980-х гг. в ксеромаммографии. Он эффективно поглощает рентгеновские лучи и обладает отличным естественным разрешением.
Способность поглощения рентгеновских лучей (квантовая эффективность) прямого процесса составляет 95%, при аналоговой визуализации она колеблется от 50 до 70%, для сцинтилляторов с CsI — от 50 до 80% (рис. 6).
Рисунок 6. Процент поглощения падающего рентгеновского излучения материалами, используемыми при экранно-пленочной визуализации, Gd2O2S 34 мг/см2; непрямая конверсия с Csl(T1), 73 мг/см2; селен II поколения, 250 пм
Толщину слоя фотопроводника из аморфного селена можно увеличить. Это приведет к поглощению большего количества рентгеновских лучей и сделает сбор данных более эффективным. При толщине 250 мкм этот детектор задерживает 95% падающих на него рентгеновских лучей. Если ее увеличить, это не приведет к увеличению светового размытия, как это было бы при непрямом методе.
Прямые детекторы не рассеивают свет, поэтому пространственное разрешение ограничивается только размером пикселя. Последний варьирует от 70 до 85 пм и зависит от производителя оборудования. По мере технологического усовершенствования мониторов дальнейшие усилия будут направлены на уменьшение размера пикселя прямого детектора, что обеспечит лучшее разрешение. Улучшение непрямого метода невозможно, поскольку его эффективность ограничена рассеянием света, а не размером пикселя.
Все детекторы имеют нижний предел размера пикселя. Если пиксели будут слишком маленькими, разрешение может улучшиться, но система в целом — нет. Пиксели очень маленького размера улавливают слишком мало рентгеновских лучей, чтобы получить изображение, поэтому на снимке присутствует шум. Кроме того, меньший размер пикселей приводит к увеличению объема данных, которые сложно передавать, хранить и отображать.
3.3 Недостатки прямого преобразования. У любой технологии есть свои преимущества и недостатки. Разрешение массива прямого преобразования ограничено только размером пикселей. При уменьшении размера пикселей объем данных значительно увеличивается. В результате считывание на ТПТ и отображение на мониторе лаборанта занимает много времени. Кроме того, с увеличением объема каждого изображения возрастает потребность в емкости хранилища PACS.
Еще один недостаток — дрейф темного сигнала, также известный как гостинг. При прямом преобразовании цифровой массив выдает электронный сигнал даже при отсутствии реального радиационного воздействия. Массив постоянно «очищается», чтобы удалить темный сигнал из ТПТ.
в) Резюме. Цифровые изображения — это больше, чем просто совокупность новых технологий, науки и математики; это сдвиг в мышлении, концепциях и языке. Все дело в ходе мыслей, видении и формулировке вопросов и ответов. Невидимые электроны движутся со скоростью света, иногда по проводам, иногда по воздуху.
Они созданы с помощью цифровых технологий и позволяют получить изображения, имеющие жизненно важное значение, а также предоставить необходимую информацию врачам, определяющим тактику ведения пациента способами, недоступными для них еще 10 лет назад.
Ясное представление о том, что именно необходимо визуализировать и каким образом, приводит к обращению к цифровым технологиям, позволяющим удовлетворять текущие потребности и те, что возникнут в перспективе.
