Реферат: Цифровые методы рентгенодиагностики
Аналоговаяи цифроваярентгенография
Все видымедицинскойвизуализациивключают триэтапа формированияизображения:
Образование пространственного изображения с наилучшими характеристиками.
Фиксация и воспроизведение пространственного изображения. При этом характеристики воспроизводящих устройств приходится оптимальным образом приспосабливать к клиническим требованиям.
Запись и архивация изображений. Изображение необходимо записывать в форме удобной для наблюдения, хранения и передачи на расстояния.
Эволюциярадиологиив течение двухпоследнихдесятилетийогромна, взначительноймере это связанос внедрениемкомпьютернойтомографии(КТ) и ультрасонографии(УС) в семидесятыхи магнитно-резонанснойтомографии(МРТ) в восьмидесятыхгодах. Эти новыеметодики создаютсекционныеизображения, т.е. двухмерныеотображениясрезов тканей.Однако большинствообследований, проводимыхв радиологическихотделенияхпо-прежнемубазируетсяна традиционныхпроекционныхизображениях.Используемыев проекционнойрентгеновскойвизуализациитехнологииможно разделитьна три основныегруппы:
прямые аналоговые технологии;
непрямые аналоговые технологии;
цифровые технологии.
Стандартныерентгеновскиесистемы осуществляютформированиеи отображениеинформациианалоговымпутем.
Прямыеаналоговыетехнологии
Приданной технологииокончательноерентгеновскоеизображениесоздаетсянепосредственновсреде-детекторе, т.е. без каких-либоусложняющихпромежуточныхшагов. В качествесреды можетиспользоватьсярадиографическаяпленка илифлюоресцирующийэкран. Как пленка, так и экранявляются аналоговымидетекторамирентгеновскихлучей, т.е. ихреакция напостояннуюи непрерывноувеличивающуюсядозу излучениятакже постояннаи непрерывна, в противоположностьпошаговой, дискретнойреакции. Рентгеновскаяпленка реагируетпотемнением, флюоресцентныйэкран – испусканиемвидимого света(флюоресценция).
Существуетдва основныхнаправленияпрямой аналоговойтехнологии: а)прямая рентгенографияи б) прямаяфлюороскопия.
ПрямаярентгенографияФотографическаяэмульсия пленкисодержит мельчайшиекристаллыбромида серебра, каждое зерноимеет диаметрпорядка 1мкм.Полноразмернаярентгенографияобеспечиваетполучениестатическихизображенийс наивысшимиз всех возможныхметодик пространственнымразрешением(среднее линейноеразрешениесоставляетпримерно1мкм=0,001мм).
Комбинацииусиливающийэкран-пленкасоответствуетхарактеристическаякривая, показывающаязависимостьпотемнения(плотности), фотографическойэмульсии отэкспозиции(рис.2).
Прирадиографииизучаемыеструктурыдолжны находитьсяв средней, линейнойчасти кривой.Здесь эффектусиленияконтрастностипленкой достигаетмаксимума.Наклон линейнойчасти кривойназываетсягаммой, и комбинацииэкран-пленкас большимизначениямигаммы даютвысококонтрастныеизображения.Такие параметрыкак чувствительность, пространственноеразрешениеи шум в значительноймере определяютсяусиливающимиэкранами.
Прямаярентгеноскопия
Традиционнаярентгеноскопия(или просвечивание)использоваласьдля изучениядинамическихпроцессов досередины шестидесятыхгодов. С техпор традиционнуюрентгеноскопиюсменила непрямаярентгеноскопия, использующаяусилителиизображенияи телевизионнуютехнику.
2
Непрямыеаналоговыетехнологии
В современнойрентгеноскопиипервичнаяпроекция изображениясоздается нафлюоресцентномэкране, в целомтакже, как этоделается припрямых технологиях.Однако изображениена экране ненаблюдаетсянепосредственно.Экран – эточасть усилителярентгеновскихизображений(УРИ), увеличивающегояркость (свечение)первичногоизображенияпримерно в 5000 раз. В составУРИ входитрентгеновскийэлектронно-оптическийпреобразователь(РЭОП) и замкнутаятелевизионнаясистема (рис.8-1).РЭОП состоитиз вакуумнойколбы с люминисцентнымэкраном накождом из ееконцов, фотокатодаи электронно-оптическойсистемы.
Поступающеес преобразователяуменьшенноеи усиленноеизображениечерез системузеркал и линзможно записатьмалоформатнойкамерой (форматпленки 70, 100 или105 мм) или кинокамерой(формат пленки16 или 35 мм (см.рис.8-1)).Запись малоформатнойкамерой такженазывают выборочнойсъемкой, илифлюорографией, а выборочныйфильм – флюорограммой.При флюорографииполучаемаяпациентом дозасоставляетпримерно 1/10 дозыпри полноразмернойрадиографии, однако качествоизображения(особеннопространственноеразрешение)заметно ниже.Кинофлюорографиясоздает похожиена кино изображенияс частотой, например, 50 кадровв секунду.Кинофлюорографияс 35-мм пленкойв ангио- и кардиологическихисследованияхеще применяется(хотя цифровыетехнологии постепеннозамещают аналоговые).
С помощьюуказаннойоптическойсистемы изображениеможет бытьзаписанотелевизионнойкамерой и показанона мониторе.Изображениебудет иметьлучшее качествов случае непосредственнойоптическойсвязи выходногоэкрана усилителяи телекамерыс помощью волоконнойоптики. Конкретныйвыбор телекамеры(видикон, плюмбикон, кремникон)зависит от ееназначения.
Возникающийв телекамереэлектрическийвидеосигналпоступает наэкран видеоконтрольногоустройства, монитор. Флюоресценцияили рентгеноскопияс помощью РЭОПапозволяетнаблюдать наэкране монитораизображениев реальноммасштабе времени, в том числе идвигательныефункции организма, при меньшейлучевой нагрузкена пациента.Изображение, регистрируемоетелекамерой, может хранитьсяна магнитнойпленке видеомагнитофона.
Цифровыетехнологии
Всецифровые технологиии методики наначальном этапеявляются аналоговыми.Интенсивностьсвета на флюоресцентномэкране, электрическийток, индуцируемыйрентгеновскимилучами в КТ-детектореили эхосигналомв ультразвуковомдатчике, или магнетизмомв приемнойМР-катушке –все это аналоговая, непрерывнаяреакция. Трипоследнихметодики –компьютернаятомография(КТ), ультрасонография(УС) и магнитно-резонанснаятомография(МРТ) считаютсяцифровымитехнологиями, поскольку вних аналоговаяответная реакция(электрическийток) преобразуетсяв цифровуюформу.
«Настоящее»цифровое изображениепредставленов виде цифровойматрицы, т.е. в виде числовыхстрок и колонок.Числа могутотражать силуэхосигналапри ультразвуковомисследовании, ослаблениерентгеновскихлучей при КТ, магнитныесвойства тканейпри МРТ илиинтенсивностьиспускаемогофлюоресцентнымэкраном светапри цифровойпроекционнойрентгеновскойвизуализации.Для показаизображенийцифровая матрицатрансформируетсяв матрицу видимыхэлементовизображения– пикселов– где каждомупикселу, всоответствиисо значениемцифровой матрицы, присваиваетсяодин из оттенковсерой шкалы.
Названныесистемы называютсяцифровыми илидигитальными, поскольку вних информацияо параметрахвыражаетсяв цифровойдвоичной системе.
Цифровыетехнологиимогут применятьсяи для проекционныхрентгеновскихметодик, поэтомутермин «цифроваярентгенография»обычно используетсялишь в этомузком смысле.
ЦифровыерентгенографическиесистемыСтандартныерентгеновскиесистемы осуществляютформированиеи отображениеинформациианалоговымпутем. Аналоговыесистемы зачастуюимеют оченьжесткие ограниченияна экспозициюиз-зи малогодинамическогодиапазона, атакже скромные
3
возможностипо обработкеизображений.В отличие отаналоговыхцифровыерентгенографическиесистемы позволяютполучать изображенияпри любом необходимом
уровне дозы, причем этиизображенияможно обрабатыватьи отображатьсамыми различнымиспособами.Такие системыявляются болеедорогостоящими, нежели обычныерентгеновскиесистемы, однакопо мере развитиякомпьютернойтехники и системвизуализациинаходят всеболее широкоеприменение.
Цифроваярентгенодиагностикаобеспечиваетсякомпьютернойтехнологией.
Дисплей
Блок долговременной памяти
Устройство документирования
Компьютер + память изображения
Интерфейс данных
Приемник изображения
/>/>/>/>/>/>/>/>/>/>/>
/>
Пациент
/>
Рентгеновский аппарат
Рис2.37 Составныеэлементы цифровойсистемы получениярентгеновскихизображений
На рис.2.37 приведенаблок-схематипичнойрентгенографическойсистемы. Рентгеновскаятрубка и приемниксопряжены скомпьютероми управляютсяим; а получаемоеизображениезапоминается, обрабатывается(в цифровойформе) и отображаетсяна телеэкране, составляющемчасть пультауправления(или устройствавывода данных)операторарентгенолога.Аналогичныепульты управленияприменяютсяи в других цифровыхсистемах полученияизображения– компьютернойтомографии, магнитно-резонанснойтомографии.
Формированиецифровогорентгеновскогоизображенияимеет ряд достоинств.Цифровое изображениеможно записатьна магнитномносителе, оптическомдиске или жевывести изображениена пленку ваналоговойформе с помощьюлазерногопринтера, т.е.перевестиизображениена твердуюкопию.
Вцифровойрентгенологиимогут найтиприменениедва классаприемниковизображения: приемники снепосредственнымформированиемизображенияи приемникис частичнойрегистрациейизображения, в которых полноеизображениеформируетсяпутем
4
сканированиялибо рентгеновскимпучком либоприемным устройством(сканирующаяпроекционнаярентгенография).
К приемникамс непосредственнымформированиемцифровогоизображенияотносят: 1) усилительрентгеновскогоизображенияс аналого-цифровымпреобразователем;2) устройствос вынужденнойлюминисценцией( рентгенографияна запоминающихлюминофорах).Эти приемникимогут непосредственноформироватьцифровое изображениебез промежуточнойрегистрациии хранения.
УстройствоУРИ + АЦП(цифроваяфлюороскопияи флюорография)
В системеаналоговойвидеофлюороскопиителевизионнаякамера образуетнепрерывноменяющийсяпо направлениюэлектросигнал, который и модулируетяркость свеченияэкрана телевизионногомонитора.
Цифровыефлюороскопическиесистемы превращаютв аналого-цифровомпреобразователеаналоговыйвидеосигналв цифровой, который формируетцифровую матрицупокадровыхизображений, пропорциональнояркостнымхарактеристикамвидимого аналоговогоизображения.
Нарис. 8-1 показанаразница междуаналоговыми цифровымсигналом, атакже сформированныеими флюороскопическиеизображения.Цифровое изображениеможно вывестина телевизионныйэкран (цифроваяфлюороскопия)или сфотографироватьмалоформатнойкамерой (цифроваяфлюорография).Разновидностьэтой технологиииспользуетсяв ангиографиидля вычитанияизображений.Эту технологиюназывают «цифровой»(дигитальной)субтракционнойангиографией(ДСА).
Помимоприемников, непосредственнопередающихизображениена внешнееустройствоотображения, используютсяи приемники, непосредственнозапоминающиеизображение.
Дигитальная(цифровая, компьютерная)рентгенография
назапоминающихлюминофорах
Дигитальнаярентгенография(ДР) основанана фиксациипространственногорентгеновскогоизображениязапоминающимилюминофорами.Люминофор свынужденнойлюминисценциейразработанкомпанией FujiPhoto Film.
Приемникизображенияпредставляетсобой гибкуюпластину, покрытуюлюминофоромс вынужденнойлюминисценцией, способнойхранить поглощеннуюэнергию падающегорентгеновскогоизлучения вквазиустойчивомсостоянии, атакже излучатьэту энергиюв виде фотоновпри облучениисветом видимогоили ИК-диапазона.Люминофордолжен иметьвысокий коэффициентпоглощениярентгеновскогоизлучения, атакже большуюсветовую отдачуна единицупоглощеннойэнергии. Длябыстрого считыванияизображенияпостояннаявремени люминофорадолжна бытьменее 10мкс. Хорошоудовлетворяетэтим требованиямфторид бария, активированныйевропием, которыйявляется основойдля выпускаемыхпромышленностьюприемниковс вынужденнойлюминисценцией.
Экран(пластина), покрытыйзапоминающимлюминофором, внешне похожна обычныйусиливающийэкран. Скрытоеизображениена таком экранеспособно сохраняться, в зависимостиот вида люминофора, от несколькихминут до несколькихдней, преждечем качествоего упадет нижеприемлемогоуровня. Этоскрытое изображениеможет бытьсчитано с экранасканирующейсистемой ивоспроизведеноэлектронно-лучевойтрубкой.
Считываниескрытого изображенияпроизводитсяинфракраснымлазером, которыйстимулируетлюминофор ион отдает накопленнуюим энергию ввиде видимогосвета (рис. 8-3).Этот феноменназываетсяфотостимулированнойлюминисценцией.Она, как и свечениеобычных усиливающихэкранов, пропорциональначислу рентгеновскихфотонов, поглощенныхзапоминающимлюминофором.
В процессесчитываниявысвобождаетсяне вся накопленнаяэкраном энергия.Чтобы полностьюочиститьлюминисцентныйэкран от скрытогоизображенияон подвергаетсяв процессорекратковременномуинтенсивномуоблучениювидимым светом, после чегоэкран можноиспользоватьповторно.
5
Процесссчитыванияизображенияосуществляетсясканирующимлазером, световойпоток которогосканируетповерхностьэкрана в растровойпоследовательности, подобно электронномупучку телевизионногокинескопа.Лазерный пучокимеет размерпятна приблизительно0,1 мм, поэтомуразрешениев изображениидостигает 5-10элементов/мм.Возбуждаемыйв люминофорелазером светиз каждой точкиэкрана фокусируетсяи трансформируетсяв электрическийсигнал с помощьюспециальнойоптическойсистемы ифотоумножителя.Перед фотоумножителемраполагаетсяфильтр, ослабляющийстимулированныйсвет, так какего интенсивностьна несколькопорядков вышечем у света, эммитируемогообычным усиливающимэкраном.
Фотоумножитель, обладающийшироким динамическимдиапазоном, конвертируетварьирующийсяпо интенсивностисветовой потокс экрана визменяющийсяэлектрическийсигнал, которыйусиливается, измеряетсяи проходитчерез аналого-цифровойпреобразователь, чтобы сформироватьбинарную (цифровую)матрицу, отражающуюяркостныепоказателикаждого пиксела.12-битная системапредставляетэти показателив диапазонеот 0 до 4095 (2№І = 4096).
Сигнал, переведенныйв цифровуюформу, передаетсяв процессор(буфер) изображения.Таблицы перекодировкипроцессораобеспечиваютпреобразованиесодержимогопамяти изображенияв требуемыйдиапазон яркостии контраста.
Это устройствовыполняет двефункции. Во-первых, оно вычисляетсредний уровеньзатемненностиизображенияи суммарныйдиапазон междусветлой и темнойчастями изображения.Во-вторых, оноиспользуетэту информациюдля расчетапередаваемогона лазерныйпринтер оптимальногоизображения, которое последнийи воспроизводитна прозрачнойпленке.
Сравнениерентгенографиина запоминающихлюминофорах
срентгенографиейна усиливающихэкранах и системойУРИ+ТК
Обеимсистемам дляполучениякачественногоснимка нужнапримерно однаи та же экспозиция(доза). Основноеразличие междудвумя методамисвязано с ихразличнойэкспозиционнойширотой, котораяу запоминающихдюминофоровчрезвычайновелика, и примернов 10 000 раз больше, чем у комплексов«экран-пленка».В результатезапоминающиелюминофорыспособны отражатьболее широкийдиапазон фотонныхплотностей.
Системазапоминающихлюминофоровформируетцифровое изображение, которое можетбыть визуализированона экранеэлектронно-лучевойтрубки илиобработанокомпьютером.К преимуществамтаких цифровыхизображенийотноситсявозможностьих компьютернойпереработки(субтракцияи краевое усиление)и управлениеими.
Характеристикиприемниковс непосредственнымформированиемцифровогоизображения(УРИ с телекамеройи запоминающимилюминофорами)анализировалисьвыше, поэтомуцелесообразноотметить лишьосновные различиямежду ними. УРИне обладаютнаилучшимпространственнымразрешениемили контрастом, однако имеютвысокое быстродействие.Аналого-цифровоепреобразованиефлюорограммыс числом пикселов512512 можетзанимать времяменее 0,03 с. Дажепри числе пикселов20482048 визображениивремя преобразованияизображенияв цифровуюформу составляетвсего несколькосекунд.
Времясчитыванияизображенияс пластины свынужденнойлюминисценциейзначительнобольше, хотяпоследняявыгодно отличаетсялучшим разрешениеми динамическимдиапазоном.
Лазерныепринтеры
Несмотряна все преимуществапередачи электронныхизображенийна расстояние, сохраняетсяпотребностьв переводе ихна твердыекопии. Для ихформированияна пленкеиспользуютсялазерные принтеры(рис.8-6). Галоидосеребряныепленки могутбыть сенсибилизированык свету лазера, аналогичнокак к синемуили зеленомусвечению усиливающихэкранов. Большинстволазерных пленокдолжны обрабатыватьсяв полной темноте.
Лазерныепринтеры можноподсоединятьк различногорода системамполученияцифровых медицинскихизображений.Данные от каждогоинтерфейсанакапливаютсяв
6
памятипринтера, азатем в формепиксел отражаютсяна пленке различнымиградациямисерого. 8-битныепринтеры обеспечиваютэкспозиционнуюмодуляциюдостаточнуюдля передачи256 градаций серого, а 12-битные – 4096градаций. Такойдиапазон оттенковсерого позволяетсоздаватьточные… изображениябез всякихартефактоввоспроизведения.Во всех дазерныхпринтерахиспользуетсяметод интерполяции, увеличивающийчисло пиксели позволяющийувеличиватьразмер изображения.Обычно используютсядва вида интерполяции: сглаживающаяи резкая. К первомувиду относитсятак называемыйкубическийсплайн, а ковторому – репликация.
Лазерныепринтеры резкоувеличилиэффективностьотделенийлучевой диагностики.Благодарянепосредственномусоединениюлазерногопринтера спроявочнымавтоматом, рентгенолаборантубольше не нужнопокидать пациента, чтобы проявитьпленку. Твердыекопии цифровыхизображенийраспечатываютсяв условияхобычной освещенностименее чем задве минуты.
При подключенииодного илинесколькихлазерных принтеровчерез интерфейсык несколькимисточникамцифровых изображенийзначительноповышаетсяпроизводительность, гибкость системыи возможностьразмножениятвердых копий(рис.8-7, и 8-8).
Линейнаясканирующаясистема ствердотельнымприемником
--PAGE_BREAK--
Системыполученияизображениясо сканированиемрентгеновскимпучком и приемникомимеют важноепреимущество, состоящее втом, что в нихисключительнохорошо подавляетсярассеяние. Вэтих системаходин… располагаетсяперед пациентомс целью ограниченияпервичногорентгеновскогопучка до размеров, необходимыхдля работыприемника, адругой за пациентом, чтобы уменьшитьрассеяние. Нарис. 2.38 изображеналинейнаясканирующаясистема дляполученияцифровогоизображениягрудной клетки.Приемникомв системе являетсяполоска полупроводника(например, изоксида гадолиния), считываниеинформациис которой ведетсялинейной матрицейиз 1024 фотодиодов.Проекционныерентгенограммысинтезируютсясходным образом, также сканерамиКТ и выполняютвспомогательнуюроль при выделениисоответствующегосечения.
Главнымнедостаткомсканирующейсистемы являетсято, что большаячасть полезнойвыходной мощностирентгеновскойтрубки теряетсяи что необходимыбольшие временаэкспозиции.Время экспозициисоставляетоколо 10 с, чтоуменьшает срокслужбы рентгеновскойтрубки и создаетсложности привизуализациидвижущихсяорганов. Следуетзаметить, что, несмотря набольшое общеевремя экспозиции, время облучениякаждого элементаизображениявесьма мало, так что потерикачества изображенияза счет движенияздесь не стольсущественныпо сравнениюс традиционнойрентгенографиейпри том же времениэкспозиции.
Вообщеговоря, цифроваярентгенографическаясистема будетиметь разрешениениже, чем система«экран-пленка», однако приусловии согласованияразмеров матрицыизображенияи приемникав зависимостиот областимедицинскогопримененияуказанноеобстоятельствоне будет существенным.Матрицы изображения512512 элементовможет бытьвполне достаточнодля целей цифровойфлюороскопии, тогда как системарентгеноскопиигрудной клеткиможет потребоватьматрицы с числомэлементов10241024 приразмерах элементаизображенияоколо 0,4 мм [400мм:1024].Для маммографическихобследованийнеобходимаматрица из20482048 элементовс размеромэлемента 0,1 мм[200мм:2048].
Числоградаций визображениибудет такжезависеть отмедицинскогоназначения.Аналого-цифровогопреобразователяна 8 бит (2 =256 уровнейсерой шкалы), обеспечивающеготочность 0,4%, вполнедостаточнодля регистрациизашумленныхизображенийили большихмассивов (меньшейступени градациияркости соответствуетбольший уровеньшума). Однакодля ряда приложенийможет понадобитьсяи 10-битовый АЦП(2№є =1024 уровнейсерой шкалы, точность 0,1%).Человеческийглаз при хорошемосвещении можетобнаружитьразличия вконтрастностиоколо 2%.
7
Линейнаясканирующаясистема сгазонаполненнымдетектором
( многопроволочнаяпропорциональнаякамера – МППК)
В системеполучениярентгеновскогоизображенияобычно используюттвердотельныеприемники, позволяющиедостичь высокогокоэффициентапоглощениярентгеновскогоизлучения. Прииспользованиикамер, наполненныхгазом, высокойэффективностидостигают путемподбора газас высоким порядковымномером, с высокимдавлением иработой в режимепропорциональногосчета. Инертныегазы ксенони криптон имеютбольший выходионов, но фреонпри достаточномвыходе значительнодешевле.
Детекторсостоит изобласти дрейфаи области регистрациии помещен вкапсулу высокогодавления стонким входнымокном.Проникающиечерез окнокванты взаимодействуютс атомами газа(90% ксенона Xe и 10% метана придавлении 3-5 атм.), а возникающиепри ионизациизаряженныечастицы дрейфуютв область регистрациипод действиемэлектрическогополя напряженностью1кВ·см−№.В областирегистрациинахлдятся трипараллельныхслоя из проволочек, причем два нанаружных (катода)находятся поднулевым потенциалом, а средний(внутренний)слой находитсяпод высокимположительнымпотенциалом(анод). Лавиназаряженныхчастиц регистрируетсяслоями проволочек, причем обапроволочныхкатода с ориентированнымиперпендикулярнодруг другурядами проволочекобеспечиваютпространственнуюлокализациюточки регистрации.
Пространственноеразрешениесоставляетдо 0,5 мм.
Полупроводниковыематричныедетекторырентгеновскогоизлучения
Детекторына основе кремниевыхи германиевыхполупроводниковхарактеризуютсявысоким разрешениемпо энергии. Дляобразованияв них электрон-дырочнойпары необходимаэнергия, равнаявсего лишьнесколькимэлектрон-вольтам; при полномнасыщенииполупроводникначинаетфункционироватьнаподобиетвердотельнойионизационнойкамеры и имеетвесьма высокуюэффективностьпри детектированиикаждой электрон-дырочнойпары. При этомв высокочистомгермании (притемпературежидкого азота)и в кремнии(при комнатнойтемпературе)можно добитьсяразрешенияпо энергииприблизительно600 эВ несколькокилоэлектронвольтсоответственно.
Последниеразработкипозволилисоздатькоординатно-чувствительныекремниевыедетекторы спространственнымразрешением2,5 лн/мм [разрешение0,2 мм].
Четкостьна практикеопределяетсяпространственнымразрешением, которое сообщаетсколько деталейили линий (л/мм)можно различить; например в 1мм(единица измерениялп/мм). Обычноиспользуютследующиевеличины:
20 лп/мм(пленка);
10 лп/мм(нормальнаякомбинацияэкран-пленка);
1-2 лп/мм(УРИ-ТВ, магнитнаякамера);
1 лп/мм ( КТили УЗ устройство);
0,5 лп/мм(гамма-камера).
Получениецифровых изображений
Формированиецифровогоизображенияосуществляетсяоцифровкойанализируемогопараметра(интенсивностисвечения экрана, величины токадетектора ит.п.) в процессерегистрации.Реже оцифровкапроизводитсяс уже записанныхв аналоговойформе изображений, т.е. с твердыхкопий изображенияобъекта, напримерс рентгенограмм.В первом случаеговорят обинтерактивной(взаимодействующей)обработкеинформации, во втором – об… (отделеннойот тверди).Несомненно, интерактивныйспособ предпочтителен, т.к. любое предшествующееформированиеизображениеведет к утратечасти первоначальнойинформациивследствиенесовершенстваприемногоустройства( в нашем примеремалой динамическойшироты рентгеновскойпленки).
Посколькусам принципрастровогохарактераизображенияв первом и второмслучае идентичен, то рассмотримдля наглядностипроцесс оцифровкианалоговогоизображения– рентгенограммы(рис.1АД). Еслиуровень затемненностивдоль проходящейпоперек аналоговогоизображениялинии измерятьденситометром, как на рис.1А, то результатом
8
будеткривая линия.Если полученнуюкривую разделитьна равные части, для каждойчасти можнорассчитатьсреднюю плотностьи поставитьсоответствующеечисловое значение.Средние плотностипоказаны нарис. 1В, а соответствующиечисловые значения– на рис. 1С. Послетого как всяповерхностьрентгенограммыбудет разбитана линии и измеренаденситометром, аналоговоеизображениеможно преобразоватьв так называемоецифровое(дигитальное)изображение(рис. 2С), представляющеесобой матрицу(двухмернуюкарту) цифровыхвеличин.
Расстояниемежду линиямии размер формирующихкаждую линиюравных частейопределяютразрешениецифровогоизображения.Четырехугольникс высотой, равнойрасстояниюмежду двумялиниями, и шириной, равной одномушагу вдольлинии, называютэлементомизображения,или пикселом(сокращениеот pictureelement).Каждый пикселимеет в матрицесвои пространственныекоординаты(ряд и колонку), аналогичныерасположенномув теле пациентасоответствующегоему элементарномуобъему, которыйназываетсявоксел(volumeelement).Таким образом, пациент состоитиз вокселов, а цифровоеизображение– из пикселов.
Цифровоеизображениепо своей природеадаптированок компьютернойтехнике. В нейинформацияо параметрахвыражаетсяв цифровой, двоичной, бинарной(от лат. binarius– двойной) системе.Бинарную единицуназывают бит(bit[bit]кусочек). Битимеет толькодва значения– ноль и единица, что отражаетналичие электрическогосигнала в системетолько в двухсостояниях:«есть-нет» илидвух состоянияхнапряжения:«высокое-низкое».
Всяинформацияв двоичнойцифровой системекодируетсякомбинациейнулей и единиц.При переводецифр десятичнойсистемы счисления, которой мыпользуемсяв двоичнуюсистему, котораяприменяетсяв ЭВМ, т.е. в систему, в которой каждоечисло выражаетсяпри помощи лишьдвух цифр 0 и1, потребуетсябольшое количестворазрядов (цифромест).Так на рис. 1Дпредставлено16 уровней затемненности.В двоичнойцифровой системеэто может бытьпередано четырьмябитами, четырьмязнакоместами, комбинациейчетырех знаковиз нулей и единиц, т.е. основаниемдва в четвертойстепени (2 =2·2·2·2=16).
Восемьбит (двоичныхединиц) используетсякак единицаколичестваинформациии носит названиебайт (от англ.byte[bait]кусок). В большинствеслучаев байтформирует одинсимвол (букву, цифру, специальныйсимвол, включаявсе знаки клавиатурыс которой вводитсяинформацияоператором).Применительнок рассматриваемойзадаче – передачауровней затемненности,8-битный пиксел(байтная системаформированияпиксела) передает2 =256 вариантовоттенков, т.е.уровней серойшкалы в диапазонемежду черными белым.
Аналого-цифровоепреобразованиеИнформацияоб изображении, передаваемаяэлектроннымиили оптическимисредствамив пределахрадиологическойустановки, радиологическогоотделения илимежду различнымиотделами, посылаетсяв аналоговойформе посредствомэлектрическоготока или оптическогосигнала различнойинтенсивности, подобно изображенномуна рис. 1А. Изображениеможет такжепередаватьсяв виде показанныхна рис. 1Д цифровыхсигналов.
Посколькуцифровые сигналыимеют бинарныйхарактер, т.е.состоят изотдельныхэнергетическихсостояний, ихназывают пошаговыми, прерывными(дискретными)в отличии отпостоянноизменяющихся, аналоговых, непрерывных.
Преобразованиесигналов вцифровую формупроисходитв аналого-цифровомпреобразователе(АЦП). Чтобыпредставитьпередаваемуюцифровую информациюна мониторе, т.е. преобразоватьцифровой сигналв аналоговый, необходимцифро-аналоговыйпреобразователь(ЦАП).
Такимобразом, в АЦПпроисходиткодированиеаналоговогосигнала изображенияв череду цифрдля созданияцифровогообраза изображения.ЦАП осуществляетдекодирование, превращениецифровогообраза в аналоговый, видимое надисплее илина твердойкопии – отпечатке.
Всемедицинскиеизображенияв лучевой диагностикемогут существоватьв двух вариантах:1) в нефиксированномвиде – на экранедисплея, намагнитныхносителях(лентах, жесткихдисках, оптическихдисках, компакт-дисках, дискетах); 2) ввиде твердыхкопий – отпечатковна бумаге, термобумаге, фотобумаге, поляроиднойфотобумаге, а также
9
рентгеновскойпленке. Нарентгеновскуюпленку электронныеизображениязаписываютсяс помощью лазерныхпечатающихустройств(принтеров).
Пространственноеи плотностноеразрешениеНаиболееважным аспектомкачества изображенияявляется разрешениеилиразрешающаяспособность.Часто используетсятакой показатель, как число парлиний на миллиметр, которое можетразличить глазпри определенныхусловиях. Однакоэто определениедействительнотолько дляаналоговыхизображенийлн/мм. На цифровыхизображенияхневозможноразличитьдетали меньшеодного пиксела.Такой тип разрешенияназываютпространственнымразрешением(сравните рис.2а, 2в, рис. 8-2).
Изображениеобычно формируетсяиз числа пикселов, пропорциональногодвум. В методахлучевой диагностикииспользуютсяматрицы на3232,6464,128128,256256,512512,10241024или 20482048пикселов. Реальновозможноеразрешениелимитируетсяразрешающейспособностьюприемника иразрешающейспособностьюсистемы отображения.
Разрешениепо контрастностив цифровыхизображенияхзависит отчисла возможныхградаций серогов диапазонеот черного добелого; зачастуюоно лучше, чему аналоговыхизображений.
Системавизуализации(отображения)
Матричныеизображенияформируютсяна растровомдисплее, аналогичнотому, как этопроисходитв телевизионныхприемниках, т.е. путем сканированияэлектроннымлучем по строкам30 раз в 1с. Такимобразом создаетсярежим восприятияизображенияв реальномвремени.
Длясоздания матричногоизображенияприменяетсяспециальныйдисплейныйпроцессор, который черезсистему связи(интерфейс)подключен косновной ЭВМ.Память дисплейногопроцессораорганизованав виде матрицы, каждому изэлементовкоторой соответствуетсвой определенныйучасток экранадисплея. Подобнаяэлементарнаяединица матричногоизображения, которой соответствуетадресуемыйучасток памятиипредставляетпиксел – элементкартины.
Такимобразом, всяплощадь растровогоэкрана дисплеяпредставляетсобой матрицу– совокупностьпикселов. Влучевой диагностикеэкранная площадьдисплея можетформироватьсяв виде матрицыот 3232до 10241280соответственнопространственнойразрешающейспособностисистемы отображения.
Каждыйпиксел изображенияформируетсяв памяти дисплейногопроцессораразличнымчислом бит –от 2 до 16. Чем большимколичествомбит информациипредставленкаждый пикселизображения, тем богачеизображениепо своим зрительскимсвойствам итем больше оносодержит информацииоб исследуемомобъекте. Так,6-битный пиксел, используемыйчаще всего вультразвуковойдиагностике, содержит 2 =64оттенка серогоцвета (от черногодо белого).
Врадионуклиднойдиагностикеиспользуетсяпреимущественно8-битный пиксел(байтная системаформированияпиксела), в нем2 =256 вариантовоценок, т.е. уровнейсерой шкалы.Нетрудно подсчитать, что матричноеизображение128128пиксел требует16384 байт памятиили более 16килобайт, чтоэквивалентнообъему памятидля записи 8страниц текста.
Болеесовершенныесистемы радионуклиднойдиагностикиимею изображение512512пиксел. Дляформированиятаких образовнужно соответственнопри 8-битномпикселе около256 Кбайт памятикомпьютера.Увеличениеобъема адресуемойпамяти неизбежноприводит кснижению скоростиобмена информацией, что сопровождаетсяувеличениемвремени, необходимогодля построениякаждого кадраизображения.Поэтому мелкиерастры (512512,10241024)применяютпреимущественнодля получениястатическихизображенийс высокимпространственнымразрешением, т.е. в диагностикеочаговых измененийв органах, тогдакак крупныерастры (128128,256256)используютглавным образомдля динамическихисследований.
Цветныедисплеи, применяемыев радионуклиднойдиагностикеи термографии, требуют длясвоей работыпамять компьютерав три раза большую, чем черно-белые, по количествуосновных цветов– красный, синий, зеленый. Понятно, что для реализациитакой задачинужны мощныекомпьютерыс хорошо организованнымпрограммнымобеспечением.
10
Вкомпьютернойтомографиииспользуют2-байтные пикселы, которые содержат 2 =65 576 оттенковсерого. Приразмере матрицы512512на получениеодной компьютернойтомограммызатрачиваетсяоколо 412 Кбайтпамяти компьютера.Приблизительнотакой же объемпамяти необходимдля полученияодной МР-томограммы.
Вдигитальныхспособахрентгеноскопиии рентгенографииприменяетсямелкий растр, матрица 10241024.Изображениес таким пространственнымразрешениеми байтным разрешениемпо контрастности, т.е. изображениеиз миллионавосьмибитныхпикселов практическинемногим отличимоот обычногополутоновогоаналоговогоизображения.Для получениятакого дигитальногорентгеновскогоизображенияпри байтномразрешениипо плотностинужно свыше1-го мегабайткомпьютернойпамяти. Ещебольший объемпамяти (свыше2 Мбайт) необходимдля построенияодного кадрав дигитальнойсубтракционнойангиографии– компьютеризированномконтрастномрентгенологическомисследованиисосудов.
Еслиопределитьпространственноеразрешениеобычной полноформатнойрентгеновскойпленки, то егоможно сравнитьс цифровымизображениемс разрешением40964096пикселов. Такоепространственноеразрешениеиспользуетсяпри маммографии.В этом случаеразмер пикселасоставляетпримерно 0,050,05мм. Такое пространственноеразрешениепри наличиидисплея ссоответствующейхарактеристикойнесомненноотвечает нынедействующимтребованиям, предъявляемымк разрешению10 пар линий/мм, которое можетбыть достигнутос существующимиматериалами.
Областипримененияи преимуществацифровых систем.
Сферапримененияцифровойрентгенографиив последующембудет расширяться, она постепеннобудет замещатьобычную рентгенографию.Это определяетсярядом особенностейи преимуществдигитальнойрадиологии:
Дигитальная рентгенография не требует дорогостоящей рентгеновской пленки и фотопроцесса. Она отличается быстродействием.
Возможность снижения лучевой нагрузки на пациента. Если в обычной рентгенологии доза облучения зависит от чувсвительности приемника изображения и динамического диапазона пленки, то в цифровой рентгенографии оба эти показателя могут оказаться несущественными. Снижения дозы можно достичь установкой экспозиции, при которой поддерживается требуемый уровень шума в изображении. Так при цифровой флюороскопии детальное изучение морфологических признаков возможно на стоп-кадре, а функциональных – на кинофлюорограммах в процессе самого исследования. Так, например, созданное фирмой «Сименс» устройство «Политрон» с матрицей 10241024 позволяет добиться отношения «сигнал-шум», равного 6000:1. Это обеспечивает выполнение не только рентгенографии, но и рентгеноскопии с высоким качеством изображения.
продолжение
--PAGE_BREAK--
Увеличение информационного содержания материала. По пространственному разрешению цифровое изображение хуже обычного аналогового рентгеновского изображения. Это компенсируется природой цифровой технологии и заложенным в ней потенциалом.
В настоящее время изучаются методы интерактивной интерпретации и автоматического анализа изображений. Цель – увеличение точности диагностики (рис.5).
Улучшение разрешения по контрастности с помощью варьирования шкалы контрастности на мониторе. При цифровой рентгенографии для соотношения
11
цифровогозначения каждогопиксела с темили иным оттенкомсерого в воспроизводимомизображениииспользуютсяспециальныетаблицы воспроизведения(рис. 8-5). Таблицапереводитцифровые значениясерой шкалыв показателиплотности илияркость свеченияэлектронно-лучевойтрубки илилазерногопринтера. Этоулучшает просмотризображенияна монитореили распечаткуего на выходномустройстве(лазерномпринтере). Изменениеширины «окна»меняет контрастностьокончательногоизображения, а изменениеуровня «окна»- его яркость. Рассмотримиспользованиеуровня (яркости)и ширины «окна»(контрастности)в процессеоценки на монитореКТ- или МР-изображений(рис. 4 A-F).
Наиболее важным применением цифровой обработки является, по-видимому, субтракционный метод визуализации ( вычитание изображений). Рентгенолог может не заметить мелких деталей в изображении, которые система отображает, или пропустить слабоконтрастную структуру, видимую на фоне шумов изображения, из-за сложного строения окружающих (или сверхлежащих) тканей. Субтракционный метод в рентгенографии позволяет устранить большую часть паразитарной фоновой структуры и тем самым увеличить вероятность выявления важных деталей на рентгенограмме. Метод цифровой (дигитальной) субтракционной ангиографии (ЦСА) успешно используется для визуализации кровеносных сосудов после внутривенного или внутриартериального введения рентгеноконтрастного вещества. Изображение представляющей интерес области получают до введения контрастного вещества и используют как маску для вычитания из изображений, показывающих прохождение контрастного вещества по кровеносным сосудам. То есть снимок до инъекции фотографически конвертируется таким образом, что черное становится белым и наоборот, а затем совмещается со снимком после инъекции, в результате чего наблюдается только сосудистая система. Безусловно, данную процедуру быстрее и проще осуществлять электронным путем, используя компьютер. Целые последовательности кинокадров фона могут вычитаться из движущихся, заполненных контрастным веществом структур, таких как коронарные артерии бьющегося сердца. Зачастую вычитание осуществляется в масштабе реального времени, в процессе записи инъекции контрастного вещества. Преимущество компьютеризации в том, что при легком смещении изображений до и после инъекции, вследствие движения, можно автоматически находить оптимальную для вычитания ориентацию этих изображений. Компьютерную томографию можно рассматривать как частный случай метода субтракционной рентгенографии, в котором из обычных проекционных изображений устраняется информация о вышележащих структурах. Другим примером субтракционного метода является двухэнергетическая рентгеногрфия, в которой два изображения получают на различных длинах волн рентгеновского излучения. Затем можно получить раздельные изображения мягких тканей и костей.
Манипуляции с изображением:
а)инверсия изображения;
б)увеличениеизображенияили отдельногофрагмента;
в)усиление контуров;
г)выравниваниеконтрастности;
д)радиологическиеизмерения: расстояния, углов, площадей.
Возможностиосуществленияматематическихопераций сцифровымиизображениямив большей илименьшей степенинеограниченны.Выравниваниеконтрастностиобъясняетсянеобходимостьюоценки в равнойстепени структур, расположенныхкак в оченьтемных, так ив очень светлыхобластяхпервоначальногоизображения.
Используемыедля операцийс изображениямиметоды математическиосновываютсяна перерасчетекаждого пиксела, базируясь назначенияхокружающихпикселов.
12
Архивирование цифровых изображений.
Достижениякомпьютернойтехники сделаливозможнымхранить большоеколичествоцифровых изображений, даже если дляэтого необходимыбольшие объемыпамяти. Цифровоеизображениеможно записыватьна магнитномили оптическомдиске или магнитнойленте. Для уменьшениятребуемыхразмеров хранилищцифровые изображенияобычно сжимают. Появлениецифровых системизображенияпредоставляетновые возможностиуправленияизображениямии информацией.Например, значительнооблегчается, по сравнениюс традиционнымиархивамирентгенограмм, хранение иизвлечениедиагностическихизображенийиз электронногоархива (на оптическихдисках). Значительноснижается ивозможностьутери илинеправильногоразмещенияконкретногоизображения.Более того, один и тот жеснимок можетодновременнопросматриватьсяв различныхподразделенияхбольницы, значительнооблегчаетсяконсультированиеснимков.
Отделение цифровой радиологии. Отделение цифровой радиологии, использующее только цифровые изображения и мониторы, должно обладать разветвленной или кольцевой сетью, соединяющей все задействованные функциональные элементы. Такими элементами являются: 1) системы получения изображений; 2) рабочие станции для обработки изображений; 3) архивы; 4) централизованная или децентрализованная компьютерная система.
Система Передачи и Хранения Изображений (СПХИ). Picture Archiving and Communication System (PACS). Цифровое изображение можно передавать по электронным цепям, используя компьютерные сети. Подобная компьютерная система хранения и обработки изображений носит название СПХИ. В случае полностью разработанных систем СПХИ диагностические конференции, обсуждения случаев проводятся по изображениям на экране, а не по снимкам. В переходный период аналоговые снимки и выводимые на экраны изображения часто сосуществуют, и оба варианта могут использоваться во время обсуждений.
Телерадиология. Цифровые системы позволяют также передавать изображения на дальние расстояния, в частности из удаленных медицинских учреждений первичного звена в центральные. Новейшие телерадиологические системы подключаются к архивам, видеокамере или к лазерному дигитайзеру, который переводит аналоговое изображение в цифровую форму и записывает в отдельную телерадиологическую память. Такая способность передавать изображение в любое место, куда это необходимо, делает дигитальные системы особенно привлекательными.
Словарь
Аналогия(греч. analogia– соответствие, сходство) сходствопредметов(явлений, процессов)в каких-либосвойствах.
Апостериорный(apo(прист.) отделениеот чего-нибудь, удаление, отставание, прекращение)sterina– orum,u/pl,stereos– твердый).
Байт( от англ. byte[bait]кусок) единицаколичестваинформациииз 8 бит.
Бит( англ. bit, от binary– двоичный иdigit– знак), то же, что двоичнаяединица.
13
Дефлектор(от лат. deflecto– отклоняю, отвожу) устройстводля отклонениясветовогопучка.
Дискретность( от лат. discretus– разделенный, прерывистый)прерывностьпротивопоставляетсянепрерывности.Дискретноеизменениекакой-либовеличины вовремени – изменение, происходящеечерез некоторыепромежуткивремени (скачками).
Дисплей( от англ. display– показывать– воспроизводить)устройствовизуальногоотображенияинформации( в виде текста, таблиц, чертежаи др.) на экранеэлектронно-лучевогоприбора.
Инвариантность(от лат. invarians– неизменяющийся), неизменностьк.-л. величиныпри изменениифиз. условийили по отношениюк некоторымпреобразованиям.
Инерция, инертность(от лат. iners, род.п. inertis– бездеятельный).В механикесвойство теласохранятьсостояниеравномерногопрямолинейногодвижения илипокоя.
Интерактивный( от лат. interaction– взаимодействие)находящийсяво взаимодействии.
Коммутация( от лат. commutatio–перемена)электрическихцепей, процесспереключенияэлектрическихсоединенийв устройствахавтоматики.
Ксенон( греч. xenos– чужой) инертныйгаз, открытыйкак примеськ криптону. Ат№ 54. Ат. м. 131,29. Криптон( греч. kryptos– скрытый, всвязи с трудностьюполучения) Ат.№ 36. Ат. м. 83,80. Плотность3,745 г/л. Аргон (греч.argos– недеятельный).Плотность 1,784г/л, ат. № 18, ат. м.39,95. Состав воздуха: азот 78%, кислород21%, инертные газы0,94%, углекислыйгаз 0,03%.
Люминесценция(от лат. lumen, род.п. luminis– свет и escent– суффикс, означающийслабое действие), свечение некоторыхвеществ, избыточное… их тепловымизлучениемпри даннойтемпературеи возбуждениекаким-либоисточникомэнергии (возникаетпод действиемсвета, радиоактивногои рентгеновскогоизлучения, электрическогополя при химическихреакциях имеханическихвоздействиях).По механизмуразличаютрезонансную, спонтанную, вынужденнуюи рекомбинац.Л., по длительности– флюоресценцию(кратковременнуюЛ.) и фосфоресценцию(длительнуюЛ.).
Люминофорыявляются эффективнымипреобразователямиразличных видоврадиации сперепадомэнергии квантовот 0,1 до 10 эВ и вышев электромагнитноеизлучение сэнергией фотонов2-3 эВ. Энергия, запасеннаяв люминофорепри его возбуждении, может затемвысвечиватьсяв течение примерно10 — 10 с, т.е. длительностьсвечения колеблетсяот долей миллисекунддо года. 1 год=31586 000 сек.=3٠10 сек.
Модуляция(лат. module– мера, modulatio– мерность, размерность)– изменениепо заданномузакону во временивеличин, характеризующихкакой-либорегулярныйфизическийпроцесс.
Монитор(от лат. monitor– напоминающий, надзирающий)видеоконтрольноеустройство.
Планарнаятехнология(от англ. planar– плоский) –нанесениетонкой диэлектрическойпленки на повехностьполупроводника(Si,Ge,Ga,As); удаление способомфотографииили электролитографииопределенныхучастков этойпленки; введениев кристаллчерез незащищенныепленкой участкидонорных илиакцепторныхпримесей(легирование).В результатеэтих операцийв кристаллеобразуютсяобласти сэлектронно-дырочнымипереходами.
Полупроводники, веществаэлектропроводностькоторых прикомнатнойтемпературеимеет промежуточноезначение междуэлектропроводностьюметаллов (10 -10 Ом см ) и диэлектриков(10 -10 Ом см ). ХарактернаяособенностьП. – возрастаниеэлектропроводностис ростом температуры; на нее влияюти другие воздействия: свет, сильноеэлектрическоеполе, потокибыстрых частиц.Высокая чувствительностьэлектропроводностик содержаниюпримесей идефектов вкристаллахтакже характернадля П. Носителямитока в полупроводникахявляются электроныпроводимостии дырки (носителиположит. Заряда).В идеальныхкристаллахони появляютсявсегда парами, так что концентрацииобоих типовносителейравны. В реальныхкристаллахсодержаниепримеси и дефектыструктурыравенстваконцентрацииэлектронови дырок можетнарушатьсяи проводимостьосуществляетсяпрактическитолько однимтипом носителей.
Полупроводниковыеприборы служатдля генерирования, усиления ипреобразованияэлектрическихколебаний.Полупроводниковыеинтегральныесхемы – электронныеустройствав виде единогоблока (пластины)из Si,Geи др. на которомметодом планарной
14
технологииобразованызоны, выполняющиефункции активныхи пассивныхэлементов(диодов, транзисторов, резисторов, конденсаторови др.).
Режимреальноговремени –динамическийрежим. Используетсяв тех случаях, когда требуетсянепрерывноеуправлениепроцессом сборадиагностическойинформации.В более общемсмысле словаозначает, чтопользовательне ощущаетзадержки междукомандой ирезультатомее выполнения.
РЭОП– рентгеновскийэлектронно-оптическийпреобразователь.Состоит извакуумной колбыс люминесцентнымэкраном накаждом из ееконцов, фотокатодаи электронно-оптическойсистемы. Входноеокно колбыдолжно иметьвысокое пропусканиедля рентгеновскогоизлучения. Вусилителе фирмы«Сименс» примененоалюминиевоеокно с пропусканием92%. После прохождениячерез входноеокно рентгеновскиефотоны бомбардируютповерхностьфлюоресцентногоэкрана, располагающегосяна внутреннейповерхностиокна. Диаметрвходного экранаограничиваетполе зренияусилителя иобычно составляет12,5 – 35 см и даже57 см. Входнойэкран на основейодида цезияобеспечиваетвыход до 2000 фотоновна один поглощенныйрентгеновскийквант.
Возникающийсветовой образна входномфлюоресцентномэкране превращаетсяв фотокатодев поток электронов.Эффективностьфотокатодасоставляетоколо 0,1, так чтона один поглощенныйрентгеновскийквант приходитсяпримерно 200фотоэлектронов.Под действиемэлектрическогоускоряющегополя с разницейпотенциаловпримерно 25 кВэнергия электроноввозрастаетв несколькотысяч раз.Фокусирующиеэлектродыпредназначеныдля уменьшенияразмера изображения.
Диаметрвыходноголюминесцентногоэкрана анодаобычно равен2,5 см. Это уменьшениеизображения, связанное сускорениемэлектронов, гарантируетувеличениеяркости (свечения)первичногоизображенияпримерно в 5000раз.
Счисление(нумерация)способ выраженияи обозначениячисел. В системахС. некотороечисло nединиц (например, десять) объединяетсяв одну единицу2-го разряда(десяток), тоже число единиц2-го разрядаобъединяетсяв единицу 3-горазряда (сотню)и т.д. Число nназывают основаниемсистемы С., азнаки употребляемыедля обозначенияколичествединиц каждогоразряда, — цифрами.Наиболееупотребительнаясистема С. –десятичная, с цифрами0,1,2,3,4,5,6,7,8,9. В Др. Вавилонебыла распространенашестидесятеричнаясистема, следыкоторой сохранилисьв делении часаи градуса на60 мин. и минутына 60с. В ЭВМ применяетсядвоичная системаС., в которойкаждое числовыражаетсяпри помощи двухцифр 0 и 1.
Телевизионнаякамера преобразуетсветовое изображениев электрическийвидеосигнал.Видеосигналс камеры покабелю поступаетв блок видеоканала, в котором происходитусиление видеосигналаи замешиваниев него строчныхи кадровыхсинхронизирующихимпульсов дляформированияполного видеосигнала.Из блока каналасигнал по кабелюпередаетсяна основноеи выносноевидеоканальноеустройство(ВКУ).
РЭОП– первичныйпреобразователь, ТК – вторичныйпреобразователь.В качестве ТКиспользуютфотоэлектрическиеприборы (ФЭП)с внутреннимфотоэффектом(видикон, плюмбикон), матричныепреобразователина базе приборовпереноса заряда(ППЗ)(кремникон), усилители света(УС) и др.
Внастоящее времянаибольшеераспространениеполучили ФЭПс внутреннимфотоэффектом– видикон и егомодификации– плюмбикон(видикон сокисло-свинцовоймишенью (ОСН)).
Видикон( от лат. video– вижу и греч.eikon– изображение)передающаятелевизионнаякамера с фотопроводящеймишенью наоснове трехсернистойсурьмы, имеющейзначительныйтемновой ток, гамма-контраст0,7. Под действиемсвета от объектапередачи намишени образуетсяраспределениезарядов (потенциальныйрельеф), соответствующееизображениюобъекта. Считываниезаряда с мишениосуществляетсяэлектроннымпучком, управляемыммагн. и электростатич.полями. Обладаетмалым быстродействием.Последнеесвойство полезнопри полученииизображенийнеподвижныхорганов нонеприемлимопри кардиологическихисследованиях.Применяетсяв установкахпромышленноготелевидения.
Плюмбикон(от лат. plumbum– свинец и греч.eikon– изображение)передающаятелевизионнаякамера мишенькоторой представляетсобой слойоксида свинца, нанесенныйна прозрачнуюпленку диоксидаолова. Используетсяглавным образомв системахцветного телевидения.ОСМ – фотопроводникв виде полупроводниковогоp-n
15
переходас весьма малымтемновым током, поэтому гаммаконтрастаблизка к
Описаниеполупроводниковоймишени. Со сторонысигнальнойпластины формируетсяпрослойкаполупроводникас проводимостьюn-типа, далее следуетслой чистойокиси свинцатолщиной 12-20 мкм(окислосвинцоваямишень, ОСМ, обладающаясветочувствительностью), затем слойполупроводникас проводимостьюp-типа.Основное поглощениесвета происходитв слое окисисвинца, представляющемсобой упорядоченнуюигольчатуюструктурукристалловразмером 0,130,05мкм, которыерасположеныперпендикулярноповерхностипланшайбы.
Формированиепотенциальногорельефа происходитна поверхностислоя полупроводникас проводимостьюp-типа, обращенногок остальнойчасти телекамеры, предназначеннойдля формированияи отклонениякоммутирующегоэлектронногопучка. Выходнойсигнал снимаетсяс нагрузочногорезистора Rh, включенногов цепь сигнальнойпластины. Размеризображенияна мишени 9,512,7ммІ при диаметреколбы 26,7 мм. Приосвещенностимишени 1 лк величинатока сигналасоставляетоколо 0,05 мкА.Разрешающаяспособность600 линий/мм.
Кремниконотносится кфотоэлектроннымприборам сполупроводниковойсветочувствительноймишенью. Отличиеего состоитв способеформированияпотенциальногорельефа. Мишенькремниконаявляется дискретной– она представляетсобой матрицуфотодиодов, изготовленныхметодом планарнойтехнологии(фотолитографии).Матрица фотодиодовсформированана сторонедиска, обращеннойк электронномулучу. В качествемишени кремниконаиспользуетсялегированныйполупроводник.Основой мишениявляется дискиз монокристаллакремния спроводимостьюn-типа, диаметрдиска около20 мкм, тольщина150 мкм. На однойиз поверхностейдиска выращиваетсяоксидная пленкаSiO толщиной15-20 мкм. В пленкеметодом фотолитографиисоздаетсяматрица отверстийоколо 8 мкм, апутем диффузиивещества, имеющегоp-проводимость, сформированнаяматрица преобразуетсяв мозаику дискретныхp-n-переходов.
Матричныефотоэлектрическиепреобразователи.
Полным аналогомтелевизионнойпередающейтрубки являютсяматричныефотоэлектрическиепреобразователи
В конце60-х годов нашегостолетия появилисьтвердотельныефотоэлектрическиеприборы (ФЭП)– приборы спереносомзаряда (ППЗ).Они нашли широкоеприменениев электроникекак устройствапамяти, обработкицифровой ианалоговойинформации, в качествепреобразователейизображений, в частностив эндоскопии.
Основойлюбого преобразователяна базе ППЗявляется конденсаторсо структуройметалл-окисел-полупроводник(МОП-конденсатор), который являетсяэлементом, способнымхранить информационныепакеты зарядов, сформированныепод воздействиемсвета или путеминжекции черезp-n-переход.Цепочки изМОП-конденсаторов, связанныхособым образомдруг с другом, обладает способностьюпередаватьзарядовыепакеты подвоздействиемуправляющихнапряженийот одного элементаструктуры кдругому довыхода, гдезарядовыепакеты преобразуютсяв потенциалили ток.
Непосредственнымипредшественникамипреобразователейна ППЗ-структурахявились матричныефотодиодныепреобразователис координатнойвыборкой сигналовизображения.В таких приборахсчитываниесигналов сотдельныхэлементовматрицы производитсяс помощью сдвиговыхрегистров.
ПредельныехарактеристикиФЭП с координатнойвыборкойограничиваютсябольшой емкостьювыводов сигналовизображенияи неравномерностьючувствительностиотдельныхэлементовматрицы. Удовлетворительныерезультатыудалось получитьпри 1024 элементахна линейныхи при 100100элементовматричных ФЭП.
В ФЭПна ППЗ-структурахвывод сигналовизображенияосуществляется, как правило, через одинвыход. Как ифотодиодныепреобразователиФЭП на ППЗ-структурахделятся налинейные идвумерные(матрицы). ЛинейныеФЭП содержатодин рядсветочувствительныхэлементов, т.е.передают однустроку изображения.Для передачидвумернойкартины линейныйФЭП перемещаютотносительнопередаваемойсцены (сканируютобъект). Матричныепреобразователиявляются полныманалогом передающейтелевизионнойтрубки.
16
Активнойячейкой, осуществляющейпреобразованиесветовогопотока в электрическийзаряд являетсяМОП-конденсатор.
На рисункепоказана такаяячейка, включающаяв качествеосновы подложку1 из p-кремния.Путем термическогоокисления наее поверхностиформируетсяслой окисла2, на которыйнаноситсяметаллическийэлектрод 3. Еслина электродподать положительноенапряжениеV относительноподложки 1, топод действиемэлектрическогополя под электродом3 будет образована
зона обеднениядля основныхносителей(указана пунктиром)– в рассматриваемомслучае длядырок.
В образовавшейсяпотенциальнойяме происходитнакоплениенеосновныхносителейзаряда (в рассматриваемомслучае – электронов).Эти зарядымогут образовыватьсяза счет фото-или термоэлектроннойэмиссии. Распространениеобласти потенциальнойямы вдоль границыразделаполупроводник-окиселограничиваетсяформированиемобластейполупроводникаp-типа состепенью легированияна несколькопорядков вышетак называемыхобластейстоп-диффузии4. В областяхстоп-диффузииповерхностныйпотенциал награнице разделаокисел-кремнийблизок к нулю.Причем величиназаряда, накопленногоза дозированноевремя, оказываетсяпропорциональнойосвещенности.
Рассмотриммеханизм считываниянакопленныхзарядов. Рассматриваемаястрочка (рис.37)представляетсобой трехфазнуюструктуру, электродыкоторой соединенымежду собойчерез два. Потенциалыэлектродовизменяютсяс циклическойпоследовательностью.Зарядовыйпакет, которыйза время накопленияформируетсяпод электродомЭ, после подачина соседнийэлектродположительногопотенциалабудет перемещатьсяпод электродЭ. Если потенциалЭ будет уменьшендо исходногозначения, тозарядовый пакетполностьюпереместитсяпод электродЭ (рис 37). Аналогичнозарядовый пакетможет бытьсмещен подэлектрод Э ит.д. Во времяпереноса зарядовыхпакетов вдольструктурыосвещениепрерывается.Элементу изображениясоответствуетячейка из трехМОП-конденсаторов.
БыстродействиеППЗ-структурограничиваетсявременем переносазаряда от однойнакопительнойячейки в другую, порядка нс.Поэтому максимальныетактовые частотыдля ППЗ-структурсоставляютдесятки-сотниМГц.
ЛинейныеФЭП могут бытьскомпонованыв матрицу. НаибольшеераспространениеполучилиППЗ-преобразователис покадровымпереносом(рис.38а). Секциинакопленияи хранениянакопленнойинформацииразделены.После завершенияпериода накопленияв течение короткоговремени (обратныйход по кадру)заряд переноситсяв секцию хранения; режим накоплениявозобновляется, а в это времяв соответствиис принятымипараметрамиразложенияпроисходитсчитываниеинформациичерез регистрсчитывания.
В приборахс межстрочнымпереносом(рис.38б) столбца(1), в которыхпроисходитнакопление, располагаютсяпараллельносо столбцамихранения зарядовыхпакетов (2). Считываниепроисходитчерез регистрсчитывания(3), а переносомиз столбцовнакопленияв столбцы храненияуправляетзатвор переноса(4).