Оценка качества изоб­ражения УЗ - сканеров

ОСОБЕННОСТИ РАБОТЫ УЛЬТРАЗВУКОВЫХ СКАНЕРОВ

5.1.1. Основные характеристики качества изображения

Качество изображения УЗ-прибора определяет диагностические возмож- ности прибора, позволяет срав­нивать различные приборы между собой, а также судить о работоспособ­ности прибора и правильности наст­ройки.

Качество изображения зависит от совокупности характеристик, основны­ми из которых являются: разреша­ющая способность (продольная и поперечная); чувствительность; дина­мический диапазон; контрастная раз­решающая способность; временная разрешающая способность, определя­емая частотой кадров в секунду.

К ним следует добавить такие ха­рактеристики, как: мертвая зона; раз­решающая способность по толщине; степень постоянства разрешающей способности в зоне изображении: ап­паратурные артефакты; геометричес­кие искажения.

Мертвой зоной (dead zone) назы­вается часть изображения, прилегаю­щая непосредственно к рабочей по­верхности датчика, где практически невозможно выделить эхо-сигналы, так как они не видны на фоне «хвоста» мощного излучаемого импульса или его переотражений (ring-down) внут­ри датчика (рис.5.1а). Чем меньше мертвая зона по глубине, тем лучше можно наблюдать ткани и структуры на малых глубинах (при условии хоро­шей разрешающей способности на этих глубинах).

Разрешающая способность по толщине (elevation resolution) харак­теризует возможность наблюдать раздельно малоразмерные структу­ры в толщинной плоскости, т.е. плос­кости, перпендикулярной плоскости сканирования. Эта характеристика зависит от ширины УЗ - луча в толщин­ной плоскости. Все три разрешающие способности (продольная, поперечная и по толщине) вместе опреде­ляютпространственную разреша­ющую способность, или объем раз­решения (resolution volume) - мини­мальную пространственную область, которой соответствует один элемент изображения на экране при­бора (рис. 5.1,б).

От степени постоянства разре­шающей способности в зоне изоб­ражения в наибольшей мере зависит однородность качества изображения в кадре, наблюдаемом на экране при­бора. Пространственная разрешаю­щая способность, как правило, лучше в зоне фокусировки и ухудшается на очень малых и больших глубинах, по­этому изображение воспринимается как неоднородное. Чем выше качест­во прибора, тем больше степень од­нородности изображения.

Аппаратурные артефакты - это искажения изображения, возникаю­щие из-за технического несовер­шенства УЗ - прибора. К аппаратур­ным артефактам, например, может быть отнесена мертвая зона. Другие типичные примеры аппаратурных ар­тефактов: ложные сигналы на экране и снижение четкости изображения вследствие наличия боковых лепест­ков у УЗ – луча и «хвоста» эхо-сигнала. Более подробно об артефактах в УЗ -приборах будет рассказано в сле­дующем разделе.

Рис. 5.1. Понятие о мертвой зоне и пространственной разрешающей

способности: а - взаимное расположение плоскости

сканирования и толщинной плоскости; б - объем разрешения

в увеличенном масштабе

Геометрические искажения - то отличие размеров и форм структур на изображении от реальных, что может иметь место по объективным физическимпричинам или вследствиенесовершенной аппаратуры.

Большинство из характеристик ка­чества изображения может изменять­ся в зависимости от типа датчика, ра­бочей частоты, режима работы и пра­вильности настройки прибора.

Для различных областей примене­ния одни из характеристик более важ­ны, чем другие. Это обстоятельство обязательно надо иметь в виду, так как по техническим и физическим причинам улучшение одних характе­ристик может достигаться за счет дру­гих. Например, повышение чувстви­тельности (увеличение глубины обзо­ра) за счет снижения рабочей частоты датчика может сопровождаться ухуд­шением разрешающей способности. Точно так же повышение контрастной разрешающей способности, достига­емое за счет усреднения по кадрам, приводит к снижению реальной часто­ты кадров, т.е. к ухудшению времен­ной разрешающей способности.

Поэтому в современных приборах используется выбор определенного сочетания регулировок, обеспечива­ющих наилучшее качество изображе­ния для каждого конкретного случая.

5.1.2.Технические характеристики УЗ - диагностических приборов

и их связь с качеством изображения

Перечислим основные технические характеристики, на которые следует обращать внимание в первую очередь:

- число переключаемых фокусов на передачу (focal point number) и число зон динамической фокуси­ровки на прием;

- величина динамического диапа­зона и возможность его регули­ровки (variable dynamic range);

- число зон регулировки усиления на различных глубинах (TGC);

- число градаций (уровней) серой шкалы (grades of gray);

- возможность коррекции изобра­жения и обработки эхо-сигналов (препроцессинг, постпроцессинг);

- наличие динамической апертуры (variable aperture);

- возможность наблюдения на эк­ране выбранной части изображе­ния;

- число степеней увеличения изоб­ражения, в том числе возмож­ность увеличения в выбранной ма­лой зоне (zoom);

- наличие управляемого режима ус­реднения по кадрам;

- возможность режима предустановки, т.е. выбора предварительно установленных комбинаций регу­лировок (factory preset), а также возможность для пользователя са­мому программировать и вводить такие комбинации (user preset);

- номенклатура датчиков, в том чис­ле наличие широкополосных и мультичастотных датчиков;

- число приемно-передающих кана­лов прибора;

- число элементов в датчиках;

- качество и размер экрана монито­ра прибора.

При сравнении между собой воз­можностей различных приборов сле­дует отдавать предпочтение тому прибору, у которого больше число пе­реключаемых фокусов, величина ди­намического диапазона, число зон регулировки усиления по глубине, число степеней увеличения изобра­жения, размер экрана.

Число градаций серой шкалы должно быть не менее 128. Дальней­шее увеличение числа градаций сла­бо влияет на улучшение качества изо­бражения.

Возможностью гамма-коррекции изображения и раздельной регулиров­кой параметров препроцессинга и постпроцессинга сигналов, как правило, не пользуются. В большинстве случаев­ достаточно использовать завод­скую установку гамма-коррекции и ре­жим выбора заранее установленных регулировок.

Возможность регулировки поло­жения зоны обзора по глубине и ре­жим zoom реализуютсяпочти во всех современных приборах.

Управление режимом усреднения по кадрам важно использовать в тех

случаях, когда проводятся исследова­ния не только статических, но и дина­ми- ческих (подвижных) структур (серд­ца, сосудов). При наблюдении динами­ческих структур степень усреднения (уровень корреляции изображений в соседних кадрах) приходится умень­шать в ущерб качеству изображения с целью повышения достоверности по­лучаемой информации.

5.1.3. Определение части элементов (или части апертуры) датчика,

формирую­щих УЗ – луч

Число элементов в датчиках и свя­занное с ним число приемно-переда­ющих каналов электронного блока прибора определяет разрешающую способность и влияет на аппаратур­ные артефакты изображения. Чем больше число элементов и число ка­налов, тем выше, вообще говоря, ка­чество изображения.

Число элементов в датчиках и кана­лов приема-передачи фирмы-произ­водители указывают далеко не всегда. Вместе с тем, основное значение име­ет не столько само число элементов датчика, сколько то, какая их часть от общего количества участвуете форми­ровании УЗ - луча: чем большее число элементов формирует УЗ - луч, тем вы­ше качество изображения. Можно предложить простой тест для опреде­ления того, какая часть элементов (или апертуры) датчика формирует УЗ - луч на прием и передачу.

После включения прибора и уста­новления на нем В-режима необходи­мо переключить фокусировку напе­редачу на самый дальний фокус. Далее следует смочить поверхность датчика водой или покрыть ее тонким слоем геля. После этого надо прило­жить к рабочей поверхности тонкий металлический предмет (толщиной не более 1-2 мм), например спицу, булавку, разогнутую скрепку, тонкую отвертку и т.д. Ось предмета (тест-объекта) должна быть ориентирована перпендикулярно плоскости сканиро­вания, а начальное положение тест-объекта - середина рабочей поверх­ности датчика (рис. 5.2).

Рис. 5.2. Определение части элементов (или части апертуры) датчика,

формирую­щих УЗ - луч

В процессе сканирования в прибо­ре элементы датчика автоматически переключаются с помощью специ­ального коммутатора таким образом, что в формировании УЗ - луча на пере­дачу и прием участвует одновремен­но только часть из всех элементов: 16 из 80, 32 из 96 или из 128, 64 из 128 или из 192 и т.д., в зависимости от класса прибора и типа датчика.

Тест-объект контактирует только с одним элементом, и если этот эле­мент возбуждается на передачу и подключен на прием, то между эле­ментом и хорошо отражающим ульт­развук тест-объектом появляются многократные переотражения УЗ - сигнала с очень небольшим затуханием, в результате чего на экране монитора можно наблюдать светлую акустическую строку. Если элемент возбуждается 16 раз (при числе каналов на передачу-прием, равном 16), а число элементов в датчике 80, то в формировании луча участвует 1/5 часть элементов датчика, и мы уви­дим на экране засвеченную часть изображения шириной в 1/4 от об­щей ширины изображения (рис. 5.3,а). При этом на меньших глубинах отно­сительная ширина засвеченной зоны может ступенчато или плавно изме­няться, что свидетельствует об авто­матическом изменении апертуры в процессе динамической фокусиров­ки на прием.

Рис. 5.3. Вид изображений на экране УЗ - приборов при испытании с

тест-объектом в соот­ветствии с рис. 5.2: а - простой прибор, -

в формировании УЗ - луча участвует 1/5 часть эле­ментов дат-

чика; б - прибор среднего класса - луч формируется 1/4 частью

элементов дат­чика; в - прибор повышенного класса - в формиро-

вании луча участвует 1/3 элементов дат­чика; г - прибор высокого

класса - луч формирует почти половина элементов датчика

При 32 каналах на прием-передачу и 128 элементах в датчике в формиро­вании луча участвует 1/4 часть элемен­тов датчика и набольшой дальности засвечивается 1/3 ширины изображения (рис. 5.3,б). При 48 и более каналах в датчике засвечивается не менее 1/2 ширины изображения (рис. 5.3,в, 5.3,г).

Чем большее число каналов име­ется в приборе, тем большая часть ширины изображения засвечивается при работе с тест-объектом и тем луч­ше, как правило, поперечная разре­шающая способность прибора.

С помощью элементарного тест-объекта можно также быстро прове­рить работоспособность всех каналов прибора и элементов датчика. Для это­го надо медленно вести тест-объект вдоль рабочей поверхности датчика от одного края датчика к другому, сохра­няя ориентировку оси тест-объекта перпендикулярной плоскости сканирования. При этом засвеченная часть изображения будет перемещаться по эхограмме, отслеживая перемещение тест-объектa по поверхности датчика.

Если прибор исправен, засвечен­ная часть не изменяется по своему виду в процессе перемещения тест-объекта и только обрезается на краях зоны обзора. Изменение вида засве­ченной области или вообще исчезно­вение акустических строк при некото­рых положениях тест-объекта свиде­тельствует о неисправности каналов прибора или элементов датчика.

5.1.4. Оценка качества изображения с помощью УЗ тест-фантома

Для оперативной и корректной оценки качества изображения при покупкеприбора и в процессе эксплуатации в медицинском учреждении лучше всего использоватьУЗ - тканеэквивалентный фантом.

УЗ - фантом - это устройство, ими­тирующее условия прохождения ульт­развуковых сигналов в биологических тканях.

Существует достаточно большое количество фантомов различного типа для проверки как отдельных характе­ристик (специальные фантомы), так и совокупности параметров изображе­ния УЗ - прибора (универсальные фан­томы). Наиболее часто используются уни­версальные фантомы. Основные производители фан­томов - фирмы ATS Laboratories Inc. (модели 539 ATS Labs, 515 ATS Labs). Фирма производит универсальный тканеэквивалентный фантом для проверки контрастного разрешения и воспроизведения координат, в котором среда распространения имитирует рассеяние ультразвука в паренхимальных областях печени. Составными элементами такого фантома являются и включения, дающие отрицательный контраст в изображении и имеющие форму нерассеивающих цилиндров, изображения которых на экране дисплея имитируют кистозные образования. Тест-система Кардифф, разработанная фирмой Diagnostic Sonar Ltd, состоит из нескольких фантомов из проволочек и структур различной формы в среде из рассеивающего ультразвук геля и позволяет измерять большое число параметров, а также позволяет с определенными ограничениями оценить разрешающую способность по трем координатам. Фирма Nuclear Associates Ltd выпускает также акустические фантомы, позволяющие оценивать контраст и разрешающую способность приборов. Фантомы имеют оригинальную конструкцию в виде набора конусов, начиненных рассеивающим ультразвук гелем, причем интенсивность рассеяния меняется при переходе от одного конуса к другому. Все конусы зафиксированы в фантоме в однородном геле, который также обладает определенными рассеивающими свойствами. Сравнительную оценку порога обнаружения при низком контрасте получают, сканируя каждый конус в поперечном направлении и определяя тот диаметр поперечного сечения конуса, при котором еще возможно выявление конуса. Повторение этой операции для конусов с изменяющимся контрастом при рассеянии, определяемым относительно геля, позволяет в итоге построить кривую зависимости контраста от диаметра для данного порога обнаружения, называемую кривой «контраст – разрешающая способность». Чем выше качество системы, тем ближе эта кривая подходит к началу координат.

5.1.5. Конструкция ультразвукового тест-фантома

Разработанный УЗ - фантом позволяет оценивать следующие характеристики (рис. 5.4): размеры зон изображения; чувствительность; разрешающую способность; глубину мертвой зоны; степень постоянства разрешающей способности; контрастную разреша­ющую способность и динамический диапазон. Кроме того, с помощью фантома можно оценить положение и размер фокальных зон, форму УЗ - лу­ча, а также линейные искажения в изображении, правильность калиб­ровки прибора для определения гео­метрических размеров биологичес­ких структур.

Рис. 5.4. Универсальный УЗ - фантом: модель 539 ATS Labs

Фантом представляет собой небольшой контейнер – аквариум средних размеров(~50х30х30мм), содержащий группы отражателей, помещенных в определенную среду. Внутренние стенки аквариума покрываются резиноподобным материалом для предотвращения многочисленных отражений акустических сигналов. В качестве среды используется смесь воды со спиртом – эта смесь используется для получения точных значений скорости звука. Процентное соотношение узнается экспериментальным путем. Вместо рабочей поверхности фантома может использоваться решетка из тонких прутьев – вследствие сложности подбора соответствующего материала с подходящими акустическими характеристиками, подобным характеристикам кожи. Датчик в процессе работы с фантомом должен располагаться таким образом, чтобы плоскость его сканирования была параллельна большой боковой плоскости контейнера фантома. Для удержания контейнера на одной и той же глубине используются прутья решетки, при этом датчик оборудуется специальным упором, или же датчик должен соприкасаться с ними одним из краев рабочей поверхности – для того, чтобы помехи от контактной решетки были минимальными. В первом случае решетка может находиться над поверхностью рабочего состава. Во втором – ограничительная решетка должна находиться на глубине 2-5 мм от поверхности рабочей среды. При необходимости решетка должна свободно убираться.

Отражатели в фантоме имитируют различные объекты наблюдения. В качестве отражателей используются так называемые точечные отражатели, которые представляют собой нейлоновые струны малого диаметра (не более

0,4мм), протянутые в фантоме таким образом, чтобы они были перпендикулярны плоскости сканирования. Также используются отражатели в виде цилиндров разных диаметров из латуни, имитирующей костные образования и плексигласа, имеющим меньший коэффициент отражения звуковых волн (при нормальном падении, расчетные данные) на границы раздела между данными средами и водой.

Точечные отражатели, закрепленные на известных расстояниях друг относительно друга, позволяют получить количественные характеристики изображения.

● Геометрические размеры изображения можно оценить с помощью рядов отражателей, расположенных вертикально и горизонтально(рис. 5.5).

Рис. 5.5. Универсальный УЗ - фантом для приборов с датчиками

секторного сканирования: модель 515 ATS LABs

Напоминаем, что ширина прямо­угольной зоны изображения в датчи­ках линейного сканирования всегда меньше по крайней мере на 20-30%, чем протяженность рабочей поверх­ности датчика. То же относится и к ширине зоны изображения возле по­верхности конвексного датчика - она всегда меньше на те же 20-30% раз­мера рабочей поверхности датчика.

● Чувствительность прибора при работе с каждым из датчиков оцени­вается по глубине проникновения УЗ - сигналов внутрь фантома. В прибо­ре устанавливается максимальная по глубине фокусировка на передачу и определяется наибольшая глубина, на которой еще видны характерные отра­жения от струк­туры фантома на фоне случайных мер­цающих шумов приемника. Глубина проникновения определяется с помощью вертикального ряда точеч­ных отражателей, расстояние между которыми составляет 1 см.

● Разрешающая способность оце­нивается с помощью фантома по ре­зультатам наблюдения специально для этого предназначенной группы точечных отражателей, расположен­ных компактно (рис. 5.4).

● Для оценки продольной разре­шающей способности используется то обстоятельство, что соседние от­ражатели в группе по вертикали от­стоят друг от друга на известных рас­стояниях: 5, 4. 3, 2, 1 мм.

Если все отражатели на экране на­блюдаются отдельно, не сливаясь, то продольная разрешающая способ­ность прибора - не хуже 1 мм. Если же два отражателя, наиболее близко расположенные друг к другу, сливаются на изображении в одно пятно, то разрешающая способность хуже чем 1 мм, но лучше чем 2 мм. Ес­ли три отражателя сливаются, то разрешающая способность - от 3 до 4 мм и т.д. Следует иметь в виду,что продольная разре­шающая способность может несколько ухудшиться с глубиной, а также с удалением от точки фокусировки на передачу. Поэтому испытания полез­но повторитьдля различных глубин контрольной группы отражателей. Если используется фантом с одной контактной поверхностью, например фантом для датчиков секторного ска­нирования, то в нем, как пра­вило, имеется две или более группы отражателей для проверки разреша­ющей способности, расположенные на различных глубинах.

● Оценка поперечной разрешаю­щей способности осуществляется так же, как и продольной, но по той ча­сти отражателей в группе, которые в основном ориентированы горизон­тально. Расстояния между ними по го­ризонтали также известны точно, они тоже равны 5, 4, 3, 2, 1 мм. Поэтому если, например, раздельно наблюдаются два из них, а три других сливаются, то разрешающая способность не хуже 4 мм и несколько лучше 3 мм.

Для корректной оценки поперечной разрешающей способности необходи­мо датчик ориентировать так, чтобы его ось проходила через группу кон­трольных отражателей по возможности перпендикулярно линии их расположе­ния. В противном случае можно полу­чить хороший результат за счет того, что недостаточная поперечная разре­шающая способность компенсируется, как правило, более высокой продоль­ной разрешающей способностью.

Поперечная разрешающая способ­ность может более заметно, чем про­дольная, изменяться с глубиной, ухуд­шаясь с увеличением глубины. Поэто­му оценку поперечной разрешающей способности необходимо проводить на различных глубинах.

Приближенную оценку поперечной разрешающей способности во всем диапазонеглубин можно получить с помощью вертикального ряда точеч­ных отражателей. Изображение каждого из отражателей имеет размер по вертикали, характеризующий про­дольную разрешающую способность, а размер по горизонтали определяет­ся поперечной разрешающей способ­ностью. Если расположить ось датчи­ка вдоль вертикальной линии отража­телей (это удобно делать с помощью маркерной линии, отображаемой на экране прибора), то размеры отража­телей по горизонтали будут прибли­зительно совпадать с шириной УЗ -лу­ча на соответствующей глубине. Таким образом, по картине на экране можно оценить форму УЗ - луча в плоскости сканирования. Пере­ключая по глубине фокусировку на пе­редачу, можно выяснить, как это вли­яет на форму луча и на разрешающую способность, а также определить по­ложение фокальных зон.

● С помощью группы точечных отра­жателей, специально предназначен­ных для проверки разрешающей спо­собности, можно оценить и разреша­ющую способность по толщине. Для этого следует поставить датчик, как и прежде, над указанной группой и повернуть его вокруг вертикальной оси на 90°, так чтобы плоскость скани­рования была перпендикулярна боль­шой плоской боковой стенке фантома. На экране прибора будут наблюдаться яркие длинные линии, соответствую­щие нейлоновым струнам фантома. Зная расстояние между струнами по горизонтали, можно по количеству на­блюдаемых линий приблизительно определить ширину УЗ - луча в толщинной плоскости и соответствующую разрешающую способность.

● Глубина мертвой зоны или прак­тически равная ей глубина множест­венных начальных переотражений оп­ределяется с помощью группы точеч­ных

отражателей в верхней части фантома. Отражатели расположены в ряд наис-

кось с фиксированными рас­стояниями по глубине друг относи­тельно друга. Глубина измеряется по первому же отражателю, который ви­ден на фоне «хвоста» излучаемого импульса и переотражений, возника­ющих от него в датчике.

Результаты оценки контрастной разрешающей способности и динами­ческого диапазона зависят от правиль­ности регулировки многих параметров прибора, в том числе общего усиления, усиления в различных интервалах по глубине, установки режимов препроцессинга и постпроцессинга.

● Правильность настройки и калиб­ровки прибора для оценки геометри­ческих форм и размеров структур и органов проверяется по точности отображения вертикального и гори­зонтального рядов точечных отража­телей, а также по способ­ности прибора без искажений отоб­ражать форму круглых сосудов разного диаметра.

Любыеотклонения в изображении фантома от правильных линейных или круглых форм свидетельствуют о не­исправности прибора. Используя ре­жим измерения в приборе, можно оп­ределить расстояния между точечны­ми отражателями по горизонтали и по вертикали. Сравнивая полученные результаты с известными значениями этих расстояний в фантоме, можно проверить калибровку прибора. Из­мерения должны проводиться при температуре, указанной в инструкции по использованию фантома, напри­мер при +23°С.

Дата добавления: 2014-11-29