王振洲

可探測(cè)的量子效率在數(shù)字化影像評(píng)估中的重要性

王振洲①

目的：隨著數(shù)字化影像技術(shù)的發(fā)展，空間分辨率和MTF不能再單獨(dú)做為某個(gè)系統(tǒng)診斷功能的標(biāo)準(zhǔn)了，取而代之的需要建立一種新的標(biāo)準(zhǔn): 可探測(cè)的量子效率(DQE)。方法：通過(guò)分析圖像信噪比和對(duì)比分辨率來(lái)說(shuō)明DQE在數(shù)字化影像評(píng)估中的重要性。結(jié)果：圖像對(duì)比度與噪聲之比最佳表示了目標(biāo)的可探測(cè)性。結(jié)論：DQE被許多專(zhuān)家看做是評(píng)價(jià)數(shù)字化X線成象質(zhì)量最精確的標(biāo)準(zhǔn)。

可探測(cè)的量子效率（DQE）；評(píng)價(jià)；數(shù)字影像

1 可探測(cè)的量子效率(DQE)

對(duì)成象系統(tǒng)噪聲和對(duì)比劑性能的共同作用的測(cè)量，以目標(biāo)的清晰度的函數(shù)來(lái)表示，為了理解為什么DQE被許多專(zhuān)家看做是評(píng)價(jià)數(shù)字化X線成象質(zhì)量最精確的標(biāo)準(zhǔn)，首先考慮以下幾個(gè)部分。

圖1 不同信噪比下的圖像質(zhì)量

1.1 噪聲

在數(shù)字人X線系統(tǒng)中，當(dāng)噪音降低時(shí)，或SNR增加時(shí)，目標(biāo)的可探測(cè)性也迅速增加，如圖1所示。量子和電子噪聲的信號(hào)中都是隨機(jī)變化的，在診斷性成象時(shí)可以模糊有用的信息。量子噪聲從探測(cè)到的X線光子的數(shù)目變化而來(lái)。噪聲在許多數(shù)字化成象鏈中是固有的，它長(zhǎng)期以來(lái)被看做是對(duì)圖像質(zhì)量有明顯影響的一個(gè)參數(shù)。當(dāng)噪聲增加時(shí)，圖像質(zhì)量就下降了。系統(tǒng)噪聲通常用信噪比(SNR)來(lái)表示:

噪音是目標(biāo)可探測(cè)性的主要限制因素，除非增加劑量，在給定系統(tǒng)中噪音是一個(gè)常量。因此低噪音就成為適當(dāng)?shù)膭┝肯庐a(chǎn)生好的圖像質(zhì)量的必要條件，特別是觀察較小的、低對(duì)比度的目標(biāo)時(shí)。

圖2 不同對(duì)比分辨率下的圖像質(zhì)量

1.2 對(duì)比分辨率

由于數(shù)字化系統(tǒng)較高的對(duì)比分辨率，人們可通過(guò)調(diào)整窗口/對(duì)比度水平來(lái)增強(qiáng)對(duì)小目標(biāo)的可探測(cè)性，如圖2所示。考慮一幅圖像，其背景強(qiáng)度為100，而目標(biāo)強(qiáng)度為105，換句話說(shuō)，目標(biāo)的對(duì)比度僅為5%。采用一個(gè)255的窗口，將對(duì)比度水平設(shè)為0，目標(biāo)此時(shí)與背景幾乎難以分辨(如圖2中左圖所示)。當(dāng)我們將窗口變小，增加對(duì)比度時(shí)，目標(biāo)就可以看到了(中央)。通過(guò)設(shè)置對(duì)比度水平到背景強(qiáng)度下，將窗口調(diào)整到相對(duì)的目標(biāo)強(qiáng)度下，此時(shí)，就可獲得最大對(duì)比度。

DQE的另一個(gè)重要因素就是它的放射性成象系統(tǒng)的對(duì)比度性能，即它捕獲目標(biāo)實(shí)際的對(duì)比情況的能力。X線系統(tǒng)的數(shù)字化曝光一般具有較寬的動(dòng)態(tài)范圍，因此可以捕獲很寬范圍的信號(hào)強(qiáng)度，從極低到極高。他們還具有較高的對(duì)比分辨率，即能夠捕獲成千上萬(wàn)個(gè)灰度陰影，遠(yuǎn)遠(yuǎn)高出人眼所能分辨的范圍。這就使得成象區(qū)域在傳統(tǒng)的膠片上可能曝光不足或曝光過(guò)度。因此，數(shù)字化系統(tǒng)的噪音較低，動(dòng)態(tài)范圍較寬而對(duì)比分辨率較高，這就可以在膠片/屏幕系統(tǒng)上改善低對(duì)比度目標(biāo)的可探測(cè)性。并且這種低對(duì)比度目標(biāo)的可探測(cè)性可通過(guò)復(fù)雜的圖像后處理得到進(jìn)一步的改善。圖像后處理包括：自動(dòng)對(duì)比度增強(qiáng)，窗口/對(duì)比度水平調(diào)整，例如，通過(guò)設(shè)置對(duì)比度水平接近于背景水平，并通過(guò)縮小窗口來(lái)調(diào)整對(duì)比度在剛剛高于或低于目標(biāo)信號(hào)的水平(如圖2)。

2 圖像對(duì)比度與噪聲之比最佳表示了目標(biāo)的可探測(cè)性

盡管數(shù)字化圖像的對(duì)比度可以調(diào)整，這一功能也不能對(duì)抗較高的噪聲水平。低噪聲水平也不能完全彌補(bǔ)較差的對(duì)比度。因此，當(dāng)用電子管瀏覽圖像時(shí)，沒(méi)有一個(gè)參數(shù)單獨(dú)可以充分定量數(shù)字化圖像的質(zhì)量。

為精確地測(cè)量數(shù)字化成象系統(tǒng)的性能，我們必須對(duì)噪聲和對(duì)比度的性能進(jìn)行一個(gè)綜合的評(píng)價(jià)；這些參數(shù)不能再孤立地看待。一個(gè)具有較高對(duì)比度水平的系統(tǒng)可能由于高噪聲的存在而不能產(chǎn)生診斷上有用的圖像，換句話說(shuō)，如果它的SNR較低的話。另一方面，如果沒(méi)有足夠適當(dāng)?shù)膶?duì)比度，即使極低噪聲的系統(tǒng)，其診斷圖像的可用性也同樣受限(如圖3所示)。低噪聲和高對(duì)比度的性能對(duì)于形成極高的圖像質(zhì)量和目標(biāo)的可探測(cè)性都是同樣需要的。

圖3 SNR和對(duì)比度關(guān)系圖

解決方法:DQE可探測(cè)式量子效率。它以目標(biāo)清晰度、或空間頻率的函數(shù)來(lái)表示。DQE將噪聲和對(duì)比度的性能結(jié)合到單獨(dú)一個(gè)參數(shù)中而得到廣泛的接受。它的測(cè)量最代表數(shù)字化圖像的質(zhì)量及目標(biāo)的可探測(cè)性：因此，在所有空間頻率下使DQE最大化應(yīng)當(dāng)是以數(shù)字化探測(cè)器為基礎(chǔ)的成象系統(tǒng)的設(shè)計(jì)者們最大目標(biāo)——這也正是GE數(shù)字化探測(cè)器系統(tǒng)設(shè)計(jì)者們的目標(biāo)。

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Importance of detective quantum efficiency in evaluation of digital imaging

WANG Zhen-zhou

Objective: With the development of the digital imaging, spatial resolution and MTF are no longer the unique standard for a system’s diagnostic function. A new standard of detective quantum efficiency (DQE) has appeared. Methods: The importance of the DQE in evaluating the digital images was illustrated by analyzing the SNR and the contrast resolution of images. Results: The contrast compares to the noise of images expressed the object’s detectivity best. Conclusion: DQE is considered as one of the most accurate standards in evaluating the digital X-ray images.

Detective quantum efficiency; Evaluation; Digital imaging

Kunming General Hospital of Chengdu Command, Kunming 650032, China.

1672-8270(2011)07-0034-02

TH 774

A

王振洲,男,(1966- ),博士后，高級(jí)工程師。成都軍區(qū)昆明總醫(yī)院醫(yī)學(xué)工程科主任，從事臨床醫(yī)學(xué)工程研究和管理工作。

2011-04-08

①成都軍區(qū)昆明總醫(yī)院醫(yī)學(xué)工程科 云南 昆明 650032

China Medical Equipment,2011,8(7):34-35.