Radiografia cyfrowa w stomatologii

Transkrypt

1 Radiografia cyfrowa w stomatologii Przez prawie sto lat radiografia stomatologiczna opierała się na filmie rentgenowskim, który miał za zadanie zarejestrować obraz, przechować go i zaprezentować. Te trzy funkcje są nierozłącznie ze sobą związane w wywołanym i utrwalonym zdjęciu rentgenowskim. Konwencjonalna diagnostyka radiologiczna wykorzystująca do wizualizacji film rentgenowski osiągnęła taki stopień rozwoju, że przy obecnym poziomie wiedzy możliwości udoskonalania i zwiększania czułości filmu rentgenowskiego w zasadzie już prawie się kończą (filmy klasy F), gdyż większa czułość zdjęcia oznacza większy szum, a więc w praktyce mniejszą rozdzielczość. Warto przy tym pamiętać, że według statystyk zdjęcia wewnątrzustne są najczęściej wykonywanymi zdjęciami rentgenowskimi u człowieka, a potrzeba ich stosowania ciągle się zwiększa (rocznie w Stanach Zjednoczonych wykonuje się około pół miliarda tych zdjęć). Dlatego też, przy braku możliwości udoskonalenia filmu rentgenowskiego, wprowadzono do użytkowania nowe technologiczne rozwiązanie, zastępując film detektorem elektronicznym. Prawie sto lat po odkryciu promieniowania X w diagnostyce medycznej pojawiła się nowa, cyfrowa technika ich rejestracji. Z przyczyn technicznych najpierw wprowadzono ją do diagnostyki stomatologicznej, dopiero po kilku latach stała się także narzędziem pracy lekarzy innych specjalności. Początkowo radiografia cyfrowa budziła wiele kontrowersji i obok grona zwolenników było też wielu zdeklarowanych jej adwersarzy, teraz jednak są szanse, że z czasem technika ta całkowicie zastąpi tradycyjną rejestrację obrazu rentgenowskiego na konwencjonalnym filmie. Jednak zanim będzie szeroko stosowana w praktyce klinicznej, konieczna jest dokładna ocena jej możliwości. Niewątpliwie zastosowanie obrazowania cyfrowego prowadzi do znacznego zmniejszenia dawki promieniowania X pochłoniętej przez pacjenta, ze względu na znaczne skrócenie czasu ekspozycji niezbędnego do otrzymania diagnostycznie wartościowego obrazu oraz większą czułość systemu rejestrującego w porównaniu z konwencjonalnym filmem rentgenowskim. Rozdzielenie w radiografii cyfrowej, w czasie iprzestrzeni, rejestracji obrazu, archiwizacji i jego prezentacji umożliwiło wprowadzenie opcji wtórnej obróbki obrazu rentgenowskiego (tzw. postprocessingu) poszerzającej możliwości obrazowania i ułatwiających interpretację wyników badań. Obecnie dąży się do sytuacji, w której jeden program komputerowy będzie mógł współpracować ze wszystkimi technikami cyfrowymi, co pozwoli na szybką obróbkę i zautomatyzowaną archiwizację danych. Optymalnym zaś rozwiązaniem będzie przenośne połączenie detektor laptop pozwalające na wykonywanie zdjęć cyfrowych w dowolnej pracowni rentgenowskiej. Rentgenowski obraz cyfrowy Rentgenowski obraz cyfrowy stanowi matryca pikseli. Każdemu pikselowi przyporządkowana jest wartość liczbowa odpowiadająca pewnemu poziomowi szarości. Piksele mają różną wielkość w zależności od systemu radiografii cyfrowej. Pojedynczy piksel w matrycy, w zależności od systemu radiografii cyfrowej, przybiera wielkość od μm do μm. Ponieważ oko ludzkie instynktownie dąży do wyodrębniania figur geometrycznych w analizowanym obrazie, wielkość piksela musi być mniejsza od rozdzielczości narządu wzroku. Osoba prawidłowo widząca rozpoznaje struktury do wielkości 0,1 mm (=100 μm). Oznacza to w praktyce, że wielkość piksela zdjęcia przedstawianego na ekranie w stosunku 1:1 nie powinna przekraczać μm. W diagnostyce stomatologicznej obraz cyfrowy pochodzący z detektora promieniowania rentgenowskiego powstaje jako obraz 10-bitowy, co daje 2 10,

2 48 Radiografia cyfrowa czyli 1024 poziomy szarości. Na ekranie monitora przedstawiany jest jednak obraz 8-bitowy, co oznacza, że istnieje 2 8 poziomów szarości. Wtedy pojedynczy piksel w obrazie radiografii cyfrowej może przyjąć każdą wartość skali szarości między 0 a 255, co daje 256 poziomów szarości. Poziom szarości każdego piksela obrazu cyfrowego jest proporcjonalny do ilości pochłoniętego promieniowania rentgenowskiego. Maksymalna wartość to 255, co odpowiada bieli na ekranie, minimalna zaś to 0, co odpowiada czerni. Jednak oko ludzkie może odróżnić tylko od 30 do 40 odcieni szarości jednocześnie. Ryc Detektor promieniowania rentgenowskiego z systemu radiografii cyfrowej bezpośredniej. Budowa systemów radiografii cyfrowej Każdy system radiografii cyfrowej składa się z trzech części, których połączenie najlepiej obrazuje zastrzeżona dla systemów radiografii cyfrowej tylko jednego producenta nazwa RadioVisioGraphy. System radiografii cyfrowej jest bowiem urządzeniem składającym się z następujących elementów (ryc. 4.1): części wytwarzającej promieniowanie X (Radio), czyli lampy rentgenowskiej, części wizyjnej Ryc System radiografii cyfrowej bezpośredniej detektor promieniowania połączony z lampą rentgenowską oraz z komputerem wyposażonym w odpowiednie oprogramowanie. rejestrującej obraz (Visio) oraz części graficznej, prezentującej obraz na ekranie monitora i umożliwiającej jego obróbkę (Graphy). Część wizyjna składa się z elementu przetwarzającego sygnały z detektora na obraz uzyskiwany na monitorze. Detektorem promieniowania jest sztywny detektor (tzw. solid state) albo płytka rejestrująca pokryta światłoczułym fosforem magazynującym (ryc. 4.2). Detektory sztywne wyposażone są w CCD (charge-coupled device) element ze sprzężeniem ładunkowym lub CMOS-APS (complementary metal- -oxide semiconductor active pixel sensors). W systemach wykorzystujących sztywne detektory czujnik promieniowania składa się z ekranu fluorescencyjnego, elementu ze sprzężeniem ładunkowym (CCD) i włókien optycznych lub jedynie z wrażliwego na promieniowanie rentgenowskie CCD, który może być dodatkowo pokryty warstwą scyntylatora. Najnowszym osiągnięciem w technologii detektorów promieniowania są urządzenia CMOS-APS, czyli detektory promieniowania wykorzystujące technologię półprzewodnikową z parami uzupełniających się tranzystorów, opierającą się na oddziaływaniu elektrycznym między metalem a tlenkiem. Do wad systemów ze sztywnymi detektorami należy mniejsza wielkość obszaru aktywnego w porównaniu z powierzchnią filmu konwencjonalnego oraz niepodatność detektora na zginanie, powodująca dyskomfort w jamie ustnej pacjenta podczas wykonywania zdjęcia, oraz utrudnienia w ustawianiu detektora w odpowiedniej pozycji przez technika, w około 25% przypadków prowadzące do konieczności powtórzenia zdjęcia ze względu na złą techniczną jakość obrazu. Podstawy techniczne systemów radiografii cyfrowej wykorzystujących tzw. f o s f o r m a g a - zynujący (storage phosphor system) zostały przedstawione już w 1981 roku przez firmę Fuji. Początkowo znalazły one zastosowanie w mammografii, pantomografii i cefalometrii. Obecnie są podstawą radiologii cyfrowej ogólnomedycznej. W skład

3 Budowa systemów radiografii cyfrowej 49 Ryc Płytki do zdjęć wewnątrzustnych pokryte fosforem magazynującym, używane w systemach radiografii cyfrowej pośredniej. systemu opartego na zastosowaniu fosforu magazynującego wchodzą: płytka rejestrująca wielokrotnego użytku, skaner odczytujący informacje radiograficzne oraz komputer, który przetwarza i prezentuje obrazy. W tych systemach do rejestracji promieniowania rentgenowskiego używa się światłoczułą płytkę rejestrującą (ryc. 4.3), pokrytą fosforem magazynującym (SPP storage phosphor plate). Wykorzystywane jest tu zjawisko luminescencji wywołanej światłem. Płytka zastępuje konwencjonalny film z folią wzmacniającą. Jest to poliestrowy nośnik pokryty krystalicznym halogenkiem, składającym się z aktywowanych europem związków halogenku baru. Wzbudzone przez pierwotne promieniowanie rentgenowskie elektrony, przeniesione na wyższy poziom energetyczny, są wychwytywane przez pułapki jonowe istniejące w kryształach fosforu. Te kryształy zwane są centrami (ośrodkami) luminescencji. Kiedy kryształy fosforu są napromieniowane przez wtórne wzbudzenie, uwięzione elektrony są uwalniane. Oznacza to, że kiedy promienie rentgenowskie padają na płytkę, ich energia zostaje czasowo zmagazynowana w kryształach. Po ekspozycji płytkę należy umieścić w specjalnym skanerze, w którym promień lasera helowo-neonowego o określonej długości fali powoduje wzbudzenie fosforu. Zmagazynowana energia jest uwalniana w postaci fluorescencyjnego niebieskiego światła o innej długości fali, które jest przekształcane przez fotopowielacz na sygnał cyfrowy. Po zakończeniu odczytu płytka jest naświetlana w celu wymazania z niej obrazu utajonego i przygotowania jej do kolejnej ekspozycji. W zależności od systemu radiografii cyfrowej płytka jest regenerowana bezpośrednio w skanerze i naświetlana światłem o specjalnej długości fali lub po wyjęciu płytki ze skanera światłem z otoczenia. Przed rozpoczęciem normalnego użytkowania tego systemu należy s k a l i b r o w a ć s k a n e r w odniesieniu do największej stosowanej ekspozycji. Przed ostatecznym odczytem skaner dokonuje odczytu wstępnego, a następnie korygowane są wartości skali szarości. Dzięki temu możliwe jest otrzymywanie dobrych jakościowo zdjęć nawet wtedy, gdy warunki ekspozycji wynosiły jedynie 10% warunków ekspozycji przy kalibracji. Oznacza to, że system eliminuje wpływ zbyt niskich lub zbyt wysokich parametrów ekspozycji na wartość diagnostyczną zdjęcia. Z tego powodu proces odczytywania odbywa się w dwóch fazach: odczyt wstępny (preread) i odczyt ostateczny (mainread). Odczyt wstępny pozwala ustalić zakres dynamiki fotopowielacza dla procesu odczytu ostatecznego. Dzięki temu paleta szarości jest możliwie najlepiej przyporządkowywana do obrazu utajonego, a użytkownik automatycznie otrzymuje obraz cyfrowy. Drugim celem kalibracji jest przystosowanie mechanizmu odczytu do pozycji płytki podczas odczytu może być to konieczne zwłaszcza wtedy, kiedy cały system był przemieszczany, co mogło doprowadzić do powstania zakłóceń w synchronizacji między skanującym promieniem laserowym a przesuwem płytki. Płyty pokryte fosforem magazynującym znalazły zastosowanie przede wszystkim w radiologii ogólnomedycznej; w radiologii stomatologicznej służą do otrzymywania zdjęć zewnątrzustnych, w tym pantomograficznych i tele-bocznych czaszki. Jest to związane z faktem, że płyty pamięciowe są tańsze w produkcji i eksploatacji niż duże, elektroniczne detektory promieniowania. Do odczytu takich dużych płyt pamięciowych służą odpowiednie skanery laserowe płaskie lub bębnowe. Trzecia część każdego systemu radiografii cyfrowej to c z ę ś ć g r a f i c z n a, która umożliwia przedstawienie obrazu na ekranie monitora. Przekątna monitora i ustawienia jego rozdzielczości wpływają na fakt, że nie wszystkie zdjęcia cyfrowe mieszczą się na standardowym ekranie. Oznacza to, że niejednokrotnie obraz musi być pomniejszony, aby możliwe było jednoczesne wyświetlenie go w całości na monitorze. Dotyczy to np. cyfrowych zdjęć pantomograficznych. Zdjęcia wykonane techniką radiografii cyfrowej można oglądać w dowolnej kolejności. Łatwo odszukać i zidentyfikować konkretne zdjęcie dzięki temu, że wraz z plikiem graficznym zapisywane są w pamięci komputera dane pacjenta: nazwisko i imię, data urodzenia, data wykonania zdjęcia, łącznie z godziną. W miarę potrzeby taką metryczkę zdjęcia można uzupełnić, wpisując adres pacjenta, dane identyfikacyjne, np. numer PESEL, lub kolejny numer badania oraz numer zęba. Takich informacji

4 50 Radiografia cyfrowa w całości lub częściowo brakuje przy analizie zdjęć konwencjonalnych na filmach rentgenowskich. Obrazy zapisywane są w postaci plików graficznych, najczęściej w formacie TIFF i BMP, które zwykle mają około kb. Zapis w postaci plików z kompresją danych (JPEG) wiąże się z ich częściową utratą i przydatny jest na przykład przy transmisji zdjęć przez Internet, jednak zdjęcia takie nie mogą być już automatycznie analizowane przez oprogramowanie. Ostatecznie obraz cyfrowy można zarchiwizować w postaci wydruku lub, korzystnej, na nośnikach informacji, takich jak dyskietki, dyski CD-R, CD-RW, DVD-R, napęd pen-drive, dyski optyczne lub napędy ZIP. Zdjęcia można też wydrukować na typowej drukarce komputerowej lub na termoprinterze. Obróbka obrazu cyfrowego Możliwość obróbki obrazu cyfrowego uważana jest za jedną z większych zalet radiografii cyfrowej. Istnieje kilka opcji przekształcania obrazu rentgenowskiego, w celu uzyskania jak najlepszej wizualizacji, dostosowanej do subiektywnych potrzeb lekarza oceniającego zdjęcie. Oprogramowanie służące do obróbki obrazu cyfrowego umożliwia prezentację zdjęć rentgenowskich na ekranie na różne sposoby. Dzięki obróbce danych, jakie składają się na zdjęcie rentgenowskie wykonane techniką radiografii cyfrowej, możliwe jest przekształcanie obrazu wyjściowego oraz dokonywanie pomiarów. Podstawowe funkcje obróbki obrazu cyfrowego dostępne w różnym zakresie w zależności od rodzaju dostępnego oprogramowania (ryc. 4.4): zmiana sposobu prezentacji obrazu (powiększenie, pomniejszenie, obrót obrazu o 90 lub 180, odbicie lustrzane), zmiana rozkładu wartości szarości (regulacja kontrastu, regulacja jasności, zmiana negatyw pozytyw, zastosowanie pseudokoloru, czyli zamiana palety odcieni szarości na paletę kolorów, tomosynteza, czyli uwypuklenie jednym kolorem pikseli o tej samej wartości skali szarości gęstości optycznej), dokonywanie pomiarów (kalibracja, pomiary liniowe, pomiary wartości kąta, pomiar pola powierzchni, pomiar wartości skali szarości w danym punkcie, histogram, czyli rozkład wartości skali szarości wzdłuż zadanego odcinka lub na wybranym obszarze, a także zastosowanie biblioteki obrazów implantów śródkostnych), zastosowanie filtrów (uwypuklenie krawędzi, zwiększenie ostrości obrazu, przedstawienie obrazu w postaci reliefu, obraz pseudotrójwymiarowy, filtr unsharp mask ). Dzięki zastosowaniu specjalnego oprogramowania do obróbki, niedostępnego w standardowych zestawach do radiografii cyfrowej, możliwe jest dalsze przetwarzanie obrazu cyfrowego. Zalety radiografii cyfrowej Najważniejszą zaletą radiografii cyfrowej jest narażenie pacjenta na znacznie mniejszą dawkę promieniowania rentgenowskiego podczas pojedynczej ekspozycji. Jest to 20 25% dawki potrzebnej do otrzymania diagnostycznie przydatnego konwencjonalnego zdjęcia na filmie o czułości D oraz 50% na filmie o czułości E w systemach CCD oraz 10 25% w systemach z płytką rejestrującą. Jako zalety wymieniane są także: możliwość obróbki obrazu rentgenowskiego po jego zarejestrowaniu, skrócenie czasu między wykonaniem zdjęcia a otrzymaniem obrazu (od 0,2 sekundy w systemach CCD do 30 sekund w systemie Digora), elektroniczna archiwizacja danych, możliwość transmisji danych, a także ochrona środowiska naturalnego dzięki nieużywaniu roztworów chemikaliów. Przewiduje się, że w przyszłości uda się całkowicie wyeliminować radiografię konwencjonalną z zastosowaniem błon rentgenowskich oraz ciemni i odczynników chemicznych na rzecz cyfrowej akwizycji danych. Obecnie na całym świecie tworzone są zakłady radiologii bez filmów rentgenowskich, gdyż systemy radiografii cyfrowej połączone są z monitorami zainstalowanymi na poszczególnych oddziałach i w zakładach. Dzięki temu klinicysta ma w każdej chwili dostęp do bieżących oraz archiwalnych zdjęć pacjentów, a także ma możliwość zastosowania cyfrowej obróbki danych i systemów komputerowych wspomagających diagnostykę (CAD Computer-Aided Diagnosis). Pierwsze takie centrum diagnostyki stomatologicznej powstało w Amsterdamie w ACTA, gdzie w systemie współpracuje kilkanaście aparatów do radiografii cyfrowej. Wcześniejsze generacje systemów radiografii cyfrowej cechowała rozdzielczość mniejsza niż radiografii konwencjonalnej, co sprawiało, że zdjęcia rentgenowskie na filmie były preferowane przez lekarzy. Najnowsze generacje systemów radiografii cyfrowej osiągają rozdzielczość teoretyczną rzędu 27 par linii na milimetr i rzeczywistą na ekranie 14 par linii na milimetr. Dla porównania rozdzielczość

5 Zalety radiografii cyfrowej 51 A B C D E F Ryc Możliwości wtórnej obróbki obrazu cyfrowego. A. Przykład zastosowania lupy cyfrowej powiększenia wybranej okolicy zdjęcia rentgenowskiego. B. Przykład cyfrowej obróbki obrazu rentgenowskiego zamiana negatywu na pozytyw. C. Zastosowanie tomosyntezy podświetlenie jednym kolorem wszystkich pikseli o tej samej wartości skali szarości w obrębie obrazu rentgenowskiego. D. Inna możliwość zastosowania opcji tomosyntezy zaznaczenie jednym kolorem wszystkich pikseli o wartości skali szarości niższej w stosunku do zadanej. E. Pomiar wartości kąta. F. Kalibracja wielkości obrazu.

6 52 Radiografia cyfrowa G H I Ryc. 4.4 (cd.). Możliwości wtórnej obróbki obrazu cyfrowego. G. Pomiar gęstości w wybranym punkcie obrazu (w miejscu kursora). W odpowiednim oknie podawana jest gęstość optyczna. H. Pomiar gęstości wzdłuż wybranej linii. W odpowiednim oknie wyświetlana jest gęstość minimalna, średnia, maksymalna i odchylenie standardowe. I. Histogram rozkład wartości skali szarości.

7 Teleradiologia 53 obrazu w radiografii konwencjonalnej to par linii na milimetr, a oka ludzkiego jedynie 4 9 par linii na milimetr. Oko ludzkie przystosowuje się do szerokiego zakresu jasności, rzędu 10 10, co odpowiada różnicom w oświetleniu między światłem słonecznym a świeceniem gwiazd. Jednak cały zakres nie jest odbierany jednocześnie, raczej narząd wzroku przystosowuje się do danego poziomu, a wtedy może odbierać znacznie węższy zakres poziomów jasności w tym samym czasie. Typowy negatoskop ma znacznie (nawet dziesięciokrotnie) większą jasność niż monitor komputerowy, stąd powszechne przekonanie, że podświetlone konwencjonalne zdjęcie rentgenowskie zawsze będzie przewyższać obraz cyfrowy. Obecne prognozy wskazują jednak, że w niedługim czasie radiologia cyfrowa wyprze konwencjonalne zdjęcie rentgenowskie. Teleradiologia Teleradiologia to połączenie ośrodków medycznych szybkim łączem transmisyjnym i przesyłanie badań obrazowych w postaci cyfrowych zdjęć rentgenowskich lub obrazów z badań wykonywanych metodą tomografii komputerowej, tomografii rezonansu magnetycznego lub badań ultrasonograficznych. Transmisja może odbywać się zarówno w obrębie szpitala lub przychodni z wykorzystaniem tzw. systemu PACS (Picture Archiving and Communication System), jak i na duże odległości. Ucyfrowienie całej radiologii i diagnostyki obrazowej w najbliższym czasie spowoduje, że bardziej powszechna stanie się ocena badań obrazowych na monitorze stacji opisowej, a nie jak dotychczas na negatoskopie. Przesyłanie danych może odbywać się za pomocą różnych sieci i sposobów transmisji. Standardowe linie telefoniczne są najtańsze i najbardziej dostępne, jednak cechuje je mała szybkość transmisji. Można stosować także cyfrowe linie telefoniczne ISDN (Integrated Service Digital Network), komputerowe sieci lokalne LAN (Local Area Network) czy komputerowe sieci rozległe WAN (Wide Area Network). Obecnie coraz częściej wykorzystuje się możliwości transmisji bezprzewodowej w telefonii cyfrowej GSM, GPRS, radiodostęp czy łącza satelitarne. Zapewnia to dostęp do wszystkich mobilnych elementów systemu (np. karetki pogotowia); wadą jest mała szybkość przesyłu danych i wysoki koszt urządzeń. Do najczęściej wymienianych zalet teleradiologii należy możliwość przeprowadzenia szybkiej konsultacji ze specjalistą, umożliwiającej postawienie precyzyjnej diagnozy w krótkim czasie, w dodatku bez konieczności transportu pacjenta na konsultację specjalistyczną. W systemach istnieje stały dostęp do bazy danych aktualnych i archiwalnych badań pacjenta oraz informacji klinicznych. Ponadto zwraca się uwagę na obniżenie kosztów dzięki wdrożeniu diagnostyki bezkliszowej oraz zmniejszeniu kosztów zatrudnienia. W Polsce teleradiologia nie jest jeszcze powszechnie stosowana. Może mieć to związek nie tylko z problemami natury technicznej i ekonomicznej przy wdrażaniu systemów teleradiologii, ale także z niedostatkiem informacji na ten temat.