【转贴】数字影像质量参数

序言

空间分辨率和MTF不能再单独做为某个系统诊断功能的标准了.
取而代之的是一种新的标准:
可探测的量子效率(DQE), 对成象系统噪声和对比剂性能的共同作用的测量，以目标的清晰度的函数来表示.
为了理解为什么DQE被许多专家看做是评价数字化X线成象质量最精确的标准，让我们首先考虑以下几个部分.
Fig. 1: 信噪比.
在数字人X线系统中，当噪音降低时，或SNR增加时，目标的可探测性也迅速增加.
量子和电子噪声的信号中都是随机变化的，在诊断性成象时可以模糊有用的信息。量子噪声从探测到的X线光子的数目变化而来。噪声在许多数字化成象链中是固有的，它长期以来被看做是对图像质量有明显影响的一个参数。当噪声增加时，图像质量就下降了。系统噪声通常用信噪比(SNR)来表示:
信号???? 有用的图像信息
--------? =? ------------------------
噪音???? 错误的信息

噪音是目标可探测性的主要限制因素，除非增加剂量，在给定系统中噪音是一个常量。因此低噪音就成为适当的剂量下产生好的图像质量的必要条件，特别是观察较小的、低对比度的目标时.
Fig. 2: 对比分辨率.
由于数字化系统较高的对比分辨率，人们可通过调整窗口/对比度水平来增强对小目标的可探测性。考虑一幅图像，其背景强度为100，而目标强度为105，换句话说，目标的对比度仅为5%。采用一个255的窗口，将对比度水平设为0，目标此时与背景几乎难以分辨(左图)。当我们将窗口变小，增加对比度时，目标就可以看到了(中央)。通过设置对比度水平到背景强度下，将窗口调整到相对的目标强度下，此时，5比5%就可获得最大对比度.
DQE的另一个重要因素就是它的放射性成象系统的对比度性能，即它捕获目标实际的对比情况的能力。
X线系统的数字化曝光一般具有较宽的动态范围，因此可以捕获很宽范围的信号强度，从极低到极高。他们还具有较高的对比分辨率，即能够捕获成千上万个灰度阴影，远远高出人眼所能分辨的范围。这就使得成象区域在传统的胶片上可能曝光不足或曝光过度.
因此，数字化系统的噪音较低，动态范围较宽而对比分辨率较高，这就可以在胶片/屏幕系统上改善低对比度目标的可探测性。并且这种低对比度目标的可探测性可通过复杂的图像后处理得到进一步的改善。图像后处理包括：自动对比度增强，窗口/对比度水平调整－例如，通过设置对比度水平接近于背景水平，并通过缩小窗口来调整对比度在刚刚高于或低于目标信号的水平(图. 2).
Fig. 3: SNR 和对比度.
尽管数字化图像的对比度可以调整，这一功能也不能对抗较高的噪声水平。低噪声水平也不能完全弥补较差的对比度。因此，当用电子管浏览图像时，没有一个参数单独可以充分定量数字化图像的质量。
为精确地测量数字化成象系统的性能，我们必须对噪声和对比度的性能进行一个综合的评价；这些参数不能再孤立地看待。一个具有较高对比度水平的系统可能由于高噪声的存在而不能产生诊断上有用的图像，换句话说，如果它的SNR较低的话。另一方面，如果没有足够适当的对比度，即使极低噪声的系统，其诊断图像的可用性也同样受限(图 3).
低噪声和高对比度的性能对于形成极高的图像质量和目标的可探测性都是同样需要的。
解决方法: D可探测式量子效率. 它以目标清晰度、或空间频率的函数来表示。DQE将噪声和对比度的性能结合到单独一个参数中而得到广泛的接受。它的测量最代表数字化图像的质量及目标的可探测性：
因此，在所有空间频率下使DQE最大化应当是以数字化探测器为基础的成象系统的设计者们最大目标——这也正是GE数字化探测器系统设计者们的目标.
Fig. 4: 探测器DQEs.
DQEs 来自于各种X线成象的方法(2)。请注意，多数临床相关的信息都存留在低到中度频率范围内。GE的数字化探测器其极高的DQE可产生低噪声图像，因而有极高的目标可探测性.
一个成象系统提取其目标的对比度做为目标清晰度的函数，这通常表示为它的调制传递函数(MTF)。但是MTF只是在理想的实验室条件下，采用高对比度的目标、高剂量而将散射辐射和噪声减少到最小时正常测得的。因此，它不是实际临床情况下其性能的可靠显示。
而且，尽管MTF对以胶片为基础，无需后处理的系统而言是一个有用的性能指标，它对于数字化系统而言并不严格。这是因为在给定适当的SNR的条件下，数字化后处理的过程几乎可以使人得到任何需要的MTF.
当几种不同的探测器比较时，结果就很清楚了(图 4)。
GE的数字化探测器与目前技术水平下的胶片/屏幕系统、估算的X线摄影、平板式以硒为基础的成象系统相比，通常都有明显较高的DQE，特别是在多数临床相关信息存留的低到中度空间频率的条件下。因此具有极佳的目标可探测性。
Fig. 5: DQE对图像质量的影响.
将胶片/屏幕图像和数字图像进行比较的研究使DQE的重要性更为明显。尽管胶片/屏幕图像（左侧）的受限的空间分辨率(LSR)远远高于数字图像（右侧），数字化探测器较高的DQE值增强了它检测出小的和低对比度的目标的能力.
受限的空间分辨率(LSR)是对空间频率的测量，是指即高剂量，无散射和局部光斑的半阴影区时，观察者不能再看到高对比度、结构有周期性的实验模型时的空间频率。
这些情况在正常的临床情况下都不是会存在的。但是LSR通常被用作以胶片/屏幕为基础的系统的图像质量的临界参数，有时也作为保留的以胶片为介质图像质量的论证。如果我们想要精确地评价数字化探测器的性能，这是一个必须要消除的误解。
一个有相对较低的LSR值的数字化系统可通过使噪声最小化，使对比度最大化－简而言之，就是通过更好的DQE值，对这种限制加以补偿。因此，即使LSR相对较低，用较高DQE的探测器获得的数字图像通常也能对探测较小的目标的能力有较大的改善(图 5)。因此，LSR本身不是一个精确测量数字化成象系统可测出的最小目标大小或其图像质量的指标。
这已通过对分别胶片和数字化探测器为基础的成象系统进行比较的研究得到了证实：即使胶片/屏幕联合使用，其表现出的LSRs高达20 lp/mm，在一个幅图像中可探测出的最小目标通常也较大。再次说明，这是因为在较高的空间频率下，胶片显示出较低的对比度和较高的噪声，换句话说，也就是很低的DQE:
实际上，噪声和对比度，加上人视觉系统对高空间频率较弱的反应，都是确定给定的成象系统所成象最小为多少的限制因素。它们不象胶片/屏幕上对应的部分，数字化系统增加了图像处理功能，如窗口/对比度水平及变焦功能等，这使它在很少的情况下检测到甚至更小的目标成为可能，此时图像操作是非常有优势的。
Fig. 6: MTF在噪声图像中对目标探测的影响
根据Loren T. Niklason, Ph.D.的研究表明，100微米的空间分辨率对全域数字化乳房X线造影是很理想的，他们以前是麻萨诸塞州综合医院的物理学家，现在是北卡罗莱纳州Hillsborough的顾问医师。
"看起来100微米的分辨率可能对普通乳房X线造影是最恰当的特别是在用于检测时" Dr. Niklason 说， "争论主要在于一旦病损被探测出来，我们是否需要以50微米对其刻划。因此问题就来了，如果我们看到了200到400微米的微钙化，并且想查看它的边缘以对其进行描述，100微米的分辨率能使我们那么做吗?
"到目前为止，看起来大多数情况下进行这一工作时，100微米似乎足够了."
在少数病例中，50微米可能是有用的，他补充道，可以获得放大了的视图。但这就意味着更多的曝光，它将用50微米的分辨率消除不可避免的权衡– 特别是增加的噪声，每个象素捕获较少的X线信号结果等结果。
"许多研究者都同意，当你开始增加高水平的噪声时，图像中就几乎不留什么信息(图 6)。 为了补偿，你不得不在更高的剂量水平下操作以达到较高的分辨率."
高DQE的优点
很显然，在临床相关的空间频率下改善图像的质量和目标的可探测性是具有高DQE的数字化探测系统两个最重要的可能收获。但是它也有其它优点。
考虑一个其它两个较大的重要性:
患者剂量
是一个对DQE有直接影响的参数： DQE与图像质量/患者剂量成正比(图像质量大约与输出的SNR有关，患者剂量与输入的SNR有关.) 这一关系表明，高DQE的数字化探测器在相同的剂量下应当具有改善图像质量的潜能，或者剂量较低时不会影响到图像的质量。例如，用GE探测器进行的人体仿真模型研究已经表明，小目标的对比可探测性在0.2-0.3-mm范围内，与胶片相比可改善程度高达40%.
高级应用
可能是数字化技术最重要的优点—— 包括双能成象在选择性地鉴别软/硬组织的应用，断层合成或三维重建以增强空间显影及为X线摄影及早期胸部肿瘤X线透视而进行的低剂量透视的应用.
与复杂的图像处理算法相结合，高DQE是使上述成本可能的参数。实际上，满足高级应用从一开始就是GE探测器组的主要的设计目标。我们的数字化探测器强有力的设计，及其在工业领域中领先的DQE，使它们成为未来的放射摄影科室的最佳选择.
结论
从一开始就为保证最高可能的DQE而设计，GE数字化探测器已经在以最低的剂量生成高质量的图像方面，在全世界范围内证明了它们的能力。
"直径小到100mm的非定期性小目标的探测(象微钙化)可由X线量子的统计学界限来确定，而不必通过MTF 。特别是，低空间频率影响了信噪比和量子统计学时，它的DQE仍较好。因此，目标的大小可以被探测到."(1)
"似乎很清楚，乳房数字化X线造影系统不需要弥补传统的胶片-屏幕系统分辨率有限的不足。实际的乳房数字化X线造影系统可采用象素矩阵明显小于8,128 x 10,160 [25微米胶片的分辨率] 排成 8" x 10" 的形式，并且仍然可以分辨小于传统的胶片/屏幕系统中的目标。这完全是由于它较好的信噪."(3)
词汇表
对比分辨率:
探测器可捕获的灰阶的数目。平板式数字化探测器的分辨率通常为12-14位。
可探测的量子效率(DQE):
一种对成象系统的信号和噪声从输入到输出的传输能力的表达，以百分比表示。它是最能代表图像质量的测量指标，以观察者能够探测到图像中感兴趣的目标为根本。