Оптимизация оценки рассеянного излучения для улучшения качества рентгеновских изображений: реалистичное моделирование

Автор(и)

  • Антон Юрьевич Даник Киевский национальный университет им. Тараса Шевченко, Україна https://orcid.org/0000-0002-9201-0067
  • Александр Александрович Судаков Киевский национальный университет им. Тараса Шевченко, Україна https://orcid.org/0000-0002-6588-1801

DOI:

https://doi.org/10.20535/S0021347020080014

Ключові слова:

рентгеновское изображение, ядра свертки рассеянного рентгеновского излучения, кластерный анализ, сегментация, моделирование по методу Монте-Карло

Анотація

В статье предложены, исследованы и оптимизированы с помощью численного моделирования алгоритмы обработки изображения для компенсации влияния рассеянного излучения на качество рентгеновских снимков. Эти алгоритмы включают оценку рассеяния с помощью метода вычисления свертки (суперпозиции), расчет ядер рассеивания (kernel function) с помощью моделирования по методу Монте–Карло (МК), определение оптимального количества и формы ядер рассеивания и сегментацию изображений. Определение количества и формы ядер рассеивания осуществлялось путем МК моделирования реалистичного фантома Зубала (Zubal phantom) и кластерного анализа особенностей формы ядер рассеивания. Изучение результатов работы предложенных алгоритмов на рентгеновских изображениях грудной клетки, полученных при 75 кэВ, доказывает, что оптимальное количество ядер рассеивания составляет 8. Это количество обеспечивает повышение контраста примерно в 3 раза без использования антирассеивающих решеток. Достигнутый уровень контраста составляет приблизительно 95% от контраста первичного изображения, что превышает улучшение контраста, достигаемое с помощью антирассеивающих решеток. Увеличенное количество используемых кернфункций обеспечивает лучший контраст изображения и более высокое разрешение изображения рассеянного излучения, однако при этом возрастают расчетные ошибки, вследствие ошибок сегментации и деконволюции.

Біографії авторів

Антон Юрьевич Даник, Киевский национальный университет им. Тараса Шевченко

факультет радиофизики, электроники и компьютерных систем, кафедра медицинской радиофизики, аспирант

Александр Александрович Судаков, Киевский национальный университет им. Тараса Шевченко

Кандидат физико-математических наук, доцент, доцент кафедры медицинской радиофизики факультета радиофизики, электроники и компьютерных систем, начальник сектора Информационно вычислительного центра Киевского национального университета имени Тараса Шевченко.

Посилання

Z. Song, A. M. Fendrick, D. G. Safran, B. E. Landon, M. E. Chernew, “Global budgets and technology-intensive medical services,” Healthcare, vol. 1, no. 1–2, pp. 15–21, 2013, doi: https://doi.org/10.1016/j.hjdsi.2013.04.003.

A. Assmus, “Early history of x rays,” Beam Line, vol. 25, no. 2, pp. 10–24, 1995, uri: https://www.slac.stanford.edu/pubs/beamline/25/2/25-2-assmus.pdf.

M. J. Jensen, J. E. Wilhjelm, X-Ray Imaging: Fundamentals and Planar Imaging. Nutech: DTU, 2014.

P. Monnin, F. R. Verdun, H. Bosmans, S. R. Pérez, N. W. Marshall, “A comprehensive model for x-ray projection imaging system efficiency and image quality characterization in the presence of scattered radiation,” Phys. Med. Biol., vol. 62, no. 14, pp. 5691–5722, 2017, doi: https://doi.org/10.1088/1361-6560/aa75bc.

М. В. Кононов, О. А. Нагуляк, А. В. Нетреба, “Влияние распределения рентгеновского излучения в приемной системе на качество реконструкции в проекционной томографии,” Известия вузов. Радиоэлектроника, vol. 51, no. 3, pp. 63–66, 2008, doi: https://doi.org/10.20535/S0021347008030084.

S. Webb, Webb’s Physics of Medical Imaging, 2nd ed. Boca Raton: CRC Press, 2012, uri: https://www.routledge.com/Webbs-Physics-of-Medical-Imaging/Flower/p/book/9780750305730.

I. Šabič, D. Ključevšek, M. Thaler, D. Žontar, “The effect of anti-scatter grid on radiation dose in chest radiography in children,” Cent. Eur. J. Paediatr., vol. 12, no. 1, pp. 75–80, 2016, uri: http://cejpaediatrics.com/index.php/cejp/article/view/273/pdf.

E.-P. Rührnschopf, K. Klingenbeck, “A general framework and review of scatter correction methods in cone beam ct. part 2: scatter estimation approaches,” Med. Phys., vol. 38, no. 9, pp. 5186–5199, 2011, doi: https://doi.org/10.1118/1.3589140.

W. Zhao, S. Brunner, K. Niu, S. Schafer, K. Royalty, G.-H. Chen, “A patient-specific scatter artifacts correction method,” in Progress in Biomedical Optics and Imaging - Proceedings of SPIE, 2014, vol. 9033, p. 903310, doi: https://doi.org/10.1117/12.2043923.

P. G. F. Watson, E. Mainegra-Hing, N. Tomic, J. Seuntjens, “Implementation of an efficient monte carlo calculation for cbct scatter correction: phantom study,” J. Appl. Clin. Med. Phys., vol. 16, no. 4, pp. 216–227, 2015, doi: https://doi.org/10.1120/jacmp.v16i4.5393.

K. Kim et al., “Fully iterative scatter corrected digital breast tomosynthesis using gpu-based fast monte carlo simulation and composition ratio update,” Med. Phys., vol. 42, no. 9, pp. 5342–5355, 2015, doi: https://doi.org/10.1118/1.4928139.

A. V. Netreba, S. P. Radchenko, M. O. Razdabara, “Correlation reconstructed spine and time relaxation spatial distribution of atomic systems in mri,” in 2014 IEEE 34th International Scientific Conference on Electronics and Nanotechnology (ELNANO), 2014, pp. 365–367, doi: https://doi.org/10.1109/ELNANO.2014.6873453.

Y. Suleimanov et al., “Magnetic resonance signal processing tool for diagnostic classification,” in 2016 IEEE 36th International Conference on Electronics and Nanotechnology (ELNANO), 2016, pp. 175–179, doi: https://doi.org/10.1109/ELNANO.2016.7493042.

J. Maier, S. Sawall, M. Kachelriess, Y. Berker, “Deep scatter estimation (dse): feasibility of using a deep convolutional neural network for real-time x-ray scatter prediction in cone-beam ct,” in Medical Imaging 2018: Physics of Medical Imaging, 2018, vol. 10573, p. 56, doi: https://doi.org/10.1117/12.2292919.

A. Y. Danyk, S. P. Radchenko, O. O. Sudakov, “Optimization of grid-less scattering compensation in x-ray imaging: simulation study,” in 2017 IEEE 37th International Conference on Electronics and Nanotechnology (ELNANO), 2017, pp. 316–320, doi: https://doi.org/10.1109/ELNANO.2017.7939770.

A. Danyk, S. Radchenko, A. Netreba, O. Sudakov, “Using clustering analysis for determination of scattering kernels in x-ray imaging,” in 2019 10th IEEE International Conference on Intelligent Data Acquisition and Advanced Computing Systems: Technology and Applications (IDAACS), 2019, vol. 1, pp. 211–215, doi: https://doi.org/10.1109/IDAACS.2019.8924353.

Е. Д. Прилепский, Я. Е. Прилепский, “Оценивание оптимального параметра регуляризации восстановления сигнала,” Известия вузов. Радиоэлектроника, vol. 61, no. 9, pp. 522–535, 2018, doi: https://doi.org/10.20535/S0021347018090030.

И. А. Сушко, А. И. Рыбин, “Повышение быстродействия итерационной процедуры регуляризации по тихонову при решении обратной задачи электроимпедансной томографии,” Известия вузов. Радиоэлектроника, vol. 58, no. 9, p. 51, 2015, doi: https://doi.org/10.20535/S0021347015090058.

E.-P. Rührnschopf, K. Klingenbeck, “A general framework and review of scatter correction methods in x-ray cone-beam computerized tomography. part 1: scatter compensation approaches,” Med. Phys., vol. 38, no. 7, pp. 4296–4311, 2011, doi: https://doi.org/10.1118/1.3599033.

I. G. Zubal, C. R. Harrell, E. O. Smith, Z. Rattner, G. Gindi, P. B. Hoffer, “Computerized three-dimensional segmented human anatomy,” Med. Phys., vol. 21, no. 2, pp. 299–302, 1994, doi: https://doi.org/10.1118/1.597290.

D. Sarrut et al., “A review of the use and potential of the gate monte carlo simulation code for radiation therapy and dosimetry applications,” Med. Phys., vol. 41, no. 6Part1, p. 064301, 2014, doi: https://doi.org/10.1118/1.4871617.

O. Sudakov, M. Kononov, I. Sliusar, A. Salnikov, “User clients for working with medical images in ukrainian grid infrastructure,” in 2013 IEEE 7th International Conference on Intelligent Data Acquisition and Advanced Computing Systems (IDAACS), 2013, vol. 2, pp. 705–709, doi: https://doi.org/10.1109/IDAACS.2013.6663016.

L. Scrucca, M. Fop, T. B. Murphy, A. E. Raftery, “Mclust 5: clustering, classification and density estimation using gaussian finite mixture models,” R J., vol. 8, no. 1, p. 289, 2016, doi: https://doi.org/10.32614/RJ-2016-021.

##submission.downloads##

Опубліковано

2020-08-21

Як цитувати

Даник, А. Ю., & Судаков, А. А. (2020). Оптимизация оценки рассеянного излучения для улучшения качества рентгеновских изображений: реалистичное моделирование. Вісті вищих учбових закладів. Радіоелектроніка, 63(8), 463–475. https://doi.org/10.20535/S0021347020080014

Номер

Том 63 № 8 (2020)

Розділ

Оригінальні статті

Ліцензія

Авторське право (c) 2020 Известия высших учебных заведений. Радиоэлектроника

Издатель журнала Известия высших учебных заведений. Радиоэлектроника (сокр. "Известия вузов. Радиоэлектроника"), Национальный технический университет Украины "Киевский политехнический институт", учитывает, что доступ автора к его статье является важным как для самого автора, так и для спонсоров его исследований. Мы представлены в базе издателей SHERPA/RoMEO как зеленый издатель (green publisher), что позволяет автору выполнять самоархивирование своей статьи. Однако важно, чтобы каждая из сторон четко понимала свои права. Просьба более детально ознакомиться с Политикой самоархивирования нашего журнала.

Политика оплаченного открытого доступа POA (paid open access), принятая в журнале, позволяет автору выполнить все необходимые требования по открытому доступу к своей статье, которые выдвигаются институтом, правительством или фондом при выделении финансирования. Просьба более детально ознакомиться с политикой оплаченного открытого доступа нашего журнала (см. отдельно).

Варианты доступа к статье:

1. Статья в открытом доступе POA (paid open access)

В этом случае права автора определяются лицензией CC BY (Creative Commons Attribution).

2. Статья с последующим доступом по подписке

В этом случае права автора определяются авторским договором, приведенным далее.

  • Автор (каждый соавтор) уступает Издателю журнала «Известия высших учебных заведений. Радиоэлектроника» НТУУ «КПИ» на срок действия авторского права эксклюзивные права на материалы статьи, в том числе право на публикацию данной статьи издательством Аллертон Пресс, США (Allerton Press) на английском языке в журнале «Radioelectronics and Communications Systems». Передача авторского права охватывает исключительное право на воспроизведение и распространение статьи, включая оттиски, переводы, фото воспроизведения, микроформы, электронные формы (он- и оффлайн), или любые иные подобные формы воспроизведения, а также право издателя на сублицензирование третьим лицам по своему усмотрению без дополнительных консультаций с автором. При этом журнал придерживается Политики конфиденциальности.
  • Передача прав включает право на обработку формы представления материалов с помощью компьютерных программам и систем (баз данных) для их использования и воспроизводства, публикации и распространения в электронном формате и внедрения в системы поиска (базы данных).
  • Воспроизведение, размещение, передача или иное распространение или использование материалов, содержащихся в статье должно сопровождаться ссылкой на Журнал и упоминанием Издателя, а именно: название статьи, имя автора (соавторов), название журнала, номер тома, номер выпуска, копирайт авторов и издателя "© Национальный технический университет Украины "Киевский политехнический институт"; © автор(ы)".
  • Автор (каждый соавтор) материалов сохраняет все права собственника материалов, включая патентные права на любые процессы, способы или методы и др., а также права на товарные знаки.
  • Издатель разрешает автору (каждому соавтору) материалов следующее:
  1. Право пользоваться печатными или электронными вариантами материалов статьи в форме и содержании, принятыми Издателем для публикации в Журнале. Подробнее см. политики Оплаченного открытого доступа, подписки и самоархивирования.
  2. Право бесплатно копировать или передавать коллегам копию напечатанной статьи целиком или частично для их личного или профессионального использования, для продвижения академических или научных исследований или для учебного процесса или других информационных целей, не связанных с коммерческими целями.
  3. Право использовать материалы из опубликованной статьи в написанной автором (соавторами) книге, монографии, учебнике, учебном пособии и других научных и научно-популярных изданиях.
  4. Право использовать отдельные рисунки или таблицы и отрывки текста из материалов в собственных целях обучения или для включения их в другую работу, которая печатается (в печатном или электронном формате) третьей стороной, или для представления в электронном формате во внутренние компьютерные сети или на внешние сайты автора (соавторов).
  • Автор (соавторы) соглашаются, что каждая копия материалов или любая ее часть, распространенная или размещенная ими в печатном или электронном формате, будет содержать указание на авторское право, предусмотренное в Журнале и полную ссылку на Журнал Издателя.
  • Автор (соавторы) гарантирует, что материалы являются оригинальной работой и представлены впервые на рассмотрение только в этом Журнале и ранее не публиковались. Если материалы написаны совместно с соавторами, автор гарантирует, что проинформировал их относительно условий публикации материалов и получил их подписи или письменное разрешение подписываться от их имени.
  • Если в материалы включаются отрывки из работ или имеются указания на работы, которые охраняются авторским правом и принадлежат третьей стороне, то автору необходимо получить разрешение владельца авторских прав на использование таких материалов в первом случае и сделать ссылку на первоисточник во втором.
  • Автор гарантирует, что материалы не содержат клеветнических высказываний и не посягают на права (включая без ограничений авторское право, права на патент или торговую марку) других лиц и не содержат материалы или инструкции, которые могут причинить вред или ущерб третьим лицам. Автор (каждый соавтор) гарантирует, что их публикация не приведет к разглашению секретных или конфиденциальных сведений (включая государственную тайну). Подтверждением этого является Экспертное заключение (см. перечень документов в Правила для авторов).
  • Издатель обязуется опубликовать материалы в случае получения статьей положительного решения редколлегии о публикации на основании внешнего рецензирования (см. Политика рецензирования).
  • В случае публикации статьи на английском языке в журнале «Radioelectronics and Communications Systems» (Издатель: Аллертон Пресс, США, распространитель Springer) автору (соавторам) выплачивается гонорар после выхода последнего номера журнала года, в котором опубликована данная статья.
  • Документ Согласие на публикацию, который подают русскоязычные авторы при подаче статьи в редакцию, является краткой формой данного договора, в котором изложены все ключевые моменты настоящего договора и наличие которого подтверждает согласие автора (соавторов) с ним. Аналогичным документом для англоязычных авторов является Copyright Transfer Agreement (CTA), предоставляемый издательством Allerton Press.
  • Настоящий Договор вступает в силу в момент принятия статьи к публикации. Если материалы не принимаются к публикации или до публикации в журнале автор (авторы) отозвал работу, настоящий Договор не приобретает (теряет) силу.