Zobrazovací systémy v transmisní radiografii a kvalita obrazu Kateřina Boušková Nemocnice Na Františku
• Rentgenové záření • Elektromagnetické záření o λ = 10-8 – 10-13 m • V lékařství obvykle zdrojem rentgenová trubice
• Zobrazovací technika založená na zeslabení rentgenových paprsků prošlých vyšetřovaným objektem • Při radiografickém snímání: • Interakce paprsků s objektem • Průchod paprsků skrz objekt RADIOGRAFICKÝ OBRAZ
• Závislost na materiálu objektu, na spektru emitovaného záření, typu detektoru a snímacím čase
• Rentgenové záření (dle způsobu generace) • Brzdné vznikající zabržděním pohybujícího se elektronu • Charakteristické způsobené excitací nebo ionizací elektronu z obalu atomu (anody) a následným návratem atomu do stabilního stavu RENTGENOVÝ FOTON
Rentgenových fotonů lze poměrně snadno vyrobit velké množství relativně dostupným způsobem •I= 1 mA •Počet elektronů dopadajících na anodu:
• Kvanta elmg. záření • Nenesou elektrický náboj • Klidová hmotnost rovna nule -> fotony se mohou pohybovat pouze rychlostí světla v daném prostředí • Nemohou v látce brzdit, nemohou postupně ztrácet energii
× NABITÁ ČÁSTICE • Foton se buď absorbuje nebo rozptýlí
Jak může foton konkrétně interagovat?
Fotoelektrická absorpce
Rayleighův rozptyl
Comptonův jev
Tvorba párů
Zeslabení svazku záření Při průchodu záření vzorkem ÚTLUM • Absorpce fotonu v materiálu • Rozptyl primárních fotonů -> lineární zeslabovací koeficient, hmotnostní zeslabovací koeficient
Geometrické zvětšení Zvětšení obrazu nastává v důsledku rozbíhavosti svazku záření (ideálně z bodového zdroje) na obrazovou rovinu. • Lze vypočítat ze základních geometrických principů
Lidské oko je schopno rozeznat hodnotu kontrastu v rozsahu 0.5 – 5%.
= veličina charakterizující rozdíl ve stupních šedi mezi dvěma sousedními oblastmi = rozdíl intenzity ve dvou uniformně ozářených oblastech obrazu Kontrast výsledného obrazu je dán • kontrastem detektoru (ideální detektor poskytuje tzv. lineární odezvu) • kontrastem objektu (subjektivní)
Kontrast je závislý na denzitě jednotlivých tkání, který můžeme zvýšit například použitím kontrastní látky, ale závisí také podstatně na energii použitého záření.
U digitálních detektorů je rozsah odstínů šedi, který je schopný detektor zaznamenat dán tzv. dynamickým rozsahem.
= popis schopnosti zobrazovacího systému přesně rozeznat objekty v prostorové doméně = nejmenší vzdálenost dvou bodů, které lze po jejich zobrazení ještě odlišit • Point spread function (PSF) • Line spread function (LSF) • Edge spread function (ESF) Moderní CCD kamery používané v nemocnicích mají vysoké prostorové rozlišení (~5 µm) × šum
• Detekce ionizujícího záření má pravděpodobnostní charakter • Počet detekovaných částic je náhodnou veličinou KVANTOVÝ ŠUM (nelze principiálně odstranit)
Pokud chceme tedy získat kvalitní obraz, musíme použít optimální počet fotonů rentgenového záření. Nedostatečný počet fotonů způsobí typické „rozšumění“ obrazu, které nám vytvoří rušivé body, a tím i zakryje případné detaily.
NUTNÝ KOMPROMIS KVALITA OBRAZU vs. DÁVKA PACIENTOVI
• Signal to Noise Ratio • Contrast to Noise Ratio
Nehomogenní ozáření
Efekt tvrdnutí svazku
• Zdrojem záření obvykle rentgenka produkující polychromatické záření
• Útlum intenzity rentgenových paprsků závisí na energii svazku a na konkrétních vlastnostech materiálu • Každá část paprsku zeslabena s různým koeficientem útlumu • Fotony nižších energií jsou absorbovány efektivněji, zatímco fotony vyšších energií procházejí skrz
ODLIŠNÁ DETEKČNÍ ÚČINNOST
• Každý pixel z matice je ozářen fotony různých energií • Vliv rozbíhavosti svazku • •
Paprsek na okraji snímku musí urazit delší vzdálenost Intenzita záření klesá se čtvercem vzdálenosti
ZVÝŠENÍ ŠUMU V OBRAZE
RADIOGRAFICKÝ FILM • nejrozšířenější typ analogového detektoru • folie z fluorescentního materiálu -> emise viditelného světla -> latentní obraz -> chemické zpracování
DETEKTORY INTEGRUJÍCÍ NÁBOJ • převod fotonů na elektrický signál • úroveň elektrického signálu je úměrná počtu dopadajících fotonů • analogově digitální konvertor, který převádí signál z fotodiod nebo polovodičových detektorů do digitální formy
Výhody
Nevýhody
Radiografický film
Velmi vysoké rozlišení Nízká cena Nízká hodnota šumu
Nelineární odezva Omezený dynamický rozsah Složitý proces zpracování Omezený kontrast
Detektory integrující náboj
Vysoké prostorové rozlišení Nízká cena Nulová mrtvá doba
Integrace náboje bez rozlišení fotonů Šum Omezený dynamický rozsah Omezený kontrast
Hybridní pixelové detektory • Medipix (CERN) • Nejsou komerčně dostupné •Polovodičková vrstva •Vyčítací čip •Každý pixel vlastní elektronika •Malé rozměry (14, 11 × 14, 11 mm) •Tloušťka 50 – 200 µm •Materiál GaAs, CdTe, Si
VOLBA TLOUŠŤKY A MATERIÁLU OVLIVŇUJE DETEKČNÍ ÚČINNOST PRO RŮZNÉ ENERGIE
Výhody? • Obrovský dynamický rozsah • Vysoké prostorové rozlišení • Prakticky bez šumu (nastavitelný treshold) • Vysoká selektivita např. podle energie (zaznamenávání dráhy každé částice) • Přímá detekce (online) × VYSOKÁ CENA, VELKÉ OBJEMY DAT
Možnost Flat field korekce Korekce na beam hardening efekt „Vypnutí“ nepotřebných fotonů
Možnost medicínského zobrazování měkkých tkání?
•
• •
•
• • • • • •
BUSHBERG, Jerrold T., J. A. SEIBERT, E. M. LEIDHOLDT a J. M. BOONE. The essential physics of medical imaging. 3rd ed. Philadelphia: Wolters Kluwer Health/Lippincott Williams. 2012, xii, 1030 s. ISBN 978-078-1780-575. SEIBERT, A. a J. BOONE. X-Ray Imaging Physics for Nuclear Medicine Technologists. Part 2: XRay Interactions and Image Formation. Journal of Nuclear Medicine Technology. 2005, 33. JAKUBEK, Jan. Data processing and image reconstruction methods for pixel detectors. Nuclear Instruments and Methods in Physics Research Section A: Accelerators, Spectrometers, Detectors and Associated Equipment. 2007, 576(1), s. 223-234. DOI: 10.1016/j.nima.2007.01.157. DAMMER, J., F. WEYDA, J. JAKŮBEK, V. SOPKO, J. ŽEMLIČKA a R. HANUS. Digital X-ray microscopy of small biological samples using Medipix2 semiconductor pixel detektor. Microscopy: Science, Technology, Applications and Educations. Badajoz : Formatex, 2010 - (A. Méndez-Vilas, J.), s. 415-421. ISBN 978-84-614-6189-9. http://www2.lbl.gov/MicroWorlds/ALSTool/EMSpec/EMSpec2.html http://eeweb.poly.edu/~yao/EL5823/NuclearImaging_ch8_9.pdf http://www.slideshare.net/reachquadri/what-is-spatial-resolution http://en.wikibooks.org/wiki/Basic_Physics_of_Digital_Radiography/The_Image http://en.wikibooks.org/wiki/Basic_Physics_of_Digital_Radiography/The_Image_Receptor#Di gital_Radiography http://www.astrobio.net/news-exclusive/cosmic-rays-zap-a-planets-chances-for-life/
