menu_book

مجموعه تکنیک‌های پردازش تصویر در سیستم‌های رادیولوژی

در یک دستگاه رادیولوژی دیجیتال یک تیوب مخصوص تشعشعات X-ray را به بدن انسان تابانده و سپس اشعه رد شده از بدن انسان به دتکتور X-ray می‏رسد. تشعشع ارسالی توسط تیوب در مسیر عبور خود از بدن انسان با توجه به میزان سختی مواد مختلف تضعیف شده و به دتکتور میرسد. این میزات تضعیف برای مواد سخت مانند استخوان بیشتر و برای مواد نرم مانند ماهیچه ها کمتر است. با توجه به میزان تشعشع دریافت شده در پیکس های مختلف سطح، دتکتور یک تصویر از پرتو دریافتی تشکیل می دهد.

1

اما این تصویر با تصویر واقعی قابل قبول برای عملیات تشخیصی پزشکان متناسب نیست. برای رفع این مشکل مجموعه ای از عملیات پردازش تصویر صورت می‏گیرد تا تصویر قابل قبول از تصویر مبهم دتکتور استخراج شود.

1- کالیبره کردن تصویر

تیوب و دتکتور به شخصه ممکن است دارای خطا باشند. این خطا همان عدم یکنواختی در تابش پرتو توسط تیوب و عدم یکنواختی در دریافت تشعشعات X-ray توسط دتکتور است. برای رفع این مشکل نیاز به کالیبراسیون تصویر است. برای کالیبره کردن دستگاه رادیولوژی در ابتدا تصویر دتکتور در حالتی که تیوب خاموش است گرفته می‏‌شود. سپس در حالتی که تیوب روشن است و هیچ مانعی مابین تیوب و دتکتور وجود ندارد نیز مجددا تصویر دتکور دریافت می‌‏شود. با استفاده از این دو تصویر میزان خطای دریافتی دتکتور و خطای تابشی تیوب قابل استخراج است که در مراحل بعدی از آنان برای کالیبره کردن دستگاه استفاده می‏‌شود.

2- عملیات مربوط به crop – rotate – resize

در ابتدا تصویر رادیولوژی ممکن است به صورت کامل از یک دتکتور تصویربرداری نشده باشد. در این حالت ممکن است تصویر چرخیده باشد و کل تصویر ورودی را شامل نباشد. در این حالت بایستی کناره‌‏های تصویر شناسائی شده و بر اساس آن تصویر برش بخورد. در مرحله بعد بایستی تصویر ورودی بر اساس زوایای آن چرخیده شود تا در راستای صحیح قرار گیرد و در نهایت نیاز به تغییر سایز برای نمایش در کل تصویر است. نمونه ای از این مورد در شکل زیر نمایش داده شده است.

2

3- حذف نویز فلفل و نمک

پس از تصویر برداری رادیولوژی، امکان دارد برخی از پیکسل‏‌ها به دلائل مختلف دچار اشکال شده و به اشباع بروند و یا کاملا قطع شوند. اشباع به معنی بزرگترین عدد ممکن برای یک پیکسل و قطع شدن یک پیکسل به معنی کوچکترین عدد ممکن حاصل از خروجی دتکتور برای برخی از پیکسل‏‌ها خواهد بود. این پیکسل‏‌های معیوب به صورت نقاط سفید و سیاه پراکنده بر روی تصویر نمایش داده می‏‌شود که به آنان نویز فلفل نمک گفته می‏‌شود.برای رفع این مشکل از الگوریتم های پردازش تصویر خاصی استفاده می‌‏شود. در این الگوریتم ها پیکسل‏‌ها با مقادیری متفاوت از پیکسل‌های اطراف خود شناسائی و با بهترین گزینه جایگزین می‌‏شوند.

3

4- حذف اثر grid

همانگونه که اشاره شد، نحوه دریافت اشعه X-ray توسط دتکتور به صورت عبور از بدن انسان است. انتظار می‌رود که اشعه هایی که از تیوب ساتع می‌شوند و از بدن انسان عبور می‌کنند صرفا با توجه با بافت عبوری، در میزان شدت آنان تغییر ایجاد شود. اما در برخی موارد پرتوهای عبوری از بدن دچار انحراف شده و از جهت اصلی خود منحرف می‏‌شوند. انحراف پرتوها از مسیر اصلی باعث عدم برخورد آنان با پیکسل‌های مورد نظر و برخورد به پیکسل‌های مجاور در دتکتور می‌شود. این اثر باعث پراکندگی (scatter) در پرتوهای دریافتی و در نهایت تخریب تصویر دریافتی دتکتور می‏‌شود.
برای جلوگیری از اثر scatter در دتکتورهای X-ray از یک Grid مقابل دتکتور رادیولوژی استفاده می‏‌شود. Grid مجموعه ای از پره‌های ریز و موازی است که در یک صفحه تعبیه شده است. پرتوهایی که دچار انحراف شده باشند به پره‌ها برخورد کرده و از بین می‏‌روند و فقط پرتوهای موازی عبور می‌کنند. نمونه ای از این عملیات در تصویر زیر نمایش داده شده است.

وجود این Grid گرچه خود وضوح تصویر دریافتی را زیاد می‌‏کند ولی باعث بوجود آمدن اثر تیغه‏‌های مربوط به آن بر روی تصویر می‌‏شود. این اثر به صورت یک سری نوارهای باریک بر روی تصویر مشاهده می‏‌شود.

برای حذف این آثار ناخواسته از فیلترهای خاصی در پردازش تصویر استفاده می‌شود که در ابتدا جهت تیغه‏‌ها را تشخیص داده وسپس با استفاده از تبدیل فوریه تصویر ورودی، داده‌‏های Grid را تشخیص داده و حذف می‌‏کند و سپس مجددا با تبدیل فوریه معکوس به تصویر اصلی باز می‏‌گردد.

5- حذف scatter تصویر (در حالت بدون Grid)

در برخی حالات تصویربرداری X-ray توصیه شده است که از grid استفاده نشود. علت این موضوع این است که grid به صورت ذاتی باعث کاهش سطح پرتو دریافتی دتکتور می‏‌شود. برای رفع این مشکل از افزایش دوز ورودی استفاده می‌‏شود. اما در برخی موارد که قرار است تصویربرداری از اعضای ظریف بدن یا یک نوزاد انجام شود، افزایش دوز ورودی ممکن است خطرناک باشد. برای برطرف کردن این مورد، grid را از مقابل دتکتور حذف می‌کنند تا میزان دوز دریافتی بیمار افزایش یابد. اما حذف grid باعث ایجاد scatter می‌‏شود که به صورت نویز در تصاویر رادیولوژی مشاهده می‌‏شود. الگوریتم‏‌هایی برای حذف scatter وجود دارد که در این مورد باید اعمال شود. ولی طبق نتایج ارائه شده، این الگوریتم‌‏ها در مقایسه با حالت دارای Grid به خوبی پاسخگو نیستند و فقط برای موارد خاص استفاده می‌‏شوند.

6- بهبود کنتراست تصویر با استفاده از histogram equalization

به طور معمول در یک تصویربرداری رادیولوژی، انتظار می‌‏رود که تصویری خروجی دارای پیکسل‌ها در نقاط دریافت کامل پرتو به رنگ سیاه مطلق و پیکسل‌ها در نقاط عدم دریافت پرتو (بافت های سخت استخوانی) به رنگ سفید مطلق باشد. اما در عمل هنگام تصویربرداری این اتفاق رخ نمی‏‌دهد. برای تصویربرداری X-ray هیچ گاه از یک دز پرتو یکسان استفاده نمی‏‌شود. این امر باعث می‌‏شود که پیکسل خرجی دتکتور در نقاطی که پرتو از بافت عبور نمی‏‌کند متناسب با دز ارسالی پرتو باشد و بنابراین همیشه مقدار سیاه مطلق نخواهد بود. مشابه این مورد در نقاط بافت سخت نیز وجود دارد زیرا همیشه مقداری پرتو از این نقاط عبور کرده و پیکسل مربوطه همیشه سفید مطلق نخواهد بود. بنابراین تصویر خروجی دتکتور دارای کنتراست پائین و به عبارت ساده اختلاف بین تیره ترین و روشن ترین پیکسل تصویر کم است. این مورد که به عنوان کنتراست پائین شناخته می‏‏‌شود تفکیک و تشخیص اعضاء مختلف توسط چشم را مشکل می‌کند. برای افزایش کنتراست تصویر در این مورد از الگوریتم پردازش تصویر Histogram equalization استفاده می‏‌شود. نمونه تصویر دریافتی دتکتور و خروجی پردازش شده آن توسط الگوریتم نامبرده در شکل زیر قابل مشاهده است.

الگوریتم histogram equalization رنگ‌های تصویر را به صورت آماری بررسی و به صورت یکنواخت از سیاه به سفید پخش می‌‏کند و به این صورت فاصله بین رنگ‌ها زیاد شده و برای چشم انسان قابل تشخیص خواهد بود. در عمل برای عملکرد صحیح الگوریتم، عمق بیت دتکور نسبت به نمایشگرها باید بالاتر باشد. به عنوان مثال دتکتور دارای عمق بیت 12 به ازای هر پیکسل است و این درحالی است که نمایشگرها دارای عمق بیت 8 به ازای هر پیکسل است. به این ترتیب پس از اعمال الگوریتم، داده هایی از تصویر خرجی از بین نمی‏‌رود.

اما در این میان چند نکته حائز اهمیت است:

  • ◈هیستوگرام هر عضو بدن با عضو دیگر متفاوت است. به عنوان مثال نمودار هستوگرام سینه و شانه از لحاظ ظاهری متفاوت هستند.
  • ◈هیستوگرام یک عضو مشخص از افراد متفاوت تقریبا مشابه هست. مثلا هیستوگرام سینه یک انسان نسبت به یک انسان دیگر بسیار مشابه است.
  • ◈از آن جائی که هیستوگرام هر عضو با عضو دیگر متفاوت است، امکان استفاده از یک الگوریتم مشابه برای بهبود کنتراست کلیه اعضا وجود ندارد.
  • ◈برا رفع مشکل هستوگرام های متفاوت، برای هر عضو بدن یک LUT تعریف می‏‌شود که میتوان از آن برای هیستوگرام هر عضو به صورت جداگانه استفاده کرد. LUT یک جدول است که شامل تعدادی عدد است. هر عدد جایگزین یک ضریب روشنایی پیکسل در تصویر می‏‌شود.

7- بهبود کنتراست تصویر با استفاده از تیز کردن تصویر

یکی از روش‏‌های بهبود کیفت تصویر برای انسان تیز کردن (sharp) تصویر است. در این پروسه، لبه‌های تصویرتشخیص داده شده و به صورت واضح‌‏تر در تصویر نمایش داده می‏‌شوند. برای این مورد از الگوریتم پردازش تصویر unsharp mask استفاده می‏‌شود که خروجی آن تصویر تیز شده است.

8- حذف سایر نویزها (گوسی و پواسون)

تصویر دریافت شده دارای یک سری نویز دیگر نیز می‌‏باشد که این نویزها ممکن است در اثر نورهای محیطی، اثر تجهیزات الکترونیکی و … باشد. اثر این نویز ها به صورت پیکسل‌های تغییر یافته در تصویر خروجی مشاهده می‏‌شود. این نویزها معمولا دارای توزیع گوسی یا پواسون هستند. برای حذف این نویزها معمولا از فیلترهایی مانند bilateral, Weiner استفاده می‌‏شود. نکته دیگری که در حذف نویز مهم است این است که در تصویر نهایی لبه‌های تصویر خراب نشوند. نمونه ای از تصویر نویز و تصویر رفع نویز شده در شکل زیر مشاهده می‌‏شود.

9- چسباندن تصاویر (image stitching)

در برخی موارد نیاز است که تصویر بدن به گونه ای گرفته شود که این تصویر بزرگتر از ابعاد دتکتور است. به عنوان مثال اگر هدف تصویربرداری کامل از ستون فقرات و یا کل بدن باشد. در این موارد باید تصویر قسمت‏‌های مختلف به صورت جداگانه تصویربرداری شده و سپس تصاویر به یکدیگر چسبانده شود. این مورد با کمی تغییر مشابه Panorama در دوربین عکسبرداری می‌باشد.

فهرست