«Оцифровка радиографических снимков – это не очень просто»

Цифровые радиографические изображения все больше вторгаются в нашу жизнь, что связано, в основном, с появлением новых возможностей их получения, анализа, архивации, обработки и передачи в информационные системы. В медицине цифровые методы регистрации изображений уже стали реалией и широко используются во многих медицинских учреждениях. В медицине в отличие от промышленного радиационного НК требования к пространственному разрешению и оптической плотности радиографических снимков заметно ниже, что и обусловило более быстрое внедрение цифровых методов в медицине.

Существует два способа получить цифровое радиографическое изображение для архивации и/или последующей компьютерной обработки: выполнить оцифровку радиографической пленки или произвести регистрацию радиографического изображения непосредственно на устройство или носитель, способные ввести полученное изображение в компьютер. Цель настоящей статьи – рассмотреть особенности оцифровки радиографического изображения, полученного на пленке, для НК.

В связи с тем, что в РФ отсутствует нормативная документация по цифровой радиографии для НК вообще и по оцифровке радиографических пленок в частности, рассмотрим действующие европейские и международные стандарты. Системам для оцифровки радиографических пленок посвящены европейский стандарт EN 14096-2003 и идентичный ему международный стандарт ISO 14096-2005 (в 2-х частях) [1, 2].

По ISO 14096-2005 для того, чтобы корректно получить цифровую копию радиографического снимка, сканирующее устройство должно иметь:

1) необходимый диапазон измеряемых оптических плотностей;
2) линейную функцию преобразования оптической плотности в заданном диапазоне плотностей в необходимое для адекватного восприятия изображения количество градаций серого на экране компьютерного монитора;
3) достаточную контрастную чувствительность по оптической плотности;
4) достаточное пространственное разрешение.

Стандарт вводит следующие основные характеристики и параметры, которые определяют способность сканера корректно оцифровать радиографический снимок:

  • Р – размер пикселя – расстояние между центрами соседних элементов цифрового изображения;
  • цифровое разрешение (глубина оцифровки, в  битах) аналогово-цифрового преобразователя оцифровывающего устройства, используемого для денситометрической оцифровки;
  • контрастная чувствительность по плотности ∆Dcs – минимально разрешаемое оцифровывающим устройством изменение оптической плотности на снимке;
  • характеристическая кривая преобразования – обеспечиваемая оцифровывающим устройством таблица (функция) перевода оптической плотности в градации серого одного из двух видов:

- для линейной системы (оцифрованные данные пропорциональны интенсивности проходящего через пленку при оцифровке света) функция должна быть логарифмической;

- для логарифмической системы (оцифрованные данные пропорциональны оптической плотности, получаемой с помощью логарифмического усилителя или отельной таблицы преобразования) функция должна быть линейной;

  • диапазон оптических плотностей DR (в том числе рабочий диапазон DWR) – диапазон оптических плотностей, которые могут быть измерены сканером (DWR– диапазон, в котором обеспечивается требуемое минимальное значение контрастной чувствительности по плотности в одном скане).

Стандарт ISO 14096-2-2005 подразделяет все системы оцифровки радиографических пленок для целей НК на 3 класса:

  1. Класс DS – улучшенная техника, обеспечивающая выполнение оцифровки с незначительным уменьшением отношения сигнал/ шум и пространственного разрешения. Область применения – цифровое архивирование пленок (цифровое хранение).
  2. Класс DB – улучшенная техника, обеспечивающая выполнение оцифровки с некоторым снижением качества изображения. Область применения – цифровой анализ пленок; при этом исходные радиографические пленки должны храниться в архиве.
  3. Класс DA – базовая техника, допускающая некоторое снижение качества изображения и дальнейшее снижение пространственного разрешения. Область применения – цифровой анализ пленок, исходные радиографические пленки должны храниться в архиве.

Каждая система оцифровки радиографических пленок для применения в области НК должна идентифицироваться на соответствие одному из вышеперечисленных классов по табл. 1 с указанием обеспечиваемого этой системой минимального значения пространственного разрешения, определяемого по методике, описанной в стандарте.

Табл. 1. Минимальные требования к оцифровщикам радиографических пленок разных классов по оптической плотности и контрастной чувствительности (по ISO 14096-2-2005).

Параметр Класс DS Класс DB Класс DA
Диапазон оптических плотностей DR 0,5 – 4,5 0,5 – 4,0 0,5 – 3,5
Глубина оцифровки (бит) ≥ 12 ≥ 10 ≥ 10
Контрастная чувствительность ∆Dcsв диапазоне DR ≤ 0,02 ≤ 0,02 ≤ 0,02

Например, система оцифровки класса DS9 (класс сканера DS, пространственное разрешение не хуже 9 пар линий/мм) может применяться для архивирования радиограмм, полученных с использованием рентгеновского излучения с энергией более 100 кэВ или гамма-излучения любых энергий, а также для решения всех задач оцифровки классов DB и DA.

Для контроля основных параметров систем оцифровки радиографических пленок по стандарту ISO 14096-1-2005 используется стандартная эталонная пленка EPRI (сокращение от Energy Power Research Institute, США), получаемая путем экспонирования промышленной рентгеновской пленки светом. Эталонная пленка содержит специальные объекты для определения основных параметров системы оцифровки – диапазона оптических плотностей, контрастной чувствительности по плотности, пространственного разрешения. Расположение и обозначение этих объектов схематично показаны на рис. 1. 

Рисунок 1

Рис. 1 Стандартная эталонная пленка EPRI

Сканер FS50B

 

 Epson Expression 10000 XL 

FS50B Epson Expression 10000 XL

При подготовке данной статьи были исследованы характеристики сканеров FS50B производства компании GE Inspection Technologies и Epson Expression 10000 XL (модель J181A со слайд-модулем EU-88) по методике, описанной в п.4.1 стандарта ISO 14096-1-2005. Сканер FS50B был выбран потому, что был аттестован в 2003 г. Федеральным институтом исследований и контроля материалов Германии (BAM) как соответствующий классу DS9 [3], а Epson Expression 10000 XL – как наиболее широко используемый в России несколькими производителями устройств для оцифровки радиографических пленок для целей НК.

Рисунок 2 Рисунок 2

Рис. 2 Цифровое изображение пленки EPRIE356 со сканера FS50В, размер пикселя – 50 мкм, глубина оцифровки – 12 бит, диапазон D – 0 – 4, 7, режим «Высокое качество» (а); изображение объекта Н в увеличенном масштабе (б); профиль распределения градаций серого вдоль объекта Н (в)

Рисунок 3 Рисунок 3

 

Рис. 3 Цифровое изображение пленки EPRIE356 со сканера Epson, разрешение 500 dpi (размер пикселя около 50 мкм, глубина оцифровки – 16 бит (а); изображение объекта Н в увеличенном масштабе (б); профиль распределения логарифма градаций серого вдоль объекта Н (в).

 

На рис. 2 и 3 соответственно показаны полученные на сканерах FS50B и Epson цифровые изображения эталонной пленки EPRI E356 размером 350x430 мм, изображения объекта Н в увеличенном масштабе и профили распределения градаций серого GV вдоль объекта Н. Объект Н представляет собой полосу из 13 квадратных участков с калиброванной оптической плотностью *слева направо: 4,52; 4,00; 3,99; 3,53; 3,03; 3,01; 2,55; 2,06; 2,03; 1,56; 1,06; 1,03; 0,51), расположенную на фоновом поле с оптической плотностью 3,01.

Для получения исходных цифровых изображений со сканера FS50B использовался модуль программного обеспечения Rhythm Acquire компании GE, а для получения изображения со сканера Epson использовалось ПО ASCAN с логарифмической функцией преобразования сигналов, так как оцифрованные данные со сканера Epson пропорциональны интенсивности проходящего через пленку света. Никакие другие преобразования исходных цифровых изображений в данной работе не производились, так как сохранение первичных радиографических изображений при НК является обязательным.

Видно, что качество изображений пленки Е356, полученных на обоих сканерах, заметно отличается, и при оптической плотности D > 2,0 для сканера Epson (рис. 3в) наблюдается резкий рост шума в оцифрованном изображении.

На рис. 4 и 5 показаны характеристические кривые преобразования оптической плотности в градации серого GV для сканеров FS50B и Epson. Значения GV рассчитывались по формуле 3 стандарта ISO 14096-1-2005 как среднеарифметические для выделенной области 15x15 пикселей в центре каждого из участков с калиброванной оптической плотностью объекта Н пленки Е356. Характеристические кривые для сканера FS50B получились одинаковыми для режимов «Высокое качество», «Стандарт» и «Высокая скорость» при прочих одинаковых условиях, указанных в подписи к рис. 4, поэтому на рис. 4 показана лишь кривая для режима «Высокое качество».

Из рис. 4 видно, что для сканера FS50B характеристическая кривая близка к линейной при D ≤ 4,0, а при D > 4,0 наблюдается отклонение от линейности. В целом кривая хорошо аппроксимируется полиномом 3-й степени. Характеристическую кривую для сканера Epson можно считать линейной лишь при D ≤ 3,0 (рис. 5).

На рис. 6 для сравнения приведены зависимости контрастной чувствительности ∆Dcsот оптической плотности D для сканеров FS50B и Epson Expression 10000 XL. Видно, что в последнем случае при D > 2,0 резко ухудшается контрастная чувствительность из-за собственных шумов (см. рис. 3в), и его использование для целей цифрового архивирования пленок оказывается невозможным.

Сканер FS50B соответствует классу DS по международному стандарту ISO 14096-2-2005 и может использоваться для цифрового архивирования пленок (цифровое хранение) без необходимости хранения оригинала пленки.

Рисунок 4 Рисунок 5 Рисунок 6
Рис. 4 Характеристическая кривая сканера FS50B, полученная по объекту Н пленки Е356. Размер пикселя – 50 мкм, глубина оцифровки – 12 бит, диапазон D – 0 – 4, 7, режим «Высокое качество»; квадраты – экспериментальные данные, красная линия – полиноминальная аппроксимация по формуле GV = 83,70094 +752,82976D + 98,85574D2 – 16,59818D3, критерий R2 = 0,99987/

Рис. 5 Характеристическая кривая сканера EpsonExpression 10000 XL, полученная по объекту Н пленки Е356. Размер пикселя – около 50 мкм, глубина оцифровки – 16 бит; квадраты – экспериментальные данные, красная линия – полиноминальная аппроксимация по формуле IgGV = 4,97564 – 0,2204D – 0,22352D2 + 0,04016D3, критерий R2 = 0,99878.

Рис. 6 Зависимости контрастной чувствительности ∆Dcsот оптической плотности D для сканеров FS50B и Epson Expression 10000 XL, полученные по объекту Н пленки Е356: черные квадраты – сканер FS50B, размер пикселя – 50 мкм, глубина оцифровки – 12 бит, диапазон D – 0 -4, 7, режим «Высокое качество»; красные круги – сканер Epson Expression 10000 XL, размер пикселя – около 50 мкм, глубина оцифровки – 16 бит.

А.Я.Грудский исполнительный директор ООО «АСК-Рентген», Санкт-Петербург

В.Я.Величко технический директор ООО «Цифра», Санкт-Петербург, к.ф.-м.н., II уровень по радиационному виду НК