СПОСОБ МУЛЬТИЭНЕРГЕТИЧЕСКОГО РЕНТГЕНОЛОГИЧЕСКОГО ИССЛЕДОВАНИЯ Российский патент 2021 года по МПК G01N23/04 

Настоящее изобретение относится к области медицинской рентгеновской техники и может быть использовано при обследовании пациентов с различными заболеваниями, включая онкологические заболевания.

Известен способ рентгенологического исследования, включающий в себя облучение пациента рентгеновским излучением в результате подачи на источник рентгеновского излучения последовательности, состоящей из двух импульсов напряжения различной величины, получение соответствующей последовательности исходных рентгеновских изображений и построение на их основе последовательности раздельных изображений тканей, имеющих разные коэффициенты линейного ослабления (см. Patel R. et al. Markerless motion tracking of lung tumors using dual-energy fluoroscopy, Medical physics, vol. 42 (1), 2015, p.254).

Недостаток известного способа состоит в проявлении на получаемых раздельных изображениях артефактов, обусловленных как естественным ритмичным движением пациента во время диагностического исследования (в результате дыхания и сердцебиения), так и возможными случайными изменениями положения его тела, что снижает точность интерпретации изображений.

Известный способ принят в качестве ближайшего аналога заявленного способа.

Техническая проблема, решаемая заявленной группой изобретений, состоит в создании способа рентгенологического исследования, обеспечивающего возможность точной интерпретации рентгеновских изображений и, следовательно, получения высокоинформативной динамической картины состояния пациента, что, в конечном счете, повышает диагностическую ценность исследования.

При этом достигается технический результат, заключающийся в редуцировании артефактов движения на получаемых раздельных изображениях за счет компенсации влияния остаточного эффекта такого движения на информативность этих изображений.

Техническая проблема решается, а указанный технический результат достигается в результате реализации способа рентгенологического исследования, включающего в себя облучение пациента рентгеновским излучением в результате подачи на источник рентгеновского излучения последовательности импульсов напряжения различной величины, получение соответствующей последовательности исходных рентгеновских изображений и построение на их основе последовательности раздельных изображений тканей, имеющих разные коэффициенты линейного ослабления. В заявленном способе на источник рентгеновского излучения подают последовательность из N≥3 импульсов напряжения, величины напряжений U которых для любого n=1…N удовлетворяют условию:

если U_n+1>U_n,то U_n+2<U_n+1,

если U_n+1<U_n. то U_n+2>U_n+1.

После получения каждого очередного исходного изображения, начиная со второго, перед построением раздельных изображений тканей, имеющих разные коэффициенты линейного ослабления, производят совмещение очередного (n+1)-го исходного изображения с предыдущим n-м исходным изображением путем коррекции одного из них.

Согласно частному варианту реализации изобретения, совмещение очередного (n+1)-го исходного изображения с предыдущим исходным n-м изображением путем коррекции одного из них производят в результате осуществления последовательности сжатий исходных рентгеновских изображений в k_p раз,

где k_p - текущий коэффициент сжатия, выбираемый из:

k₁≥k₂≥…≥k_p-1≥k_p≥k_p+1≥k_P, нахождений векторов смещений Δr_p(i.j) каждого пикселя с координатами i j,

где i=1…,N_P, j=1…М_р, a N_pxM_p - размер каждого из сжатых изображений, формирований из них карты смещений в масштабе исходных изображений и получений текущего скорректированного изображения путем сдвига предыдущего скорректированного изображения соответственно текущей карте смещений вплоть до получения окончательного скорректированного изображения.

Согласно другому частному варианту реализации изобретения, совмещение очередного (n+1)-го исходного изображения с предыдущим n-м исходным изображением путем коррекции одного из них производят в результате осуществления последовательности сжатий исходных рентгеновских изображений в k_p раз, где k_p - текущий коэффициент сжатия, выбираемый из условия:

k₁≥k₂≥…≥k_p-1≥k_p≥k_p+1…k_p и нахождений векторов смещений Δr_p(ij) каждого пикселя с координатами ij,

где i=1…N_p, j=1…М_р, a N_pxM_p - размер каждого из сжатых изображений, формирования из них карты смещений в масштабе исходных изображений Δr с ее последовательным уточнением вплоть до получения окончательной карты смещений и получения окончательного скорректированного изображения путем сдвига исходного изображения соответственно окончательной карте смещений, что дополнительно позволяет избежать накопления дефектов в корректируемом изображении.

Согласно предпочтительному варианту реализации изобретения, после получения каждого n-го изображения, начиная с третьего, дополнительно к формированию соответствующей карты смещений Δr_n формируют карту приращений смещений u_n, после получения каждого (n+1)-го изображения формируют соответствующую карту смещений Δ_n+1, а затем с помощью фильтра Калмана формируют уточненную карту смещений Δr'_n+1 из математического выражения:

Δr'_n+1=К_n+1⋅Δr_n+1+(1-К_n+1)⋅(Δr_n+u_n),

где К_n+1 - коэффициент Калмана.

Это дополнительно позволяет уменьшить влияние ошибок нахождения векторов смещений на качество коррекции.

Согласно еще одному частному варианту реализации изобретения, после совмещения очередного (n+1)-го исходного изображения с предыдущим n-м исходным изображением производят смешивание упомянутых совмещенных изображений, получая дополнительное изображение с более высоким соотношением контраст/шум, чем у любого из исходных изображений, что дополнительно расширяет диагностические возможности исследования.

Заявленный способ рентгенологического исследования реализуют следующим образом.

Производят облучение пациента рентгеновским излучением, например, в частном варианте реализации, подавая на источник рентгеновского излучения последовательность из трех импульсов напряжения, величиной, соответственно, U₁, U₂, U₃. При этом U₂>U₁, а U₃<U₂ (в другом варианте, U₂<U₁, a U₃>U₂).

Допустима также подача на источник рентгеновского излучения любой последовательности из N≥3 импульсов напряжения, величины напряжений U которых для любого n=1…N удовлетворяют условию:

если U_n+1>U_n. то U_n+2<U_n+1,

если U_n+1<U_n, то U_n+2>U_n+1.

Подачу импульсов осуществляют с помощью генератора напряжения, входящего в состав рентгеновского питающего устройства. Испущенное источником излучение опционально дополнительно фильтруют, пропуская через слой селективно поглощающего материала.

Прошедшее сквозь пациента излучение регистрируют с помощью приемника рентгеновского излучения, опционально комплектуемого растром, отфильтровывающим рассеянное излучение.

Далее, после получения каждого очередного исходного изображения, начиная со второго, производят совмещение очередного исходного рентгеновского изображения g с предыдущим исходным изображением f путем коррекции одного из них, например, f.

Для этого, согласно одному из частных вариантов реализации, осуществляют следующую последовательность операций:

1) производят сжатие изображений g и f в k₁ раз, в результате чего получают изображения g₁ и f₁;

2) находят вектор смещения Δr_1(i.j) каждого пиксела g₁ относительно f₁ (данная операция может быть реализована любым подходящим алгоритмом, в частности, одним из алгоритмов т.н. «оптического потока», раскрытым, например, в Beauchemin S.S., Barron J.L. «The computation of optical flow», ACM Journals, ACM Computing Surveys, Vol. 27, №3, September 1995), при этом совокупность всех найденных векторов Δr_1(i.j) образует карту смещений Δr₁;

3) осуществляют формирование карты смещений Δr в масштабе исходных изображений в результате того, что интерполяцией осуществляют изменение масштаба карты смещений от Δr₁ к Δr;

4) получают последующее скорректированное изображение f, осуществляя сдвиг изображения f, согласно Δr;

5) операции 1-4 повторяют при последующих выбранных значениях k_p (из последовательности k₁, k₂,…k_p, подчиняющейся условию k_p≥k_p+1) выбор которых осуществляют предварительно (на этапе отладки заявленного алгоритма совмещения), исходя из требований к качеству раздельных изображений (более подробно с вопросом определения качества рентгеновского изображения можно ознакомиться, например, в Martin C.J. et al. ((Measurement of image quality in diagnostic radio!ogy», Appl Radiat Isot, 1999 Jan, 50 (1), pp. 21-38), получая окончательное скорректированное изображение f.

Согласно еще одному варианту реализации, осуществляют следующую последовательность операций.

1) производят сжатие изображений g и f в k₁ раз, в результате чего получают изображения g₁ и f₁;

2) находят вектор смещения Δr_1(i.j) каждого пиксела g₁ относительно f₁ (данная операция может быть реализована любым подходящим алгоритмом, в частности, одним из алгоритмов т.н. «оптического потока», раскрытым, например, в упомянутой выше статье Beauchemin S.S. et al.; при этом совокупность всех найденных векторов Δr_1(i.j) образует карту смещений Δn;

3) осуществляют формирование карты смещений Δr в масштабе исходных изображений в результате того, что интерполяцией осуществляют изменение масштаба карты смещений от Δr₁ к Δr;

4) сдвигают изображение f, согласно Δr, в результате чего получают промежуточное изображение f;

5) производят сжатие изображений g и f в k₂ раз (k₂≤k₁), в результате чего получают изображения g₂ и f₂;

6) находят вектор смещения Δr_2(i.j) каждого пиксела g₂ относительно f₂ (данная операция может быть реализована любым подходящим алгоритмом, в частности, одним из алгоритмов т.н. «оптического потока», раскрытым, например, в упомянутой выше статье Beauchemin S.S. et al.; при этом совокупность всех найденных векторов Δr_2(i.j) образует карту смещений Δr₂;

7) осуществляют формирование карты смещений Δ(Δr) в масштабе исходных изображений в результате того, что интерполяцией осуществляют изменение масштаба карты смещений от Δr₂ к Δ(Δr);

8) уточняют карту смещений Δr путем уточнения каждого из векторов смещений Δr.ij=Δr_ij+Δ(Δr_ij);

9) сдвигают изображение f, согласно Δr, в результате чего получают скорректированное изображение f;

10) повторяют операции 5-9 при последующих выбранных значениях к (из последовательности k₁, k₂,…k_p, подчиняющейся условию k_p≥k_p+1) выбор которых осуществляют предварительно (на этапе отладки описанного алгоритма совмещения), исходя из требований к качеству раздельных изображений (раскрытым, например, в упомянутой выше статье Martin C.J. et al.), получая окончательную карту смещений Δr и соответствующее изображение f, которое принимают за окончательное скорректированное изображение.

Согласно предпочтительному варианту реализации изобретения, на каждом шаге ппоследовательности из N≥3 импульсов, начиная с третьего, дополнительно к формированию соответствующей карты смещений Δr_n формируют карту приращений смещений u_n, на каждом шаге n+1 формируют соответствующую карту смещений Δr_n+1, а затем с помощью фильтра Калмана формируют уточненную карту смещений Δr'_n+1 из математического выражения:

Δr'_n+1=К_n+1Δr_n+1+(1-К_n+1)⋅( Δr_n+u_n), где К_n+1 - коэффициент Калмана.

Более подробно принцип построения фильтра Калмана раскрыт, в частности, в публикации Paul Zarchan; Howard Musoff. Fundamentals of Kalman Filtering: A Practical Approach. American Institute of Aeronautics and Astronautics, Incorporated, 2000.

На основе полученной пары изображений, состоящей из окончательного скорректированного изображения и исходного изображения, (f и g, соответственно -согласно первому варианту реализации, f и g, соответственно - согласно второму варианту реализации, включая его предпочтительный вариант), осуществляют построение раздельных изображений тканей, имеющих разные коэффициенты линейного ослабления, путем применения любого подходящего алгоритма, например, раскрытого в упомянутой выше статье Tong Xu et al.

Допустимо применение любых иных подходящих алгоритмов совмещения двух исходных изображений.

Может быть также получено дополнительное объединенное изображение, любым подходящим способом смешения двух изображений, например, взвешенным суммированием или иным способом, широко известным из уровня техники (например, из Е. Davies Machine Vision: Theory, Algorithms and Practicalities, Academic Press, 1990), не раскрываемым конкретно в рамках настоящей заявки.

Использование: для мультиэнергетического рентгенологического исследования. Сущность изобретения заключается в том, что осуществляют облучение пациента рентгеновским излучением в результате подачи на источник рентгеновского излучения последовательности импульсов напряжения различной величины, получение соответствующей последовательности исходных рентгеновских изображений и построение на их основе последовательности раздельных изображений тканей, имеющих разные коэффициенты линейного ослабления. На источник рентгеновского излучения подают последовательность из N≥3 импульсов напряжения, величины напряжений U которых для любого n=1…N удовлетворяют условию: если U_n+1>U_n, то U_n+2<U_n+1, если U_n+1<U_n, то U_n+2>U_n+1. После получения каждого очередного исходного изображения, начиная со второго, перед построением раздельных изображений тканей, имеющих разные коэффициенты линейного ослабления, производят совмещение очередного (n+1)-го исходного изображения с предыдущим n-м исходным изображением путем коррекции одного из них. Технический результат: обеспечение возможности редуцирования артефактов движения на получаемых раздельных изображениях. 4 з.п. ф-лы.

1. Способ рентгенологического исследования, включающий в себя облучение пациента рентгеновским излучением в результате подачи на источник рентгеновского излучения последовательности импульсов напряжения различной величины, получение соответствующей последовательности исходных рентгеновских изображений и построение на их основе последовательности раздельных изображений тканей, имеющих разные коэффициенты линейного ослабления, отличающийся тем, что на источник рентгеновского излучения подают последовательность из N≥3 импульсов напряжения, величины напряжений U которых для любого n=1…N удовлетворяют условию:

если U_n+1>U_n, то U_n+2<U_n+1,

если U_n+1<U_n, то U_n+2>U_n+1,

при этом после получения каждого очередного исходного изображения, начиная со второго, перед построением раздельных изображений тканей, имеющих разные коэффициенты линейного ослабления, производят совмещение очередного (n+1)-го исходного изображения с предыдущим n-м исходным изображением путем коррекции одного из них.

2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что совмещение очередного (n+1)-го исходного изображения с предыдущим n-м исходным изображением производят в результате осуществления последовательности сжатий упомянутых исходных изображений в k_p раз,

где k_p - текущий коэффициент сжатия, выбираемый из

k₁≥k₂≥…≥k_p-1≥k_p≥k_p+1…k_p,

нахождений векторов смещений Δr_p(i,j) каждого пикселя с координатами i, j,

где i=1…N_p, j=1…М_р, a N_pxM_p - размер каждого из сжатых изображений, формирования из них карты смещений в масштабе исходных изображений и получения текущего скорректированного изображения путем сдвига предыдущего скорректированного изображения соответственно текущей карте смещений вплоть до получения окончательного скорректированного изображения.

3. Способ по п. 1, отличающийся тем, что совмещение очередного (n+1)-го исходного изображения с предыдущим n-м исходным изображением производят в результате осуществления последовательности сжатий упомянутых исходных изображений в k_p раз,

где k_p - текущий коэффициент сжатия, выбираемый из условия

k₁≥k₂≥…≥k_p-1≥k_p≥k_p+1…k_p,

и нахождений векторов смещений Δr_p(i,j) каждого пикселя с координатами i, j, где i=1…N_p, j=1…M_p, a N_pxM_p - размер каждого из сжатых изображений, формирования из них карты смещений в масштабе исходных изображений Δr_n с ее последовательным уточнением вплоть до получения окончательной карты смещений и получения окончательного скорректированного изображения путем сдвига исходного изображения соответственно окончательной карте смещений.

4. Способ по п. 3, отличающийся тем, что после получения каждого n-го изображения, начиная с третьего, дополнительно к формированию соответствующей карты смещений Δr_n формируют карту приращений смещений u_n, после получения каждого (n+1)-го изображения формируют соответствующую карту смещений Δr_n+1, а затем с помощью фильтра Калмана формируют уточненную карту смещений Δr'_n+1 из математического выражения

Δr'_n+1=К_n+1⋅Δr_n+1+(1-К_n+1)⋅(Δr_n+U_n),

где К_n+1 - коэффициент Калмана.

5. Способ по любому из пп. 1-4, отличающийся тем, что после совмещения очередного (n+1)-го исходного изображения с предыдущим n-м исходным изображением производят смешивание упомянутых совмещенных изображений, получая дополнительное изображение.