Главная > СВЧ, ультразвук, аккустика > Применение ультразвука в медицине: Физические основы
<< Предыдущий параграф
Следующий параграф >>
<< Предыдущий параграф Следующий параграф >>
Макеты страниц

7.3.1. ОСТРОТА ЗРЕНИЯ И ВОСПРИЯТИЕ ЯРКОСТНОГО КОНТРАСТА

Вышеупомянутое значение достижимого оптического пространственного разрешения — 60 линий/градус — представляет собой предел, диктуемый анатомией области ямки сетчатки, и имеет место лишь при больших уровнях освещенности и низком уровне шума. Анатомический предел остроты зрения не достигается по двум причинам: из-за процесса зрительного усреднения, который становится необходимым при недостаточном освещении, и из-за ограничений, налагаемых шумами изображения. Оба этих фактора будут здесь рассмотрены в аспекте, особенно важном в нескольких областях медицинской визуализации — в аспекте разрешения по контрасту, т. е. способности различать соседние области по яркости изображения.

Определение и измерение разрешения по контрасту, даже при отсутствии значительного шума, было темой большого

исследования, и для подробной оценки различных факторов следует обратиться к специальной литературе, например к гл. 5 работы [6]. Были выполнены эксперименты, в которых наблюдателям предъявляли большой экран, подсвеченный в двух смежных областях с различными, но постоянными по уровню яркостями, и проверяли способность испытуемых обнаружить разность уровней. Порог разрешения по контрасту определяется разностью яркостей которая еще воспринимается в 50% наблюдений при заданной яркости Величина называемая отношением Вебера, значительно меняется в зависимости от светового потока, падающего на сетчатку, как это показано на рис. 7.2.

Рис. 7.2 показывает, что глаз человека способен в идеальных условиях (яркое освещение и резкая граница между двумя полубесконечными областями объекта) различить уровни яркости, отличающиеся лишь на 1%. На практике ситуация обычно резко ухудшается в результате действия четырех факторов: использования освещен -

Рис. 7.2. Зависимость порогового контраста (отношения Вебера) от размера наблюдаемого круглого диска при двух уровнях фоновой яркости, нулевом уровне шума и времени наблюдения 6 с [2]. Действие аддитивного шума и/или сокращения времени наблюдения сводится в основном к росту пороговой контрастности по сравнению с указанными здесь уровнями.

ности ниже оптимальной, отсутствия резких границ (значение этого фактора уже обсуждалось в связи с рис. 7.1), недостаточности площади тест-объекта (мишени) для различения и, наконец, наличия шумов и помех. Рассмотрим теперь эти последние два фактора.

В большой серии экспериментов Блекуэлл [2] показал, как способность наблюдателя обнаруживать присутствие круглой мишени на контрастном фоне зависит от величины контраста, уровня освещенности и углового размера тест-объекта (мишени). Для этого контраст определяется как где — яркость фона, яркость мишени, (при Эта зависимость показана на рис. 7.2. Из представленных данных, в частности, видно, что для заданного уровня яркости существует обратная зависимость между линейным размером мишени и степенью контраста, необходимой для ее различения. Хотя иногда утверждается, что эта зависимость обратно пропорциональна, это приближение, очевидно, справедливо лишь в ограниченном интервале размеров мишени.

Влияние шума изображения на его восприятие подверглось серьезному исследованию, в том числе в связи с задачами электрооптической визуализации и проблемой фотографического «зерна». В данном случае удобно расширить понятие шума, включив в него сосредоточенную «помеху» (термин, который имеет более общее значение, чем просто нежелательный сигнал). Важное различие между шумом и помехой состоит в том, что шум имеет некогерентную природу, а помеха может быть частично когерентна с сигналом.

Кроме интегрального уровня шума очень важно его эффективное распределение по пространственным частотам. Количественно эту зависимость можно исследовать, измеряя степень модуляции, необходимую для визуального различения периодической картины полос (растра) в зависимости от пространственной частоты. В работах по распознаванию образов эту функцию иногда называют функцией необходимой модуляции (ФНМ).

Применение этого понятия показано на рис. 7.3, где построены ФНМ и МПФ для одной и той же системы визуализации. Экспериментально обнаружено, что площадь между этими двумя кривыми при построении их в линейном масштабе (площадь модуляционной передаточной функции, или ПМПФ) - хорошая оценка качества визуализации для предсказания способности оператора распознавать отдельные образы. Отсюда следует, что шум будет оказывать наибольшее воздействие на понижение способности распознавания,

Рис. 7.3. Связь модуляционной передаточной функции (МПФ) с шумовой модуляцией в процессе визуализации. Штриховая кривая показывает действие роста уровня шума. Площадь между двумя характеристиками называют площадью модуляционной передаточной функции (ПМПФ) [1].

если это происходит при пространственных частотах, при которых МПФ имеет большие значения. Важность этого результата для различных типов ультразвуковой визуализации будет видна в последующих главах.

Эксперименты, в которых в оптическое изображение искусственно вносились шумы типа зернистости, показывают, что наблюдатель, если ему предоставлен выбор, стремится скорректировать увеличение так, чтобы спектр пространственных частот воспринимаемого изображения оставался постоянным. Отсюда ясно, что при создании практических систем должны быть обеспечены оптимальный набор увеличений и возможность их выбора оператором.

В связи с медицинской визуализацией, где изображение получают, чтобы помочь в конкретной задаче обнаружения или распознавания патологии, важна и характеризация данных самого оператора-диагноста. В работе с оптическим образом формально можно выделить три этапа восприятия объекта: обнаружение (факт наличия объекта), распознавание (различение класса, к которому относится объект, например: дом, человек и т. д.) и идентификация (описание объекта на втором уровне детализации, например: гостиница, полисмен и т. д.). Кроме того, эти этапы восприятия эмпирически оказались связаны с обнаружимостью структуры полос заданной

пространственной частоты (при одинаковых условиях визуализации и степени модуляции). Так, установлено, что обнаружение, распознавание и идентификация происходят при угловой ширине мишени а где период наивысшей обнаружимой пространственной частоты (в линиях на единицу угла). Это несколько упрощенное утверждение можно, однако, оценить, если заметить, что на практике на действенность такого восприятия будут влиять несколько других факторов, в том числе время, отводимое на выполнение задания, и априорное ожидание обнаружить особый объект на некотором участке «сцены». Было бы интересно исследовать возможное распространение этого подхода к действиям оператора в некоторых конкретных приложениях медицинской визуализации.

Необходимо иметь в виду, что выше обсуждалось в основном зрительное восприятие образа человеком. В некоторых случаях для улучшения чувственного восприятия (например, при ограниченном разрешении по контрасту) может применяться индикация путем замещения или добавления к человеческому зрению искусственных средств. Хорошо известный пример таких возможностей — выделение желаемого сигнала из некогерентного шума путем усреднения. Тем не менее могут существовать пределы возможностей в этом направлении: отношение сигнал/шум в медицинских изображениях в общем случае имеет предел из-за необходимости избегать излишнего облучения пациента. Так что здесь может стать главной проблема когерентных помех, для которых методы искусственного улучшения качества изображения еще только исследуются.

<< Предыдущий параграф Следующий параграф >>
Оглавление