اصول جدید افزایش وضوح تصویر اشعه ایکس CT کاهش گلو فشرده تصویربرداری

آیا تا به حال با تصویرهای تار سی تی اشعه ایکس مشکل داشته اید؟ تلاش برای یک وضوح بالاتر اغلب به نظر می رسد یک سازش بی پایان بین سرعت اسکن، کیفیت تصویر و محدودیت های عملی باشد.این بررسی اصول اساسی رزولوشن CT را نشان می دهد و استراتژی های عملی برای دستیابی به نتایج تصویربرداری بهینه را ارائه می دهد.

در توموگرافی کامپیوتری اشعه ایکس (CT) و برنامه های کاربردی میکرو CT، وضوح بیش از اندازه پیکسل را نشان می دهد. وضوح تصویر واقعی به چندین عامل متقابل وابسته بستگی دارد:

• رزولوشن فضایی (حداقل اندازه ویژگی قابل تشخیص)
• ابعاد وکسل
• حساسیت به کنتراست
• نسبت سیگنال به سر و صدا
• حداقل سازی آثار هنری

چالش مهم در حداکثر رساندن وضوح به هر قیمتی نیست، بلکه در یافتن تعادل مطلوب بین این پارامترهای رقابتی برای هر برنامه کاربردی خاص است.

موسسه ملی استانداردها و فناوری (NIST) وضوح را به عنوان "قدرت یک سیستم اندازه گیری برای تشخیص و نشان دادن دقیق تغییرات کوچک در نتایج اندازه گیری تعریف می کند." براي تصوير گرفتن سي تي "، این به کوچکترین ویژگی قابل تشخیص در یک نمونه ترجمه می شود.

تجزیه و تحلیل پلیمرهای تقویت شده با فیبر کربن (CFRP) را در نظر بگیرید. برای شناسایی ساده فیبر های 5-10μm نیاز به وضوح زیر این آستانه است.تجزیه و تحلیل کمی جهت گیری فیبر نیاز به دقت حتی بیشتر دارد که به وضوح 1μm یا زیر میکروونی نزدیک می شود.

وضوح تصویربرداری دیجیتال به دو عنصر اساسی بستگی دارد:

1. رزولوشن پیکسل/ ووکسل:بر اساس قضیه نمونه گیری نیکیست-شانن، تشخیص ویژگی های قابل اعتماد نیاز به ابعاد پیکسل کمتر از نیمی از اندازه ویژگی هدف دارد. یک ویژگی 4.4 میلی متری حداقل نیاز به 2.پیکسل های 2 میلی متری برای تشخیص، اما پیکسل های زیر میلی متری برای کمیت دقیق.
2. تابع پخش نقطه (PSF):این توصیف ریاضی از تار شدن تصویر، علت نقص در سیستم تصویربرداری است. حتی با وضوح پیکسل کافی، PSF بیش از حد می تواند جزئیات مهم را پنهان کند.تصویربرداری بهینه نیاز به مقادیر PSF حدود یک دهم از اندازه ویژگی هدف دارد..

سیستم های سی تی فعلی به وضوح چندین نظم بزرگ را به دست می آورند:

• CT پزشکی / صنعتی: 100-500μm
• میکرو سی تی: 1-100μm
• سیستم های وضوح بالا: 50-500nm
• سیستم های سینکروترون پیشرفته: 10-100nm

حد نظری به طول موج اشعه ایکس (≈0.1nm) نزدیک می شود.اما محدودیت های عملی مانند دیافراگم عددی و تکنولوژی آشکارساز در حال حاضر سیستم های آزمایشگاهی را به محدوده میکرو و زیر میکرو محدود می کند.

دنبال کردن وضوح بالاتر همیشه بر پارامترهای مهم دیگر تاثیر می گذارد:

• میدان دید:افزایش بزرگنمایی باعث کاهش منطقه تصویر می شود. یک آشکارساز ۳۰۰۰ × ۳۰۰۰ پیکسل ممکن است هر دو را ارائه دهد:
  • میدان 30 میلی متری با وضوح 10μm، یا
  • میدان 3 میلی متری با وضوح 1μm
• مدت اسکن:اسکن های با وضوح بالاتر نیاز به:
  • زمان های نوردهی طولانی تر برای حفظ نسبت سیگنال به سر و صدا، یا
  • کیفیت تصویر کاهش یافته با گرفتن سریعتر
• محدودیت های منبع اشعه ایکس:نقاط کانونی کوچکتر (بهبودی PSF) نیاز به جریان های کم تر پرتو، کاهش جریان فوتون و افزایش سر و صدا دارند.

تصویربرداری کامپیوتری موثر نیاز به انتخاب پارامترهای هدفمند دارد:

1. حداقل اندازه ویژگی را تعریف کنید (L)
2. اندازه voxel را برای تشخیص L/5-L/2 یا برای کمی کردن L/20-L/5 تنظیم کنید.
3. تنظیم میدان دید با استفاده از خیاط یا اسکن های آفست در صورت لزوم
4. بهینه سازی انرژی اشعه ایکس برای تراکم نمونه
5. زمان اسکن را با نسبت سیگنال به سر و صدا مورد نیاز تعادل دهید

الگوهای تست استاندارد ارزیابی عینی از وضوح را فراهم می کنند. معیارهای رایج عبارتند از:

• دید جفت خط در الگوهای نوار
• اندازه گیری شدت لبه
• تجزیه و تحلیل تابع انتقال مدولاسیون

فانتوم های تخصصی با مواد متناوب کنتراست بالا / پایین (به عنوان مثال سازه های سیلیکون / پلیمر) امکان ارزیابی کمی از قابلیت های رزولوشن 2D و 3D را فراهم می کنند.

روش های محاسباتی پیشرفته برای غلبه بر محدودیت های سنتی امیدوار کننده هستند:

• سوپر رزولوشن یادگیری عمیقشبکه های عصبی می توانند به طور هوشمندانه اسکن با وضوح پایین تر را افزایش دهند در حالی که جزئیات مهم را حفظ می کنند. مطالعات اخیر نشان می دهد که بهبود وضوح 2-4 برابر در برخی از برنامه ها.
• تصویربرداری چند مقیاس:ترکیب اسکن های منطقه بزرگ با وضوح پایین با اکتساب های هدفمند با وضوح بالا هم زمینه و هم جزئیات را فراهم می کند.

آینده تصویربرداری سی تی در دنبال کردن حداکثر وضوح نیست، بلکه در توسعه سیستم های هوشمند است که به طور خودکار تمام پارامترها را برای هر چالش تحلیلی خاص بهینه می کند.