1 Введение

Настоящая 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 рентгенографии

Современная 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 1

Рисунок 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 рентгенография

Информационная 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 - приемник

Электрические 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.

Таким образом, цифровая часть процесса передачи изображения является лишь промежуточным этапом, который служит для того, чтобы воспринимаемая информация была переработана подходящим образом. Детектирование (индикация) и воспроизведение изображения являются также аналоговыми процессами и подлежат таким же физическим законам, как и процессы традиционной радиографии. Разумеется, благодаря раздельной оптимизации и воспроизведения изображения, появляются существенно новые возможности.

В цифровой радиографии детекторная система является важнейшим фактором при регистрации диагностической информации. Причем изображение оцифровывается двояко. С одной стороны, оно разделено на отдельные элементы изображения -- пиксели. С другой стороны, происходит процесс квантования яркости каждого отдельного пикселя, другими словами, яркость выражается числом (значение пикселя, растровое значение).

Каждый пиксель может быть описан, исходя из своей позиции в определенной строке или столбце матричного изображения, и представляет интенсивность лежащего в его основе лучевого изображения в этом месте. Расстояние от одного элемента изображения до соседнего обычно обозначается термином "размер пикселя". Однако с точки зрения информационной техники, более корректным будет название "расстояние дискретности".

Размер использованной матрицы изображения обычно равен 1К (1024 1024) или 2К (2048 Ч 2048), однако особенно в цифровой проекционной радиографии используются неквадратные матрицы. Следовательно, такие выводы следует понимать лишь как порядок количества данных. Матрица размером 2К занимает объем памяти в 4 раза больше, чем матрица размером 1К, и соответственно больше времени уходит на обработку и передачу. Размер матрицы сам по себе еще не доказывает качество изображения. В зависимости от формата изображения, та или иная установленная матрица может привести к различным размерам пикселя. Так, например, в радиографии с усилением изображения возможны различные форматы масштабирования.

Как правило, число пикселей в матрице так велико, а размер пикселя так мал, что при обыкновенном рассмотрении изображения невозможно воспринять расчленение его на отдельные элементы. Однако при увеличении фрагмента на мониторе структура пикселя становится заметной, что создает помехи при рассмотрении изображения.

Четкость изображения величин серой шкалы (количество возможных величин пикселя) определяется с помощью количества битов, необходимых на каждый пиксель (глубина в битах). Чем больше глубина битов, тем точнее и четче показания параметров изображения. При недостаточной глубине битов на изображениях могут появиться ложные контуры кривой интенсивности там, где цифровая величина изменяется на одну ступень. Глубина битов, необходимая для предотвращения подобных артефактов, зависит от объема динамики изображения и от шумов в изображении. Чем больше отображаемый спектр интенсивности и чем слабее шумы, тем больше бит-уровней нужно для безошибочной оцифровки изображения, однако при этом увеличиваются затраты на аналого-цифровое преобразование, на сохранение и переработку. Для глубины битов радиологических изображений типичны следующие величины: 8, 10 или 12 битов (таблица 2.1).

Таблица 2.1 - Типичные величины размеров матриц и глубин битов при разных методах лучевой диагностики

NN п/п	Методы лучевых исследований	Размер матрицы	Глубина в битах
1	РКТ и МРТ	512 Ч 512	12 бит
2	ЦРГФ	512 Ч 512	8 бит
3	ДСА	1024 Ч 1024	10 бит
4	ЦПРГФ (накапливающая фольга, селен)	2000 Ч 2000	10-14 бит

2.2 Цифровые рентгенографические системы

Преобразование традиционной рентгенограммы в цифровой массив с последующей возможностью обработки рентгенограмм методами вычислительной техники стало распространенным процессом. Такие аналоговые системы зачастую имеют очень жесткие ограничения на экспозицию из-за малого динамического диапазона рентгеновской пленки. В отличие от аналоговых, прямые цифровые рентгенографические системы позволяют получать диагностические изображения без промежуточных носителей, при любом необходимом уровне дозы, причем это изображение можно обрабатывать и отображать самыми различными способами.

На рисунке 2.3 приведена схема типичной цифровой рентгенографической системы. Рентгеновская трубка и приемник изображения сопряжены с компьютером и управляются им, а получаемое изображение запоминается, обрабатывается (в цифровой форме) и отображается на телеэкране, составляющем часть пульта управления (или устройства вывода данных) оператора-рентгенолога.

Рисунок 2.3 - Составные элементы цифровой системы получения рентгеновских изображений

Аналогичные пульты управления можно применять и в других системах получения изображения, например на основе ядерного магнитного резонанса, или компьютерной томографии. Цифровое изображение можно записать на магнитном носителе, оптическом диске или же на специальном записывающем устройстве, способном постоянно вести регистрацию изображения на пленку в аналоговой форме.

В России прямая цифровая рентгенографическая система Института ядерной физики (ИЯФ) СО РАН применяется в нескольких клинических больницах. В этой системе рентгеновская пленка как регистратор рентгеновского излучения заменена многопроволочной пропорциональной камерой. Такая камера вместе с электронными схемами усиления и формирования импульсов представляет собой линейку на 256 практически независимых каналов, имеющих чувствительную поверхность 11 мм. (В последних моделях 350 каналов и 0,5 0,5 мм.) Использование в счетчиках в качестве рабочего газа ксенона при давлении 3 кгс/см² обеспечивает высокую эффективность регистрации излучения. Эта система может быть отнесена к классу ионографических приборов для цифровой рентгенографии, передающих изображение на внешние устройства отображения.

В других цифровых рентгенографических системах используют твердотельные приемники с высоким коэффициентом поглощения рентгеновского излучения.

В обоих разновидностях упомянутых рентгенографических систем применяется метод сканирования с построчной регистрацией изображения, которое воспроизводится в целое на дисплее компьютера (сканирующая проекционная рентгенография).

Ко второму классу цифровых рентгенографических систем следует отнести люминофоры с памятью и вынужденной люминесценцией, которая затем регистрируется. Это приемник с непосредственным формированием изображения.

Системы получения изображения со сканированием рентгеновским пучком и приемником имеют важное преимущество, состоящее в том, что в них хорошо подавляется рассеяние. В этих системах один коллиматор располагается перед пациентом с целью ограничения первичного рентгеновского пучка до размеров, необходимых для работы приемника, а другой - за пациентом, чтобы уменьшить рассеяние. На рисунке 2.4 изображена линейная сканирующая система для получения цифрового изображения грудной клетки. Приемником в системе является полоска из оксисульфида гадолиния, считывание информации с которой ведется линейной матрицей из 1024 фотодиодов. Проекционные рентгенограммы синтезируются также сканерами компьютерной томографии и выполняют вспомогательную роль при выделении соответствующего сечения.

Рисунок 2.4 - Система линейного сканирования для цифровой рентгенографии грудной клетки

Главным недостатком сканирующих систем является то, что большая часть полезной выходной мощности рентгеновской трубки теряется и что необходимы большие времена экспозиции (до 10 с).

2.3 Цифровые технологии получения рентгенографических изображений

Термин "цифровая рентгенография" применяется к методам, при которых рентгеновское изображение преобразуется в цифровой сигнал. Принцип формирования цифрового изображения на всех приборах одинаков. Если на каждой единице площади аналогового изображения рассчитать среднюю плотность почернения и поставить соответственно этой плотности числовые значения, то мы получим изображение в виде цифровой матрицы. Таким образом, матрица видимого изображения складывается из отдельных мельчайших элементов - пикселов (неологизм от picture - рисунок и cell - ячейка).

Каждый пиксел имеет в матрице свои пространственные координаты (ряд и колонку), которые соответствуют расположенному в теле пациента элементарному объему - вокселу (volume element).

Для показа изображения цифровая матрица вновь трансформируется в матрицу видимых элементов изображения - пикселов. На матрице пиксел представляет собой четырехугольник с высотой равной расстоянию между двумя оттенками серой шкалы и шириной, равной одному шагу вдоль линии матрицы.

Размер ячейки матрицы (пиксела) цифрового изображения должен зависеть от размера самой мелкой из имеющих диагностическое значение деталей.

Цифровая технология обладает рядом преимуществ, среди которых, прежде всего можно отметить оптимизацию плотности изображения (анализ большого числа оттенков серой шкалы), возможность его математической обработки с помощью различных программ, передача изображения на расстояния и удобное архивирование. Число возможных оттенков серой шкалы в диапазоне между черным и белым определяется динамическим диапазоном и отражает контрастное разрешение цифрового изображения.

В цифровых системах величина динамического диапазона позволяет правильно отражать разницу плотностей в соотношении 1:1000, что значительно выше фотографической широты обычной рентгеновской пленки, поскольку последняя может отразить разницу плотностей в максимальном соотношении 1:20 [5].

Цифровые технологии получения рентгеновского изображения находят все более широкое распространение в лучевой диагностике. Все существующие или находящиеся в стадии разработки системы цифровой рентгенографии делятся по принципу детектирования рентгеновского излучения на пять основных видов:

· система с оцифровкой рентгеновского электронного изображения, получаемого с усилителя рентгеновского изображения УРИ;

· цифровая рентгенография на запоминающих люминофорах;

· цифровая селеновая рентгенография;

· цифровая рентгенография на основе линейных преобразователей (газовых или полупроводниковых);

· цифровая рентгенография на основе полноформатной матрицы.

В настоящее время самой распространенной системой является цифровая рентгеноскопия и рентгенография, получаемая методом оцифровки рентгеновского электронного изображения. Во всех этих системах аналоговые сигналы после оцифровки записываются в виде цифровой матрицы изображения. Их значения заносятся в память компьютера и подвергаются дальнейшей обработке.

Для получения изображения цифровое значение каждого пикселя трансформируется в точку определенной яркости на экране электронно-лучевой трубки или в определенную оптическую плотность на твердой копии изображения. Основным недостатком подобных систем является малый размер рабочего поля УРИ.

Второе по частоте распространение получила цифровая рентгенография на запоминающих люминофорах.

Данный метод основан на фиксации рентгеновского изображения запоминающими люминофорами. Экран, покрытый запоминающим люминофором, внешне похож на обычный усиливающий экран и функционирует сходным образом, запоминая информацию в виде скрытого рентгеновского изображения для последующего ее считывания и воспроизведения. Скрытое изображение на таком экране способно сохраняться длительное время (до 6 часов). Считывание его производится инфракрасным лазером, под действием которого происходит освобождение накопленной на люминофорах энергии в виде вспышек света. Эти вспышки видимого света преобразуются с помощью фотоэлектронного умножителя в серию электрических сигналов и далее через аналого-цифровой преобразователь в цифровые сигналы, чтобы образовать бинарную матрицу, отражающую яркостные показатели каждого пикселя.

Оставшееся на экране скрытое изображение стирается интенсивной засветкой видимым светом, после чего экран можно использовать вновь, многократно.

Считается, что качество цифрового изображения можно существенно улучшить, применяя метод прямой регистрации рентгеновского излучения с помощью детектора, работающего в непосредственной связи с компьютером. Одним из вариантов прямого детектирования рентгеновского излучения является цифровая селеновая рентгенография. Она представляет собой систему, основной частью которой служит детектор в виде барабана покрытого слоем аморфного селена. Селеновая рентгенография в настоящее время используется только в системах рентгенографии грудной клетки. Но преимуществом селенового детектора является высокий коэффициент отношения сигнал/шум.

Таким образом, из краткого обзора о цифровых методах рентгеновских изображений вытекает, что к настоящему времени наиболее распространенными являются системы с оцифровкой рентгеновского электронного изображения. Однако возможности их ограничены малым размером рабочего поля электронно-оптического преобразователя. Последнее обстоятельство компенсируется методом сшивания изображения, который используется в приборах для исследования грудной полости.

Меньшее распространение получили технологии, работающие на основе запоминающих люминофоров.

Их широкое внедрение, прежде всего, ограничивается высокой стоимостью.

В последние годы, особенно, в нашей стране получает практическое применение полупроводниковая и газовая рентгенография, работающие по принципу сканирующей линейки. Несмотря на не очень высокое линейное разрешение, эти технологии имеют ряд существенных преимуществ, которые, прежде всего, определяются большой площадью изображения, низкой себестоимостью приборов и чрезвычайно малой дозой облучения, необходимой для производства изображения.

Эти положительные качества являются определяющими для широкого использования указанной технологии, в первую очередь в установках для исследования грудной клетки, как с целью профилактических осмотров, так и для диагностики.

3 Техническое обеспечение системы цифровой рентгенографии

Общую структуру информационной системы можно рассматривать как совокупность подсистем независимо от сферы применения. В этом случае говорят о структурном признаке классификации, а подсистемы называют обеспечивающими. Таким образом, структура любой информационной системы может быть представлена совокупностью обеспечивающих подсистем (см. рисунок 3.1).

Рисунок 3.1 - Структура информационной системы как совокупность обеспечивающих подсистем

Среди обеспечивающих подсистем обычно выделяют информационное, техническое, математическое, программное, организационное и правовое обеспечение.

Техническое обеспечение - комплекс технических средств, предназначенных для работ информационной системы, а также соответствующая документация на эти средства и технологические процессы.

Комплекс технических средств составляют:

· компьютеры любых моделей;

· устройства сбора, накопления, обработки, передачи и вывода информации;

· устройства передачи данных и линий связи;

· оргтехника и устройства автоматического съема информации;

· эксплуатационные материалы и др. [7].

В дипломном проекте представлено только техническое обеспечение цифровых систем.

3.1 Анализ существующих цифровых рентгенографических систем

Рентгенодиагностика и рентгенодефектоскопия явились первыми областями практического применения рентгеновских лучей. Они сохраняют свое доминирующее положение и в настоящее время.

Первые рентгеновские аппараты представляли собой электрически незащищенные индукторные генераторы высокого напряжения, питающие ионные рентгеновские трубки через механические выпрямители.

Первый электрически защищенный отечественный однофазный аппарат РУМ-2 был создан в 1946 году под руководством В.В. Домоховского и А.Г. Сулькина.

Вначале создание трехфазного рентгеновского аппарата было сопряжено со множеством трудностей, так как аппарат из-за наличия трех фаз был перегружен выпрямителями, а также имел большие габариты и высокую себестоимость. Первые подобные аппараты были созданы фирмами Philips и Siemens. Появление полупроводниковых высоковольтных выпрямителей позволило уменьшить трудоемкость изготовления трехфазных высоковольтных генераторов, а появление рентгеновских трубок с вращающимся анодом сделало еще более явственным преимущества трехфазного питания.

Первый отечественный трехфазный аппарат РУМ-16 был разработан во ВНИИ радиационной техники в 1968 году [3].

Современная технология рентгенографии - это довольно сложный и ответственный процесс в визуализационной диагностике.

В зависимости о назначения, мощности, питающей схемы и других показателей, все питающие устройства подразделяются на следующие классы.

· Аппараты высшего класса - трехфазные аппараты с наибольшим напряжение 150 кВ и наибольшей мощностью 100 кВт (100 кВ, 1000 мА). Они обеспечивают проявление всех рентгенологических исследований на самом высоком уровне и предназначены для специализированных лечебно-профилактических учреждений (ЛПУ). К таким рентгеновским аппаратам относятся Prestige (GE, США), Multistar T.O.P., Serigraph (Siemens), Multi Diagnost 97 (Philips), Emerix-80HF Plus (Medicor) и др.

· Аппараты первого класса - трехфазные аппараты с наибольшим напряжение 125 кВ и с наибольшей мощностью 50 кВт (90кВ, 600мА и 125 кВ, 400 мА). Они тоже обеспечивают проведение любых видов рентгенологических исследований и предназначены, прежде всего, для стационаров общего назначения. Такие аппараты поставляют почти все известные фирмы, а именно: Diagnost-97 (Philips), Sirescop SX (Siemens), Emerix-65 HF Plus, Emerix-50 HF Plus (Medicor) и др.

· Аппараты второго класса - однофазные аппараты мощностью 27-30 кВт (125-150 кВ при токе 250-300 мА и 90-100 кВ при токе 400-500 мА). Эти аппараты обеспечивают проведение основных видов рентгенологических исследований. Ими комплектуются как стационары, так и поликлиники. К таким аппаратам относятся: Silhouette 20 S, Silhouette 20 (GE, США), Sirescop CX (Siemens), Eurascop 3 (Swissray), Emerix-30 HF Plus, Emerix 2P/500 (Medicor) и др.

· Аппараты третьего класса - однофазные с напряжением 125 кВ при токе 150-200 мА и 90 кВ при токе 250-300 мА. Они предназначены для рентгенографии и должны быть во всех ЛПУ. Их поставляют фирмы: GE (Solarix FV, Compax - 40, 40 E), фирма Siemens (Polimobil-10, Multix), фирма Philips (MRS), фирма Swissray (Atlas), фирма Medicor (Emerix 2P/300, Emerix 30 HFC) и др.[1].

3.2 Датчики рентгеновского излучения

Датчик предназначен для преобразования рентгеновского излучения в электрический аналог. Ниже представлена характеристика стандартного датчика для рентгенографических исследований.

Таблица 3.1 - Характеристики цифрового рентгеновского датчика

Полный размер	25425.8 мм (456684 пикселей)
Размер пикселя	4444 микрона
Чувствительная область	2030 мм
Пространственное разрешение	лучше чем 10 линий на мм
Совместимость с любыми дентальными рентгеновскими аппаратами	диапазон высокого напряжения от 50 до 70 кВ
Время экспозиции	более 80 мс

3.3 Приемники изображения ЦР

В цифровой рентгенологии могут найти применение два класса приемников изображения:

· приемники с непосредственным формированием изображения;

· приемники с частичной регистрацией изображения, в которых полное изображение формируется путем сканирования либо рентгеновским пучком, либо приемным устройством (сканирующая проекционная рентгенография).

В цифровой рентгенографии применяют усилитель изображения, ионографическую камеру и устройство с вынужденной люминесценцией. Эти приемники могут непосредственно формировать цифровые изображения без промежуточной регистрации и хранения. Усилители изображения не обладают наилучшим пространственным разрешением или контрастом, однако имеют высокое быстродействие. Аналого-цифровое преобразование флюорограммы с числом точек в изображении 512х512 может занимать время менее 0,03 с.

Матрицы изображения из 512х512 элементов может быть вполне достаточно для целей цифровой флюороскопии, тогда как система рентгеноскопии грудной клетки может потребовать матрицы с числом элементов 1024х1024 при размерах элемента изображения 0,4 мм. Но даже при числе точек 2048х2048 в изображении время преобразования изображения в цифровую форму составляет всего несколько секунд. Время считывания изображения с пластины с вынужденной люминесценции или ионографической камеры значительно больше, хотя последнее выгодно отличается лучшим разрешением и динамическим диапазоном.

Число градаций в изображении зависит от медицинского назначения. Аналого-цифрового преобразования на 8 бит, обеспечивающего точность 0,4%, вполне достаточно для регистрации зашумленных изображений или больших массивов (меньшей ступени градации яркости соответствует больший уровень шума), однако для ряда приложений может понадобиться и 10-битовый АЦП (точность 0,1%).

Если требуется быстрый доступ к информации, полученной за длительный период времени, целесообразно применять оптические диски. Емкость памяти 12-дюймового оптического диска равна примерно 2 гигабайта, что соответствует 1900 изображениям, состоящим из 1024х1024 элементов изображения и "глубиной" оцифровки в 8 бит (256 ступеней шкалы яркости) каждое (без сжатия данных). Для считывания с оптического диска может быть использовано автоматическое устройство съема, позволяющее обеспечить быстрый доступ к любому изображению. Возможность работы со всеми изображениями в цифровой форме весьма привлекательна, а системы, выполняющие это, называются системами хранения и передачи изображения (СПХИ) [1],[4].

Записанное на фотопленке изображение можно преобразовать в цифровую форму с помощью сканирующего микроденситометра, но любая информация, зафиксированная на фотопленке со слишком малой или, наоборот, слишком высокой оптической плотностью, будет искажена из-за влияния характеристик пленки. В цифровую форму можно преобразовать и ксеро- рентгенограмму также с помощью сканирующего денситометра, работающего в отраженном свете, или путем непосредственного считывания зарядового изображения с селеновой пластины.

3.4 Преобразователи формы информации для устройств аналогового ввода-вывода

Устройства ввода аналоговой информации являются гибридными аналого-цифровыми устройствами. Мультиплексоры аналоговых сигналов, измерительные усилители, схемы выборки и хранения представляют аналоговую часть интерфейса ввода аналоговой информации. Цифровую часть представляют аналого-цифровые и цифроаналоговые преобразователи (АЦП и ЦАП). Проектирование, производство и использование АЦП и ЦАП оказывают существенное влияние на характеристики ввода аналоговой информации.

АЦП преобразуют входные аналоговые сигналы в цифровую форму, ЦАП - цифровые сигналы - в аналоговые.

В устройствах сопряжения аналоговых объектов с цифровыми системами сбора и обработки данных ЦАП могут иметь двойное применение: во-первых, входят в состав АЦП, основанных на компенсационных принципах; во-вторых, выступают как элементы интерфейсов вывода, когда цифровая информация преобразуется в аналоговую форму для управления объектом исследований.

Существует некоторый набор системных требований, которые являются общими для АЦП и ЦАП. К ним относятся функциональная ориентация и системная совместимость.

Функциональная ориентация АЦП и ЦАП становится все более необходимой в связи со все большей направленностью интерфейсов ввода-вывода аналоговой информации на определенные типы систем и процессов.

В соответствии с этим АЦП в устройствах ввода аналоговой информации придаются вполне определенные дополнительные функции, которые обеспечивают более эффектное использование центрального процессора за счет разгрузки его от рутинных операций.

Системная совместимость АЦП в интерфейсе ввода аналоговой информации заключается в метрологической согласованности АЦП с предшествующими ему аналоговыми элементами.

Из наиболее важных системных параметров, определяющих технический уровень АЦП, обычно отмечают следующее[8]:

· входные - вид и диапазон изменения входного сигнала, входное сопротивление;

· выходные - вид выходного кода и уровни выходных сигналов;

· статические - разрешающая способность, инструментальная погрешность, температурный коэффициент;

· динамические - частота отсчетов, апертурное время;

· производительность - пропускная способность, бит/с;

· конструктивные - техническое исполнение;

· экономические - стоимость.

Системные параметры ЦАП:

· входные - вид входных кодов и уровни опорных напряжений;

· выходные - полярность и диапазон выходного напряжения или тока, нагрузочная способность;

· статические характеристики - погрешность квантования, инструментальная погрешность, температурный коэффициент;

· динамическая погрешность - время установления или скорость нарастания входного сигнала;

· производительность - пропускная способность, бит/с;

· конструктивные - техническое исполнение;

· экономические характеристики - стоимость, эксплуатационные расходы.

Если проанализировать перечисленные характеристики АЦП и ЦАП, то можно заметить их большое сходство. По характеру преобразований АЦП и ЦАП представляют собой дуальные преобразователи. Кроме того, большинство точностных параметров АЦП определяется относительно входного, преобразуемого напряжения, т.е. приводится к входу.

Дуальный характер АЦП и ЦАП приводит к тому, что их основные статические параметры имеют одну и ту же физическую природу и поэтому их рассмотрение может быть совмещено. Отклонения от идеальной передаточной характеристики преобразователя вызываются смещением характеристики (рисунок 3.2, а), изменением ее крутизны (рисунок 3.2, б), а также нелинейностью (рисунок 3.2, в, 3.2, г). Погрешности, вызванные нелинейностями, относятся к наиболее трудноустранимым, поскольку они не могут быть ликвидированы регулировкой. Существуют два основных метода уменьшения этих погрешностей, которые оба достаточно дороги:

· использование высококачественных преобразователей;

· алгоритмические методы коррекции с применением микропроцессоров или микрокомпьютеров.

а) б)



в) г)

Рисунок 3.2 - Характеристики АЦП

а - Влияние смещения характеристики преобразования АЦП;

б - Влияние изменения коэффициента преобразования на характеристики преобразования АЦП;

в - Влияние интегральной нелинейности на характеристики преобразователя АЦП;

г - Влияние дифференциальной нелинейности на характеристики преобразования

Интегральную нелинейность большинство производителей используют как характеристику своей продукции. Вместе с тем часто используется и дифференциальная нелинейность, которая характеризует дивиацию шага квантования по уровню (см. рисунок 3.2, г). Во многих случаях преобразователи характеризуются обоими видами нелинейности.

Для интегрирующих АЦП преобладающей является интегральная нелинейность, обусловленная главным образом нелинейностью интегратора. Дифференциальная нелинейность возникает вследствие нестабильности частоты счетных импульсов.

Важной характеристикой преобразователей является разрешающая способность, которая определяется числом разрядов выходного кода АЦП или входного кода ЦАП.

3.5 Устройства ввода аналоговой информации с децентрализованным управлением

Устройства ввода аналоговых данных непрерывно совершенствуются в направлении не только более высокой разрешающей способности и повышенного быстродействия, но и приобретения способности управления непосредственно процессом преобразования аналоговых данных и передачей результатов преобразования центральному процессору. В этом случае кроме традиционных блоков устройства аналогового ввода содержат дополнительные, обеспечивающие выполнение соответствующих операций.

Обычно внутренним блокам управления придают следующие функции:

· управление режимом опроса аналоговых каналов;

· обеспечение для устройства ввода аналоговых данных прямого доступа в память центрального процессора без участия последнего.

Первые две функции могут реализовываться запоминающим устройством (ЗУ), включенным в устройство аналогового ввода.

Внутренняя память устройства ввода аналоговых данных содержит значения коэффициентов усиления К_ус измерительного усилителя, а также программы трех режимов работы в следующих случаях:

· когда выполняется однократное считывание результата измерения выбранного канала, который запоминается в памяти процессора;

· если выбирается один канал ввода аналоговой информации, подключаемый на заданное время через преобразующие устройства к центральному процессору;

· если осуществляется непрерывный опрос каналов с запоминанием результата в памяти.

Использование прямого доступа в память позволяет эффективно передавать блоки данных между внешними устройствами и центральным процессором.

Практической реализацией можно считать устройство аналогового ввода DT 2782 (DT 2784) [9]. Устройство состоит из двух подсистем:

· аналого-цифрового преобразования;

· контроллера прямого доступа в память, работающих в конвейерном режиме.

Пока выполняется очередное аналого-цифровое преобразование, по каналу прямого доступа производится передаче предыдущего результата.

Рисунок 3.3 - Устройство ввода DT 2782 с прямым доступом в память

Управление процессом прямого доступа выполняется с помощью трех регистров. В 16-разрядном регистре CSR (рисунок 3.3), в соответствующие разряды которого записываются признаки ошибок в аналого-цифровом преобразовании, запросы на прерывание, если устройство работает в режиме ввода по прерыванию, фиксируется переход из режима прямого доступа в память, часть разрядов используются для адресации каналов аналогового мультиплексора, расширение регистра текущего адреса ADR для управления адресуемого в режиме прямого доступа пространства памяти, прекращения прямого доступа при ошибках в логических схемах управления и т.д. [10].

3.6 Обоснование необходимости разработки

Опыт использования прямой цифровой рентгенографии в клинической практике с 1993 года показал преимущества данного метода, поскольку позволяет:

· снизить дозу облучения; если в обычной рентгенологии доза облучения зависит от чувствительности приемника изображения и динамического диапазона пленки, то в цифровой рентгенологии оба этих показателя могут оказаться несущественными.

· цифровое отображение информации; разложение изображения по уровням яркости на экране становится в полной мере доступным для пользователя. Весь диапазон оптических яркостей может быть использован для отображения лишь одного участка изображения, что приводит к повышению контраста в интересующей области. В распоряжении оператора имеются алгоритмы для аналоговой обработки изображения с целью оптимального использования возможностей систем отображения.

Это свойство цифровой рентгенографии также дает возможность снизить лучевую нагрузку на пациента путем уменьшения количества рентгенограмм для получения диагностической информации.

Цифровое отображение при его компьютерной обработке позволяет извлечь количественную и качественную информацию и таким образом перейти от интуитивно-эмпирического способа изображения к объективно измеренному.

· возможность цифровой обработки изображений; рентгенолог должен выявить аномальные образования на осложненной фоном нормальной структуре биоткани. Он может не заметить мелких деталей в изображении, которые система разрешает, или пропустить слабоконтрастную структуру, видимую на фоне шумов изображения, из-за сложного строения окружающих (или сверхлежащих) тканей. Субтракционный метод (метод вычитания изображений) в рентгенографии позволяет устранить большую часть паразитной фоновой структуры и тем самым увеличить вероятность выявления важных деталей на рентгенограмме.

Особенная ценность применения цифровой рентгенографии заключается в возможности полного отказа от рентгеновской пленки и связанного с ней фотохимического процесса. Это делает рентгенологическое исследование экологически чище, а хранение информации в цифровом виде позволяет создать легкодоступные рентгеновские архивы. Новые количественные формы обработки информации открывают широкие возможности стандартизации получения изображений, приведения их к стандарту качества в момент получения и при отсроченных повторных исследованиях.

Средства компьютерной обработки изображений существенно увеличивают количество информации, которое удается "извлечь" из отдельной цифровой рентгенограммы, позволяют создавать удобные и доступные архивы диагностических изображений. Немаловажна открывающаяся возможность передачи изображения на любые расстояния при помощи средств компьютерных коммуникаций.

Приведенные соображения с достаточной наглядностью демонстрируют прогрессивность внедрения в практику цифровой рентгенографии, которая сможет перевести диагностическую рентгенологию на новый более высокий технологический уровень. Отказ от дорогостоящих расходных материалов обнаруживает и ее высокую экономическую эффективность, что в сочетании с возможностью уменьшения лучевых нагрузок на пациентов делает ее применение в практике особенно привлекательным.

Настоящий же дипломный проект ориентирован на решение задач связанных с совершенствованием цифрового рентгенографического аппарата SireMobil Compact фирмы Siemens путем внедрения новых технологий и заменой элементной базы модуля ввода/вывода данных.

4 Модуль ввода/вывода системы цифровой рентгенографии

В данном разделе представлена внутренняя структура модуля ввода/вывода данных системы цифровой рентгенографии.

Модуль ввода/вывода данных представляет собой плату сбора данных, которая реализуется по нижеприведенной схеме.

4.1 Структурная схема платы сбора данных

Представленная плата сбора данных, называемая также платами АЦП/ЦАП или ввода-вывода аналоговых сигналов, имеет следующую типовую структуру в наиболее расширенном варианте (рисунок 4.1).

Рисунок 4.1 - Структура платы сбора данных

В данных платах сбора данных используется эффект наложения частот. Физически это означает, что для взятых во времени отсчетов одного гармонического сигнала всегда найдется другой гармонический сигнал более высокой частоты, который пройдет через эти же отсчеты. Таким образом, результат работы АЦП для таких двух сигналов будет одинаков [12].