Kvalita obrazu – šum

V předešlém článku jsme si řekli o kontrastu obrazu, v tomto článku si řekneme něco více o šumu. Šum je náhodná složka výsledného signálu, která nepříznivě ovlivňuje kvalitu obrazu, je nežádoucí.

Obecně se dá říct, že žádná zobrazovací metoda nefunguje, není-li schopna přenést a zobrazit kontrast. Stejně tak platí, že žádná ze zobrazovacích metod není bez šumu. V případě, že bude v obrazu nízký kontrast a vysoký šum, je stanovení diagnózy na základě obrazu velmi obtížné. Jako ukázka různých úrovní šumu slouží obr. 1, na kterém jsou zobrazeny kontrast-detail fantomy pro tři různé úrovně šumu (od nejnižší hodnoty šumu po nejvyšší, čteno zleva). Každý z kulatých objektů má různý kontrast. Čtenář si tak může otestovat, jak kontrastní objekt je rozpoznatelný při různých úrovních šumu.

Obr. 1: Zobrazení kontrast-detail fantomů se stoupající úrovní šumu od a) po c)

Mějme signál objektu, který označíme S, a šum, který označíme N. Pak výsledný signál v obrazu je roven součtu těchto signálů, tedy I = S + N. Signál objektu S obecně považujeme za kladný, zatímco šum N může nabývat záporných, nulových nebo kladných hodnot.

V zobrazování se uplatňují různé druhy šumu: kvantový šum, elektronický šum, strukturní šum a anatomický šum.

Kvantový šum souvisí se statistickým charakterem produkce a interakce záření. Počet fotonů absorbovaných jednotlivými detekčními elementy se liší, nejsou rozprostřeny rovnoměrně. V některých detekčních elementech se pak absorbuje velmi mnoho fotonů, v jiných elementech je jich naopak málo. Kvantový šum lze vyjádřit jako odmocninu signálu celkového počtu částic N detekovaných v daném detekčním elementu. Veličinu poměr signál-šum (signal-to-noise ratio, SNR), která se běžně používá pro kvantifikaci kvality obrazu, lze pak vyjádřit následovně:

Bude-li počet detekovaných částic N vyšší, pak bude sice vyšší i kvantový šum, ale obraz bude kvalitnější, protože se zvýší i hodnota SNR. Mějme dva případy, v jednom případě počet detekovaných fotonů N = 100, v druhém případě N = 400. Pak Platí:

N = 100, √N = 10, SNR = 100/10 = 10.
N = 400, √N = 20, SNR = 400/20 = 20.

Z porovnání předešlých hodnot vyplývá skutečnost, se kterou je potřeba v praxi počítat. Zvýší-li se dávka 4x (N se zvýšilo ze 100 na 400), zvýší se SNR (neboli kvalita obrazu) pouze dvakrát. Jinak řečeno, kvalita obrazu se zlepšuje s druhou mocninou dávky. Chci-li zlepšit kvalitu 10x, musím dávku zvýšit 100x.

Dalším typem šumu je elektronický šum. Jedná se o šum, který má původ v samotné elektronice detektoru (vzniká např. při zahřívání), a nijak nesouvisí s detekovaným signálem. Bude-li detekovaný signál nízký, bude se elektronický šum uplatňovat významně. Bude-li signál vysoký, pak bude vliv elektronického šumu zanedbatelný. Graficky je vliv elektronického šumu na výsledný signál znázorněn na obr. 2.

Obr. 2: Elektronický šum a jeho vliv na detekovaný signál

Dalším druhem šumu je strukturní šum. Jeho podstatou je rozdílnost citlivosti každého detekčního elementu, jejichž odezva proto musí být korigována tzv. flat-field algoritmem. Podstatou této kalibrace je expozice detektoru homogenním rtg polem a vypočtení korekční matice tak, aby byla výsledná odezva detektoru také homogenní. Kdyby odezva korigována nebyla, vypadal by výsledný obraz podobně jako na obr. 3. Mimo flat-field korekci se provádí ještě další typ korekce, korekce na temný šum, někdy označovaná jako offset korekce. Tato korekce se provádí na základě signálu každého detekčního elementu při absenci rtg expozice.

Obr. 3: Odezva nekorigovaných detekčních elementů na homogenní ozáření

Posledním zmiňovaným druhem šumu je anatomický šum. Konkrétně se jedná o přítomnost anatomických struktur, které nejsou oblastí zájmu. Typicky je u skiagrafických vyšetření velké množství anatomického šumu, různé orgány nám zastiňují orgány zájmu. Méně anatomického šumu je pak samozřejmě u CT, protože se jedná o tomografickou metodu, a je tedy možné se podívat na orgány takovým způsobem, aby se nepřekrývaly. Což u sumačních 2D obrazu (právě ona skiagrafie) možné není.

Použitá literatura
Bourne R. Fundamentals of Digital Imaging in Medicine. Springer, 2010. ISBN 978-1-84882-087-6.
Bushberg JT, Seibert JA, Leidholdt Jr E, Boone JM. The essential physics of medical imaging. 3rd ed., Lippincott Williams & Wilkins, 2012. ISBN 978-0-7817-8057-5.
Súkupová L. Radiační ochrana při rentgenových výkonech – to nejdůležitější pro praxi. Praha: Grada Publishing, 2018. ISBN 978-80-271-0709-4.

Napsat komentář

Vaše emailová adresa nebude zveřejněna. Vyžadované informace jsou označeny *