Контрастность изображения в рентгенодиагностике определяется как различие в оптической плотности (или яркости) между различными участками изображения, соответствующими различным структурам объекта. Контраст обусловлен разницей в ослаблении рентгеновского излучения, проходящего через ткани с различной плотностью, толщиной или атомным номером.
Формальное определение контраста:
Контраст C между двумя участками изображения можно выразить как:
$$ C = \frac{D_1 - D_2}{D_1 + D_2} $$
где D1 и D2 — оптические плотности (или яркости) двух участков изображения. Альтернативно, при цифровой обработке:
$$ C = \frac{I_1 - I_2}{I_1} $$
где I1 и I2 — уровни сигнала или интенсивности пикселей.
Чем выше контраст, тем легче различить структуры на изображении. Однако избыточный контраст может привести к потере деталей в слишком светлых или тёмных участках (клиппинг сигнала).
1. Энергия рентгеновского излучения (напряжение трубки, кВ) С увеличением напряжения трубки проникающая способность излучения возрастает, различия в коэффициентах ослабления между тканями уменьшаются, что снижает контраст. На низких энергиях мягкие ткани становятся более различимыми за счёт преобладания фотоэффекта, особенно в элементах с высоким атомным номером.
2. Физико-химические свойства тканей Различия в плотности и эффективном атомном номере (Z) между различными тканями определяют коэффициенты линейного ослабления, что формирует первичный контраст. Например, кость (высокий Z, высокая плотность) по сравнению с мышечной тканью или жиром создаёт значительный контраст.
3. Геометрические условия съёмки Положение объекта относительно рентгеновской трубки и детектора влияет на эффективную толщину просвечиваемых структур. Поворот объекта может привести к усилению или снижению контраста за счёт проекционных эффектов.
4. Контрастные вещества Введение в организм рентгеноконтрастных препаратов (на основе йода, бария и др.) позволяет искусственно усилить различие в ослаблении рентгеновского излучения между исследуемыми структурами и окружающими тканями. Это особенно важно в ангиографии, урографии и гастроинтестинальных исследованиях.
5. Режим обработки изображения В цифровой рентгенографии возможно программное усиление контраста за счёт изменения тональной кривой (например, LUT — look-up table) или использования алгоритмов адаптивного контрастирования (CLAHE, edge enhancement и др.).
Резкость — это характеристика изображения, отражающая степень чёткости границ между различными структурами. Резкость напрямую зависит от способности системы визуализировать мелкие детали и края.
Объективный критерий резкости — функция пространственного отклика (Modulation Transfer Function, MTF), отражающая, насколько система передаёт различные пространственные частоты. Чем выше значение MTF на высоких частотах, тем выше разрешающая способность и, соответственно, резкость.
1. Геометрическое размытие (нечёткость фокуса) Возникает вследствие конечных размеров фокусного пятна анода рентгеновской трубки. Чем больше фокусное пятно, тем сильнее нечеткость на границах изображения. Это явление называется пензельной нечеткостью.
Геометрическое размытие Ug можно оценить по формуле:
$$ U_g = F \cdot \frac{OFD}{SOD} $$
где F — размер фокуса, OFD — расстояние от объекта до детектора, SOD — расстояние от источника до объекта.
Снижение размера фокусного пятна и уменьшение расстояния от объекта до детектора повышает резкость.
2. Движение объекта Даже незначительные движения пациента во время экспозиции (дыхание, пульсация, непроизвольные движения) приводят к смазыванию изображения. Применение коротких экспозиций, синхронизация с дыханием или ЭКГ-сигналом, а также удержание дыхания — эффективные меры для борьбы с этим фактором.
3. Сочетание рассеянного излучения Рассеянное излучение создаёт фоновую “вуаль”, уменьшая резкость и контрастность одновременно. Использование рентгенозащитных решёток (антирассеивателей), правильный коллиматор, а также программное удаление рассеянного сигнала в цифровых системах способствует повышению резкости.
4. Характеристики детектора Для цифровых систем важны размер пикселя, тип сенсора (CR, DR, flat-panel, CMOS и т. д.), фокусное размытие в сцинтилляторе. Меньший пиксель и тонкая сцинтилляция обеспечивают более высокое пространственное разрешение.
Резкость и контрастность — взаимосвязанные параметры, определяющие визуальное качество изображения. Даже изображение с высоким контрастом может быть неинформативным, если границы объектов размыты. С другой стороны, изображение с хорошей резкостью, но низким контрастом, также может не позволить точно различить структуры.
Для полной оценки визуализации используется визуальный отклик — субъективная оценка воспринимаемой резкости и контраста глазом наблюдателя, а также объективные характеристики: MTF (резкость) и contrast-detail curves (зависимость различимости от размера и контраста объекта).
Повышение контрастности и резкости часто требует увеличения дозовой нагрузки. Например, использование мелкого фокуса и решёток требует большей экспозиции. Поэтому важно всегда проводить оптимизацию изображения, руководствуясь принципом ALARA (As Low As Reasonably Achievable), чтобы достичь диагностической эффективности при минимальной дозе.
Современные цифровые системы позволяют в значительной мере компенсировать снижение физической контрастности и резкости программными средствами, сохраняя приемлемый уровень визуализации при сниженной дозе.