Способ двухэнергетической рентгенографии (варианты)

Заявленная группа изобретений относится к области медицинской рентгеновской техники и может быть использована при обследовании пациентов с различными заболеваниями, включая онкологические заболевания. Способ двухэнергетической рентгенографии включает в себя облучение пациента рентгеновским излучением в результате подачи на источник рентгеновского излучения двух импульсов напряжения различной величины, получение двух соответствующих исходных рентгеновских изображений и построение на их основе раздельных изображений тканей, имеющих разные коэффициенты линейного ослабления. Не ранее середины первого интервала экспозиции подают импульс высокого напряжения, а по существу одновременно с началом второго интервала экспозиции подают импульс низкого напряжения. Перед построением раздельных изображений тканей, имеющих разные коэффициенты линейного ослабления, производят совмещение двух исходных изображений путем коррекции одного из них, для чего осуществляют последовательность сжатий исходных рентгеновских изображений в k_p раз, где k_p - текущий коэффициент сжатия вдоль каждого направления, выбираемый из: k₁≥k2≥…>≥k_p-1≥k_p≥k_p+1…k_P, нахождений векторов смещений Δr_p(i,j) каждого пикселя с координатами i,j, где i=1…N_p, j=1…M_p, a N_p×M_p - размер каждого из сжатых изображений. Согласно первому варианту осуществляют последовательность формирований из совокупности упомянутых векторов смещений Δr_Р(i,j) карты смещений Δr в масштабе исходных изображений и получений текущего скорректированного изображения путем сдвига предыдущего скорректированного изображения соответственно текущей карте смещений вплоть до получения окончательного скорректированного изображения. Согласно второму варианту осуществляют формирование из совокупности упомянутых векторов смещений Δr_p(i,j) карты смещений Δr в масштабе исходных изображений с ее последовательным уточнением вплоть до получения окончательной карты смещений и получение скорректированного изображения путем сдвига исходного изображения соответственно окончательной карте смещений. Группа изобретений обеспечивает редуцирование артефактов движения на получаемых раздельных изображениях, как за счет уменьшения влияния вероятного движения пациента во время диагностического исследования, так и за счет компенсации влияния остаточного эффекта такого движения на информативность этих изображений. 2 н.п. ф-лы, 2 ил.

 

Заявленная группа изобретений относится к области медицинской рентгеновской техники и может быть использована при обследовании пациентов с различными заболеваниями, включая онкологические заболевания.

Известен способ двухэнергетической рентгенографии, включающий в себя облучение пациента рентгеновским излучением в результате подачи на источник рентгеновского излучения двух импульсов напряжения различной величины, первый из которых (низкого напряжения) подают в соответствующем первом интервале экспозиции, а второй (высокого напряжения) подают, по существу, одновременно с началом соответствующего второго интервала экспозиции, получение двух соответствующих исходных рентгеновских изображений и построение на их основе раздельных изображений тканей, имеющих разные коэффициенты линейного ослабления (см. статью Tong Xu et al. Dynamic dual-energy chest radiography: a potential tool for lung, tissue motion monitoring and kinetic study, Phys Med Biol, 2011, February 21, 56 (4), pp. 1191-1205).

Недостаток известного способа состоит в проявлении на получаемых раздельных изображениях артефактов, обусловленных как естественным ритмичным движением пациента во время диагностического исследования (в результате дыхания и сердцебиения), так и возможными случайными изменениями положения его тела, что снижает точность интерпретации изображений.

Известный способ принят в качестве ближайшего аналога заявленного способа по обоим вариантам.

Техническая проблема, решаемая заявленной группой изобретений, состоит в создании способа двухэнергетической рентгенографии, обеспечивающего возможность точной интерпретации рентгеновских изображений, что повышает диагностическую ценность исследования.

При этом достигается технический результат, заключающийся в редуцировании артефактов движения на получаемых раздельных изображениях, как за счет уменьшения влияния вероятного движения пациента во время диагностического исследования, так и за счет компенсации влияния остаточного эффекта такого движения на информативность этих изображений.

Техническая проблема решается, а указанный технический результат достигается реализацией способа двухэнергетической рентгенографии, включающего в себя облучение пациента рентгеновским излучением в результате подачи на источник рентгеновского излучения двух импульсов напряжения различной величины, получение двух соответствующих исходных рентгеновских изображений и построение на их основе раздельных изображений тканей, имеющих разные коэффициенты линейного ослабления. В заявленном способе не ранее середины первого интервала экспозиции подают импульс высокого напряжения, а, по существу, одновременно с началом второго интервала экспозиции подают импульс низкого напряжения. Перед построением раздельных изображений тканей, имеющих разные коэффициенты линейного ослабления, производят совмещение двух исходных изображений путем коррекции одного из них, для чего осуществляют последовательность сжатий исходных рентгеновских изображений в k_p раз,

где k_p - текущий коэффициент сжатия, выбираемый из условия:

k₁≥k₂≥…≥k_p-1≥k_p≥k_p+1…k_P, нахождений векторов смещений Δr_p(i,j) каждого пикселя с координатами i,j,

где i=1…N_p, j=1…М_р, a N_p×M_p - размер каждого из сжатых изображений.

Согласно первому варианту реализации изобретения, осуществляют последовательность формирований из совокупности упомянутых векторов смещений Δr_P(у) карты смещений Δr в масштабе исходных изображений и получений текущего скорректированного изображения путем сдвига предыдущего скорректированного изображения соответственно текущей карте смещений вплоть до получения окончательного скорректированного изображения.

Согласно второму варианту реализации изобретения, осуществляют формирование из совокупности упомянутых векторов смещений Δr_p(i,j) карты смещений Δr в масштабе исходных изображений с ее последовательным уточнением вплоть до получения окончательной карты смещений и получение скорректированного изображения путем сдвига исходного изображения соответственно окончательной карте смещений.

На фиг. 1 показана временная развертка импульсов, в соответствии с ближайшим аналогом, причем U₁<U₂.

На фиг. 2 показана временная развертка импульсов, в соответствии с настоящим изобретением по обоим вариантам, причем U₂<U₁.

Заявленный способ двухэнергетической рентгенографии реализуют следующим образом.

Производят облучение пациента рентгеновским излучением, подавая на источник рентгеновского излучения два импульса, высокого и низкого напряжения, соответственно, U₁ и U₂. Подачу импульсов осуществляют с помощью генератора напряжения, входящего в состав рентгеновского питающего устройства. Испущенное источником излучение опционально дополнительно фильтруют, пропуская через слой селективно поглощающего материала.

Прошедшее сквозь пациента излучение регистрируют с помощью приемника рентгеновского излучения, опционально комплектуемого растром, отфильтровывающим рассеянное излучение.

Импульс высокого напряжения U₁ подают не ранее середины первого интервала экспозиции (обозначенного на фиг. 1 и 2 как t₁÷t₂), т.е. не ранее момента времени, обозначенного на фиг. 2 как (t₁÷t₂)/2). Подача импульса высокого напряжения U₁ ранее упомянутого момента времени необоснованно увеличивает общую продолжительность экспозиции, обозначенную на фиг. 2 как τ₂, т.к., благодаря высокой проникающей способности высокоэнергетического излучения с большой долей вероятности, многократно подтвержденной экспериментально, продолжительность импульса высокого напряжения U₁ оказывается короче половины интервала экспозиции.

Импульс низкого напряжения U₂ подают, по существу, одновременно с началом второго интервала экспозиции (обозначенного на фиг. 1 и 2 как t₃÷t₄).

Под «высоким напряжением», предпочтительно, понимается напряжение в диапазоне 100-150 кВ, под «низким напряжением» - напряжение в диапазоне 50-100 кВ. В интервалы, обозначенные на фиг. 1 и 2, как t₂÷t₃ и t₄÷t₅, производится считывание сигналов, накопленных приемником рентгеновского излучения за интервалы экспозиции t₁÷t₂ и t₃÷t₄, соответственно.

Заявленная последовательность подачи импульсов существенно сокращает общую продолжительность экспозиции (с величины r₁ на фиг. 1 до величины r₂ на фиг. 2), что, в свою очередь, приводит к уменьшению влияния вероятного движения пациента во время диагностического исследования, выражающемуся, в конечном счете, в редуцировании артефактов движения на получаемых раздельных изображениях.

Далее, получив два исходных рентгеновских изображения g и f, производят их совмещение путем коррекции одного из них, например, f.

Для этого, согласно первому варианту реализации, осуществляют следующую последовательность операций:

1) производят сжатие изображений g и f в k₁ раз, в результате чего получают изображения g₁ и f₁;

2) находят вектор смещения Δr_(i,j) каждого пиксела g₁ относительно f₁ (данная операция может быть реализована любым подходящим алгоритмом, в частности, одним из алгоритмов т.н. «оптического потока», раскрытым, например, в Beauchemin S.S., Barron J.L. «The computation of optical flow», ACM Journals, ACM Computing Surveys, Vol. 27, №3, September 1995), при этом совокупность всех найденных векторов Δr_1(i,j) образует карту смещений Δr₁;

3) осуществляют формирование карты смещений Δr в масштабе исходных изображений в результате того, что интерполяцией осуществляют изменение масштаба карты смещений от Δr₁ к Δr;

4) получают последующее скорректированное изображение f, осуществляя сдвиг изображения f, согласно Δr;

5) операции 1-4 повторяют при последующих выбранных значениях k_p (из последовательности k₁, k₂,…k_P, подчиняющейся условию k_p≥k_p+1) выбор которых осуществляют предварительно (на этапе отладки заявленного алгоритма совмещения), исходя из требований к качеству раздельных изображений (более подробно с вопросом определения качества рентгеновского изображения можно ознакомиться, например, в Martin C.J. et al. «Measurement of image quality in diagnostic radiology», Appl Radiat Isot, 1999 Jan, 50 (1), pp. 21-38), получая окончательное скорректированное изображение f.

Согласно второму варианту реализации, осуществляют следующую последовательность операций.

1) производят сжатие изображений g и f в k₁ раз, в результате чего получают изображения g₁ и f₁;

2) находят вектор смещения Δr_1(i,j) каждого пиксела g₁ относительно f₁ (данная операция может быть реализована любым подходящим алгоритмом, в частности, одним из алгоритмов т.н. «оптического потока», раскрытым, например, в упомянутой выше статье Beauchemin S.S. et al.; при этом совокупность всех найденных векторов Δr_1(i,j) образует карту смещений Δr₁ и Δr;

3) осуществляют формирование карты смещений Δr в масштабе исходных изображений в результате того, что интерполяцией осуществляют изменение масштаба карты смещений от Δr₁ к Δr;

4) сдвигают изображение f, согласно Δr, в результате чего получают промежуточное изображение f;

5) производят сжатие изображений g и f' в k₂ раз (k₂<k₁), в результате чего получают изображения g₂ и f₂;

6) находят вектор смещения Δr_2(i,j) каждого пиксела g₂ относительно f₂ (данная операция может быть реализована любым подходящим алгоритмом, в частности, одним из алгоритмов т.н. «оптического потока», раскрытым, например, в упомянутой выше статье Beauchemin S.S. et al.; при этом совокупность всех найденных векторов Δr_2(i,j) образует карту смещений Δr₂;

7) осуществляют формирование карты смещений Δ(Δr) в масштабе исходных изображений в результате того, что интерполяцией осуществляют изменение масштаба карты смещений от Δr₂ к Δ(Δr);

8) уточняют карту смещений Δr путем уточнения каждого из векторов смещений Δr_i,j=Δr_i,j+Δ(Δr_i,j);

9) сдвигают изображение f, согласно Δr, в результате чего получают скорректированное изображение f;

10) повторяют операции 5-9 при последующих выбранных значениях к (из последовательности k₁, k₂, … k_P, подчиняющейся условию k_p≥k_p+1) выбор которых осуществляют предварительно (на этапе отладки описанного алгоритма совмещения), исходя из требований к качеству раздельных изображений (раскрытым, например, в упомянутой выше статье Martin C.J. et al.), получая окончательную карту смещений Δr и соответствующее изображение f, которое принимают за окончательное скорректированное изображение.

На основе полученной пары изображений, состоящей из окончательного скорректированного изображения и исходного изображения, (f и g, соответственно - согласно первому варианту реализации, f и g, соответственно - согласно второму варианту реализации), осуществляют построение раздельных изображений тканей, имеющих разные коэффициенты линейного ослабления, путем применения любого подходящего алгоритма, например, раскрытого в упомянутой выше статье Tong Xu et al.

Описанная последовательность операций позволяет компенсировать влияние остаточного эффекта вероятного движения пациента во время диагностического исследования на информативность рентгеновских изображений, что также, в конечном счете, приводит к редуцированию артефактов движения на получаемых раздельных изображениях и, как следствие, повышению информативности рентгеновских изображений.

1. Способ двухэнергетической рентгенографии, включающий в себя облучение пациента рентгеновским излучением в результате подачи на источник рентгеновского излучения двух импульсов напряжения различной величины, первый из которых подают в соответствующем первом интервале экспозиции, а второй подают по существу одновременно с началом соответствующего второго интервала экспозиции, получение двух соответствующих исходных рентгеновских изображений и построение на их основе раздельных изображений тканей, имеющих разные коэффициенты линейного ослабления, отличающийся тем, что не ранее середины первого интервала экспозиции подают импульс высокого напряжения, а по существу одновременно с началом второго интервала экспозиции подают импульс низкого напряжения, при этом перед построением раздельных изображений тканей, имеющих разные коэффициенты линейного ослабления, производят совмещение двух исходных изображений путем коррекции одного из них, для чего осуществляют последовательность сжатий исходных рентгеновских изображений в k_p раз,

где k_p - текущий коэффициент сжатия, выбираемый из:

k₁≥k₂≥…≥k_p-1≥k_p≥k_p+1…k_p, нахождений векторов смещений Δr_p(i,j) каждого пикселя с координатами i,j,

где i=1…N_p, j=1…М_р, a N_p×M_p - размер каждого из сжатых изображений, формирований из них карты смещений в масштабе исходных изображений и получений текущего скорректированного изображения путем сдвига предыдущего скорректированного изображения соответственно текущей карте смещений вплоть до получения окончательного скорректированного изображения.

2. Способ двухэнергетической рентгенографии, включающий в себя облучение пациента рентгеновским излучением в результате подачи на источник рентгеновского излучения двух импульсов напряжения различной величины, первый из которых подают в соответствующем первом интервале экспозиции, а второй подают по существу одновременно с началом соответствующего второго интервала экспозиции, получение двух соответствующих исходных рентгеновских изображений и построение на их основе раздельных изображений тканей, имеющих разные коэффициенты линейного ослабления, отличающийся тем, что не ранее середины первого интервала экспозиции подают импульс высокого напряжения, а по существу одновременно с началом второго интервала экспозиции подают импульс низкого напряжения, при этом перед построением раздельных изображений тканей, имеющих разные коэффициенты линейного ослабления, производят совмещение двух исходных изображений путем коррекции одного из них, для чего осуществляют последовательность сжатий исходных рентгеновских изображений в k_р раз,

где k_p - текущий коэффициент сжатия, выбираемый из условия

k₁≥k₂≥...≥k_p-1≥k_p≥k_p+1...k_P, нахождений векторов смещений Δr_p(i,j) каждого пикселя с координатами i, j,

где i=1...N_p, j=1...М_р, a N_p×M_p - размер каждого из сжатых изображений, формирование из них карты смещений в масштабе исходных изображений Δr с ее последовательным уточнением вплоть до получения окончательной карты смещений и получение окончательного скорректированного изображения путем сдвига исходного изображения соответственно окончательной карте смещений.