Zobrazovací systémy v transmisní radiografii a kvalita obrazu. Kateřina Boušková Nemocnice Na Františku

Transkript

1 Zobrazovací systémy v transmisní radiografii a kvalita obrazu Kateřina Boušková Nemocnice Na Františku

2 Rentgenové záření Elektromagnetické záření o λ= m V lékařství obvykle zdrojem rentgenová trubice

3 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

4 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:

5 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?

6 Fotoelektrická absorpce Rayleighův rozptyl Comptonův jev Tvorba párů

7 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

8 = veličina charakterizující rozdíl ve stupních šedi mezi dvěma sousedními oblastmi = rozdíl intenzity ve dvou uniformně ozářených oblastech obrazu Lidské oko je schopno rozeznat hodnotu kontrastu v rozsahu 0.5 5%. Kontrast výsledného obrazu je dán kontrastem detektoru (ideální detektor poskytuje tzv. lineární odezvu) kontrastem objektu (subjektivní) Kontrast je závislý na denzitějednotlivých 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.

9 = 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) Edgespreadfunction(ESF) Moderní CCD kamery používané vnemocnicích mají vysoké prostorové rozlišení (~5 µm) šum

10 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 Signalto NoiseRatio Contrast to Noise Ratio

11 Nehomogenní ozáření Zdrojem záření obvykle rentgenka produkující polychromatické záření 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 Efekt tvrdnutí svazku 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 ZVÝŠENÍ ŠUMU V OBRAZE

12 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

13 Radiografický film Výhody Velmi vysoké rozlišení Nízká cena Nízká hodnota šumu Detektory integrující náboj Vysoké prostorové rozlišení Nízká cena Nulová mrtvá doba Nevýhody Nelineární odezva Omezený dynamický rozsah Složitý proces zpracování Omezený kontrast Integrace náboje bez rozlišení fotonů Šum Omezený dynamický rozsah Omezený kontrast

14 Hybridní pixelové detektory Medipix (CERN) Nejsou komerčně dostupné Polovodičková vrstva Vyčítacíčip Každý pixel vlastní elektronika Malé rozměry (14, 11 14, 11 mm) Tloušťka µm Materiál GaAs, CdTe, Si Výhody? Obrovský dynamický rozsah Vysoké prostorové rozlišení Prakticky bez šumu (nastavitelný treshold) Vysoká selektivita např. podle energie (zaznamenávání dráhy každé částice) Přímá detekce (online) VOLBA TLOUŠŤKY A MATERIÁLU OVLIVŇUJE DETEKČNÍ ÚČINNOST PRO RŮZNÉ ENERGIE VYSOKÁ CENA, VELKÉ OBJEMY DAT

15 Možnost Flat field korekce Korekce na beam hardening efekt Vypnutí nepotřebných fotonů Možnost medicínského zobrazování měkkých tkání?

16

17 BUSHBERG, JerroldT., J. A. SEIBERT, E. M. LEIDHOLDT a J. M. BOONE. Theessentialphysicsof medicalimaging. 3rd ed. Philadelphia: WoltersKluwerHealth/LippincottWilliams. 2012, xii, 1030 s. ISBN SEIBERT, A. a J. BOONE. X-Ray Imaging Physics for Nuclear Medicine Technologists. Part 2: X- Ray Interactions and Image Formation. Journal of Nuclear Medicine Technology. 2005, 33. JAKUBEK, Jan. Data processing and image reconstruction methods for pixel detectors. Nuclear Instruments andmethodsin PhysicsResearchSectionA: Accelerators, Spectrometers, DetectorsandAssociatedEquipment.2007, 576(1), s DOI: /j.nima DAMMER, J., F. WEYDA, J. JAKŮBEK, V. SOPKO, J. ŽEMLIČKA a R. HANUS. Digital X-ray microscopyofsmallbiologicalsamplesusingmedipix2 semiconductorpixel detektor. Microscopy: Science, Technology, ApplicationsandEducations. Badajoz: Formatex, (A. Méndez-Vilas, J.), s ISBN gital_radiography