искажений последнего. Те же искажения будут влиять и на принятие решений по распознаванию и идентификации интересующих исследователя объектов на изображении.

Искажения обусловлены [3]:

−неполным знанием физических свойств ОИ, а следовательно, невозможностью точного согласования характеристик излучения с параметрами ОИ (объект исследования, система съема);

−несовершенством процесса формирования исходного потока электромагнитного излучения в системе съема изображения;

−отличием характеристик преобразователя излучения, прошедшего через ОИ, в электрический сигнал от идеальных (система съема);

−неидеальным преобразованием электрического сигнала в распределение яркости свечения системы отображения;

−ошибками, связанными с восприятием изображения зрительной

системой исследователя.

Степень допустимых искажений изображений для различных систем медицинской визуализации регламентируется стандартами. Предполагается, что если нормируемые характеристики систем медицинской визуализации находятся в пределах допустимых отклонений, то, при условии правильной эксплуатации, обеспечивается получение качественных изображений с минимально возможными искажениями. Кроме того, для создания эффективной в смысле осуществления диагностики по медицинским изображениям системы медицинской визуализации необходимо, чтобы все звенья этой системы (в том числе зрительная система исследователя) были согласованы между собой по качеству передачи информации. Следует отметить, этот же принцип действует и при использовании для постановки диагноза систем машинного зрения, т. е. компьютерной имитации зрения человека, которая представляет собой одно из направлений развития искусственного интеллекта и включает обучение, способность к умозаключениям и действиям на основе наблюдаемой информации.

1.4. Особенности зрительного восприятия медицинских изображений на мониторах

Правильное обнаружение исследователем объектов интереса на медицинском изображении обеспечивается лишь в том случае, если они доступны для восприятия зрительной системой исследователя (изначально

15

обладающей ограниченной чувствительностью и разрешающей способностью). В современных цифровых БТС медицинской визуализации изображения представляются исследователю при помощи систем отображения – мониторов медицинского назначения. Поэтому для обеспечения наилучших условий зрительного анализа изображения и обнаружения исследователем объектов интереса на нем необходимо изучить основы функционирования зрительной системы человека и особенности зрительного восприятия медицинских изображений в совокупности с техническими характеристиками систем отображения, а также с учетом возникающих в этих системах искажений изображений.

Не останавливаясь на описании известной физиологии зрительной системы, выделим важнейшие для зрительного восприятия изображений факторы. Их можно разбить на две группы: эндогенные, характеризующие зрительную систему наблюдателя, и экзогенные, характеризующие условия наблюдения изображения. К эндогенным относятся пространственное разрешение зрительной системы и острота зрения, пороговый контраст и частотно-контрастная чувствительность, диапазон аккомодации и частота слияния мельканий. К экзогенным – яркость адаптации (усредненная яркость изображения), время наблюдения, контраст и угловой размер наблюдаемого объекта. При этом эндогенные факторы, в первую очередь, пороговый контраст (частотно-контрастная чувствительность) и разрешающая способность зрительной системы, накладывают ограничения на условия зрительного восприятия (экзогенные факторы).

Восприятие зрительной системой контрастов светлого и темного на изображениях (контрастная чувствительность) реализуется благодаря механизмам зрительной адаптации: глобальная адаптация обеспечивает подстройку к среднему уровню яркости изображения (с учетом внешнего освещения), а локальная – поиск и обнаружение объектов в процессе «сканирования» (осмотра, обзора) изображения [9].

В физиологической оптике контрастом (физическим, яркостным) объекта с фоном или просто контрастом Cob называют отношение разности

яркостей объекта и фона на изображении к яркости фона: Cob = BobB−b Bb = ∆BBb , где Bob – яркость объекта, Bb – яркость фона [4]. При

этом объекты наблюдения на изображении отличимы от фона лишь в том случае, когда неоднородность распределения яркости изображения

16

превышает пороговый уровень, определяемый пороговым контрастом CT . В

соответствии со статистической природой порога зрения пороговый контраст определяется при таком уровне отличия яркости объекта наблюдения от яркости фона, при котором обеспечивается вероятность обнаружения объекта 50 %, и составляет 0,02…0,04 [5]. Пороговый контраст зависит от размера, формы и продолжительности наблюдения объекта, уровня адаптации. Кроме того, на значение порогового контраста влияет вид границы раздела между объектом и фоном: чем уже и резче граница между сравниваемыми объектами, тем меньше пороговый контраст. Если линия раздела между объектом и фоном не резкая, а образована полосой постепенного перехода от одной яркости к другой, то пороговый контраст увеличивается.

Размер наименьшей различимой детали изображения – разрешающая способность (пространственное разрешение) зрительной системы и, соответственно, острота зрения (визус) определяются расположением фоторецепторов на сетчатке. Принято, что в реальных условиях наилучшая разрешающая способность глаза человека составляет 1′ [4]. Действие механизмов адаптации зрительной системы обусловливает зависимость разрешающей способности зрения от освещения.

Таким образом, пороговые условия наблюдения объектов на изображениях определяются тремя характеристиками: яркостью фона, угловым размером объектов и их контрастом.

Экзогенные факторы зрительного восприятия изображений формируются с помощью системы отображения. Они должны соответствовать наилучшим для зрительного восприятия изображений значениям и могут изменяться в пределах, определяющихся свойствами зрительной системы и внешними (по отношению к самой системе отображения) условиями наблюдения. Помимо экзогенных факторов зрительного восприятия характеристики системы отображения задают форму представления изображения, которая обычно является постоянной: размер изображения, диапазон воспроизводимых цветов и пр. Очевидно, что дополнительные искажения, вносимые в изображение самой системой отображения, должны быть учтены и минимизированы.

В табл. 1.1 выделены световые и растровые (энергетические и пространственные) характеристики мониторов. К световым относятся максимальная яркость, количество воспроизводимых градаций яркости, контраст, диапазон воспроизводимых цветов, четкость, резкость, а также

17

наличие всякого рода искажений, проявляющихся в нарушении распределения яркости и цветности изображения. К растровым – разрешающая способность, размеры и формат кадра, линейность.

Рассмотрим более подробно искажения при воспроизведении медицинских изображений в системах отображения. В первую очередь обратим внимание на геометрические искажения, возникающие по краям экранов мониторов с электронно-лучевыми трубками из-за нарушения фокусировки и сведения лучей. В связи с этим изображение обычно выводят на меньшую площадь, а размер диагонали экрана монитора не является размером диагонали изображения, выводимого с гарантированным уровнем качества, – формуляра. Степень геометрических искажений характеризуют линейностью монитора – отклонением участка прямой линии от своей точной ориентации, отнесенным к общей длине линии и выраженным в процентах. Этот параметр трудно связать с представленными ранее категориями зрительного восприятия, поэтому установить точные ограничения на него достаточно сложно. Однако можно утверждать, что, если искажения не превышают разрешающей способности зрительной

18

системы, они не будут замечены. Отметим, что жидкокристаллические мониторы практически не вносят в воспроизводимые изображения геометрических искажений. Очевидно, что для систем отображения медицинских изображений нелинейность и геометрические искажения представляют существенный недостаток и должны быть сведены к минимуму. Также в системах отображения возникают искажения изображения, заключающиеся в нелинейном преобразовании яркости его отсчетов, в результате чего наблюдаемая яркость изображения на выходе системы отличается от той, которая была бы на выходе идеальной системы. При этом отличие в каждой точке зависит только от значения яркости изображения в этой точке. Такие яркостные искажения описываются амплитудными характеристиками системы – нелинейными функциями, показывающими зависимость уровня выходного сигнала от уровня входного, и корректируются с помощью преобразований, превращающих характеристику системы отображения в заданную [1]. Следует помнить, что изображение на экране монитора может быть искажено не только известным нелинейным преобразованием, но и содержать случайные искажения – шумы, как аддитивные, так и мультипликативные. В частности, выделяют флуктуационные шумы, которые снижают четкость и контраст изображения на экране монитора, а также вызывают у наблюдателя неприятное ощущение из-за случайных изменений яркости мелких участков изображения. Для устранения этих искажений применяются специальные методы, такие, как медианная фильтрация, фильтрация на основе преобразования Фурье и вейвлет-преобразования и др. [6].

Учитывая высокое качество современных систем отображения, можно надеяться, что при их правильной эксплуатации возникающие на медицинских изображениях искажения будут сведены к минимуму. Так, уровень внешнего освещения следует выбирать с учетом процессов адаптации глаза: необходимо стремиться к тому, чтобы средняя яркость окружающего фона и средняя яркость экрана монитора были приблизительно одинаковыми. Контраст медицинского изображения на мониторе должен обеспечивать возможность восприятия наименьшего доступного глазу элемента изображения. Рекомендуемое разрешение медицинского изображения в системе отображения – согласованное с разрешением системы съема [7]. Кроме того, поскольку цифровые системы медицинской визуализации стали широко применяться сравнительно недавно, при

19