หลักการใหม่ช่วยเพิ่มความละเอียดของภาพ CT Scan ด้วยรังสีเอกซ์ ลดปัญหาคอขวดในการสร้างภาพ

คุณเคยประสบปัญหาภาพ CT สแกน X-ray ที่เบลอหรือไม่? การแสวงหาความละเอียดที่สูงขึ้นมักจะดูเหมือนเป็นการประนีประนอมที่ไม่สิ้นสุดระหว่างความเร็วในการสแกน คุณภาพของภาพ และข้อจำกัดในทางปฏิบัติ การตรวจสอบนี้เผยให้เห็นหลักการพื้นฐานของความละเอียด CT และให้กลยุทธ์ที่นำไปใช้ได้จริงสำหรับการบรรลุผลลัพธ์การถ่ายภาพที่ดีที่สุด

ในการประยุกต์ใช้รังสีเอกซ์คอมพิวเตอร์โทโมกราฟี (CT) และไมโคร-CT ความละเอียดแสดงถึงมากกว่าขนาดพิกเซล ความคมชัดของภาพที่แท้จริงขึ้นอยู่กับปัจจัยที่พึ่งพาซึ่งกันและกันหลายประการ:

• ความละเอียดเชิงพื้นที่ (ขนาดคุณสมบัติที่แยกแยะได้น้อยที่สุด)
• ขนาดวอกเซล
• ความไวของคอนทราสต์
• อัตราส่วนสัญญาณต่อสัญญาณรบกวน
• การลดสิ่งประดิษฐ์

ความท้าทายที่สำคัญไม่ได้อยู่ที่การเพิ่มความละเอียดให้สูงสุดในทุกวิถีทาง แต่อยู่ในการหาความสมดุลที่เหมาะสมระหว่างพารามิเตอร์ที่แข่งขันกันเหล่านี้สำหรับการใช้งานเฉพาะแต่ละรายการ

สถาบันมาตรฐานและเทคโนโลยีแห่งชาติ (NIST) กำหนดความละเอียดว่าเป็น "ความสามารถของระบบการวัดในการตรวจจับและระบุการเปลี่ยนแปลงเล็กน้อยในผลลัพธ์การวัดอย่างซื่อสัตย์" สำหรับการถ่ายภาพ CT สิ่งนี้แปลเป็นคุณสมบัติที่เล็กที่สุดที่ตรวจพบได้ภายในตัวอย่าง

พิจารณาการวิเคราะห์โพลิเมอร์เสริมใยคาร์บอน (CFRP) การระบุเส้นใยขนาด 5-10μm นั้นต้องใช้ความละเอียดต่ำกว่าเกณฑ์นี้ การวิเคราะห์เชิงปริมาณของทิศทางของเส้นใยต้องการความแม่นยำที่มากกว่านั้น—เข้าใกล้ความละเอียด 1μm หรือต่ำกว่าไมครอน

ความละเอียดในการถ่ายภาพดิจิทัลขึ้นอยู่กับองค์ประกอบพื้นฐานสองประการ:

1. ความละเอียดพิกเซล/วอกเซล: ตามทฤษฎีการสุ่มตัวอย่างของ Nyquist-Shannon การตรวจจับคุณสมบัติที่เชื่อถือได้ต้องใช้ขนาดพิกเซลที่เล็กกว่าครึ่งหนึ่งของขนาดคุณสมบัติเป้าหมาย คุณสมบัติขนาด 4.4 มม. ต้องใช้พิกเซลอย่างน้อย 2.2 มม. สำหรับการตรวจจับ แต่พิกเซลขนาดต่ำกว่ามิลลิเมตรสำหรับการวัดปริมาณที่แม่นยำ
2. ฟังก์ชันการแพร่กระจายจุด (PSF): คำอธิบายทางคณิตศาสตร์ของการเบลอภาพนี้คำนึงถึงข้อบกพร่องในระบบการถ่ายภาพ แม้จะมีความละเอียดพิกเซลที่เพียงพอ PSF ที่มากเกินไปอาจบดบังรายละเอียดที่สำคัญ การถ่ายภาพที่ดีที่สุดต้องใช้ค่า PSF ประมาณหนึ่งในสิบของขนาดคุณสมบัติเป้าหมาย

ระบบ CT ปัจจุบันมีความละเอียดที่ครอบคลุมหลายขนาด:

• CT ทางการแพทย์/อุตสาหกรรม: 100-500μm
• ไมโคร-CT: 1-100μm
• ระบบความละเอียดสูง: 50-500nm
• ระบบซินโครตรอนขั้นสูง: 10-100nm

ขีดจำกัดทางทฤษฎีเข้าใกล้ความยาวคลื่นของรังสีเอกซ์ (≈0.1nm) แต่ข้อจำกัดในทางปฏิบัติ เช่น รูรับแสงเชิงตัวเลขและเทคโนโลยีเครื่องตรวจจับ ปัจจุบันจำกัดระบบในห้องปฏิบัติการให้อยู่ในช่วงไมครอนและต่ำกว่าไมครอน

การแสวงหาความละเอียดที่สูงขึ้นส่งผลกระทบต่อพารามิเตอร์ที่สำคัญอื่นๆ อย่างหลีกเลี่ยงไม่ได้:

• ขอบเขตการมองเห็น: การขยายภาพที่เพิ่มขึ้นจะลดพื้นที่ที่ถ่ายภาพ ตัวตรวจจับขนาด 3000×3000 พิกเซลอาจให้:
  • ขอบเขต 30 มม. ที่ความละเอียด 10μm หรือ
  • ขอบเขต 3 มม. ที่ความละเอียด 1μm
• ระยะเวลาการสแกน: การสแกนที่มีความละเอียดสูงขึ้นต้องใช้:
  • ระยะเวลาการเปิดรับแสงที่นานขึ้นเพื่อรักษาอัตราส่วนสัญญาณต่อสัญญาณรบกวน หรือ
  • คุณภาพของภาพลดลงด้วยการได้มาซึ่งข้อมูลที่เร็วขึ้น
• ข้อจำกัดของแหล่งกำเนิดรังสีเอกซ์: จุดโฟกัสที่เล็กลง (ปรับปรุง PSF) ต้องการกระแสลำแสงที่ต่ำกว่า ลดฟลักซ์โฟตอนและเพิ่มสัญญาณรบกวน

การถ่ายภาพ CT ที่มีประสิทธิภาพต้องมีการเลือกพารามิเตอร์ตามวัตถุประสงค์:

1. กำหนดขนาดคุณสมบัติขั้นต่ำ (L)
2. ตั้งค่าขนาดวอกเซลเป็น L/5-L/2 สำหรับการตรวจจับ หรือ L/20-L/5 สำหรับการวัดปริมาณ
3. ปรับขอบเขตการมองเห็นโดยใช้การเย็บหรือการสแกนแบบออฟเซ็ตหากจำเป็น
4. ปรับพลังงานรังสีเอกซ์ให้เหมาะสมสำหรับความหนาแน่นของตัวอย่าง
5. สมดุลเวลาการสแกนกับอัตราส่วนสัญญาณต่อสัญญาณรบกวนที่ต้องการ

รูปแบบการทดสอบมาตรฐานให้การประเมินความละเอียดที่เป็นวัตถุประสงค์ เมตริกทั่วไป ได้แก่:

• การมองเห็นคู่บรรทัดในรูปแบบแถบ
• การวัดความคมชัดของขอบ
• การวิเคราะห์ฟังก์ชันการถ่ายโอนการปรับ

Phantom พิเศษที่มีวัสดุคอนทราสต์สูง/ต่ำสลับกัน (เช่น โครงสร้างซิลิกอน/โพลิเมอร์) ช่วยให้สามารถประเมินความสามารถด้านความละเอียดทั้งแบบ 2 มิติและ 3 มิติได้

วิธีการคำนวณขั้นสูงแสดงให้เห็นถึงความหวังในการเอาชนะข้อจำกัดแบบดั้งเดิม:

• Deep Learning Super-Resolution: เครือข่ายประสาทสามารถปรับปรุงการสแกนที่มีความละเอียดต่ำกว่าอย่างชาญฉลาดในขณะที่รักษารายละเอียดที่สำคัญ การศึกษาล่าสุดแสดงให้เห็นถึงการปรับปรุงความละเอียด 2-4× ในบางแอปพลิเคชัน
• การถ่ายภาพแบบหลายมาตราส่วน: การรวมการสแกนพื้นที่ขนาดใหญ่ที่มีความละเอียดต่ำเข้ากับการได้มาซึ่งข้อมูลที่มีความละเอียดสูงแบบกำหนดเป้าหมายทำให้มีทั้งบริบทและรายละเอียด

อนาคตของการถ่ายภาพ CT ไม่ได้อยู่ที่การแสวงหาความละเอียดสูงสุด แต่อยู่ในการพัฒนาระบบอัจฉริยะที่ปรับพารามิเตอร์ทั้งหมดให้เหมาะสมโดยอัตโนมัติสำหรับความท้าทายในการวิเคราะห์แต่ละรายการ