Tải bản đầy đủ

Phân tích kỹ thuật chụp x quang xóa nền

TRƯỜNG ĐẠI HỌC ĐIỆN LỰC
Khoa Điện Tử Viễn Thông
--------------------------------------

Phân tích kỹ thuật chụp x-quang xóa nền
Sinh viên th ực hi ện:
L ớp:

D10TBYT

Hà Nội 2018

1


Mục lục
1. Giới thiệu………………………………………………………......................03
2. Thiết kế hệ thống chụp X quang kỹ thuật số…………………………………05
3. Thành phần hệ thống hình ảnh………………………………….....................07
3.1.Bộ khuyếch đại ảnh…………………………………..................................07
3.2.Độ mở ánh sáng………………………………….........................................07

3.3.Video camera………………………………….............................................08
4. Bộ xử lý ảnh kỹ thuật số…………………………………...............................12
4.1. Chuyển đổi tương tự sang kỹ thuật số……………………….....................13
4.2.Chuyển đổi logarit………………………………….....................................14
4.3.Hình ảnh phản hồi bộ nhớ và tích hợp vòng lặp…………………..............14
4.4.Phép trừ hình ảnh…………………...…………………................................15
4.5.Phép trừ tuyến tính…………………...………………….............................16
4.6.Phép trừ Logarit…………………...…………………..................................16
4.7.Hiển thị hình ảnh và bộ nhớ lưu trữ…………………...………………….16
5. Nhiễu trong kĩ thuật DSA…………………...…………………......................17
5.1.Nhiễu hệ thống trong Phép trừ mạch số…………………...........................18
6. Các phương pháp để cải thiện các đặc tính nhiễu…………………..............24
6.1.Loại bỏ các điểm sáng…………………...………………….......................24
6.2.Vai trò của khẩu độ máy quay video…………………...…………………25
6.3.Tích hợp hình ảnh…………………...…………………...………………...26
7. Độ phân giải không gian trong Phép trừ mạch số kỹ thuật số………………27

Digital Subtraction Angiography (DSA)
1. Giới thiệu
2


Trong phần này, chúng ta sẽ thảo luận về một kỹ thuật được gọi là (Digital
Subtraction Angiography )kỹ thuật chụp xóa nền nhưng cũng được gọi là chụp X
quang kỹ thuật số, kỹ thuật fluoroscopy, và hình ảnh quang điện tử. Chúng ta sẽ sử
dụng các thuật ngữ này thay thế cho nhau mặc dù thuật ngữ chụp xóa nền kỹ thuật
số có nghĩa là phương pháp chẩn đoán hình ảnh kết hợp giữa việc chụp X-quang
và xử lý số sử dụng thuật toán để xóa nền trên 2 hình ảnh thu được trước và sau khi
phương tiện tương phản được được dùng bệnh nhân với mục đích nghiên cứu mạch
máu (chụp động mạch). Thuật ngữ tổng quát hơn, kỹ thuật số chụp X quang bao
gồm việc sử dụng tất cả các kỹ thuật điện tử kỹ thuật số trong chụp X quang. Theo
một số các khoa học thuật ngữ này cũng bao gồm việc sử dụng chụp cắt lớp vi tính
(CT), mặc dù chụp X quang kỹ thuật số trong chương này sẽ chỉ đề cập đến những
kỹ thuật trong đó các thiết bị điện tử kỹ thuật số được sử dụng để thu được mặt
phẳng thay vì hình ảnh cắt lớp. Ngoài ra, chúng tôi sẽ tập trung vào các hệ thống
sử dụng bộ khuyếch đại ảnh được xem bởi video camera vì các hệ thống này cung
cấp các ví dụ minh họa hữu ích.
Kỹ thuật chụp xóa nền (DSA) là một công nghệ chụp X quang được sử dụng trong
chẩn đoán bệnh mạch máu. DSA được sử dụng để lấy hình ảnh động mạch ở các
bộ phận khác nhau của cơ thể và hiệu quả cao trong các cấu trúc động mạch tương
phản vớ i xương và mô mềm xung quanh . DSA đã được chứng minh đặc biệt hữu
ích trong việc xác định các bất thường mạch máu, bao gồm cả stenoses, mảng loét,
và chứng phình động mạch.

3


Tầm quan trọng tiềm năng của DSA trong chẩn đoán bệnh mạch máu não được đề
xuất bởi Reuter's quan sát rằng nhiều như một khối lượng của khối lượng kết hợp
của các dịch vụ thần kinh học và chụp động mạch trong một số y tế trung tâm hiện
đang hướng tới việc đánh giá carotid và xơ vữa động mạch não, bao gồm đột quỵ.
Các Nghiên cứu hợp tác của các cuộc tấn công thiếu máu cục bộ thoáng qua(TIAs)
báo cáo trung bình 5,4 xác định TIAs trên 100 giường cấp tính mỗi năm tại các
trung tâm y tế tham gia. Ước tính sử dụngcác thủ tục cắt động mạch cho những

4


bệnh viện này bệnh nhân dao động từ 87 đến 97%.DSA sẽ bổ sung hoặc thay thế
một phần lớn các thủ tục arteriographic.

2 .Thiết kế hệ thống chụp X quang kỹ thuật số
Sơ đồ hệ thống chung cho hệ thống chụp X quang kỹ thuật số là được đưa ra trong
hình 1. Tại trung tâm của hệ thống này là một kỹ thuật số hệ thống xử lý hình ảnh
thu thập hình ảnh từ video camera và cung cấp tín hiệu định thời cho cả máy phát
tia X và hệ thống thu thập hình ảnh để kiểm soát luồng dữ liệu từ nguồn tia X vào
bộ xử lý hình ảnh
Quá trình chuyển đổi hình ảnh bắt đầu khi tín hiệu thời gian, gửi đến máy phát tia
X dưới sự điều khiển máy tính, bắt đầu sản xuất các tia X được truyền đi thông qua
bệnh nhân và nhận được bởi bộ khuyech đại hình ảnh. Độ mở, được đặt giữa bộ
khuyếch đại ảnh và video camera, điều khiển lượng ánh sáng được truyền đến máy
ảnh. Điều này quản lý tỷ lệ tín hiệu trên nhiễu của hình ảnh nhận được sẽ được
thảo luận. Video camera nhận được hình ảnh ánh sáng từ bộ khuyếch đại ảnh và
chuyển đổi nó thành tín hiệu video điện tử được gửi tới hình ảnh bộ xử lý ở dạng
tương tự. Bộ xử lý hình ảnh số hoá hình ảnh, lưu trữ nó trong bộ nhớ, và làm cho
nó có sẵn trong kỹ thuật số hình thức trừ với một tập hợp hình ảnh khác có được tại
một thời điểm khác hoặc ở một năng lượng khác. Các các thành phần cơ bản của
hệ thống hình ảnh bao gồm cả ống X-quang và máy phát tia X, hình ảnh bộ
Khuyếch đại và video camera tương tự nhưng phải có chất lượng cao hơn các máy
ảnh được sử dụng trong phương pháp huỳnh quang thông thường để đảm bảo đồng
bộ hóa phù hợp và khớp giữa tương tự và kỹ thuật số các thành phần. Một thuật
toán phổ biến sử dụng các hệ thống chụp X quang kỹ thuật số là phép trừ ảnh
(Hình 2). Trong cái này kỹ thuật, hình ảnh động của bệnh nhân được nhận với tỷ lệ
phơi nhiễm 1 lần mỗi giây trở lên. Cản quang được tiêm vào bệnh nhân hoặc tiêm
tĩnh mạch hoặc trong động mạch. Hình ảnh thứ 2 được nhận lại sau khi cản quang
chảy vào khu vực được chụp ảnh. Không được chỉ định hình ảnh (không có cản
quang) được trừ từ các hình ảnh được opacified với quá trình trừ cô lập tín hiệu (đó
là chỉ hiện diện trong hình ảnh opacification), loại bỏ tĩnhcấu trúc giải phẫu chung
cho cả opacified và hình ảnh chưa được định dạng. Việc loại bỏ các cấu trúc nền
làm cho các động mạch có thể nhìn thấy trong hình ảnh trừ ngay cả khi chúng
không hiển thị hoặc hầu như không thể nhìn thấy trước khi trừ.

5


6


3. Thành phần hệ thống hình ảnh
3.1 Bộ khuyếch đại ảnh
Thuật toán xóa nền giả định rằng giải phẫu của bệnh nhân là tương tự hoặc giống
hệt nhau trong cả hình ảnh mặt nạ và cản quang. Các video camera , ống X-quang
và các thành phần hệ thống khác phải đủ ổn định để đảm bảo sự bình đẳng này cho
nên giải phẫu cấu trúc có thể được trừ. Để duy trì độ tương phản có sẵn trong hình
ảnh phóng xạ, bộ khuyếch ảnh phải có độ cao tỷ lệ cản quang và chuyển đổi từ
tương tự sang kỹ thuật số phải cung cấp đủ mẫu lấy mẫu để bảo toàn độ phân giải
của bộ khuyếch đại ảnh..

3.2 Độ mở ánh sáng
Khẩu độ ánh sáng , tương tự như tìm thấy trên máy ảnh phản xạ ống kính đơn,
được đặt phía sau đầu ra photpho của bộ khuyếch đại ảnh, lượng ánh sáng chạm tới
máy quay video cho một tỷ lệ phơi sáng nhất định. 1 độ mở nhỏ đòi hỏi phơi
nhiễm bức xạ lớn hơn để cung cấp một mức độ ánh sáng đầy đủ cho video camera,
7


giảm hiệu ứng nhiễu và tạo ra tỷ lệ tín hiệu trên nhiễu tổng thể tốt hơn bức hình.
Ngược lại, độ mở máy ảnh lớn là được sử dụng khi một người muốn giảm thiểu
bệnh nhân phơi nhiễm trong trường hợp nhiễu không giới hạn thông tin chẩn đoán
trong hình ảnh.

3.3 Video camera
Một trong những thành phần quan trọng nhất trong chuỗi hình ảnh cho hệ thống
chụp X quang kỹ thuật số của chúng ta là video camera. Chức năng cơ bản của
video camera là tạo ra tín hiệu điện tử tương tự tỷ lệ thuận với lượng ánh sáng nhận
được bởi mục tiêu của máy ảnh
Sơ đồ của video camera được đưa ra trong Hình 4. Phần tử hoạt ảnh trong camera
là mục tiêu video thay đổi độ dẫn điện khi tiếp xúc với ánh sáng. Quét một chùm
electron qua tuần tự các dòng của mục tiêu video, với tiền gửi phí điện tử đi qua
mục tiêu đến tạo thành dòng điện, tạo video tín hiệu. Các khu vực nơi mục tiêu đã
8


được tiếp xúc với mức ánh sáng cao tạo ra độ dẫn điện, và do đó một dòng điện
lớn. Vùng của mục tiêu đã tiếp xúc với mức thấp mức độ ánh sáng tạo ra độ dẫn
điện thấp hơn và do đó dòng máy quay video nhỏ hơn. Tín hiệu thu được là thước
đo đầu vào mức ánh sáng cho mục tiêu video. Thông tin được đọc một cách thẳng
thắn như chùm điện tử được quét qua mục tiêu để tạo tín hiệu video tương tự. Tín
hiệu video là tín hiệu thời gian mã hóa hình ảnh ánh sáng hai chiều tại đích là bản
ghi thời gian. Thời gian các điểm trong tín hiệu video tương ứng với các vị trí
không gian bên trong hình ảnh ánh sáng (và X-quang).

Mục tiêu video có thể được đọc ở một trong hai những cách khác. Trong máy quay
video được sử dụng trong ngành công nghiệp phát sóng, chùm electron được quét
vượt qua mục tiêu trong 262 1/2 đi qua khu vực của mục tiêu. Kết quả là 262 1/2
dòng tạo thành một hình ảnh của mục tiêu, được gọi là trường video (Hình 5).
Trường video được tạo ra một lần mỗi 1/60 của một thứ hai. Trong trường tiếp
theo, quét tia điện tử dọc theo các đường nằm giữa hai dòng trước cánh đồng. Do
đó, trường thứ hai được mua lại với các dòng xen kẽ giữa các trường của trường
đầu tiên. Các hai trường được gọi là các trường đồng đều và lẻ với mỗi trường
trường bao gồm 1/60 giây và hai trường tạo thành một khung được mua trong 1/30
giây bao gồm 525 dòng. Lựa chọn quét này đã được chọn bởi ngành phát sóng để
giảm băng thông trong truyền trong khi tránh nhấp nháy trong chế độ xem hình ảnh
video. Tuy nhiên, quét xen kẽ không lý tưởng cho chụp X quang kỹ thuật số. Vấn
đề cơ bản của chế độ xen kẽ là các trường video được đọc liên tục. Tuy nhiên, hầu
hết các mục tiêu video đều có độ trễ nhất định để ngay cả khi chúng tiếp xúc với
9


mức ánh sáng không đổi, phải mất một vài video các trường trước khi tín hiệu đầu
ra ổn định. Do đó, trong các hệ thống chụp X quang kỹ thuật số, sau chùm tia X
bắt đầu, độ trễ trong tín hiệu video tạo ra hình ảnh thu được trong giai đoạn đầu
này là không ổn định.

Những sớm các lĩnh vực phải được loại bỏ, mặc dù điều này rõ ràng là không
mong muốn vì nó underutilizes tiếp xúc với x-ray giao cho bệnh nhân (Hình 6).
Điều này một phần là do các phần của một trường sẽ nhận được nhiều hơn tiếp xúc
với những người khác sau khi bắt đầu tiếp xúc với tia X.

10


Quét chế độ liên tục giải quyết các vấn đề với phơi nhiễm lãng phí (Hình 7). Khi
chế độ này được sử dụng, một hình ảnh được lưu trữ trong mục tiêu trong khi tiếp
xúc với tia X ngắn và hoàn toàn đọc trong khi chùm tia X tắt. Cách tiếp cận này
giúp loại bỏ sự tiếp xúc x-ray lãng phí cần thiết để mang lại khung

đến mức có thể đọc được bằng cách sử dụng phơi sáng x-quang liên tục và quét
xen kẽ. Nó làm điều này bằng cách không trộn các quy trình lưu trữ và readout từ
mục tiêu máy quay video. Có các khía cạnh khác của video camera quan trọng
trong kỹ thuật số hệ thống phóng xạ. Đầu tiên, kích thước của tín hiệu video phải
trực tiếp tỷ lệ thuận với x-ray fluence phân phối cho phốt pho đầu vào của bộ tăng
cường hình ảnh. Thứ hai, video máy ảnh phải có độ trễ thấp. Điều này có nghĩa là
một hình ảnh có được tại một thời điểm thời gian của máy quay video không tồn
tại trên mục tiêu của nó cho nhiều hơn một lần đọc giai đoạn. Điều này đặc biệt
quan trọng nơi các đối tượng chuyển động nhanh, chẳng hạn như trái tim, đang
được chụp bởi kỹ thuật số hệ thống phóng xạ. Một máy quay video có đặc điểm
tương phản tốt tuyến tính cũng như độ trễ thấp là một máy ảnh mục tiêu plumbicon
11


vì nó có ống máy ảnh với một ôxít chì (Pb) mục tiêu vidicon. Một lợi ích khác của
máy ảnh plumbicon là chúng có tiếng ồn tuyệt vời đặc điểm so với các loại máy
quay video khác, cung cấp các tỷ số tín hiệu trên nhiễu trong phạm vi 1000: 1 và
cao nhất là 2000: 1.

4. Bộ xử lý ảnh kỹ thuật số
Sơ đồ khối cho một bộ xử lý hình ảnh kỹ thuật số điển hình được hiển thị trong
Hình 8 & 9. bộ xử lý có các chức năng cơ bản được minh họa trong sơ đồ này bao
gồm (1) thu thập và số hóa video hình ảnh, (2) lưu trữ các hình ảnh kỹ thuật số
trong bộ nhớ, (3) thực hiện các phép toán số học (trừ, phép cộng và phép nhân liên
tục) trên dữ liệu hình ảnh, (4) hiển thị hình ảnh kỹ thuật số trên video màn hình và
(5) lưu trữ dữ liệu hình ảnh trên phương tiện từ tính hoặc đĩa quang. Bộ xử lý hình
ảnh cũng chứa bộ vi xử lý hoặc bộ điều khiển hệ thống điều khiển các hoạt động
cơ bản của bộ xử lý hình ảnh, máy phát tia X và các thành phần khác, điều phối và
kiểm soát hoạt động của kỹ thuật số hệ thống hình ảnh.

12


4.1 Chuyển đổi tương tự sang kỹ thuật số
Chúng tôi sẽ giả định rằng một hình ảnh video tương tự đã được mua lại bởi hệ
thống X-ray, bộ tăng cường hình ảnh và máy quay video (Hình 8). Tín hiệu tương
tự được gửi tới bộ xử lý hình ảnh cung cấp một số tiền xử lý để điều chỉnh biên độ
và mức tín hiệu video để đáp ứng các thông số đầu vào của bộ chuyển đổi analogto-digital. Kích thước bước của bộ chuyển đổi tương tự sang kỹ thuật số phải được
chọn sao cho nó không đưa thêm nhiễu vào tín hiệu hình ảnh sau khi số hóa và
thường được chọn xấp xỉ bằng độ lệch chuẩn của tiếng ồn điện tử. Vì tỷ lệ tín hiệu
trên tạp âm của hầu hết các máy quay video là khoảng 1000: 1, toàn bộ phạm vi
của tín hiệu video phải được bao phủ bởi khoảng 1000 số hóa các bước lượng tử
hóa, tương ứng với bộ chuyển đổi từ analog sang kỹ thuật số với 10 bit (1024
bước) để bao phủ dải tín hiệu tương tự này. ADC điều khiển chuyển đổi của tín
hiệu video tương tự thời gian cho chuỗi số kỹ thuật số. Bộ vi xử lý điều khiển sử
dụng phần mềm để định dạng chuỗi số này để chúng có thể được sử dụng để lập
chỉ mục vị trí hình ảnh sử dụng lược đồ cột, hàng. Khoảng cách giữa các cột được
xác định bởi tỷ lệ lấy mẫu của ADC cùng với tốc độ quét video xác định số lượng
13


cột cho hình ảnh được số hoá. Các số hàng được đặt bởi số dòng quét được cung
cấp cho mỗi khung hình video.
Nhiều hình ảnh được mua trong ma trận 512 x 512 pixel mặc dù một số hệ thống
sử dụng ma trận 1024 x 1024. Ma trận hình ảnh điều khiển tốc độ lấy mẫu của bộ
chuyển đổi analog sang kỹ thuật số. Ví dụ: nếu 512 x Ma trận hình ảnh 512 được
sử dụng để số hóa một hình ảnh được mua lại hơn 1/30 giây; thời gian mẫu của bộ
chuyển đổi analog-to-digital bằng 1/30 của giây được chia cho 51. Khoảng thời
gian này là khoảng 100 nano giây, tương ứng với tần số lấy mẫu khoảng 10
megahertz. Mẫu này tần số giới hạn băng thông của hệ thống đến khoảng 5
megahertz và tương tự tiền xử lý phải bao gồm một bộ lọc thông thấp để tránh việc
đánh răng do đó hạn chế tần số không gian của tín hiệu video đến 5 megahertz trở
xuống trong ví dụ này.

4.2 Chuyển đổi logarit
Sau số hóa, dữ liệu hình ảnh được chuyển đổi theo lôgarit, có nghĩa là các giá trị
điểm ảnh thay thế bằng logarit của nó. Việc chuyển đổi logarit là cần thiết để loại
bỏ giải phẫu tĩnh cấu trúc trong quá trình trừ hình ảnh. Việc chuyển đổi logarit có
thể được thực hiện trên tín hiệu tương tự trước khi số hóa với bộ khuếch đại logarit
(nghĩa là bộ khuếch đại hoạt động chuyên dụng). Tuy nhiên, hầu hết các hệ thống
hình ảnh hiện đang thực hiện phép biến đổi logarit sau sự tương tự sang kỹ thuật số
chuyển đổi với bảng tra cứu kỹ thuật số, chỉ đơn giản là thay thế giá trị số bằng
một giá trị mới theo tỷ lệ đến logarit của nó.

4.3 Hình ảnh phản hồi bộ nhớ và tích hợp vòng lặp
Sau khi chuyển đổi logarit và số hóa tín hiệu video đến, hình ảnh được lưu trữ
trong một bộ nhớ của bộ xử lý hình ảnh. Mỗi pixel trong hình ảnh kỹ thuật số được
biểu thị bằng một số kỹ thuật số có tối thiểu 10 bit tương ứng với phạm vi số hóa
của analog-to-digital của bộ xử lý hình ảnh chuyển đổi. Thường thì nhiều hơn một
hình ảnh được thêm vào ("tích hợp") để giảm tiếng ồn và cải thiện SNR của hình
ảnh. Trung bình này được cung cấp bởi một vòng phản hồi trong đó hình ảnh đến
được thêm vào nội dung của hình ảnh được lưu trữ trước đó trên cơ sở từng pixel.
Nếu bộ xử lý hình ảnh có kỹ thuật số tương tự 10 bit bộ chuyển đổi, bộ nhớ hình
ảnh phải có ít nhất 4 bit có sẵn tương ứng với phạm vi 16 –32 bit trên mỗi pixel.
Điều này cho phép nhiều hình ảnh của cùng một khu vực được tính trung bình
14


hoặc được thêm vào để giảm nhiễu trong những hình ảnh thu được. Hầu như tất cả
các bộ xử lý hình ảnh đều có nhiều mặt phẳng bộ nhớ và nhiều có 3 ký ức hình
ảnh. Yêu cầu này là hiển nhiên trong trường hợp chụp mạch trừ kỹ thuật số hình
ảnh mặt nạ được thu thập trong một bộ nhớ và sau đó được trừ ra khỏi hình ảnh
opacification thu được trong một bộ nhớ thứ hai. Trường hợp một chuỗi các hình
ảnh được mua lại, tất cả chúng có thể được lưu trữ trong bộ nhớ kỹ thuật số trong
bộ xử lý hình ảnh. Tuy nhiên, điều này rất tốn kém và kỹ thuật có nhiều khả năng
hơn là trừ các hình ảnh, tăng cường tín hiệu tương phản và lưu trữ hình ảnh trừ kết
quả hoặc trên một từ trường tốc độ cao hoặc đĩa quang.

4.4 Phép trừ hình ảnh
Trong chụp mạch bằng phương pháp xóa nền DSA thu được 2 ảnh.Ảnh thứ nhất
được gọi là ảnh mặt nạ (mark), ảnh này nhận được trước khi có môi trường tương
phản là chất cản quang được tiêm vào bệnh nhân.Ảnh thứ 2 là ảnh cản quang ,ảnh
nhận được sau khi có môi trường tương phản là chất cản quang được tim vào cơ
thể để nhận được ảnh khi đạt được độ tưởng phản của mạch máu. Ảnh mặt nạ và
ảnh can quang có mô hình toán hoạc được thừa nhận đó là bệnh nhân có bề dày có
hệ só suy giảm là ,cường độ photon nguồn là trước khi có môi trường tương phản
là chất cnả quang được tiêm vào cơ thể bệnh nhân .Cường độ photon phát ra từ
bệnh nhân đến bộ khuyếch đại ảnh là:

=

1

Sau đó thuốc cản quang được tim vào động mạch. Nếu động mạch có độ dày
(trong đó << ) và có sự suy giảm tuyến tính của, bộ tăng cường hình ảnh nhận
được cường độ sáng là:

=

2

Nếu α là hằng số chuyển đổi liên quan đến biên độ của tín hiệu video để photon
ánh sáng nhận được bởi khối tăng sáng ảnh, tín hiệu mặt nạ và tín hiệu hình ảnh
cản quang được tạo ra bởi camera là:

=

3

15


=

4

Bây giờ chúng ta sẽ sử dụng các phương trình 3 và 4 để chứng minh sự khác biệt
giữa phép trừ của hình ảnh không có phép biến đổi logarit (phép trừ tuyến tính) và
phép trừ các hình ảnh sau phép biến đổi logarit (phép trừ logarit).

4.5 Phép trừ tuyến tính
Một vài nhà nghiên cứu về công nghệ xóa nền sử dụng thuật toán trừ tuyến tính để
cách ly tín hiệu cản quang. Trong phép trừ tuyến tính,cản quang bị trừ từ ảnh mặt
nạ mà không có biến đổi logarit.
Nếu là phép trừ ảnh,khi đó phép trừ tuyến tính nhận được có kết quả

dạng:
=-=- = [1- ]

5

Nếu ta thừa nhận tín hiệu tương phản khi sử dụng Iốt làm chất cản quang có hệ số
tương phản << 1. Khi đó(9)

=

6

Các biểu thức trên,được sử dụng trong xử lý ảnh tuyến tính,khi coi bề dày của chất
iot là và bề dày của bệnh nhân là . Để nhận được các ảnh trong xử lý tuyến tính thì
phải giữ bện nhân ở trạng thái bất động(do khi thay đổi cơ thể có thể làm mờ ảnh
hoặc làm nhỏ tín hiệu cản quang) và phải đưa thêm các chất cản quang không
mong muốn vào động mạch.

4.6 Phép trừ Logarit
So với phép trừ tuyến tính, phép trừ logarit không phải giữ bệnh nhân ở trạng thái
bất động,dữ liệu ảnh mặt nạ và ảnh cản quang được trừ sau khi được số hóa và
được biến đổi logarit. Toán học trừ ảnh logarit có:

=ln()-ln()=[-]-[- -]=

7

Cho nên lết quả tín hiệu trừ logarit có liên quan đến tín hiệu iốt và không bị ảnh
hưởng bởi độ dày của bệnh nhân. Tuy nhiên, mức nhiễu trong hình ảnh trừ luôn
cao hơn.
16


4.7 Hiển thị hình ảnh và bộ nhớ lưu trữ
Sau khi xử lý, các hình ảnh kỹ thuật số được gửi đến bộ chuyển đổi kỹ thuật số
sang tương tự tạo ra tín hiệu video tương tự được cấp cho một màn hình video. Các
dữ liệu hình ảnh sau đó có thể được hiển thị để kiểm tra bởi các bác sĩ X quang.
Tín hiệu video tương tự cũng có thể được lưu trữ bằng cách sử dụng máy ghi video
cassette hoặc đầu ghi đĩa video tương tự cho mục đích lưu trữ. Phạm vi động của
công nghệ cũ (tức là băng analog hoặc bộ ghi đĩa) xấp xỉ 200: 1, so với phạm vi
động 1000: 1 của máy quay video mà chúng ta đã thảo luận trước đó. Tuy nhiên,
các bản ghi video kỹ thuật số mới hơn vẫn giữ được phạm vi năng động của các
hình ảnh X quang kỹ thuật số.
Tuy nhiên, đối với độ trung thực tuyệt đối của dữ liệu hình ảnh, lưu trữ hình ảnh kỹ
thuật số là phương pháp ưu tiên. Các thiết bị này (bao gồm đĩa từ tính, băng từ, và
đĩa quang), ghi lại dữ liệu hình ảnh ở dạng kỹ thuật số mà hầu như tránh khả năng
nhiễu được thêm vào bởi phương tiện ghi. Lưu trữ hình ảnh kỹ thuật số là cần thiết
khi hình ảnh được ghi trước khi trừ, và rất hữu ích khi xử lý mở rộng (tích hợp
hình ảnh hoặc định lượng iốt) sẽ được thực hiện. Những bất lợi chính của lưu trữ
kỹ thuật số là nó đắt hơn đáng kể so với lưu trữ tương tự, và một trong đó đòi hỏi
một bộ xử lý hình ảnh kỹ thuật số để hiển thị hình ảnh.

5. Nhiễu trong chụp mạch bằng phương pháp xóa nền:
Trong chụp mạch bằng phương pháp xóa nền có::Định lượng mật độ nhiễu, nhiễu
điện tử: và nhiễu lượng tử số hóa tất cả đều góp phần gây ra nhiễu hệ thống, và
nếu chúng ta thiết kế ra một hệ thống chụp mạch bằng phương pháp xóa nền phù
hợp,thì lượng tử hóa nhiễu là không đáng kể. Tóm lại, nếu tín hiệu chụp X quang
gồm N photon khi đó tham số (độ lệch chuẩn) của tín hiệu đó là , từ đó photon tạo
ra và hệ số suy giảm được tính theo thống kê Poisson. Giả sử rằng camera đưa ra 1
giá trị điện áp lớn nhất là tại số photon, tín hiệu điện áp video tương ứng với N
photon được cho bởi mối quan hệ tỷ lệ

= hoặc =N

8

Trong đó và là hằng số cho bất kỳ cấu hình hệ thống nào. Do đó, tham số trong tín
hiệu video được thống kê theo lượng tử là:
17


=()

9

Nhiễu điện tử tạo nên đặc trưng tín hiệu video camera được mô tả với thuật ngữ
của camera đó là “Dải động”, được xác định là tỷ số của tín hiệu điện áp lớn nhất
chia cho độ lệch chuẩn () của nhiễu điện từ camera. Nếu D là phạm vi động của
camera thì độ lệch chuẩn của nhiễu điện tử từ máy ảnh được cho bởi:

=

10

Cuối cùng, sai số lượng tử hóa hoặc nhiễu lượng tử là lỗi được đưa vào tín hiệu
tương tự khi nó được số hóa. Nếu Δ là chiều rộng của bước lượng tử hóa (là
khoảng thời gian phụ cùng với các đoạn đáng kể nhỏ nhất của chuyển đổi tương
tự-số), trong đó các giá trị tương tự từ µI-Δ / 2 đến µI + Δ / 2 bằng nhau và được
chuyển đổi thành giá trị µI bởi bộ chuyển đổi tương tự-số, khi đó sự thay đổi độ sai
số lượng tử là:

=

11

5.1 Nhiễu hệ thống trong chụp mạch bằng phương pháp xóa nền:
Nhiễu hệ thống khác nhau trong chụp mạch bằng phương pháp xóa nền được thu
nhận bằng cách thêm nhiễu khác từ mỗi phần tử của hệ thống. Giả thiết rằng các
nhiễu này là độc lập. Trong tính toán, chúng ta giả định rằng hệ thống hình ảnh bao
gồm một máy quay video quan sát tín hiệu photpho đầu ra của bộ khuyếch đại hình
ảnh, và sai số lượng tử được gây ra bởi bộ chuyển đổi tương tự-số là không đáng
kể.

18


Hình 11. Trong một máy quay video lý tưởng, đầu ra tín hiệu video tỷ lệ thuận với

mức độ tiếp xúc ánh sáng lên đến mức bão hòa tối đa . Phạm vi động video được
định nghĩa là tín hiệu video tối đa chia cho bình phương trung bình gốc của tiếng
ồn trong tín hiệu video.
Đầu ra camera chứa thành phần tỷ lệ thuận với độ phát xạ đưa vào photpho đầu
vào cũng như số hạng thay đổi theo thời gian phát sinh từ "dòng tối" của hệ thống

V= +

12

Tham số ở đầu ra tín hiệu video được tính toán theo bình phương độ sai lệch:

=+

13

Công thức trên cho thấy rằng những thành phần từ bộ “video tối ưu hiện tại” và
nguồn lượng tử thống kê được cộng vào phương vuông(phép cầu phương) và đưa
ra tổng số nhiễu trong hệ thống video.
19


Thay thế các biểu thức xuất phát ở trên, chúng ta thu được nhiễu của tín hiệu video
có quan hệ với số lượng photon (N), tức là số photon trên mỗi pixel(điểm ảnh), độ
rộng(D) của máy quay video, mức tín hiệu video tối đa () và số lượng các photon
lớn nhất() tương ứng với mức tín hiệu video lớn nhất:

=+

14

Bởi vậy tủ số tín hiệu nhiễu (SNR) ở độ tương phản 100% trong hệ thống ảnh số
là:

SNR===

15

Từ đó tín hiệu video tương ứng có quan hệ với cường độ photon(N=các
photon/điểm ảnh)

=

16

Chúng ta thấy tỷ số tín hiệu-nhiễu có quan hệ với số lượng các photon N làm ảnh
hưởng tới tín hiệu vào photpho của bộ khuyech đại ảnh(Nếu hấp thụ 100% được):

SNR = =

17

Bây giờ chúng ta sẽ điều tra mối quan hệ này trong một số trường hợp đặc biệt
quan trọng

20


Trường hợp 1: Hệ thống phạm vi động cao (hệ thống lý tưởng) Nếu phạm vi hoạt
động của hệ thống D là rất lớn, thì tỷ số tín hiệu trên tạp âm của hệ thống
SNR =

18

trong trường hợp tiếng ồn điện tử không đáng kể và DQE của hệ thống là
đoàn kết. Do đó, khi phạm vi động là rất lớn, tiếng ồn được đóng góp hoàn toàn
bởi số liệu thống kê photon và được phân phối Poisson.
Trường hợp 2: Mức tín hiệu cao (N =)
Nếu chúng ta đang hoạt động ở mức tín hiệu cao, nơi số lượng photon được sử
dụng để tạo ảnh gần giá trị tối đa cho hệ thống, thì:

SNR = =

21

19


Ví dụ giả sử phơi nhiễm X = 16 mR, diện tích pixel 0,5 mm x 0,5 mm, E = 60 keV
và phạm vi động D = 1000. Tại 60 keV, hệ số hấp thụ năng lượng khối lượng của
không khí là:

=

20

để lưu huỳnh photon ở 60 keV tương ứng với phơi nhiễm X = 16 mR (từ phương
trình 9-21) là:
21

Trên một vùng pixel 0,5 mm x 0,5 mm, số lượng photon là:

= = photons

22

Do đó tỷ lệ tín hiệu trên nhiễu của hệ thống (tức là tỷ lệ tín hiệu tối đa
chia cho độ lệch chuẩn của hệ thống)

SNR = =

=747

23

Tại thời điểm này, chúng tôi hỏi liệu mức tín hiệu này có đủ để xem một đối tượng
lowcontrast nhỏ trong một hình ảnh nhiễu hay không. Câu hỏi này có thể được trả
lời bằng cách sử dụng mô hình Rose liên quan đến SNR, độ tương phản, kích
thước và lưu loát. Mô hình Rose nói rằng

==N

24

trong đó k = 5 (hằng số chỉ định SNR mà tại đó tín hiệu tương phản thấp hiển thị)
và:
N = Φ A = số photon được sử dụng cho đối tượng hình ảnh của khu vực A
C = mức độ tương phản của tín hiệu = ΔN / N
= photon fluence trong vùng nền = N/A
A = diện tích của đối tượng
ΔN = sự khác biệt về số lượng photon được sử dụng để định hình đối tượng và nền
22


khu vực bằng nhau.
Do đó, từ mô hình Rose:

==

25

Gọi N = là phương sai của nhiễu. Do đó, một cách khác để thể hiện mô hình Rose
là nói rằng

K =N

26

Bằng trực giác, điều này nói rằng sự khác biệt trong tín hiệu nền và đối tượng phải
bằng k lần độ lệch chuẩn của nhiễu. Từ giá trị thu được của chúng tôi về tỷ lệ tín
hiệu trên tạp âm ở độ tương phản 100%

SNR =N/

27

và sắp xếp lại ta có:

SNR =N

28

Bây giờ chia phương trình 26 theo phương trình 28 và thay thế các giá trị cho k từ
Phương trình mô hình hoa hồng và SNR từ phương trình 23 sản lượng

C = N/N = k/SNR = 5/747 = 0.67 %

29

Do đó mức hoạt động mà bộ khuếch đại hình ảnh được chiếu xạ ở mức phơi
sángtối đa của nó mức độ, độ tương phản của một mục tiêu nhạy cảm tối thiểu là

C = N/N ≈ 1%

30

Lưu ý rằng giới hạn phát hiện tương phản thấp này được xác định bằng tỷ số SNR
(hoặc k) từ mô hình hoa hồng đến SNR do hệ thống hình ảnh tạo ra.

Trường hợp 3: Nếu N = 1/10 thì

SNR = =
23

31


Với = 1,26 x photon và D = 1000 như trước, chúng ta có SNR = 96,3. Từ phương
trình 29, khi SNR = 96,3, người quan sát sẽ có thể thấy mức độ tương phản tối
thiểu của

C = N/N = k/SNR = 5/96.3 = 5.2 %

32

Trường hợp 4: Nếu N= 1/100, thì

SNR = =

33

Với = 1,26 x photon và D = 1000, chúng tôi có SNR = 9,96 trong trường hợp đó
mức độ tương phản lớn hơn

C = N/N = k/SNR = 5/9.96 = 50.2 %

34

được hiển thị trong hình ảnh. Tại thời điểm này, SNR của hình ảnh bị giới hạn bởi
nhiễu điện tử, không phải do số liệu thống kê lượng tử.

6. Các phương pháp để cải thiện các đặc tính nhiễu của các bức xạ
X quang được trừ số
6.1 Loại bỏ các điểm sáng
Từ các ví dụ trên, rõ ràng là X-quang kỹ thuật số thu được với hình ảnh hệ thống
tăng cường sẽ bị hạn chế nghiêm trọng bởi nhiễu điện tử nếu hình ảnh không thu
được với số lượng tối đa photon . Điều này chưa rõ ràng cho nên trong nhiều
trường hợp chúng ta phải đưa vào trạng thái không mong muốn, khi đó trường ảnh
gồm các vùng có độ phát tia X lớn .Điều này có thể làm nảy sinh ở phần rìa của
bệnh nhân hoặc trong các vùng cơ thể có không khí (phổi hoặc khí trong ruột) , các
vùng có độ phát tia X lớn nhận được ảnh ở mức tín hiệu có trị số cực đại sát ngay
các vùng có độ phát tia X thấp nhận được hình ảnh ở mức tín hiệu video thấp ở đó
dữ liệu bị tổn hao bởi nhiễu điện. Một kỹ thuật phổ biến để giảm bớt tổn hao này là
đặt các túi nước muối lên trên vùng truyền dẫn “vùng sáng” hoặc đặt miếng nhôm
trong chùm tia X giảm độ phát xạ tia X với các khu vực nơi bệnh nhân (hình 13).
Mô hình lý tưởng nhất,đầu vào trường phát xạ được biến đổi để phát ra một trường
phát xạ không đồng nhất đến cơ thể bệnh nhân cho nên trường phát xạ bộ khuyếch
đại ảnh là đồngc nhất . Trong trường hợp này, tất cả các vùng của bệnh nhân nhận
24


được ảnh có mức tín hiệu –nhiễu lớn nhất ,khi đó có thể thu được mức tín hiệu nhiễu cao nhất trong tất cả các vùng của ảnh.

6.2 Vai trò của khẩu độ máy quay video
Một phương pháp khác để cải thiện tỷ số tín hiệu –nhiễu trong chụp mạch phương
pháp xóa nền là tăng cường đọ phát xạ tia X tới bệnh nhân bệnh nhân, giảm bớt
thành phần nhiễu từ các nguồn định lượng thống kê. Tuy nhiên, một mức sáng đặc
trưng được phát tớ bia máy ảnh sẽ tạo ra một tín hiệu phản xạ video rất lớn.Sự
phát xạ tia x không thể tăng lên vô thời hạn mà không thực hiện các điều chỉnh
khác trong hệ thống để đảm bảo rằng mức ánh sáng tối đa này không được vượt
quá. Khẩu độ của máy quay video có vai trò cơ bản trong khía cạnh kiểm soát định
lượng nhiễu trong chụp mạch bằng phương pháp xóa nền.Bởi vì độ mở nằm giữa
vị trí đầu ra photon của bộ khuyếch đại hình ảnh và đầu vào quang học của máy
25


Tài liệu bạn tìm kiếm đã sẵn sàng tải về

Tải bản đầy đủ ngay

×

×