数字影像检测器性能标准 DQE 的测量方法和评估 唐东生 等 本文作者唐东生先生解放军总医院医学工程中心主任;王佩锞先生医学工程中心副主任副主任技师; 王洪先生医学工程中心工程师;严勇先生医学工程中 心工程师 关键词: 数字 X 射线摄影 影像质量 MTF DQE NPS 数字化 X 射线摄影系统(Digital Radiography)是自 CT 发明以来 X 射线放射影 像领域最大的突破性技术进步其出色的影像质量丰富的功能快捷的工作效率和低曝光剂量的安全性是常规增感屏胶片成像系统所无法比拟的这一切使 数字 X 射线摄影系统近两年的发展非常迅猛 市场上有许多家公司不同技术方案 的数字化影像系统: CR 数字化系统平面 TFT 矩阵直接转换型 DR 数字化系统 间接转换类型 CCD 或 CMOS 数字化系统以及扫描多丝正比线阵电离室数字化 系统等在引进数字系统时用户面临如何选择和比较各种不同技术方案影像设备 的实际问题 对于放射影像我们一方面要看影像的质量还要考虑影像获取的条件仅就图像本身而言通常用空间分辨率动态范围和对比度分辨率MTF噪声等 指标衡量其质量对数字影像系统来说这些指标除了受探测器的单元面积灵 敏度等因素影响外还受图像处理方法入射 X 射线剂量和能量的影响任何分 散的参数不能全面说明 DR 系统的特点如何以较低的入射 X 射线剂量获得高信 噪比的影像是反映探测器性能和技术水平的标志当前各 DR 系统生产厂家普 遍采用量子检测效率 DQE(Detective Quantum Efficient)作为评价 DR 探测器系统 的技术指标DQE 有机结合了影像对比度噪声空间分辨率和入射 X 射线剂 量几个重要参数对数字影像系统的对比度检测能力进行全面表述被许多专家 看做是评价数字化 X 射线成像质量最精确的标准 本文综合厂家资料和文献对数字 X 射线探测器 DQE 的定义常用的测量和计算方法进行简介以便能更清楚了解其物理意义为如何使用 DQE 对各类 DR 系统进行技术比较和评估提供参考 一 量子检测效率(DQE)的定义 在增感屏和影像增强器中DQE 表示在一定入射剂量条件下影像输出屏的亮度单位为: cd/m2/μGy/s随着-TV.的推广应用该指标常用于影像增强器的 性能评价而在直接数字化影像系统中DQE 的测量方法及意义与影像增强器的DQE 是有差别的其不是简单的可见光强度与 X 射线强度之比而是描述把输 入 X 射线转化成输出影像效率和能力的指标 DQE 是空间频率(f)的函数DQE 的原始定义为 DQE(f)=22INOUT SNRSNR影响 DQE 参数有以下因素: 1. 噪声 噪声客观存在于任何影像系统中 在 X 射线影像系统中其包括 X 射线量子噪声和电子噪声两部分量子噪声从探测到的 X 射线光子的数目变化而来它是随 入射剂量而变化的电子噪声存在于信号 A/D 转换前的模拟成像链系统电路中 其是固有的量子和电子噪声信号都是随机变化的其在成像时可以模糊有用的 信息降低对微小的和对比差别小的物质分辨能力噪声长期以来被看作是对图 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 噪声是目标可探测性的主要限制因素除非增加剂量在限定输入放射剂量的系统中噪声是一个常量因此降低噪声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 对于影像来说图像中每一点的噪声涨落是随机的如果在噪声采样区域内曝光是空间均匀的并且探测器没有针对图像进行特别处理其统计均值是稳定 的 对于放射影像如果 X 射线照射是均匀的对同一图像上多个采样点的统计累加均值与在同一采样点进行多次曝光所采集累加均值是等效的 研究表明对均匀影像做傅立叶变换求出影像的噪声功率谱(Noise Power SpectraNPS)可以全面有效地反映出影像的噪声水平并且相对比较稳定 因此在影像评估中使用 NPS 作为全面反映噪声量级的指标 2. 对比度 DQE 的另一个重要因素是其放射性成像系统的对比度分辨能力 图像对比度 性能反映了系统捕获和显示物体真实反差的能力影响对比度的因素有两条: (1)动态范围: 可以捕获多宽曝光范围内的信号强度; 较宽的动态范围可以捕 获很低和很高剂量入射 X 射线的影像 在常规屏片系统中曝光不足和曝光过度的影像可以被动态范围宽的数字成像系统获得 (2)对比分辨率: 能够捕获的灰度等级通常可以用数字化的位数表示其也与动态范围配合使宽的动态范围能够被有效反映出来 只要信号上能够区分出来对比度差别数字系统的图像处理能力可以通过对比度增强和显示窗宽/窗位的调整把信号表现出来 要准确评估数字化成像系统的性能我们必须对系统的噪声和对比度检测能力进行综合的评价不能孤立地看待这些参数如果一个系统具有较高对比度检 测能力但噪声也很大的话弱信号将淹没于噪声中而无法被检测到其影像 质量不会好; 同样如果系统噪声很低但对比度也很低的话整体信号都较弱仍然得不到诊断上有用的图像必须是对比度强而同时噪声低也就是高信噪比的 系统才能获得好的影像 3. MTF 由于系统非线性的存在 对比度是信号空间频率的函数 随空间频率的提高系统的对比度分辨能力下降其关系叫做调制传递函数(Modulation Transfer FunctionMTF)因此DQE 也是空间频率(f)的函数MTF 综合反映了影像的 对比度和空间分辨率情况可用作单纯图像所包含信息量的评价指标 4. 患者剂量 入射 X 射线剂量和能量也是一个对 DQE 有直接影响的参数我们在注意射线剂量的同时不要忽略 X 射线的能量也是影响 DQE 的重要因素不同硬度的 X 射线所产生的 DQE 也不相同 X 射线光子能量影响成像物体的对比度 X 射线剂 量影响探测器的信号强度和噪声 综上所述DQE 是入射 X 射线剂量能量和空间频率 f 和探测器检测灵敏度的函数 二 DQE 的测量 从上面看到尽管 DQE 是一个非常准确全面的评价指标但其测量却不是一个简单容易的过程DQE 是系统输入输出信噪比的度量如何定义和计算信噪 比是测量 DQE 的关键 对于输出影像的信噪比各家常用的计算方法是: SNR2OUT(f)=)()(22fNPSfMTFS式中S 表示在一定剂量输入 X 射线下探测器输出影像的平均信号强度也即各像素数值的平均值其乘以 MTF 表示影像的有效信号噪声信号的平方以 NPS 表示 而输入 X 射线的信噪比由于受 X 射线剂量和能谱影响其是入射 X 射线剂量和能量的函数 对于放射粒子影像其量子涨落噪声与总光子数目的开方成反比 也即入射影像信噪比与入射剂量的开方成正比在实际 DQE 测量过程中通常 以一定质量 X 射线的光子数目表示入射 X 射线影像的信噪比的平方用照射 X 射线剂量乘以一个与能量相关的量子系数来表示 按照上面的定义DQE 可以按下式计算: DQE(f)= XCfNPSfMTFS )()(22式中 S表示信号的平均强度 MTF(f) 系统的调制传递函数 NPS(f) 系统的噪声功率谱 XX 射线的曝光强度 CX 射线的量子系数(单位是: photons/mm2/mR) f空间频率(Lp/mm) DQE 的定义与影像质量成正比与入射剂量成反比由于影像质量同时正比于入射 X 射线剂量高的 DQE 表现了系统在低入射剂量条件下获得高质量影像 的能力 1. DQE 的测量方法: 根据上面的公式要获得 DQE 必须先进行以下测量: (1)探测器输入剂量与输出信号之间的关系; (2)探测器的 MTF 曲线; (3)输出信号的 NPS 这些测量必须在一固定的 X 射线能量下进行以便于减少能谱的影响并确定量子系数同时上述计算和测量都涉及到图像处理要具有获得原始图像信 号和图像处理的能力 2. DQE 的测量过程 a. 确定 X 射线能量 在临床中X 射线能量通常以半价层 HVL 表示这里向大家介绍的方法所选择 X 射线的 HVL 为 7mm 厚铝原因如下: (1)该能量X射线用于影像增强器转换系数的测量; 大多数测量者也采用此能 量的 X 射线进行测量 (2)使用这种能量的 X 射线可以减小由于测量中使用不同发生器和不同 X 射 线管球所发出 X 射线能谱的差别所造成的测量误差 这使得 X 射线能谱与发生器和管球无关 获得方法: 20mm 的 Al 滤片插入到光束中调整 kV(70~80 之间)直到 HVL 为 7mm b. 特征曲线 特征曲线是探测器入射剂量与输出信号的关系曲线 DQE 测量中的所有信号都是通过特征曲线获得的通过特征曲线可以直接获得以下数据: (1)大面积平均信号 (2)曝光强度(mR) (3)该曲线本身也反映了探测器的动态范围 (4)特征曲线采集时所获得影像信号原始数据同时也用来计算影像 NPS 测量方法: (1)以不同入射剂量进行曝光测量探测器中心区域一块面积(如 512512)内各点象素的均值为输出信号 为减少噪声干扰 每个剂量点进行 10 次测量取均值 最后画得一条特征曲线 (2)测量时所使用的曝光剂量范围从 0.056~8.3mR(0.49~72.5μGy) 探测器信号处理: 对于平板型探测器由于制造工艺使得各象素间存在不同的本底偏差为消除这些本底采用减影处理: (1)在特征曲线采集时在影像中心部分划出 512512 个象素点区域计算曝光时的信号大小 此时的曝光影像中包含着 X 射线噪声和系统自身的本底静态 偏差 (2)在未曝光时也进行采集从影像中计算每点象素值的静态偏差 用曝光时的影像减去未曝光时的影像把系统的自身的本底偏差去掉影像中各象素的数值正比于输入 X 射线剂量得到探测器的特征曲线 c. 二维 NPS 计算 在上述特征曲线的测量过程中探测器所采集影像中每一点象素数值的差异代表了探测器自身的检测误差量子误差和 X 射线场的不均匀性如果能够把两 者区分出来我们可以减去 X 射线的场不均匀性得到探测器的检测噪声 就能进行 系统 NPS 的分析考虑到 X 射线的场不均匀性是稳定的可以通过多次曝光采 集获得每一个象素点的信号均值然后调整每一个象素点的增益或者通过减 影法来去除 X 射线场的不均匀性所带来的影响 当然这种做法会引入另外一种噪声即多次曝光采集时每次曝光的偏差但通过严格测量可以把每次曝光的偏差控制在一定范围内 进行 X 射线场的不均匀性修正是为了减少其对 NPS 低频部分所带来的影响以提高 DQE 的测量精度 通过上述减影处理把干扰消除后得到噪声影像对其进行 2 维平方傅立叶变换 NPS 的算法为: NPS(uv)=22/2/2/2/)(2,),(1lim∫∫−−+−∞→XXYYvyuxiyxdxdyeyxpXYπ可以获得如图 1 所示频域影像 2 维的 NPS 影像是点中心对称的可以通过围绕原点进行圆积分平均可以得 到简化的一维 NPS(f) 不进行 2 维快速傅立叶变换(FFT)只对一行图像作一维 FFT 也可以得到噪声功率谱; 但通过 2 维影像计算获得一维 NPS(图 2)可大大降低了测量误差 不同的曝光剂量可以得到不同的 NPS 曲线曝光剂量越大NPS 曲线越低 d. MTF 的测量 常用 MTF 的测量方法有两种: (1)边缘过渡检测 (2)窄缝影像测量 基本原理都是应用影像系统对模体的响应进行图像分析来计算 MTF 使用边缘响应技术测量 MTF 的过程: 首先把有锐利边缘的 0.2mm 厚的钨片模板直接放到探测器封装表面上 边缘与测量方向垂直曝光得到影像在影像黑白之间有一过度区域以过度区中 心为界采取 2mm 内的象素值做出边缘响应曲线(Edge Spread Fun-ctionESF) 这是一条一维的曲线表示影像响应信号的空间变化过程如图 3 示 用线性扩展方程对该边缘响应曲线进行变换: LSFk=SESFESFkK ∆−−+ 211式中ESFK表示边缘过渡曲线上的采样点; DS 为 ESF 曲线上两采样点之间的距离LSF 曲线实际上是对 ESF 曲线的微分 得到 LSF 曲线对 LSF 进。