可探測的量子效率在數(shù)字化影像評估中的重要性

王振洲

可探測的量子效率在數(shù)字化影像評估中的重要性

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不能再單獨做為某個系統(tǒng)診斷功能的標準了，取而代之的需要建立一種新的標準: 可探測的量子效率(DQE)。方法：通過分析圖像信噪比和對比分辨率來說明DQE在數(shù)字化影像評估中的重要性。結(jié)果：圖像對比度與噪聲之比最佳表示了目標的可探測性。結(jié)論：DQE被許多專家看做是評價數(shù)字化X線成象質(zhì)量最精確的標準。

可探測的量子效率（DQE）；評價；數(shù)字影像

1 可探測的量子效率(DQE)

對成象系統(tǒng)噪聲和對比劑性能的共同作用的測量，以目標的清晰度的函數(shù)來表示，為了理解為什么DQE被許多專家看做是評價數(shù)字化X線成象質(zhì)量最精確的標準，首先考慮以下幾個部分。

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，或SNR增加時，目標的可探測性也迅速增加，如圖1所示。量子和電子噪聲的信號中都是隨機變化的，在診斷性成象時可以模糊有用的信息。量子噪聲從探測到的X線光子的數(shù)目變化而來。噪聲在許多數(shù)字化成象鏈中是固有的，它長期以來被看做是對圖像質(zhì)量有明顯影響的一個參數(shù)。當(dāng)噪聲增加時，圖像質(zhì)量就下降了。系統(tǒng)噪聲通常用信噪比(SNR)來表示:

噪音是目標可探測性的主要限制因素，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、低對比度的目標時。

圖2 不同對比分辨率下的圖像質(zhì)量

1.2 對比分辨率

由于數(shù)字化系統(tǒng)較高的對比分辨率，人們可通過調(diào)整窗口/對比度水平來增強對小目標的可探測性，如圖2所示?？紤]一幅圖像，其背景強度為100，而目標強度為105，換句話說，目標的對比度僅為5%。采用一個255的窗口，將對比度水平設(shè)為0，目標此時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，增加對比度時，目標就可以看到了(中央)。通過設(shè)置對比度水平到背景強度下，將窗口調(diào)整到相對的目標強度下，此時，就可獲得最大對比度。

DQE的另一個重要因素就是它的放射性成象系統(tǒng)的對比度性能，即它捕獲目標實際的對比情況的能力。X線系統(tǒng)的數(shù)字化曝光一般具有較寬的動態(tài)范圍，因此可以捕獲很寬范圍的信號強度，從極低到極高。他們還具有較高的對比分辨率，即能夠捕獲成千上萬個灰度陰影，遠遠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度。因此，數(shù)字化系統(tǒng)的噪音較低，動態(tài)范圍較寬而對比分辨率較高，這就可以在膠片/屏幕系統(tǒng)上改善低對比度目標的可探測性。并且這種低對比度目標的可探測性可通過復(fù)雜的圖像后處理得到進一步的改善。圖像后處理包括：自動對比度增強，窗口/對比度水平調(diào)整，例如，通過設(shè)置對比度水平接近于背景水平，并通過縮小窗口來調(diào)整對比度在剛剛高于或低于目標信號的水平(如圖2)。

2 圖像對比度與噪聲之比最佳表示了目標的可探測性

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

為精確地測量數(shù)字化成象系統(tǒng)的性能，我們必須對噪聲和對比度的性能進行一個綜合的評價；這些參數(shù)不能再孤立地看待。一個具有較高對比度水平的系統(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，如果它的SNR較低的話。另一方面，如果沒有足夠適當(dāng)?shù)膶Ρ榷?，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)。低噪聲和高對比度的性能對于形成極高的圖像質(zhì)量和目標的可探測性都是同樣需要的。

圖3 SNR和對比度關(guān)系圖

解決方法:DQE可探測式量子效率。它以目標清晰度、或空間頻率的函數(shù)來表示。DQE將噪聲和對比度的性能結(jié)合到單獨一個參數(shù)中而得到廣泛的接受。它的測量最代表數(shù)字化圖像的質(zhì)量及目標的可探測性：因此，在所有空間頻率下使DQE最大化應(yīng)當(dāng)是以數(shù)字化探測器為基礎(chǔ)的成象系統(tǒng)的設(shè)計者們最大目標——這也正是GE數(shù)字化探測器系統(tǒng)設(shè)計者們的目標。

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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.