2. Физические факторы, влияющие на качество изображения

Качество изображений в ЯМ лимитируется рядом физических факторов, имеющихся в процессе визуализации распределений РФП. Частично они обсуждались в главе 3, поэтому в настоящем разделе рассмотрим их в кратком варианте.

1. Пространственное разрешение

Пространственное разрешение гамма-камеры диктует минимальные размеры обнаруживаемого в изображении объекта. По сравнению с другими медицинскими системами визуализации (например, КТ или МРТ) гамма-камера имеют существенно худшее пространственное разрешение. Отметим несколько причин, ухудшающих пространственное разрешение.

Фотоны, испускаемые РФП, имеют изотропное угловое распределение. Для проектирования 3-х мерного пространственного распределения РФП внутри пациента на двумерную поверхность кристалла детектора в гамма-камерах применяется коллиматор. Выбор геометрических размеров коллиматора (диаметр отверстия, длина канала, толщина септы и др.) представляет собой поиск компромисса между чувствительностью и пространственным разрешением коллиматора. Улучшение одного из них приводит к ухудшению другого. На разрешение коллиматора влияет также расстояние от источника до камеры.

Второй фактор, ограничивающий пространственное разрешение камеры, – это внутреннее разрешение, связанное с детектором и позиционной электроникой камеры. Потери в пространственном разрешении всей системы из-за этого фактора существенно меньше, чем из-за коллиматора. Добавочные ухудшение разрешения (хотя и небольшое) создают дисплей и система регистрации изображений.

2. Комптоновское рассеяние фотонов

Комптоновское рассеяние фотонов является в ЯМ основным процессом взаимодействия γ-излучения, при прохождении его через тканеэквивалентные среды. При комптоновском рассеянии фотон теряет часть своей энергии и изменяет направление движения. В идеале прошедшие через коллиматор рассеянные фотоны можно было бы исключить из процесса регистрации, если установить уровень дискриминации на входе в амплитудный анализатор лишь немного меньшим, чем первичная энергия фотонов. Однако применяемые в настоящее время в гамма-камерах кристаллы NaI(Tl) имеют энергетическое разрешение 10 – 15 %. Поэтому результирующие приборные спектры от рассеянных фотонов и фотонов, испытавших фотопоглощение, перекрываются, и чтобы добиться надлежащей счетной эффективности, приходится расширять окно входного дискриминатора до ширины 15 – 20 % от первичной энергии фотонов. Эта неспособность осуществить отделение части рассеянных фотонов от первичных приводит к уменьшению контраста объекта и ограничивает точность обнаружения заболевания.

3. Шум изображения и контраст

Вследствие случайной природы радиоактивного распада ядер и статистических неопределенностей, возникающих в гамма-камере в процессе измерения изображения в ЯМ содержат статистические флуктуации или шум. Поэтому при проведении в идентичных условиях серии измерений одного и того же распределения РФП, получающиеся изображения будут отличаться друг от друга. Случайные вариации от изображения к изображению подчиняются распределению Пуассона. В соответствии с этим распределением, если ожидаемое число отсчетов в части изображения площадью A равно N (где изображение выбирается из семейства изображений, измеренных в идентичных условиях), тогда стандартное отклонение σ числа отсчетов, зарегистрированных в площади, равно Дополнительно, если площадьA имеет однородную плотность счета, тогда среднее и стандартное отклонение внутри площади, равно N и Процентное стандартное отклонение (или контраст шума) дается формулой

Информационная (справочная) плотность (ID) находится как число отсчетов, измеренных на единице площади изображения (ID = (N/A) счет/см²). Эта величина является важным параметром для определения минимального размера визуально обнаруживаемого патологического изменения и контраста. В ЯМ контраст изображения генерируется используемым РФП в зависимости от превышения его поступления в атипичные ткани по сравнению с окружающими нормальными тканями. Математическое выражение для процентного контраста паталогии следующее:

(5.1)

где N_пат/А_пат, N_фон/А_фон – среднее число отсчетов на единицу площади, зарегистрированное внутри патологического очага и внутри района фона, окружающего патологический очаг, соответственно.

Для уверенного обнаружения различия между нормальными и атипичными тканями контраст ткани должен быть примерноя между нормальными и патологическими тканями на четыре стандартных отклонения выше области фона [3], например:

(5.2)

На рис. 5.5 приводится график, показывающий зависимость информационной плотности от контраста и площади очага, требуемые для обнаружения патологической области. На рис. 5.6 моделируется изображение печени с различными уровнями счета в патологических очагах.

Рис. 5.5. Зависимость информационной плотности, требуемой для визуального детектирования патологических очагов, от контраста и площади очага [4]

Хотя на рис. 5.6 контраст патологического очага и пространственное разрешение везде одинаковые, патологический очаг становится лучше различимым с повышением информационной плотности. Обычно информационная плотность изображений в системах гамма-камер находится в диапазоне от 1000 до 3000 отсчетов/см². Основные ограничения в получении более высоких значений информационной плотности обусловлены недопустимостью превышения допустимых пределов дозы у пациента, неэффективным сбором испускаемого излучения и поглощением коллиматора.

Рис. 5.6. Моделирование ухудшающего влияния шума на изображения печени и селезенки с патологическими очагами при разном количестве полного числа отсчетов: вверху справа – 10000; внизу слева – 50000; внизу справа – 500000; вверху слева – шум отсутствует [4]