Модуль ввода-вывода информации системы цифровой рентгенографии 
Модуль ввода-вывода информации системы цифровой рентгенографии
1 ВведениеНастоящая пояснительная записка отражает результаты исследований выполненных в период дипломного проектирования по проблеме связанной с совершенствованием аппаратуры цифровой рентгенографии.За последние десятилетия были разработаны системы для рентгеновских исследований, в которых одновременно используются компьютеры, телевизионные камеры и мониторы, что позволило резко повысить эффективность рентгенографии за счет компьютерной обработки оцифрованных изображений.Следует отметить, что рентгенография тесно связана с именем выдающегося немецкого ученого - Вильгельмом Конрадом Рентгеном (1845 1923). Сегодня в медицинскую практику внедрено множество средств и методов получения диагностического изображения. Но основная нагрузка приходится на рентгенодиагностические средства, с помощью которых ставится почти 75% диагнозов. Рентгенография же в диагностике играет ведущую роль. Вступая в XXI век, рентгенология переходит на качественно новый уровень, подготовленный новейшими разработками, которые базируются на цифровом телевидении и компьютерной технике. Качество рентгеновского изображения в цифровых системах улучшается на столько, что снимок рентгеновского изображения на пленку утрачивает функции эталонного изображения. Наиболее совершенные рентгенотелевизионные системы с цифровыми камерами уже превзошли рентгенографию на пленку с усиливающими экранами в десятки раз по динамическому диапазону, в несколько раз по чувствительности, минимум в 2 раза по контрастной чувствительности и сравнились по разрешающей способности. Высокие затраты на расходные материалы (пленка, химикаты), низкая производительность и высокая трудоемкость, а также нечистая технология, связанная с фотохимическими процессом, при съемках на пленку сыграют свою роль и со временем пленка будет полностью вытеснена из рентгенологии цифровыми снимками. Твердая копия рентгеновского изображения будет не нужна, когда отделения лучевой диагностики медицинских учреждений объединятся в информационные сети с цифровыми архивами [2]. Целью дипломного проекта является улучшение качества изображений системы цифровой рентгенографии. Для достижения указанной цели были решены следующие взаимосвязанные задачи: · поиск информационных источников по проблемам совершенствования цифровой рентгенографии; · анализ тенденций модернизации систем цифровой рентгенографии; · синтез технических решений, направленных на улучшение технических характеристик систем цифровой рентгенографии. Во 2-ой главе пояснительной записки (ПЗ) представлены материалы об общих положениях систем цифровой рентгенографии. В 3-ей главе описывается техническое обеспечение системы. В 4-ой главе представлено описание самого модуля ввода/вывода данных. В последующих главах содержится информация о безопасности, экологичности и эффективности изделия. 2 Основы цифровой рентгенографииСовременная медицинская интроскопия имеет в своем арсенале сотни разнообразных приборов, использующих рентгеновское излучение с энергиями от 10 до 100 кэВ (рентгеновская диагностика), гамма-излучение искусственных радиоактивных изотопов с энергиями 10 - 300 кэВ (изотопная диагностика), инфракрасное излучение человеческого тела (тепловидение), оптический диапазон излучений (эндоскопия). Ведутся исследования по регистрации излучения человеческим телом радиочастотного диапазона (СВЧ-интроскопия). Используются источники СВЧ для получения изображений внутренних структур организма на основе ядерного магнитного резонанса (ЯМР-интроскопия).Задачи, решаемые ЭВМ, в медицинской интроскопии можно разделить на три основных типа. Первый - обработка информации, включая и непосредственную обработку изображений. Второй - синтез двух- и трехмерных изображений по серии разноракурсных одномерных сигналов детекторов, чувствительных к применяемому для исследования виду излучения. Это так называемая компьютерная томография. Третий - автоматический анализ медицинских изображений. При всем разнообразии методов по принципу регистрации их можно разделить на четыре группы (рисунок 2.1). Рисунок 2.1 - Четыре вида интроскопии по принципу регистрации излучения от объекта, Лист 1Рисунок 2.1 - Четыре вида интроскопии по принципу регистрации излучения от объекта, Лист 2· регистрация излучения, прошедшего через исследуемый объект (рисунок 2.1, а). Источник излучения И и приемник П располагаются на противоположных сторонах объекта О. Естественно, такой метод применим только при использовании сильного "проникающего" излучения: рентгеновского, иногда ультразвуковых волн, потока нейтронов.· регистрация отраженного излучения (рисунок 2.1, б). Приемник при этом может располагаться там же, где и источник, либо рядом с ним в зависимости от того, какой отраженный сигнал требуется зарегистрировать. Иногда источник совмещается с приемником. Подобным образом работают оптические внутриполостные эндоскопы и ультразвуковые сканеры.· регистрация собственного излучения объекта. Живые организмы излучают инфракрасное и электромагнитное излучения радиочастотного диапазона. Если в исследуемый орган введен радиоактивный изотоп, то регистрируется распределение его активности (изотопная диагностика) (рисунок 2.1, в).· регистрация рассеянного излучения (рисунок 2.1, г). Взаимодействуя с тканями организма, проникающее излучение частично поглощается, частично проходит через объект без изменений, а существенная доля излучения видоизменяется: меняет направление и энергию - рассеивается во все стороны. Частным случаем рассеяния является отражение. На принципе регистрации рассеянного излучения построены некоторые типы рентгеновских томографов. Сюда же можно отнести томографы на основе ядерного магнитного резонанса.Во всех четырех типах интроскопии необходимо производить многоступенчатое преобразование изображений для приведения их к виду, доступному для анализа оператором. Несмотря на то, что излучатели и первичные преобразователи излучения в каждом виде интроскопии специфичны по конструкции и целиком зависят от вида применяемого излучения, дальнейший тракт преобразования излучения и его обработки для большинства систем практически одинаков. Преобразователи излучения, как правило, превращают скрытое изображение, полученное в используемом излучении, либо в оптическое, доступное глазу (на флюоресцентном экране, фотопленке или фотобумаге), либо в последовательность электрических сигналов. Оптическое изображение может быть усилено с помощью электронно-оптических методов усиления и также превращено в последовательность электрических сигналов с помощью, например, телевизионных систем либо подано для изучения оператором.Электрические сигналы представляют собой наиболее удобную форму для последующей обработки изображения. Необходимость этой обработки диктуется особенностями восприятия изображений. Иногда на изображении выгодно подчеркнуть линию, выделить контур, иногда высветить текстуру. Обработка может осуществляться как электронными аналоговыми, так и цифровыми методами. Для целей цифровой обработки аналоговые сигналы превращаются в дискретную форму с помощью аналого-цифровых преобразователей АЦП и в таком виде поступают в ЭВМ [6].В настоящее время, ведущее место в интроскопии занимает цифровая рентгенография. Это следует из того, что во многих случаях по диагностическим возможностям альтернативы рентгеновским лучам все еще нет. А современные достижения науки и техники позволяют существенно снизить лучевую нагрузку при рентгенологических исследованиях и значительно расширить диагностические возможности.Следует отметить, что аналоговые системы зачастую имеют очень жесткие ограничения на экспозицию из-за малого динамического диапазона, а также скромные возможности по обработке изображений. Цифровые рентгенографические системы позволяют получать изображения при любом необходимом уровне дозы, причем эти изображения можно обрабатывать и отображать самыми различными способами. Такие системы являются более дорогостоящими, нежели обычные рентгеновские системы, однако по мере развития компьютерной техники и систем визуализации находят все более широкое применение.2.1 Цифровая рентгенографияИнформационная емкость рентгеновского изображения намного превосходит зрительное восприятие врача-рентгенолога. Если при опознании зрительных образов (при чтении рентгеновского изображения) мозг достигает скорости восприятия 70 бит в секунду, то скорость усвоения информации используемых в медицине ЭВМ достигает 7000 бит/с и более.Разнообразные возможности, возникшие в результате использования эффективных цифровых вычислительных устройств, дали кардинальный толчок развитию радиологической техники. Многие методы исследования, такие как "компьютерная" томография и магнитно-резонансная томография, существуют благодаря цифровой технике, так как при использовании этих методов изображение возникает в результате переработки измеряемых величин в процессоре изображения, и на смену общепринятым проекционной радиографии и рентгеноскопии приходят соответствующие цифровые методы.На сегодняшний день внедрено уже множество средств обработки и анализа рентгеновского изображения, повышающих его диагностическую информативность. Такая обработка проводится либо непосредственно в процессе получения рентгеновского изображения или опосредованно, апостериорно, т. е. уже после фиксации рентгеновского изображения.К первому способу относятся: субтракция и гармонизация в самой рентгенотелевизионной системе, цифровая и вычислительная рентгенография, рентгеноскопия и ангиография; ко второму -- субтракция и логетронирование рентгенограмм, автоматический анализ изображений, цифровая обработка рентгенограмм.На рисунке 2.2 представлен тракт преобразования изображения при рентгеновском исследовании с помощью ЭВМ. Полученное на флюороскопическом экране световое изображение усиливается электронно-оптическим преобразователем (ЭОП) и поступает через оптическую систему на вход телевизионной трубки ТТ, превращаясь в последовательность электрических сигналов. С помощью АЦП производится дискретизация и квантование, а далее запись в оперативную цифровую память - ОЗУ и обработка сигналов изображения по заданным программам ЭВМ. Преобразованное изображение вновь превращается в аналоговую форму с помощью цифро-аналогово преобразователя ЦАП и выводится на экран видеоконтрольного устройства ВКУ полутонового дисплея. Для сравнения на другом экране может регистрироваться первичное изображение непосредственно с телевизионной трубки ТТ.Рисунок 2.2 - Пример многоступенчатого преобразования изображения О - объект; И - источник; ЭОП - электронно-оптический преобразователь; ТТ - телевизионная трубка; П - приемникЭлектрические сигналы телевизионной системы преобразуются с помощью АЦП в цифровую форму и записываются в память, которая хранит исходное изображение - маску, из нее вычитаются все последующие изображения, записываемые в процессе исследования. Результирующее изображение проходит обратное преобразование и наблюдается на экране второго телевизора.Вместо электрического сигнала от телевизионной трубки в некоторых видах интроскопии могут использоваться сигналы сканирующих датчиков излучения (термография, ультразвуковая диагностика), сигналы матрицы фотоэлектронных умножителей (радиоизотопная диагностика), но последующий тракт преобразования во всех системах, работающих он лайн (on line) (в одной линии с ЭВМ), практически одинаков.В варианте оф лайн (of line) (когда ЭВМ отделена от интроскопа), оптическое изображение регистрируется, например, на фотопленке, которая затем переносится на ЭВМ, где предварительно изображение считывается теми же методами и обрабатывается аналогичным образом.Такая общность систем преобразования интроскопических изображений, а также методов и средств их обработки позволяет рассмотреть особенности применения ЭВМ в медицинской интроскопии без разделения по видам исследований. Общность методов и средств обработки интроскопических изображений уже сейчас позволяет ставить вопрос о создании единой цифровой системы для работы с медицинскими изображениями и об организации единых диагностических отделений на основе широкого применения ЭВМ в клинической практике [6].Большие возможности для клинической рентгенодиагностики имеются при непосредственной цифровой обработке рентгеновского изображения, которая уже вошла в практику компьютерной томографии, ядерно-магнитного резонанса и используется в рутинной рентгенодиагностике. Такие системы обработки рентгеновского изображения позволяют, прежде всего, формализировать качественные признаки изображения, а также осуществлять сложение и вычитание, сглаживание, масштабирование, усиление контрастности, фильтрацию, выделение зон интереса, реконструкцию изображения, построение гистограмм. Введение в практику вычислительных способов рентгенологического исследования позволяет с помощью рентгеноскопии и рентгенограмм получить высококачественное изображение с улучшенными пространственно-частотными и градационными характеристиками. Для практической рентгенологии это означает более раннее распознавание патологических образований, выявление рентгенофункциональных признаков, предклинических проявлений заболеваний.Примерно с 1983 г. получили распространение цифровая люминесцентная рентгенография и цифровая радиография с усилением изображения. В настоящее время около 40% всех радиологических исследований уже проводятся с помощью цифровой техники.Причиной этого развития можно назвать следующие преимущества цифровой радиографии:· раздельная оптимизация записи и воспроизведения изображения;· улучшение изображения с помощью его обработки;· моментальная съемка и вывод данных обследования на монитор;· цифровая запись и сохранение изображения и его передача;· воспроизведение изображения без потерь его качества.Любое аналоговое изображение можно превратить в цифровую картину без потери информации. Термин "цифровая радиография" охватывает все методы проекционной радиографии, при которых рентгеновское изображение получается при помощи цифровых компьютерных систем с дальнейшей обработкой. Для этих методов характерно преобразование рентгеновского рисунка, поступившего на детектор, в ряд цифровых параметров. Эта компьютерная цифровая картина может быть быстро обработана.Преимуществом цифровой радиографии является разделение процессов получения изображения на отдельные этапы:· детекция лучевой картины;· обработка изображения;· запись изображения;· представление изображения и просмотр;· архивация.Напротив, при традиционной радиографии пленка является одновременно изображением, памятью и фактическим материалом.При обычной пленочной рентгенографии имеют место определенные организационные проблемы. Важнейшим недостатком обычной системы РП ЭУ (рентгеновская пленка - экран усиливающий) является ограниченный динамический диапазон.Динамический диапазон и контрастность занимают противоположные по отношению друг к другу позиции: большой динамический диапазон делает возможным хорошую регистрацию изображения и средостения ("диапазон сигнала"), но приводит к уменьшению контрастности. И наоборот, высококонтрастная пленка не позволяет осуществить достаточную визуализацию медиастинальных структур.Цифровые технологии обладают гораздо большим динамическим диапазоном, чем комбинации РП--ЭУ. Это связано с их более высокой устойчивостью к дозовым колебаниям и лучшей визуализацией всего диапазона сигнала от максимального до минимального ослабления рентгеновских лучей. Возможная при цифровой системе обработка изображения оказывает решающее влияние на качество снимка, а тем самым и на диагностическую информативность цифровой радиограммы.Вместе с тем, в цифровой радиографии цифровыми данными могут обслуживаться функции: сохранение изображения и его передача. Это расходится с традиционной записью изображения, когда пленка служит одновременно детектором, средой отображения и сохранения. Благодаря разделению функций, появляется возможность отдельно оптимизировать каждую ступень процесса передачи изображения.На первом этапе путем многоступенчатого процесса трансформации детектор преобразует "падающее" ("поступающее") рентгеновское излучение в электрический сигнал, который в аналого-цифровом преобразователе "превращается" в числовые значения. Компьютерная обработка получаемого цифрового изображения служит созданию такого изображения, которое оптимально пригодно для анализа результата обследования. Переработанная картинка передается на проектор (на монитор или лазерную камеру), где цифровые значения снова переводятся в аналоговые электрические сигналы (с помощью цифро-аналогового преобразователя) и, наконец, передаются в виде интенсивности (яркости) на монитор или в виде потемнения на лазерной пленке.
Страницы: 1, 2, 3
|
|
