Kvalita obrazu – kontrast

Jedním z nejdůležitějších aspektů v radiodiagnostice je kvalita obrazu. Obecně se dá říct, že radiodiagnostické obrazy jsou pořizovány za určitým účelem, kterým je poskytnutí relevantních specifických informací o dané anatomické oblasti. Kvalita obrazu by měla být dostatečná k tomu, aby bylo možné požadované klinické informace (s dostatečnou přesností) získat.

Při použití rtg záření, u něhož byl prokázán škodlivý účinek na lidské tělo, by měla být brána v potaz kvalita obrazu vs. dávka, proto je nutné kvalitu obrazu nějakým způsobem kvantifikovat. Pro popis kvality obrazu bylo zavedeno několik veličin: Kontrast, prostorové rozlišení a šum. Ideálně bychom chtěli vysoký kontrast, vysoké prostorové rozlišení a nízký šum. Nicméně to není úplně jednoduché, veličiny nejsou navzájem nezávislé, ale ovlivňují se. Jako ukázka rtg obrazů různé kvality slouží obr. 1. Na obr. 1 a) je rtg obraz s adekvátním kontrastem, prostorovým rozlišením i šumem. Na obr. 1 b) je rtg obraz, který má sice dostatečné prostorové rozlišení a nízký šum, ale současně velmi nízký kontrast. Na obr. 1 c) má rtg obraz dostatečný kontrast a nízký šum, ale současně velmi špatné prostorové rozlišení. Na obr. 1 d) má rtg obraz velmi vysoký šum, čímž je zničena veškerá diagnostická informace.

Obr. 1: Adekvátní kvalita rtg obrazu (a), rtg obraz s příliš nízkým kontrastem (b), rtg obraz s nedostatečným prostorovým rozlišením (c) a rtg obraz s příliš vysokým šumem (d)

Požadovaná úroveň kvality obrazu (kontrast, prostorové rozlišení a šum) ale vždy závisí na klinickém požadavku, tj. z jakého důvodu je rtg zobrazení provedeno a jakou informaci je potřeba získat. Typicky neplatí, že určitá kvalita obrazu je dostatečná pro všechny diagnózy. Např. pro zjištění přítomnosti ledvinových kamenů na CT je postačující horší kvalita obrazu než v případě CT vyšetření jater. V tomto a následujícím článku si řekneme více informací o jednotlivých veličinách. Dnes tedy o samotném kontrastu a jeho kvantifikaci.

Kontrast je vyjádření rozdílu velikosti signálu v různých (často sousedních) oblastech, které se liší svým zeslabením (platí pro rtg diagnostiku). Tento rozdíl je však ovlivněn i schopností detektoru zobrazit daný rozdíl v signálu. Celkový kontrast lze zapsat následovně:

kde C_S je rozdíl v signálu sousedních oblastí, který závisí na energii záření a fyzikálních vlastnostech zobrazovaného objektu. C_D je kontrast detektoru a vyjadřuje schopnost detektoru přenést a zobrazit kontrast objektu. Výsledný kontrast C je možné zvýraznit různými obrazovými operacemi, aby se kontrast pro oko jevil lepší. Avšak není-li v obraze kontrast přítomen, nepomůže ani žádná obrazová operace.

Pro ilustraci a další popis použijme obr. 2.

Obr. 2: Signál kosti I_0 a signál pozadí I_bg pro MR obraz s lepším (a) a horším (b) kontrastem

Na obr. 2 a) a b) jsou MR obrazy kostí. Na obr. a) je znázorněna oblast pro hodnocení signálu objektu (kosti) I_0 a signálu pozadí I_bg (signál dané oblasti se stanovuje jako průměrná hodnota signálu, resp. intenzity pixelů, ve vymezené oblasti). Z obou obrazů na obr. 2 je zřejmé, že obraz vlevo má lepší kontrast. Konkrétně je pak kontrast, stanovený jako rozdíl dvou signálů I_0 a I_bg, roven 124 pro obraz a) a 63 pro obraz b). Obraz a) má tedy dvojnásobný kontrast než obraz b). To by platilo pro obrazy s bitovou hloubkou 8 (stupně šedi 0-255). Ale co když bude bitová hloubka 10 nebo 12 (stupně šedi 1024 nebo 2056)? Kontrast vyjádřený jako absolutní rozdíl v signálu dvou oblastí pak ztrácí smysl, mezi obrazy s různými bitovými hloubkami nebudou kontrasty porovnatelné. Mnohem užitečnější je zavedení rozdílu signálu dvou sousedních oblastí vzhledem k signálu pozadí. Kontrast lze zapsat následovně:

Použitím výše uvedené rovnice (2) bychom pak dostali kontrast 3,55 pro obraz a) a 0,44 pro obraz b). Rozdíl v kontrastech je tedy přibližně 7,6-násobný. Někdy lze použít i mírně pozměněnou formulaci, viz rovnice (3):

Pak má obraz a) cca 3,5x lepší kontrast než obraz b), což více odpovídá i subjektivnímu vnímání. Poměr 7,6 zjištěný z rovnice (2) je přece jen poněkud vysoký.

Vnímání kontrastu lidským okem závisí na prostorové frekvenci (velikosti objektu). Mějme sinusoidální průběh kontrastu takový, jaký je na obr. 3.

Obr. 3: Sinusoidální průběh kontrastu při různých frekvencích

Maximální kontrast vnímá lidské oko při prostorové frekvenci 3 cykly/1°. Budeme-li pozorovat sinusoidální průběh na obr. 3 ze vzdálenosti 40 cm od displeje, pak 1° odpovídá vzdálenost 7 mm. Frekvenci 3 cykly na 7 mm odpovídá 1 cyklus na 2,3 mm, což je velikost objektu, u kterého budeme vnímat kontrast jako největší (rozdíl mezi tmavou a světlou oblastí). Při frekvenci 0,5 cyklu/1° a 8 cyklů/1° je citlivost na kontrast přibližně 4x menší, při frekvenci 40 cyklů/1° až 100x menší. Jiné vzdálenosti než 40 cm od displeje samozřejmě odpovídá i jiná velikost objektu, který budeme vnímat s nejvyšším kontrastem. Pro 50 cm je to velikost objektu 2,9 mm, pro vzdálenost 100 cm je to 5,8 mm, pro 10 cm je to 0,6 mm.

Při výběru zobrazovací modality a techniky pak jde primárně o to, jaký kontrast potřebujeme mít v obraze pro získání relevantní diagnostické informace (velkou roli však hraje také prostorové rozlišení a šum, jak jsme viděli na obr. 1). Neposkytuje-li samotný zobrazovaný objekt dostatečný kontrast pro získání diagnostické informace, je možné pro získání optimálního kontrastu aplikovat kontrastní látku.

Použitá literatura
Bourne R. Fundamentals of Digital Imaging in Medicine. Springer, 2010. ISBN 978-1-84882-087-6.

 

Napsat komentář

Vaše emailová adresa nebude zveřejněna. Vyžadované informace jsou označeny *