1. No category

DIGITAALISET KUVANTAMISMENETELMÄT: KUVALEVY- JA
TAULUKUVAUSTEKNIIKAT
Tuomo Saloheimo
Päivitys 8.1. 2015
4.
DIGITAALIKUVAUS
Tässä monisteessa ei käsitellä tietokonetomografiaa, vaikka myös sekin perustuu digitaalitekniikkaan.
4.1 DIGITAALINEN KUVALEVYKUVAUS
4.1.1
Kuvalevykuvauksen yleiset ominaispiirteet
-
Kuvaustilanne ja –laite ovat aivan normaalin filmikuvauksen kaltaiset.
Filmin ja vahvistuslevyjen sijasta kasetissa on kuitenkin kuvalevy.
-
Kuvalevyssä olevaan materiaaliin osuessaan röntgenkvantit tuottavat viritystiloja: Toisin, kuin
vahvistuslevyssä, elektronit eivät palaa heti, vaan jäävät metastabiileille viritystiloilleen.
Viritystilojen muodostama latentti kuva säilyy levyllä joitakin päiviä, mutta sen taso heikkenee,
koska toisaalta viritykset palautuvat pikkuhiljaa ja toisaalta taustasäteily hunnuttaa kuvaa.
Viritykset laukeavat nopeassa tahdissa, kun viritettyihin molekyyleihin osuu tietyn
aallonpituuden valoa (käytännössä laseria).
-
Fotostimuloituvia materiaaleja on monia, joista kuitenkin vain osa soveltuu kuvalevymateriaaleiksi. Tässä kuvataan
erään yleisimmän materiaalin, seostetun bariumfluoridi-bromidin toimintaperiaatetta.
Röntgen- ja uv-säteiden absortio tuottaa elektroni-aukkopareja fotostimuloivaan kiteeseen. Elektroni-aukkopari
nostavat kiteeseen seostetut Eu2+ -ionit virittyneeseen Eu3+ -tilaan, kun ionista poistuu yksi elektroni. Kun elektroni
palaa takaisin ja ioni perustilaansa, prosessissa vapautuu näkyvää valoa. Elektronit eivät kuitenkaan palaa heti
paikoilleen vaan ne on sidottu toiseen ns. aktivaatiokeskukseen. Tästä syntyy latentti kuva, kun viritysten
laukeaminen ei tapahdukaan heti.
-
Viritystilojen muodostama latentti kuva säilyy levyllä joitakin päiviä, mutta sen taso heikkenee,
koska toisaalta viritykset palautuvat pikkuhiljaa ja toisaalta taustasäteily hunnuttaa kuvaa.
Viritykset laukeavat nopeassa tahdissa, kun viritettyihin molekyyleihin osuu tietyn
aallonpituuden valoa (käytännössä laseria).
BaFBr:Eu-pohjaiset kuvalevyt absorboivat bariumin k-absoptiopiikin vaikutuksesta erityisen voimakkaasti 35-50
keV:n kvantteja. Absorption tehokkuus laskee energian kasvaessa. Vertailun vuoksi esimerkiksi Gd 2O2S:Tb –
pohjainen vahvistuslevy absorboi gadoliniumin k-absortiopiikin vuoksi 60 keV:n alueella ja sitä korkeammallakin
energia-alueella kuvalevyä selkeästi paremmin. Koska sironnut säteily on yleensä alhaista energialtaan, kuvalevy on
vahvistuslevyä herkempi sille
-
-
Kuten filmikin, kuvalevy on valoherkkää, koska valo laukaisee kuvalevyn virityksiä.
Kuvalevy laitetaan eksponoinnin jälkeen lukulaitteeseen: erittäin kapea lasersäde (vrt CDsoitin) ”skannaa” kuvalevyn jokaisen pisteen.
Valoilmaisimena toimiva valomonistinputki mittaa kustakin pisteestä syntyvän valomäärän.
Laserin valon ja syntyvän loistevalon aallonpituudet ovat erilaisia, joten laservalo on helppoa
erottaa informaatiosta optisesti.
Kun kuvalevy on skannattu, se puhdistetaan vielä mahdollisesti jääneistä virityksistä voimakkaalla
valolampulla.
-
Skannauksessa tieto valomääristä tallennetaan tietokoneen muistiin.
Laserin asennon perusteella muistiin menee myös kunkin pisteen x- ja y-koordinaatit.
Näistä muodostuu kolmen numeron yhdistelmiä:
(sijainti pystysuunnassa, sijainti vaakasuunnassa, tummuusaste)
-
Sijainti jaetaan kuvalevyllä useimmiten joko 1024 tai 2048 eri arvoon/suunta.
Yhtä näillä koordinaateilla ilmastua paikkaa kutsutaan pikseliksi.
Digitoinnissa signaali täytyy ”ottaa näytteenä” (sampled) ja muuntaa numeroksi (quantized). Sampling =
määritetään fotostimuloidun signaalin paikka ja koko ja kvantifiointi määrittää signaalin amplitudin
näytteenottoalueella. Valomonistinputken signaali mitataan tietyllä ajallisella taajuudella koordinoidusti lasersäteen
skannaustaajuuden kanssa ja muutetaan sitten kunkin kohdan intensiteettiä vastaavaksi kokonaisluvuksi. Tämä
näytteenottonopeus on jopa 2000-kertainen laserin asentoon liittyvään näytteenottotaajuuteen verrattuna.
Pikselikello koordinoi intensiteettitiedon liittämistä oikeaan skannausalueeseen. Täten suhde näytteenottotaajuuden
ja paikkamääritystaajuuden (fast scan (line) rate) välillä määrää pikselikoon poikittaisessa skannaussuunnassa.
Skannauksen pitkittäissuunnassa muodostuvan viivan leveys on sama kuin pikselin korkeus (pikseli on neliö), joten
skannausnopeus riippuu pikselikoosta (montako riviä on skannattavana). Tyypillisesti pikselikoko on 100 -200
mikrometriä.
Pikselisyvyys tarkoittaa digitaalisen numeron skaalaa (tässä harmaasävyjen skaalaa). 10-bittinen =>1024 sävyä, 12bittinen => 4096 sävyä ja 16-bittinen 65536 sävyä.
Kodak muuntaa alkuperäisen 16-bittisen kuvan digitaalisella logaritmimuunnoksella 12-bittiseksi. Muut käyttävät
analogista logaritmista muunnosta (fuji) tai neliöjuurimuunnosta (agfa) ennen kuva digitointia.
-
Mitä suurempi määrä pikseleitä on pituusyksikköä kohti, sitä pienempi pikseli on. (Esim. 20 cm x
20 cm kokoisessa kuvassa 1024 x 1024 pikselin kuvassa yhden pikselin koko on noin 0,2 mm. 40 cm x 40 cm
kuvassa pikselin koko olisi tällöin 0,4 mm.)
-
Pieni pikselikoko tuottaa hyvän (laskennallisen) paikkaerotuskyvyn.
-
Tummuusasteita (harmaasävyjä)on yleensä 1024 kappaletta, siis paljon enemmän, kuin silmä
pystyy erottamaan.
-
Kuvan alivalotus näkyy hieman tummana ja kohinaisena kuvana. Lievä ylivalotus taas näkyy
erinomaisena kuvan laatuna (muista: säteilyn käytön oikeuttaa riittävä, ei paras kuvan laatu)
Aivan liian suurilla arvoilla kuvalevyyn tulee niin paljon säteilyä, että se menee ”tukkoon”, ts.
kaikkien pikselien alueella on maksimimäärä säteilyä.
-
Informaatio lisääntyy
>>>>>>>>>>>
Kohina vähenee
>>>>>>>>>>>
Näytteenottotaajuus 4.1.1.1
Kuvan digitaalinen signaali muodostuu näytteistä (sample). Tässä yhteydessä
näytteenottotaajuudella tarkoitetaan, kuinka monta näytettä kuvasta otetaan millimetrin matkalla,
esim. 4 näytettä/mm. Näytteenottotaajuus näkyy käytännössä kuvan pienimpänä teoreettisena
pikselikokona: 4 näytettä milliä kohti tarkoittaa siis ¼ mm:n pikselikokoa.
Kuvalevyjen korkeakontrastista paikkaerotuskykyä rajoittavat monet eri tekijät: Kuvalevyn fosforoivan materiaalin
koostumus ja paksuus, lasersäteen koko, PSL:n (photostimulated luminescence) ajallinen viive ja valon sironta
kuvalevyllä lukuvaiheessa vaikuttavat modulaatioon ja hävikkiin ”esisämplätyssa” signaalissa.

Mitä pienempi lasersäteen halkaisija, sitä pienempiä alueita voidaan erotella.


Mitä paksumpi fosforoiva kerros on, sitä laajemmalle laservalo siroaa ja täten huonontaa paikkaerotuskykyä
Käytetty pikselikoko (yleensä 100 - 200 m) määräytyy pikselien lukumäärän ja kuvakoon suhteesta ja määrää
yleensä lopullisen maksimiresoluution.
Maksimaalista paikkaerotukykyä kuvaava Nyquistin taajuus on kääntäen verrannollinen pikselikokoon x:
Fn = 1/(2x)
Mitä suurempi kuvakoko sitä heikompi paikkaerotuskyky. Paikkaerotuskyvyn tekniset standardit (specifications)
riippuvat lukevan ja tulostavan laserin näytteenottotaajuudesta mielenkiintoalueella ja täten siis myös efektiivisestä
pikselikoosta. Yleensä lukevan laserin efektiivinen säde kuvalevyllä on 100 m. Ulostuleva näytekoko taas riippuu
pikselien määrästä ja kuva-alueen koosta. Se ei kuitenkaan voi olla pienempi kuin lasersäteen koko. Lisäksi
paikkaerotuskykyä rajoittavat mm. fosforoivan ainekerroksen ja suojaavan materiaalin paksuus, todellinen
lasersäteen leveys, valon siroaminen levyllä ja laskentaelektroniikan rajallinen kyky havaita korkeita taajuuksia.
High resolution-kuvalevy on paksuudeltaan noin puolet tavalliseen kuvalevyyn verrattuna. Tästä johtuen sen
paikkaerotuskyky on parempi mutta vastaavasti havaitsemistehokkuus ja harmaasävyerotuskyky huonommat.
Näistä seuraa prosessoimattoman kuvan heikompi kontrasti ja se, että korkean resoluution levyt tarvitsevat noin
kolminkertaisen säteilynmäärän saavuttaakseen saman signaalikohinasuhteen kuin tavalliset levyt.
Vaikka optimoidulle kuvalevysysteemille kontrastisensitiivisyys riippuu lähinnä kuvantamistekniikasta (kV, hila,
geometria,…) laitteiston olennaisin kontrastiin vaikuttava ominaisuus on pikselisyvyys. Virheellisellä
prosessoinnilla voidaan hävittää kontrastia. Toisaalta jopa virheellisesti prosessoitu kuva on mahdollista saada
järkevälle kontrastialueelle uudelleenprosessoinnin avulla.
4.1.2
-
Kuvainformaation käsittely
Kuva muodostuu siis miljoonasta/nista pikseleistä, joilla on erilaisia tummuusasteita, jotka ovat
verrannollisia pikselialueen säteilyannokseen.
Pikselien annoksista luodaan histogrammi:
4
4
3
4
5
5
6
6
5
4
5
4
5
5
6
5
3
3
4
3
6
6
2
2
1
3
5
6
2
1
1
2
4
5
3
2
frekvenssi:
5
saman annoksen
saaneiden
pikselien määrä
5
4
5
3
4
5
6
2
3
4
5
6
2
3
4
5
6
1
2
3
4
5
6
1
2
3
4
5
6
1
2
3
4
5
6
Annos/pikseli
-
-
-
-
Potilaaseen osuneista säteistä tiheimpien ja paksuimpien paikkojen (luut) säteet ovat tasaisen
”kummun” vasemmalla ja ohuimpien/vähiten tiheiden paikkojen (keuhkot) säteet oikealla
laidalla.
Tummuusarvot kasvavat lineaarisesti annoksen mukana arvosta 0 arvoon 1024 (ilman
jälkikäsittelyä). Filmikuvassahan annoksen ja tummuuden välinen riippuvuus seuraa ns.
gammakäyrää.
Histogrammin oikeassa laitaan voi muodostua ”piikki”, joka aiheutuu kuvalevylle suoraan
osuneista säteistä
(Fuji-järjestelmässä) S-arvo (sensitivity) määritetään histogrammin mediaanikohdasta.
Eri laitevalmistajilla on omat tapansa ilmaista säteilymäärää:
Fuji Sensitivity value (S-value):
S = 200/Emedian
Agfa Log Median Value (LgM):
200-levylle
LgM = 2,2 + lg E
Kodak: Exposure Index, EI
EI = 2000 + 1000 x lg Eaverage
Konica: Sensitivity value (S-value):
S = QR x E1/E
QR riippuu kuvalevyn herkkyydestä (melkein sama kuin filminopeus)
E1 = se säteilytysarvo, joka tuottaa levylle tummuma-arvon 1535
E = kaikissa säteilytys mR-arvona
Kuvalevyn nopeus =
200
QR =
Mediaani-annos
Gy
1,00
8,78
10,00
50,00
100,00
mR
0,11
1,00
1,14
5,70
11,40
Fuji
S-number
1754,39
199,93
175,44
35,09
17,54
Agfa
SAL
751,67
1204,21
1272,54
3058,70
4077,30
Agfa
LgM
1,80
2,21
2,26
3,02
3,27
200
Kodak
Konica
Exposure Sensivity
Index
Number
1056,90
1754,39
2000,15
199,93
2056,90
175,44
2755,87
35,09
3056,90
17,54
S-arvo pienenee, kun kokonaisannos kasvaa.
Kuvalevyjen dynaaminen alue ja havaittu säteilytyssensitiivisyys ulottuvat (1-)10 mikroröntgenistä (10-)100
milliröntgeniin (kertalukuero 10000). Diagnostisissa tilanteissa pärjätään yleensä paljon kapeammalla kuin
kertalukua 10000 vastaavalla dynaamisella alueella. Säteilymäärän ja valoisuuden määrän suhde linearisoidaan
logaritmisella vahvistuksella. Tällä tavoin syntyvän raakakuvan kontrasti on hyvin heikko. Kuvan säteilymäärän ja
valoisuuden suhdetta korjataan jälkikäsittelyllä, jossa otetaan huomioon kohteen histogrammissa esiintyvät,
tutkimuskohtaiset erot.
-
Kuvaa voidaan jälkikäsitellä monin tavoin:
a) Kontrastia voidaan lisätä tietylle alueelle jyrkentämällä tummuuskäyrää luun,
pehmytkudoksen tai keuhkojen alueella.
b) Kuvasta voidaan ottaa tietyltä alueelta suurennus
c) Kuvaan voidaan tuottaa reunaviivan korostus (korostetaan korkeita taajuuksia josta tosin
haittana on kohinan lisääntyminen) tai reunaviivan pehmennys (suodatetaan korkeita
taajuuksia, josta seurauksena on kohinan väheneminen).
4.1.4 Kuvalevykuvan lukuvirheet: aliasing eli laskostuminen (wrap around)
Aliasing on digitaalisessa analyysissa yleinen virheilmiö (mm. mri ja ultraäänikuvauksen dopplersovellukset).
Tässä tapauksessa informaation käsittelyyn käytettävä Fourier-analyysi tulkitsee väärin Nyqvistin taajuusalueen
ulkopuolisia signaaleja ja yrittää sijoitta ne kuvaan. Jos esim. kuvalevyn erotuskykyraja on 5 viivaparia/mm ja
näytteenottotaajuus on 5 vp/mm tai 2,5 mm/mm, yli 2,5 viivaparin/mm signaalit tulkitaan alle 2,5 viivaparin/mm
signaaleiksi.
Laskostumisvirhettä voi kontrolloida poikittaisessa skannaussuunnassa alipäästösuodatuksella. Pitkittäisessä
suunnassa tämä ei ole mahdollista. HR-levyissä ongelma korostuu, erityisesti, kun 200 mikrometrin pikselikoossa
näytteenotto tapahtuu Nyqvistin taajuudella 2,5 vp/mm. Laskostumisen vaikutus kuvaan vaihtelee: kohinan
lisääntyminen, kvanttitehokkuuden aleneminen… Nyqvistin taajuutta pienempiä detaljeja aiheuttavat mm. hilan
tuottamat signaalit. Toisaalta Nyqvistin taajuuden sisällä tapahtuva signaalin modulointi parantaa
paikkaerotuskykyä pienten kohteiden parantuneen kontrastin takia.
4.1.3 Kuvalevykuvantaminen vs. muut menetelmät
Kuvalevykuvantamisen hyödyt ovat sen laaja dynaaminen alue ja levyjen helppo liikuteltavuus erityisesti
osastokuvauksessa sekä yhteensopivuus filmikaseteille suunniteltuihin kasettitelineisiin. Kuvan laatu taas jää
heikommaksi useimmilla muilla osa-alueilla uusiin taulukuvauslaitteisiin verrattuna.
Filmi-vahvistuslevy-yhdistelmät ovat ”kontrastirajoitteisia” rajallisen valotusvaransa takia, kuvalevyt taas
”kohinarajoitteisia”.
Kuvalevykuvan kohinaa aiheuttavat kvanttikohinan aiheuttava röntgenkvanttien absorption satunnaisuus,
syntyneen luminisessivalon satunnaisuus lukuvaiheessa, kvantifiointikohina lisää epätarkkuutta diskreetteihin
signaalien amplitudiarvoihin (tämä riippuu bittisyvyydestä) ja elektronisten piirien tuottama elektroninen kohina.
Alhaisemmasta havaitsemistehokkuudesta johtuen normaaliresoluution kuvalevy tarvitsee noin 2-kertaisen
valotuksen nopeuden 400 filmi-vahvistuslevyyn verrattuna.
4.2 SUORAT DIGITAALIKUVAUSJÄRJESTELMÄT
Suorilla järjestelmillä tarkoitetaan tässä niitä, joissa kuvainformaatio siirtyy digitaaliseen muotoon
ilman kasetin, kuvalevyn tai vastaavan siirtelyä paikasta toiseen.
4.2.1 Termejä systeemeistä, aineista ja vempeleistä
Digitaalisessa röntgenkuvauksessa vallitsee termikaaos, mikä johtuu lähinnä siitä, että termeillä on aikanaan yritetty
luokitella sen aikaiset laitteet, jolloin uudet vielä keksimättömät laitteet eivät mahdukaan tuohon luokitteluun.
* CR = computed radiography = kuvalevyjärjestelmä, jossa röntgensäteilyn kuvalevylle
tuottamat viritykset puretaan erillisellä kuvanlukijalaitteella.
* DR = direct radiography = suora digitaalinen järjestelmä siinä mielessä, että kuvainformaatio
luetaan röntgensäteilyä ilmaisevasta laitteesta (ainakin lähes) reaaliaikaisesti.
* Indirect conversion = epäsuora muunnos, mikä tarkoittaa, että laitteessa on vahvistuslevyä
vastaava, röntgensäteilyn energian valoksi muuntava tuikeainelevy (scintillation phosphor), jonka
tuottama valo muunnetaan sähköiseksi informaatioksi.
Valoenergia havaitaan yleensä yleisimmin siten, että amorfisesta (=ei säännöllisistä
kiderakennetta) piistä (Si) muodostuva ilmaisin muuntaa valoinformaation sähköiseksi
informaatioksi, joka taas koodataan pikselikohtaiseksi informaatioksi yhden pikselin kokoisilla
TFT-transistoreilla (thin-film transistor = sama, mitä käytetään monissa taulutelevisioissa ja
näytöissä). Toinen vaihtoehto valoinformaation sähköiseen muotoon on CCD-valodiodimatriisi
(chargecoupled device = sama, mitä käytetään digitaalisissa kameroissa).
Lisäksi tähän ryhmään voidaan ajatella kuuluvan perinteisen läpivalaisun digitaaliset sovellukset, joissa röntgensäteilyn
informaatio muunnetaan fotokatodiin perustuvalla kuvanvahvistimella ja muunnetaan sähköiseen muotoon
useimmiten CCD-ilmaisimella.
* Direct conversion = suora muunnos, mikä tarkoittaa, että röntgensäteilyn energia muuttuu
ilmaisimessa suoraan sähköiseksi informaatioksi. Yleisin tämän muunnoksen tuottava materiaali on
amorfinen seleeni (Se). Sähköisen informaation jatkokäsittely pikseleiksi tapahtuu yleensä TFTtransistoreilla kuten amorfiseen piihin perustuvissa taulukuvauslaitteissakin.
Muita, harvinaisempia ilmaisinmateriaaleja seleenin sijasta: lyijyoksidi, lyijyjodidi talliumbromidi ja jotkin
gadoliniumyhdisteet.
* FPD = Flat panel detector = taulukuvausilmaisin tarkoittaa litteää suoraan digitaaliseen
kuvaukseen käytettävää kuvareseptoria. Näitä ovat lähinnä amorfiseen piihin tai seleeniin ja TFTtranstistoreihin perustuvat sovellukset.
Suomalainen termi on johdettu taulutelevisio-nimityksestä.
4.2.1.1 Röntgensäteilyn valoksi muuntavia tuikemateriaaleja (=”vahvistuslevymateriaaleja”)
Kuvalevyissä käytetään yleensä erilaisia halogenideja esim. bariumfluoridipohjainen BaFBr(Eu2).
Suorissa valoon perustuvissa menetelmissä käytössä ovat yleisimmin joko gadoliniumpohjainen
Gd2O2S tai talliumilla terästetty cesiumjodidi CsI(Tl).
Näitä molempia käytetään myös moderneissa filmivahvistuslevy-yhdistelmissä.
Sekä halogenidi- että gadoliniumlevyissä tuikeainekiteet on
sekoitettu tasaisesti levymateriaaliin (strukturoimaton rakenne).
Sen sijaan cesiumjodidikiteet ovat toisiinsa nähden 5–10 m
paksuina vierekkäisinä ”tankoina” (strukturoitu rakenne,
vrt. Sibelius-monumentti, ks. kuva ), jollainen rakenne auttaa valon
suuntautumista levytasoon nähden kohtisuoraan.
4.2.2 DR-tekniikka
4.2.2.1 Suora muunnos: Amorfiseen seleeniin perustuva taulukuvaus
Kuvareseptorin muodostavat amorfista seleeniä oleva säteilyherkkä materiaali, jonka alla on
pikselin kokoisia TFT-transistoreja. Röntgenkvantin absorboituessa seleeniin se tuottaa
varausparin, jonka tuottama virta havaitaan TFT-matriisissa. Laitteen erityisvahvuus on siinä, että
varausparit suuntaavat virran kohtisuoraan levytasoon nähden, jolloin ilmaisun aikana ei synny
sirontaa, kuten on laita useissa valotuikahdukseen perustuvissa menetelmissä. Tästä seurauksena
järjestely mahdollistaa erittäin hyvän paikkaerotuskyvyn. Lupaavimmat aluevaltaukset on tehty
suurta tarkkuutta vaativassa mammografiassa.
Tekniikan heikoin lenkki lienee siinä, että kuvainformaatio jää ilmaisimiin suhteellisen pitkäksi
ajaksi, mikä rajoittaa nopeiden kuvasarjojen tuottokykyä. On kuitenkin kyetty valmistamaan jopa
30 kuvaa sekunnissa tuottavia sovelluksia, mikä mahdollistaa jopa valtaosan läpivalaisunkin
kuvaustilanteista.
Vanhemmat seleenisovellukset perustuivat sylinteriin, jonka pinnalle röntgensäteily tuotti varauksia, kun se
skannasi viuhkamaisella säteilykeilalla kuvausaluetta potilaan takana. Menetelmä on kovin kankea liikuteltavuuden
kannalta ja soveltuu vain täysin kiinteisiin (lähinnä thorax-) telineisiin.
4.2.2.2 DR:n epäsuoran muunnoksen sovellukset
4.2.2.2.1 Epäsuoraan muunnokseen perustuva taulukuvaustekniikka: Amorfinen pii-ilmaisin
Tässä sovelluksessa tuikemateriaalissa syntyvä valo havaitaan amorfisessa piissä muodostuvina
varauksina, jotka taas koodataan pikselikohtaiseksi tiedoksi piikerroksen alla olevien pienten TFTtransistorien välityksellä (yksi TFT/pikseli). TFT-matriisi on siis samanlainen kuin seleenitaulukuvauslaitteissakin.
Tuikemateriaaleina käytetään useimmiten joko talliumsekoitteista cesiumjodidia tai
gadoliniumsekoitteita. Näistä cesiumjodidi tuottaa paremman paikkaerotuskyvyn johtuen sen
”pillijäämäisestä” rakenteesta. Koska valo ei juuri siroa sivusuuntaan, ilmaisin voidaan myös
raknetaa melko paksuksi, mikä parantaa sen kvanttitehokkuutta (suurempi prosentti potilaan
läpäisseestä säteilystä jää ilmaisimeen) ja tämän myötä myös signaali-kohinasuhdetta. Toisaalta
materiaali on juuri tuon rakenteensa vuoksi haurasta, mikä rajoittaa ilmaisimen liikuteltavuutta.
Liikuteltavissa laitteissa tuikeaineena onkin yleensä jokin muu kuin cesiumjodidi.
4.2.2.2.2 CCD-ilmaisinsovellukset
CCD on puolijohdeteknologiaan perustuva valodiodi, joka muuntaa valoinformaation sähköiseksi. Ilmaisin muodostuu
pienistä CCD-siruista, joista kukin edustaa yhden pikselin aluetta. Yhden diodin muodostama pikseli
voi olla kooltaan esim. 2 µm.
Tavallisimmin ilmaisin on kuva-aluetta pienempi ja vahvistuslevyn valo ohjataan ilmaisimeen kokoavan linssin avulla.
Samaa teknologiaa käytetään digitaalisissa kameroissa.
Laitteen heikoin ominaisuus on valotehon suhteellisen heikko havaitsemisprosentti (kvanttitehokkuus), mistä seuraa
diagnostiseen kuvaan vaadittavat korkeahkot potilasannokset tai vaihtoehtoisesti korkea signaali-kohinasuhde.
Suomessa tunnetuin radiografian CCD-sovellus on linssitekniikkaa käyttävä IMIX-laite, joka on suuren
potilasannoksen takia käytännössä kadonnut markkinoilta.
CCD-tekniikkaa sovelletaan myös skannaavassa mallissa, jossa CCD-ilmaisimet ovat kapeana jonona, johon
viuhkamaiseksi kollimoitu röntgensäde osuu kuva-alueen yli pyyhkäistessään. Kapea keila tuottaa vähän sirontaa,
mikä parantaa kuvan laatua ja pienentää potilasannosta. Laite on kuitenkin suhteellisen hidas kuvan
muodostuksessaan ja soveltuu vain kiinteisiin laitekokonaisuuksiin.
4.2.3 DIGITAALISEN KUVAN LAATUPARAMETREJA
4.2.3.1 Paikkaerotuskyky
Kertausta: Paikkaerotuskyky (Spatial resolution) kertoo sen, kuinka pienet yksityiskohdat on erotettavissa
toisistaan. Sitä kuvataan usein toisistaan erottuvien viivaparien määrällä millimetrissä. Tässä emme tarkastele
röntgensäteilyn laadun vaikutusta paikkaerotuskykyyn vaan keskitymme pelkästään ilmaisimen vaikutukseen
siihen.
Ilmaisimen paikkaerotuskyky riippuu pikselikoosta (filmissä raekoosta) ja siitä, kuinka tarkasti
primäärisen röntgensäteen tuottama informaatio osuu ilmaisimen perusyksikköön (pikseli/filmirae).
Seleeni-ilmaisimella varustettujen taulukuvauslaitteiden paikkaerotuskyky on lähtökohtaisesti
parempi kuin amorfiseen piihin perustuvilla laitteilla. Syynä on se, että röntgenkvantin ilmaisimeen
aiheuttaman virran suunta on täsmälleen kohtisuora ilmaisinlevyyn nähden, kun taas amorfiseen
piihin perustuvassa laitteessa röntgensäteen tuottamilla valotuikahduksilla on satunnaista jakaumaa
sinne tänne. Tätä valoa voidaan jossain määrin kollimoida sillä, että cesiumjodidikiteet itse johtavat
valon muotonsa ansiosta kohtisuoraan ilmaisimeen. Tästä taas johtuu se, että cesiumjodidia
käyttävät ilmaisimet ovat lähtökohtaisesti parempia paikkaerotuskyvyltään kuin esim.
gadoliniumpohjaiset ilmaisimet.
4.2.3.1.1 Pikselikoon vaikutus erotuskykyyn.
Nyquistin lain mukaan paras saavutettavissa oleva erotuskyky määrittyy pikselikoon mukaan siten,
että pienin erottuva kohde voi olla vähintään puolet pikselikoosta. Diagnostisessa käytössä
vaaditaan yleensä enintään kolmen viivaparin/mm erottuvuutta, mikä kriteeri täyttyy suurimmassa
osassa laitetyypeistä. Joissakin tapauksissa kuten digitaalisessa mammografiassa vaaditaan
vähintään viiden viivaparin/mm erottuvuutta, mikä asettaa erityisvaatimuksia ilmaisinlaitteistolle.
Tallennustapa
Filmi
Kuvalevy
Linssi-CCD
Skannaava CCD
Amorfinen seleeni
Amorfinen pii
Amorfinen pii
Vahvistuslevy
Gd2O2S
BaSrFBr:Eu
Gd2O2S
CsI:TI
Gd2O2S
CsI:TI
Pikselikoko
m
200
167
162
139
160
143
Viivaerotuskyky
(viivapareja/mm)
5
2,5
3
3,1
3,6
3,1
3,5
Dynaaminen
skaala
30
40000
4000
10000
10000
10000
10000
4.2.3.2 Kuvan jälkikäsittely
Kuvan jälkikäsittelyllä pyritään parantamaan kuvan diagnostista laatua etupäässä vähentämällä
kohinaa, poistamalla teknisiä artefakteja, optimoimalla kontrastia ja korostamalla reunaviivoja.
Vaikka kuvan paikkaerotuskyky ei ole primääristi parannettavissa jälkikäteen, joillakin
optimoinneilla voi olla vaikutusta diagnostiseen paikkaerotuskykyyn. Optimoinnin
perusominaisuuksiin kuitenkin kuuluu, että korostamalla jotain asiaa toinen asia voi peittyä. Tällöin
vaaditaan siis joko erinomaista taitoa arvioida, mitä kuvassa on näyttävä tai käytettävä kohteen
mukaan pitkälle optimoituja ohjelmia.
4.2.3.3 Dynaaminen alue (Dynamic range) ja valotusvara (latitude)
Dynaamisella alueella tarkoitetaan signaalivoimakkuuksien erojen havaitsemisen skaalaa, joka on
mahdollista tietylle ilmaisimelle. Esim. filmille luku 1/30 tarkoittaa, että filmi voi havaita eroja
röntgensäteilyn intensiteeteissä, jos heikoin komponentti on 30-osa voimakkaimmasta.
Digitaalikuvissa on valtavan paljon laajempi dynaaminen alue filmiin verrattuna. Tästä johtuen
virheellinen valotus johtaa harvoin uusintakuvaan. Toisaalta samasta kuvasta voi valita paljon
harmaasävyjä melko helposti tietylle kudostyypille (esim. aivot) ja käsitellä sen jälkeen jollekin
toiselle kudokselle (esim. luu) sopivaksi. Toisaalta käytännön kuvaustilanteissa laaja dynaaminen
alue voi aiheuttaa huoletonta säteilyn käyttöä, koska kuva ei käytännössä anna selkeää merkkiä
vielä melko suuristakaan ”ylivalotuksesta”. Digitaalisessa kuvassa todellinen valotusvara (latitude)
on teoreettista selkeästi kapeampi: 50% alivalotus tuottaa kuvaan merkittävästi rakeisuutta kohinan
takia ja kaksinkertainen ylivalotus aiheuttaa kontrastin menetyksen, kun yksittäisten pikselien
alueen annoseroja ei enää kyetä erottamaan. Toisaalta digitaalisessa kuvassa valotusvaran ja
kontrastin välinen suhde on filmikuvaa helpommin muokattavissa käyrän muotoa muuttamalla.
Kuvalevykuvan dynaaminen alue on eri laitetyypeistä laajin, mutta käytännössä kaikilla
digitaalisilla järjestelmillä on laajempi kuin mitä kohtuullisesti oikeaan osunut valotus edellyttää.
4.2.3.4 Dynaamisen alueen lineaarisuus
Lineaarisuudella tarkoitetaan, kuinka hyvin ilmaisimesta ulostuleva signaali noudattaa siihen
tulevan informaation intensiteettivaihtelua. Filmi-vahvistuslevy-yhdistelmässä
röntgensäteilymäärän suhteelliset erot eivät toistu samassa suhteessa kuvan valoisuuksina vaan
muutokset ovat suurempia valotusvaran keskikohdalla kuin ala- ja ylälaidassa. Tällöin pienetkin
valotusajan muutokset voivat aiheuttaa optimaalisen kontrastin menetyksen kuvasta. Digitaalisissa
järjestelmissä ulostulosignaali on käytännössä aina suorassa suhteessa säteilymäärän suhteellisiin
eroihin. Suhdetta muutetaan jälkikäsittelyllä käytännössä aina kuvan kontrastivaatimusten
mukaisesti sopivaksi.
4.2.3.5 Modulaation siirtofunktio (Modulation Transfer Function) MTF
Modulaatio kertoo, kuinka suurta valoisuuden vaihtelua kuvassa on suhteessa valon kokonaismäärään:
Modulaatio = M = (Lmax – Lmin) / (Lmax + Lmin)
Lmax = alueen maksimiluminisenssi (luminisenssi = valon määrä)
Lmin = alueen minimiluminisenssi
MTF kertoo filmin tai koko kuvausjärjestelmän kyvystä toistaa kontrasteja tietyllä paikkaerotuskyvyllä:
MTF = Mi / Mo
Jossa Mi on kuvan ja Mo kohteen modulaatio.
MTF:n arvo 1 tarkoittaisi, että kuvassa valoisuuden vaihtelu on täsmälleen niin suurta kuin kohteessakin. Suuri
MTF:n arvo kertoo, että ilmaisin kykenee toistamaan ilmaisimeen tulevan röntgensäteilyn määrän vaihtelun
aiheuttamat erot. MTF:n arvo pienenee paikkaerotuskyvyn kasvaessa.
Toistaiseksi löytämäni lähdeaineiston (P.Willems, P.Soltani, B.Vaessen, 15 the WCNDT, Rome 2000)
mukaan seleenipohjaisen taulukuvauslaitteen MTF-arvot näyttävät olevan lähes filmikuvan luokkaa muiden
sovellusten jäädessä tästä tasosta selkeästi.
“Kohinattomassa” signaalissa minimiero, joka voidaan ilmaista digitaalisten pikselien välillä, riippuu mahdollisista
numeroarvoista ja toisaalta kohdealueen signaalin voimakkuudesta suhteessa taustatasoon. Useimmissa
järjestelmissä pikselien arvot määräytyvät stimuloituneen valon määrän tai levylle absorboituneen annoksen
logaritmin mukaan, jolloin kontrasti muodostuu pikselien numeeristen arvojen eroista. Kontrastin sensitiivisyys eli
havaittavuus riippuu lisäksi havaitsemisen tehokkuudesta (elektronia/absorboitunut röntgenkvantti,
röntgenkvanttien määrä/AD yksikkö, …) sekä röntgenkvanttien, valon ja elektroniikan aiheuttaman kohinan tasosta
suhteessa kontrastieroihin. Lisäksi siihen vaikuttavat käytetty kV, katseluolosuhteet (näytön kontrasti ja
luminanssi, häiritsevän taustavalon määrä, katsojan optiset rajoitteet,…).
4.2.3.6 Signaali-kohinasuhde
Signaali-kohinasuhteella tarkoitetaan kuvassa olevan diagnostisen informaation ja muun siinä
esiintyvän informaation välistä suhdetta. Kuvan kannalta kohina sisältää hajasäteilyn, ilmaisimessa
tapahtuvan valon sironnan ja elektronisen kohinan. Ilmaisimen itsensä kannalta hajasäteily ei ole
kohinaa. Seuraavassa signaalikohinasuhdetta tarkastellaan vain ilmaisimen kannalta.
4.2.3.7 Havaittava kvanttitehokkuus DQE
Havaittava kvanttitehokkuus DQE liittyy ilmaisimen tehokkuuteen sen muuntaessa röntgenenergiaa
kuvan signaaliksi. Se lasketaan vertaamalla ilmaisimen ulostulon signaali-kohinasuhdetta sen
sisään tulevaan.
DQE = ( Ilmaisimen ulostulosignaalin signaali-kohinasuhde)2
(Ilmaisimeen tulevan signaalin signaali-kohinasuhde)2
Tätä suhdetta kuvataan spatiaalisen frekvenssin funktiona (alhainen sf => yleishahmo, korkea sf => tarkka rajojen
erottuvuus). Sf:n sijasta voidaan muuttujana käyttää myös viivaerotuskykyä. DQE riippuu säteilymäärästä,
paikkaerotuskyvystä, MTF:sta ja detektorimateriaalista. Myös säteilyn laatu (kV) vaikuttaa asiaan.
DQE:n teoreettinen maksimiarvo on 1, mikä tarkoittaa, että ilmaisimeen tuleva informaatio toistuu ilmaisesta
poistuessaan kohinan suhteen muuttumattomana. Käytännössä DQE:n arvot ovat alle 0,45:n suurella erotuskyvyn
ollessa alhainen ja putoavat alle 0,1:n suurella paikkaerotuskyvyllä.
Havaittava kvanttitehokkuus riippuu kvanttien havaitsemistehokkuudesta kuvalevyllä ja joka prosessin tasolla
syntyvään kohinasta. Esim. kuvalevyllä tämä sisältää virityksen aiheuttavien elektronien määrän röntgenkvanttia
kohti, latentin kuvan stimulaatiossa ja emissiossa syntyvän kohinan sekä signaalin synnyssä ja digitoinnissa
syntyvän elektronisen kohinan.
Korkea DQE tarkoittaa, että kelvolliseen kuvaan tarvitaan vähän säteilyä. Se ei kuitenkaan tarkoita
aina hyvää kuvanlaatua. Alhainen DQE taas tarkoittaa, että kuvassa on alkuperäiseen informaatioon
nähden paljon kohinaa.
Useiden lähteiden tulokset viittaavat siihen, että digitaalisista sovelluksista amorfiseen piihin
perustuvat taulukuvauslaitteet tuottavat parhaat arvot kuvalevyn jäädessä vertailussa häntäpäähän
(CCD-sovellukset eivät ole tässä mukana). Mikään näistä ei kuitenkaan näytä yltävät perinteisen
filmi-vahvistuslevy-yhdistelmän tasolle.
Joissakin digitaalisissa reseptoreissa ilmaisimen herkin alue voi olla alhaisilla säteilyenergioilla. Tästä johtuen
näissä laitteissa tarvittava primäärisäteilyn määrä ei laske säteilyn läpäisevyyden lisääntyessä yhtä voimakkaasti
kuin esimerkiksi filmi-vahvistuslevy-yhdistelmässä. Tällöin myös optimaaliset kV-arvot voivat jossain määrin
vaihdella laitekohtaisesti samalle kuvauskohteelle.
(P.Willems, P.Soltani, B.Vaessen, 15 the WCNDT, Rome 2000)
4.2.3.8 Potilasannos digitaalikuvauksessa
Tutkimuksissa ( Esim. Busch HP, Busch S, Decker C, et al. Image quality and exposure dose in digital projection radiography.
Rofo 2003;175:32–37) on ilmennyt, että kuvalevykuvan annosta voidaan laskea merkittävästikin joissakin
erityistapauksissa, mutta usein se johtaa kohinan lisääntymisen myötä diagnostisesti kelpaamattomaan laatuun. Sen
sijaan taulukuvaussovelluksissa annoksen laskumahdollisuudet ovat suuren kvanttitehokkuuden ansiosta merkittävästi
paremmat. Vain muutamista rintakehän alueen tutkimuksista on raportoitu annoksen noususta taulukuvauksen
yhteydessä, mutta nämä raportit ovat jo vuodelta 2000, minkä jälkeen laitteet ovat kehittyneet valtavasti.
Opiskelijoidemme tekemissä annosmittauksissa taulukuvauksen annokset ovat merkitsevästi alhaisempia vastaaviin
kuvalevykuvauksiin thorax-kuvauksissa.