Способ контрастирования рентгенограмм цветом
METHOD FOR CONTRASTING X-RAY PATTERNS WITH COLOR

Техническое решение относится к рентгенотехнике и может быть использовано в цифровых рентгеновских аппаратах для одновременного воспроизведения рентгенограмм на мониторах (дисплеях) в виде черно-белого и цветного изображения.
Предшествующий уровень техники
Впервые преобразование яркостного контраста рентгенограмм в цветовой, далее по тексту - цветовое контрастирование рентгенограмм или контрастирование рентгенограмм цветом, (в литературе также встречаются термины «цветовое кодирование» или «кодирование цветом», «псевдоцветовое кодирование») было осуществлено в 1958 г. [Fisher J., Greshon-Conen J., Television techniques for contrast enhancement and color translation of roentgenograms, Amer. J. Roentgenol., vol. 79, №2, 1958, pp. 342-347]. Предполагалось, что метод цветового контрастирования черно-белого изображения поможет обнаружить малые отличия плотности близко расположенных участков, а также регистрировать различия или сходства плотности в далеко расположенных участках рентгенограмм. Известны способы цветового контрастирования рентгенограмм, например, "Технические средства медицинской интроскопии" под ред. Б.И. Леонова, М., Медицина, 1989 (см. с. 133-143); Иванов С.А., Комяк Н.И., Мазуров А.И. "Рентгенотелевизионные методы исследования микроструктур" Л., Машиностроение, 1983 (см. с. 80-90). Также известны способы цветового контрастирования, описанные в диссертациях, например, Павлов С.В. "Разработка методов обработки и представления сигналов черно-белых изображений в условных цветах", дис. к.т.н., Л., ЛЭТИ, 1983; Николаев Е.И. "Исследование и разработка методов двухканальных телевизионных систем цветового кодирования полутоновых изображений", дис. к.т.н., Л., ЛЭТИ, 1989. Известны патенты и авторские свидетельства, например, патент США №3309519; а.с. СССР №343207, опубл. 22.06.1972; патент США №3673317; а.с. СССР №692114, опубл. 15.10.1979; патент США №6392248. Однако в общей рентгенологии способ цветового контрастирования черно-белых рентгенограмм практически не получил применения. В результате использования более пятнадцати шкал цветового кодирования (нагретого тела - абсолютно черного тела, радужной, спиральной вокруг черно-белой шкалы и ряда других) в пределах объема цветового куба RGB колориметрической системы монитора не было получено ощутимых результатов. Поэтому в цифровых рентгеновских аппаратах общего применения цветовое контрастирование рентгенограмм в настоящее время не предусмотрено, в то время как в ультразвуковых аппаратах, магнитно-резонансных томографах, компьютерных томографах, в технической дефектоскопии способ цветового контрастирования (известен также термин «раскраска изображений») используется достаточно широко.
Анализ существующих цветовых шкал раскраски рентгенограмм показал, что для многоградационных, высокодетальных и зашумленных изображений, к которым относятся рентгенограммы, опробованные шкалы не обеспечивают психологическую точность оценки контрастированных цветом рентгенограмм с исходными, на рентгенограммах появляются артефакты. Под психологической точностью оценки здесь понимается изоморфность оценки контрастированной рентгенограммы и исходной черно-белой с сохранением в контрастированной цветом рентгенограмме яркости всех пикселов черно-белой рентгенограммы. Дешифрование контрастированных цветом по вышепроведенным шкалам рентгенограмм практически не дает дополнительной информации для постановки диагноза.
Раскрытие изобретения
Задачей настоящего изобретения является создание способа цветового контрастирования рентгенограмм, позволяющего выделить на цветном изображении дополнительную диагностическую информацию, которая не воспринимается зрением рентгенолога на черно-белой рентгенограмме.
Анализ многочисленных работ по цветовому контрастированию черно-белых изображений, в том числе описаний к патентам, позволил выявить необходимые требования к траектории используемых для контрастирования цветов в цветовом теле монитора:
- яркость исходного черно-белого изображения должна сохраняться в контрастированном цветом изображении;
- траектория выбранных цветов должна быть непрерывной и монотонной;
- траектория должна быть регулируемой рентгенологом в зависимости от содержания исходного изображения (интерактивный режим);
- насыщенность цветов должна быть регулируемой и не превышать порог, когда нарушается психологическая точность изображения. Контраст цветности не должен подавлять яркостной контраст;
- число цветов должно быть минимально необходимым, чтобы не усложнять интерпретацию изображения.
R
G
B
Наиболее полно этим требованиям удовлетворяет способ цветового контрастирования рентгенограмм, описанный в работе [Денисов А.К., Камышанская И.Г., Мазуров А.И.. «Цветовое контрастирование рентгенограмм». V Всероссийская научно-практическая конференция производителей рентгенотехники. - СПб.: ЛЭТИ, 2018. - с. 11-14], который взят авторами за прототип. В прототипе цифровое изображение черно-белой рентгенограммы подвергается нормированию, т.е. приведению максимума яркости к единице, а минимума к нулю. Далее нормированное изображение разделяется на три цветоделенных канала R, G и В с нелинейными амплитудными характеристиками для выбранной траектории насыщенных цветов. Цветоделенные изображения U, U и U на выходе названных каналов рассчитываются из системы линейных уравнений, описанной в работе [Мазуров А.И., Денисов А.К.. Эффективный метод кодирования рентгенограмм цветом. «Лучевая диагностика и терапия», 2018, №1, с. 176-177].
R
G
B
вх
Сигналы цветоделенных изображений U, U и U далее суммируют с сигналом U входного изображения для понижения насыщенности. Выходными данными представленного способа является контрастированная цветом рентгенограмма.
Способ-прототип имеет ряд недостатков.
Исходное черно-белое изображение рентгенограммы перед нормированием должно диафрагмироваться для исключения сигнала от рамки коллиматора рентгеновского аппарата и мест прямого прохождения рентгеновского излучения без ослабления исследуемым органом. Отсутствие диафрагмирования искажает нормировку.
Как показала практика работы рентгенологов в Мариинской больнице Санкт-Петербурга, контрастированная цветом рентгенограмма не исключает, а дополняет исходную, поэтому на рабочей станции рентгенолога должно одновременно воспроизводиться как черно-белая, так и контрастированная цветом рентгенограмма.
В прототипе не раскрыт алгоритм формирования амплитудных характеристик получения цветоделенных изображений, что делает невозможным реализацию способа. Также не показан способ регулировки насыщенности.
От этих недостатков свободен заявляемый способ цветового контрастирования рентгенограмм.
Техническим результатом заявляемого способа является:
- выявление на контрастированной цветом рентгенограмме дополнительной диагностической информации, которая не дешифрируется рентгенологом на исходной черно-белой рентгенограмме;
- воспроизведение как черно-белой, так и контрастированной цветом рентгенограммы, для уменьшения ложно положительных диагностических решений;
- устранение искажений нормировки путем диафрагмирования сигнала от рамки коллиматора и мест прямого прохождения рентгеновского излучения без ослабления;
- выбор рентгенологом оптимальных траекторий цветов для рентгенограмм различных органов;
- интерактивный выбор рентгенологом насыщенности изображений с целью недопущения подавления яркостного контраста контрастом цветности, а также оптимизация контраста цветности.
Сущность изобретения
Технический результат достигается тем, что осуществляют способ контрастирования рентгенограмм цветом, заключающийся в том, что цифровое изображение черно-белой рентгенограммы диафрагмируют, нормируют и направляют одновременно на три канала преобразователя для разделения цифрового изображения на цветовые составляющие (красную, зеленую и синюю), на выходах названных каналов формируют насыщенное цифровое красное  насыщенное цифровое зеленое  и насыщенное цифровое синее  изображения по выбранной траектории используемых цветов в результате прохождения входного изображения U через усилители преобразователя с нелинейными амплитудными характеристиками, которые подобны амплитудным характеристикам, и определяются из системы линейных уравнений в матрице:
где  - координаты цвета на выбранной траектории в цветовом кубе монитора в колориметрической системе FED(E);
- координаты белого цвета W;
R
G
B
L, L, L - яркостные коэффициенты колориметрической системы монитора;
- средние значения энергии фотонов световых потоков красного, зеленого и синего каналов монитора;
- средние значения квадратов энергии фотонов световых потоков красного, зеленого и синего каналов монитора;
- среднее значение энергии фотонов белого цвета W и квадрат указанного среднего значения соответственно.
Исходными данными для матрицы, которая формирует характеристики преобразователя, является выбранная рентгенологом траектория используемых цветов с помощью восьми реперных цветов в цветовом теле монитора (трех основных R, G, В, трех дополнительных M, C, Y и черного К с белым W), кнопки выбора которых на пульте управления располагают в порядке увеличения их яркости (K, В, R, М, G, С, Y, W). При этом из указанных реперных цветов для формирования оптимальной траектории могут быть для исследуемого органа исключены один или несколько цветов. Чем больше оставлено цветов, тем длиннее будет траектория, т.е. число используемых цветов. Затем насыщенные красное  зеленое  и синее  изображения после умножения на регулируемый коэффициент насыщенности k, где (0≤k≤1) суммируют с умноженным на коэффициент (1-k) входным изображением U для получения цветоделенных изображений с коэффициентом насыщенности k:
R
G
B
Далее полученные цветоделенные цифровые изображения U, U, U поступают на входы цветного монитора 7, на котором воспроизводится контрастированная цветом рентгенограмма. Входное цифровое изображение воспроизводится на черно-белом мониторе 8.
В заявляемом способе средние энергии фотонов световых потоков красного  зеленого  и синего  каналов и средние значения их квадратов  могут быть рассчитаны по соотношениям:
m
m
m
где  - удельные координаты колориметрической системы монитора RGB, причем интегрирование осуществляют по всему диапазону длин волн видимого участка спектра электромагнитного излучения.
В заявляемом способе среднее значение  энергии фотонов белого цвета W и среднее значение квадрата  энергии фотонов белого цвета W может быть рассчитано по соотношениям:
соответственно.
Насыщенность цветов может регулироваться плавно или дискретно. В результате реализации заявляемого способа возможны 63 траектории максимально насыщенных цветов.
Заявляемое изобретение и способ его реализации поясняется чертежами.
R
G
B
На фиг. 1 показаны нелинейные амплитудные характеристики красного U, зеленого U и синего U цветоделенных каналов преобразователя для основных цветов R, G, В монитора NTSC.
На фиг. 2 показана траектория наибольшей протяженности максимально насыщенных цветов в цветовом кубе монитора, в которой используются все реперные цвета. Пунктирной линией показана траектория исходного черно-белого изображения.
На фиг. 3 показана функциональная схема контрастирования рентгенограмм цветом.
0
R
G
B
R
G
B
Наилучшая форма выполнения предложенного технического решения описывается далее в качестве примера, схема реализации которого показана на фиг. 3. По заявляемому способу цифровое изображение черно-белой рентгенограммы U диафрагмируют (позиция 1 на фиг. 3), с целью исключения неинформативных участков изображения (рамки коллиматора и участков прохождения рентгеновского изображения без ослабления); диафрагмированное изображение  нормируют (позиция 2 на фиг. 3), т.е. приводят максимум яркости изображения к единице, а минимум яркости к нулю для установления однозначной связи между яркостями пикселов снимка и цветом при выбранной траектории цветов в цветовом кубе RGB монитора. Далее нормированное изображение U одновременно поступает на входы каналов преобразователя 14 цветоделенных изображений (красный 3, зеленый 3, синий 3) с нелинейными амплитудными характеристиками (пример одной из которых показан на фиг. 1), определяющими в цветовом теле монитора выбранную траекторию максимально насыщенных цветов (фиг. 2). Амплитудная характеристика каждого канала преобразователя 14 для выбранной траектории цветов реализуется с использованием матрицы 12, которую рассчитывают по системе трех линейных уравнений, связывающих квантовую колориметрическую систему FED(E) [Мазуров А.И., Раевская К.А. Квантовая модель низшей метрики цвета. // Биомедицинская радиоэлектроника. 2013, №1, с. 45-47] с колориметрической системой цветоделенных изображений монитора UUU
R
G
B
где  - координаты цвета пикселов в системе FED(E);  - координаты равноэнергетического белого цвета W;  - координаты цветности равноэнергетического белого W; L, L, L - яркостные коэффициенты колориметрической системы монитора RGB;  и  - координаты цветности основных цветов монитора.
Координаты цветности монитора рассчитывают по соотношениям:
где  - удельные координаты колориметрической системы монитора RGB; ε(λ) - энергия фотона (квантовое число) с длиной волны λ.
R
G
B
R
G
B
Траектория цветов для каждого исследуемого органа задается рентгенологом регулятором 10 с пульта управления 13 рабочей станции рентгенолога путем выбора реперных цветов, на котором расположены кнопки выбора реперных цветов цветового тела монитора K (черный), В (синий), R (красный), М (пурпурный), G (зеленый), С (голубой), Y (желтый), W (белый) максимальной яркости. Кнопки выбора реперных цветов располагают на пульте управления 13 рабочей станции рентгенолога в порядке увеличения яркости этих цветов. По выбранным реперным цветам в цветовом кубе монитора строят траекторию цветов 11 путем соединения выбранных цветов отрезками прямых, соединяющих цвета в порядке увеличения их яркости. По координатам цветов  на выбранной траектории в матрице 12 определяют амплитудные характеристики каналов преобразователя 14 цветоделенных изображений 3, 3, 3. С выходов каналов преобразователя 14 цветоделенные изображения  для снижения насыщенности после умножения в усилителе 4 на коэффициент "k", который задает рентгенолог (0≤k≤1) регулятором 9 с пульта управления 13 рабочей станции рентгенолога, поступают на алгебраические сумматоры 6, 6, 6 с входным нормированным изображением U, умноженным в усилителе 5 на коэффициенты (1-k).
R
G
B
R
G
B
С выхода сумматоров 6, 6, 6 цветоделенные цифровые изображения U, U и U подают на вход цветного монитора 7, на котором воспроизводится контрастированная цветом рентгенограмма, а нормированное черно-белое изображение подают на вход черно-белого монитора 8.
В заявляемом способе достигается следующий технический результат.
Контрастированные цветом рентгенограммы изоморфны исходным черно-белым рентгенограммам.
Яркость исходного черно-белого изображения сохраняется в контрастированном цветом изображении. Все используемые траектории цветов являются непрерывными и монотонными по всем трем координатам цветов  что обеспечивает отсутствие на изображении ложных контуров и инверсии контраста. Траектории и насыщенность используемых цветов интерактивно изменяются рентгенологом, что позволяет оптимизировать цветовое контрастирование рентгенограмм конкретных органов.
Испытания предлагаемого способа контрастирования рентгенограмм цветом в Городской Мариинской больнице (Санкт-Петербургское государственное бюджетное учреждение здравоохранения «Городская Мариинская больница») дали положительные результаты:
- способ помогает обнаружить малые отличия плотности близко расположенных участков рентгенограмм;
- способ обеспечивает регистрацию различий и сходств плотности в далеко расположенных участках рентгенограмм;
- цветная рентгенограмма не заменяет черно-белую, а дополняет ее, позволяя увеличить точность постановки диагноза.