СПОСОБ КАЛИБРОВКИ ЦИФРОВОГО РЕНТГЕНОВСКОГО АППАРАТА (ВАРИАНТЫ)
METHOD OF CALIBRATING DIGITAL X-RAY MACHINE (VERSIONS)

Группа изобретений относится к медицинской рентгенотехнике, а именно к устройствам для измерения и контроля технических характеристик цифровых рентгенодиагностических аппаратов: вычислительных томографов, а также цифровых рентгеновских аппаратов со штативами типа С-дуга и U-дуга.
Основной целью калибровки цифрового рентгеновского аппарата является получение в процессе рентгенодиагностического исследования высококачественных изображений исследуемого объекта (пациента). На качество диагностических изображений существенно влияет механическая нестабильность штатива рентгеновского вычислительного томографа, штативов типа С-дуга и U-дуга цифровых рентгеновских аппаратов. Так, изменения в траектории вращения штатива в цифровых рентгеновских аппаратах могут привести к сбою в предварительных калибровках детектора, таких как калибровка шейдинга и т.п. В аппаратах для вычислительной томографии, помимо сбоя предварительных калибровок детектора, даже небольшие изменения в траектории томографического сканирования могут привести к существенному ухудшению качества реконструируемого изображения. Механическая нестабильность штатива рентгеновского вычислительного томографа, штативов типа С-дуга и U-дуга цифровых рентгеновских аппаратов имеет регулярную и случайную составляющие. Заявляемое изобретение предназначено для точной коррекции изображений, получаемых с помощью рентгеновских аппаратов, на основе учета регулярной составляющей механической нестабильности штатива цифрового рентгеновского аппарата.
Известен способ калибровки рентгеновского вычислительного томографа [Патент США №5822396], в котором в область сканирования при каждой съемке объекта исследования (пациента, при медицинском применении рентгеновского аппарата) вводят тест-объекты. По отклонениям тест-объектов от идеальных положений вычисляют данные смещений каждого снимка, которые используют для компенсации механической нестабильности штатива в реальном времени.
К причинам, препятствующим достижению указанного ниже технического результата при использовании известного способа, относится то, что тест-объекты при этом способе выполняются из рентгеноконтрастного материала, как правило, из металла. Наличие таких объектов при каждой съемке обуславливает образование артефактов на реконструированном изображении, которые приводят к неточностям при проведении рентгенотомографических исследований.
i
Наиболее близким по технической сущности способом того же назначения к заявляемому изобретению, как по первому, так и по второму варианту является способ калибровки рентгеновского вычислительного томографа [Fahrig R., Holdsworth D.W., Three-dimensional computed tomographic reconstruction using a C-arm mounted RII: image-based correction of gantry motion nonidealities. Medical Physics, 2000, V.27(1), c.30-38], принятый нами за прототип. Способ включает получение предварительных калибровочных данных регулярной составляющей механической нестабильности штатива рентгеновского аппарата при помощи установленного в область сканирования рентгеновского аппарата стального шара (или нескольких шаров). В способе получают серию N снимков с различными углами поворота штатива φ. Снимки получают и обрабатывают в цифровом виде. На каждом снимке находят координаты центра проекции шара (или нескольких шаров). По найденным координатам определяют регулярную составляющую механической нестабильности штатива рентгеновского аппарата. В методе определяющую роль играют калибровочные данные механической нестабильности штатива рентгеновского аппарата по осям Х и Y. К причинам, препятствующим достижению указанного ниже технического результата при использовании известного способа, относится то, что в известном способе не определяется регулярная составляющая механической нестабильности штатива цифрового рентгеновского аппарата по оси Z (калибровочные данные по масштабу). Калибровочные данные по масштабу сравнительно невелики в абсолютных значениях, однако, при фокусном расстоянии 1200 мм и размере объекта исследования 100 мм смещение по оси Z на 10 мм приведет к изменению размеров проекции объекта на 1.7% (при расположении объекта исследования посередине между рентгеновской трубкой и детектором), что недопустимо в исследованиях, где необходима высокая точность измерений (вычислительная томография, ангиография при эндопротезировании сосудов и т.п.). Указанная составляющая механической нестабильности штатива по оси Z (влияющая на масштаб) также может привести к ошибке в процессе определения калибровочных данных по осям Х и Y.
Техническим результатом изобретения по первому и второму вариантам является повышение точности калибровки цифрового рентгеновского аппарата благодаря тому, что формируют набор калибровочных данных регулярной составляющей механической нестабильности штатива с учетом калибровочных данных по масштабу, а также снижение требований к механической точности вращения штатива рентгеновского аппарата при осуществлении заявленных способов. Во втором варианте точность определения калибровочных данных регулярной составляющей механической нестабильности рентгеновского аппарата повышается по сравнению с первым вариантом за счет использования в процессе калибровки, по крайней мере, двух шаров разного диаметра. Применение калибровочных данных к рентгеновским изображениям снижает шум изображения, что в свою очередь повышает низкоконтрастное и высококонтрастное разрешение рентгеновского аппарата, вследствие чего, например, в медицинской рентгенодиагностике возможно определить злокачественные новообразования на более раннем этапе.
В первом варианте изобретения указанный технический результат достигается благодаря тому, что в способе калибровки цифрового рентгеновского аппарата, заключающемся в том, что в область сканирования, исключая ее центр, устанавливают, по крайней мере, один рентгеноконтрастный шар, получают изображения области сканирования, определяют по координатам центра проекции шара регулярные составляющие механической нестабильности штатива цифрового рентгеновского аппарата по осям Х и Y, формируют набор калибровочных данных механической нестабильности штатива по осям Х и Y, используемый для коррекции изображений, согласно изобретению дополнительно определяют регулярную составляющую механической нестабильности штатива цифрового рентгеновского аппарата по масштабу проекций в виде числовой последовательности масштабного коэффициента путем получения числовой последовательности диаметра проекции шара в зависимости от угла поворота штатива, проведения ее медианной фильтрации, аппроксимирования синусоидой и вычитания синусоиды из исходной последовательности для получения регулярной составляющей изменений диаметра проекции шара, а набор калибровочных данных механической нестабильности штатива формируют с учетом калибровочных данных по масштабу.
Во втором варианте изобретения указанный технический результат достигается благодаря тому, что в способе калибровки цифрового рентгеновского аппарата, заключающемся в том, что в область сканирования, исключая ее центр, устанавливают, по крайней мере, два рентгеноконтрастных шара разного диаметра, получают изображения области сканирования, определяют по координатам центра проекции шаров регулярные составляющие механической нестабильности штатива рентгеновского аппарата по осям Х и Y, формируют набор калибровочных данных механической нестабильности штатива, согласно изобретению регулярные составляющие механической нестабильности штатива рентгеновского аппарата по осям Х и Y определяют по координатам центра проекции шара меньшего диаметра, а по шару большего диаметра определяют регулярную составляющую механической нестабильности штатива цифрового рентгеновского аппарата по масштабу проекций в виде числовой последовательности масштабного коэффициента путем получения числовой последовательности диаметра проекции шара в зависимости от угла поворота штатива, проведения ее медианной фильтрации, аппроксимирования синусоидой и вычитания синусоиды из исходной последовательности для получения регулярной составляющей изменений диаметра проекции шара, при этом набор калибровочных данных механической нестабильности штатива формируют с учетом калибровочных данных по масштабу.
Способ по первому варианту изобретения реализуют с помощью устройства (фиг.1, 2). На фиг.1, 2 схематично показана схема цифрового рентгеновского аппарата, где
1 - рентгеновская трубка,
2 - детектор,
3 - шар из рентгеноконтрастного материала,
4 - центр траектории сканирования,
5 - проекция шара из рентгеноконтрастного материала.
Во втором варианте в качестве калибровочного объекта используют, по крайней мере, два шара из рентгеноконтрастного материала, например из стали, разного диаметра, установленные в область сканирования, исключая ее центр.
i
i
i
i
i
i
i
Предварительную калибровку штатива цифрового рентгеновского аппарата, включающего в себя рентгеновскую трубку 1 и детектор 2 по первому варианту изобретения, осуществляют следующим образом. Шар 3 из рентгеноконтрастного материала, например из стали, устанавливают в область сканирования, исключая ее центр 4 (точность изготовления шара должна быть выше пространственного разрешения цифрового рентгеновского аппарата). Получают серию N снимков с различными углами поворота штатива φ. Снимки получают и обрабатывают в цифровом виде. На каждом снимке находят координаты центра проекции 5 шара и диаметр проекции 5. Таким образом, получают числовую последовательность для каждой координаты центра проекции шара в зависимости от угла поворота штатива φ: ВХ(φ), BY(φ); 0°≤φ<360°; i=1…N; для вычисления числовой последовательности масштабного коэффициента получают числовую последовательность BD(φ) - диаметра проекции шара в зависимости от угла поворота штатива φ.
i
i
i
Каждая числовая последовательность BX(φ), BY(φ), BD(φ) может быть представлена в виде трех слагаемых (показано для X, для Y и D - аналогично)
i
sin
i
рег
i
BX(φ)=ВХ(φ)+ВХ(φ)+ns,
sin
i
sin
i
i
i
где BX(φ) - периодическая составляющая, возникающая из-за установки шара не в центр; BX(φ)=a·sin(φ+b)+с; на интервале углов 0°≤φ<360° укладывается один полный период;
рег
i
BX(φ) - регулярная составляющая;
ns - случайная составляющая.
sin
i
С целью удаления периодической составляющей BX(φ) методом наименьших квадратов находят значения параметров а, b, с - ищут приближение в виде синусоиды. Для удаления одиночных выбросов (грубых промахов) перед аппроксимацией производят медианную фильтрацию числовых последовательностей. Затем значения найденной функции в соответствующих точках вычитают из исходной (нефильтрованной медианным фильтром) числовой последовательности, что позволяет получить
i
i
sin
i
рег
i
SX(φ)=BX(φ) - BX(φ)=ВХ(φ)+ns.
j
i
j
i
i
рег
i
Описанный процесс калибровки повторяют К раз, что дает набор SX(φ), j=1…K. Усреднение SX(φ) на соответствующих значениях углов φ позволяет уменьшить случайную составляющую ns и получить оценку ВХ(φ).
sin
i
j
В качестве примера приведены фиг.3-5, где по горизонтальной оси - угол поворота штатива φ, по вертикальной - значение в пикселях; на фиг.3 жирной линией показана зависимость ВХ(φ), тонкой линией показана найденная BX(φ), на фиг.4 показана их разность SX(φ); на фиг.5 показан набор SX(φ).
i
рег
i
Значения масштабного коэффициента SK(φ) получают на основе числовой последовательности BD(φ) - регулярной составляющей изменений диаметра проекции шара.
Во втором варианте предварительную калибровку штатива цифрового рентгеновского аппарата осуществляют с помощью, по крайней мере, двух рентгеноконтрастных шаров различного диаметра (точность изготовления шаров должна быть выше пространственного разрешения цифрового рентгеновского аппарата). Определение калибровочных данных регулярной составляющей механической нестабильности рентгеновского аппарата производят в соответствии с первым вариантом изобретения, однако калибровочные данные по осям Х и Y определяют по проекции шара меньшего диаметра, а калибровочные данные по масштабу определяют по проекции шара большего диаметра. Для калибровки регулярной составляющей механической нестабильности штатива цифрового рентгеновского аппарата по осям Х и Y желательно, чтобы размер шара был небольшим, так как чем больше шар, тем больше отклонение центра проекции шара от проекции центра шара, что приводит к уменьшению точности определения калибровочных данных по осям Х и Y. Для калибровки регулярной составляющей механической нестабильности штатива цифрового рентгеновского аппарата по масштабу, напротив, желательно, чтобы проекция шара была больше, так как уменьшается предельное отклонение штатива, вследствие которого изменяется диаметр проекции, следовательно, повышается точность определения калибровочных данных по масштабу.
Осуществление коррекции рентгеновских изображений по калибровочным данным, полученным по заявляемым вариантам способа, поясняется блок-схемой на фиг.6, где
6 - начало рентгенодиагностического исследования,
7 - вращение штатива цифрового рентгеновского аппарата,
8 - проведение экспозиции и получение рентгеновских изображений,
9 - считывание угла положения штатива с датчика поворота,
10 - применение калибровочных данных регулярной составляющей механической нестабильности штатива к полученным изображениям,
11 - условие получения всех изображений,
12 - выполнение дополнительных обработок изображений,
13 - вывод обработанных изображений на монитор.
В начале рентгенодиагностического исследования 6 производят вращение штатива в нужное положение 7, проводят экспозицию и получают рентгеновское изображение объекта исследования 8, считывают угол положения штатива с датчика поворота, применяют калибровочные данные регулярной составляющей механической нестабильности штатива 10, соответствующие данному углу штатива, к полученным изображениям, в случае получения необходимого количества изображений 11 выполняют дополнительные обработки изображений 12 и выводят их на монитор 13, иначе повторяют с п.7.
Нами показано, что отклонение штатива вдоль оси Z, влияющее на масштаб проекции, вносит значительные изменения в реконструируемое изображение, получаемое с помощью вычислительных томографов, а также в изображения, получаемые с помощью цифровых рентгеновских аппаратов со штативами типа С-дуга и U-дуга, вследствие чего существенно ухудшаются диагностические возможности цифрового рентгеновского аппарата. Применение калибровочных данных регулярной составляющей механической нестабильности штатива цифрового рентгеновского аппарата в большей степени касается рентгеновских вычислительных томографов, так как для указанных аппаратов отклонение штатива вдоль оси Z вносит более значительные изменения в реконструируемое изображение. На фиг.7 показана реконструкция математического однородного фантома (тест - объекта), полученная по данным без механической нестабильности по масштабу. На фиг.8 показана реконструкция математического однородного фантома, полученная при искусственном, соизмеримом с отклонением штатива вдоль оси Z на 1 см, изменении масштаба проекций. На фиг.8 видно, что нестабильность масштаба вносит значительные изменения в реконструируемое изображение, повышает шум изображения и добавляет дополнительные артефакты в изображение, что, в свою очередь, ухудшает диагностические возможности рентгеновского вычислительного томографа.
Таким образом, достигается повышение точности калибровки цифрового рентгеновского аппарата благодаря тому, что формируют набор калибровочных данных регулярной составляющей механической нестабильности штатива с учетом калибровочных данных по масштабу. Во втором варианте точность определения калибровочных данных регулярной составляющей механической нестабильности штатива цифрового рентгеновского аппарата повышается по сравнению с первым вариантом за счет использования в процессе калибровки, по крайней мере, двух шаров разного диаметра.
Применение калибровочных данных, полученных по первому и второму способам, повышает низкоконтрастное и высококонтрастное разрешение рентгеновского аппарата, вследствие чего, например, в медицинской рентгенодиагностике возможно определить злокачественные новообразования на более раннем этапе. При осуществлении заявленных способов возможно также снижение требований к механической точности вращения штатива рентгеновского аппарата с одновременным повышением качества реконструированных изображений.