x线影像质量及评价医学影像技术.ppt

第四章 X线影像质量及评价 *1四川 雅安职业技术学院医学系 李锡忠 本章学习目标 一、掌握内容 X线影像质量评价的概念；主观评价、客观评价及综 合评价的概念与常用参数。ROC曲线的概念、基本原理、 ROC曲线的制作。 二、熟悉内容 X线影像质量评价的发展过程及发展趋势。信号与系 统的概念。 三、了解内容 已淘汰的评价参数。国内外新进展。 Date2 四川 雅安职业技术学院医学系 李锡忠 本章所属章节 第一节 X线影像质量评价概述 第二节 成像系统的特性参数 第三节 ROC及其应用 Date3 四川 雅安职业技术学院医学系 李锡忠 第一节 X线影像质量评价概述 X线发现100多年来，从传统的屏-片X线系统到新 型的数字X线成像设备，各种模拟和数字的医学成像系 统在临床上得到了广泛的应用，还有许多的新系统在研 制中。医学成像系统是一个复杂的系统，从信号（X线 ）输入到最后医生观察解释的影像输出，整个过程涉及 许多物理过程。 Date4 四川 雅安职业技术学院医学系 李锡忠 影像质量评价这一新的研究领域。 总结起来，主要的评价方法可分为 主观评价法（观察者性能） 客观评价法（物理参数法） 二者相结合的综合评价法。 早期的评价主要是对X线照片。近年来对数字成像系统 的成像性能和数字影像显示、打印设备的质量评价已成为 国际上研究的热点。 Date5 四川 雅安职业技术学院医学系 李锡忠 主观方法 客观方法 观察者/诊断效能 分辨力 （MTF） 观察者偏好 对比度-细节图 噪声 解剖的质量标准 物理参数主观 信噪比 视觉分级析 视觉区别力 量子检出效率 ROC和相关方法 照片对比度 诊断和治疗效果 剂量质量 诊断成像质量评价的方法 Date6 四川 雅安职业技术学院医学系 李锡忠 一、主观评价法 影像质量的主观评价，即依靠观察者（评价者） 的主观判断进行的评价，其评价结果受人（观察者） 的因素影响，不同的观察者得到的结果可能不尽相同 ，甚至差别迥异，因而是不全面的。 Date7 四川 雅安职业技术学院医学系 李锡忠 1对比度清晰度曲线图法 特点是以人的视觉能分辨 的影像细节评价影像质量，属于该类的还有解像力 法等。 2模糊数学评价法 是随模糊数学的出现而发展起来 的评价方法。 Date8 四川 雅安职业技术学院医学系 李锡忠 3. ROC曲线法 受试者操作特性曲线，是一种基于统计决策理论 的评价方法。 现在ROC曲线分析已成为一种广泛使用的评价分 析方法。 还有高对比度极限分辨力和阈值对比度细节检出 力等参数。 Date9 四川 雅安职业技术学院医学系 李锡忠 二、客观评价法 所谓客观评价，就是用测定构成影像的一 些物理属性（参数）评价影像质量的方法。 Date10 四川 雅安职业技术学院医学系 李锡忠 1RMS、WS 均方根值和维纳频谱是描述X线照片斑点 （噪声）特征的物理量。 2调制传递函数 调制传递函数（modulation transfer function，MTF）MTF是描述成像系统分辨力特性的 重要参量。 Date11 四川 雅安职业技术学院医学系 李锡忠 3NEQ、DQE 噪声等价量子数和量子检出效率 是20世纪60年代用于评价天体物理摄影系统成像 质量的物理量，20世纪70年代进入医学影像领域。 还有信-噪比（SNR）和特性曲线等。 Date12 四川 雅安职业技术学院医学系 李锡忠 三、综合评价 实际应用中，对医学影像的质量评价既可以用主观的 方法也可以用客观（物理）的方法。 在放射质量保证（quality assurance，QA）中，主观 评价因其固有的简单易行在临床中得到了较广泛应用， 而许多测试条件严格的客观方法也逐渐被接受。 客观（物理）的方法往往有大量复杂的数学运算，应 用曾一度受到限制，随着计算机技术的不断发展，这一 问题已逐渐解决，大量的客观（物理）方法进入临床应 用。 Date13 四川 雅安职业技术学院医学系 李锡忠 所谓综合评价，按照QA和放射质量控制（QC ）的术语可叙述为：以诊断要求为依据，用物理参量 作为客观评价手段，以成像的技术条件作保证，三者 有机结合，而且注意尽量减少病人受检剂量的综合评 价影像质量的方法 。 Date14 四川 雅安职业技术学院医学系 李锡忠 第二节 成像系统的特性参数 一、输入输出特性 1点扩散函数 点扩散函数（point spread function，PSF） 是描述成像系统特性的函数。 如果测量小孔像面上每一点的亮度，就会发现，像面上的亮 度分布不均匀，中心高，周边低。也就是说小孔像的亮度在 像面上发生了扩散，正如在疏松的纸上写字时墨水会湮开一 样，这种现象称为点扩散。 Date15 四川 雅安职业技术学院医学系 李锡忠 点光源的亮度分布 Date16 四川 雅安职业技术学院医学系 李锡忠 PSF的立体分布示意图 Date17 四川 雅安职业技术学院医学系 李锡忠 2线扩散函数 线扩散函数（LSF）与PSF相似。实际情况是狭 缝像的亮度分布不均匀，沿垂直狭缝方向中心亮度 高，向两侧逐渐减小。这种现象称为线扩散。 Date18 四川 雅安职业技术学院医学系 李锡忠 线扩散的亮度分布剖面 Date19 四川 雅安职业技术学院医学系 李锡忠 线扩散函数立体示意图 Date20 四川 雅安职业技术学院医学系 李锡忠 3扩散对影像质量的影响 综合到最终的影像上，扩散的效应是高能量降低 ，低能量升高，整幅影像的对比度降低。 Date21 四川 雅安职业技术学院医学系 李锡忠 扩散对影像质量的影响 Date22 四川 雅安职业技术学院医学系 李锡忠 二、解像特性 （一）傅立叶变换 傅立叶变换是线性系统分析的一个有力工具，从某 种意义上说，傅立叶变换就好比我们的第二语言。能讲 两种语言的人常常会发现，在表达某种观点时，一种语 言可能比另一种语言优越。对系统的分析也是一样，有 时在不同的域中分析能达到好的效果。 Date23 四川 雅安职业技术学院医学系 李锡忠 1周期函数 一个函数若对于一个常数X能满足式下式的关系，它就 叫周期函数。 X叫做周期。我们熟知的正弦函数和余弦函数都是周期 函数。 Date24 四川 雅安职业技术学院医学系 李锡忠 2傅立叶级数 先介绍一个名词“三角级数”。凡由无限多个正弦函数 和余弦函数相加起来、具有如下式形式的级数，就叫三角 级数。 Date25 四川 雅安职业技术学院医学系 李锡忠 若不等于0，而是和各个都等于0，这个级数就叫正弦 级数。 三角级数就叫傅立叶级数 Date26 四川 雅安职业技术学院医学系 李锡忠 3傅立叶变换 傅立叶变换在数学中的定义非常严格，假设函数满足傅立 叶变换的条件，则其一维傅立叶变换为： 傅立叶逆变换为： Date27 四川 雅安职业技术学院医学系 李锡忠 傅立叶变换的结果是一个复数表达式 下式称为的傅立叶幅度谱 Date28 四川 雅安职业技术学院医学系 李锡忠 4傅立叶变换的应用： （1）利用傅立叶变换可以将信号分解为对应各个空间频率 的不同幅度、相位的信号，从而可以了解某个空间频率时 的信号情况，进而推断系统在该空间频率的响应性能。 （2）作为一种分析工具，傅立叶变换在信号处理中应用也 很广泛，如CT的图像重建、计算成像系统的MTF等 Date29 四川 雅安职业技术学院医学系 李锡忠 （二）MTF MTF是成像系统分辨力特性的重要参量，描述了系统 的信号传递特性。通过MTF可以分析系统在不同空间 频率对正弦输入的响应特性。 1空间频率和调制度 余弦函数曲线 Date30 四川 雅安职业技术学院医学系 李锡忠 单位空间距离内完成周期性变化的次数就是空间频 率。空间频率一般可用于表示成像系统的分辨力。 矩形波测试卡 Date31 四川 雅安职业技术学院医学系 李锡忠 矩形波测试卡X线强度分布 Date32 四川 雅安职业技术学院医学系 李锡忠 正弦波测试卡像 Date33 四川 雅安职业技术学院医学系 李锡忠 2光学传递函数 正弦波理想成像与实际成像 Date34 四川 雅安职业技术学院医学系 李锡忠 3成像系统的MTF及其应用 MTF作为描述X线成像系统分辨力特性的物理参数得到 广泛接受。一个X线成像系统包括许多组成部分，如X线 管焦点、滤线栅、屏-片系统等，成像时每个部分都会发 生信号传递，都有可能发生幅度降低、相位偏移，都有自 身的MTF。 Date35 四川 雅安职业技术学院医学系 李锡忠 极限分辨力示图 Date36 四川 雅安职业技术学院医学系 李锡忠 4MTF的测量 (1)屏-片系统的MTF：对于屏-片系统，系统总的MTF的测 量需使用正弦波测试卡，因为MTF描述的是线性系统对正 弦输入的响应。 对比度法：用矩形波测试卡测出矩形波测试卡的MTF， 再转换为正弦波的MTF。 傅立叶变换法：LSF的傅立叶变换的绝对值就是系统的 MTF，所以，该方法就是要求系统的LSF，一般用狭缝装 置测量。但LSF很难用数学式表达，实际应用时，也要作 近似计算。 Date37 四川 雅安职业技术学院医学系 李锡忠 （2）数字成像系统的MTF 有用狭缝的，但多数是用刃边 CR的MTF：CR系统的MTF组成复杂。 Date38 四川 雅安职业技术学院医学系 李锡忠 狭缝放置示意图 Date39 四川 雅安职业技术学院医学系 李锡忠 DR的MTF：DR系统的MTF与CR系统类似， 测试方法也相似，文献中多使用刃边（edge）设 备。 刃边放置示意图 Date40 四川 雅安职业技术学院医学系 李锡忠 CT的MTF： 由于CT是重建成像，故有许多因素影响CT的 MTF，如X线束宽度、探测器响应、重建算法等。 测试方法也有许多报道。主要的研究有使用星 卡、扫描细金属条、扫描正弦波测试卡、扫描刃边 等。 Date41 四川 雅安职业技术学院医学系 李锡忠 其它设备的MTF： 其它成像设备的MTF测试方法与前述类似，一般也是用 先求PSF或ERF、LSF，再求傅立叶变换得MTF的方法。 Date42 四川 雅安职业技术学院医学系 李锡忠 三、噪声特性 （一）噪声的概念 在日常工作中，有时，由于曝光不足或冲洗条件不好时 ，得到的X线照片上往往会有许多斑点（mottle），使照 片看起来有“粗糙”的感觉。这些斑点是由于X线量子分布 的空间随机性所致，现在一般称之为噪声。 所谓噪声，就是X线照片上X线量子的统计涨落。 Date43 四川 雅安职业技术学院医学系 李锡忠 （二）噪声的特性 描述噪声特性的物理量主要有： RMS、WS、还有 已经淘汰的自相关函数（auto-correlated function， ACF）等。 1RMS 是描述X线量子“统计涨落”的物理量 。 2WS 是评价屏-片系统噪声特性的又一重要参量， 它表示照片斑点单位长度上的能量随着空间频率变化 的分布状况 。 Date44 四川 雅安职业技术学院医学系 李锡忠 WS示意图 Date45 四川 雅安职业技术学院医学系 李锡忠 （三）影响噪声的因素 1影响屏-片系统噪声的因素 （1）由于X线量子“统计涨落”形成的量子斑点。 （2）增感屏对X线量子的吸收是随机的，且增感屏荧 光颗粒的分布不均匀、大小不相等，都会造成影像斑点 。由此形成增感屏的结构斑点。 （3）X线胶片的感光颗粒大小不等、分布不均，形成 X线胶片的粒状性。 Date46 四川 雅安职业技术学院医学系 李锡忠 2影响数字X线系统噪声的主要因素 数字X线系统的噪声因素非常复杂，包括X线管 、探测器、图像后处理参数等的诸多因素。除了X线 量子噪声，还有电路系统的电子噪声等，都是影响 因素。 Date47 四川 雅安职业技术学院医学系 李锡忠 （四）SNR 在X线成像系统中设探测到的X线量子数为N， 当X线量子数服从Poisson分布时，影像上就出现随机信号 涨落。 SNR示意图 Date48 四川 雅安职业技术学院医学系 李锡忠 五、量子检出效率 1DQE 虽然是较新引入的概念，DQE已成为客观评价探 测器，尤其是现代的数字成像探测器性能的重要方法。 DQE用对比度、噪声和分辨力的概念描述了一个成像系统 如何处理输入的X线光子，作为剂量（dose，D）、频率（ frequency，f）的函数。 定义为系统输出侧SNR的平方与输入侧SNR的平方的比 Date49 四川 雅安职业技术学院医学系 李锡忠 DQE示意图 Date50 四川 雅安职业技术学院医学系 李锡忠 2NEQ NEQ是一个以绝对尺度描述影像质量的参数。 定义为系统输出侧信噪比（SNRout）的平方。 它表示理想探测器产生与实际探测器相同SNR时的量子数 Date51 四川 雅安职业技术学院医学系 李锡忠 第三节 ROC及其应用 一、ROC的基本原理 （一）信号检测理论 被测试者响应的概率密度曲线 Date52 四川 雅安职业技术学院医学系 李锡忠 标准的示例 Date53 四川 雅安职业技术学院医学系 李锡忠 标准的作用 Date54 四川 雅安职业技术学院医学系 李锡忠 ROC曲线示例 Date55 四川 雅安职业技术学院医学系 李锡忠 曲线的扩散 Date56 四川 雅安职业技术学院医学系 李锡忠 （二）ROC分析 1基本概念 ROC曲线中有两个重要的概念：灵敏度（sensitivity， SE）和特异度（specificity，SP） 灵敏度（sensitivity，SE）SE是诊断阳性的病人检查阳性 的概率 。 特异度（specificity，SP）SP是诊断阴性的病人检查阴性 的概率 。 Date57 四川 雅安职业技术学院医学系 李锡忠 2ROC曲线 ROC曲线是以检查的灵敏度为y轴、以（1-特异性 ）或假阳性概率（false positive rate，FPR）为x坐 标画出的曲线。 ROC曲线是评价诊断检查性能的有效方法，所以 在影像学中广泛用于评价许多影像检查的性能。 Date58 四川 雅安职业技术学院医学系 李锡忠 拟合的或平滑的ROC曲线 假设检查结果或它的某种单调变换服从某种分布（ 如双正态分布），可以由这些离散点得到ROC曲线 。 Date59 四川 雅安职业技术学院医学系 李锡忠 ROC曲线实例 Date60 四川 雅安职业技术学院医学系 李锡忠 w3ROC曲线下的面积 4条不同面积的ROC曲线 Date61 四川 雅安职业技术学院医学系 李锡忠 AUC是一个诊断检查的性能的总测度，所以可以通过 比较它们的AUC比较不同检查的性能。AUC越大，诊断检 查的性能越好。相等的AUC意味着两个检查有相同的总性 能，但这两条ROC曲线并不一定相同。 有同样 AUC的两 条ROC曲 线 Date62 四川 雅安职业技术学院医学系 李锡忠 4特定FPR的灵敏度和部分面积 ROC曲线下的部分面积定义为两个FPR或两个灵敏 度间的面积。 特定FPR下两条ROC曲线的比较 Date63 四川 雅安职业技术学院医学系 李锡忠 5影像学研究中的ROC 放射学检查中的多数ROC分析一般都用5-点法或6点法。 Date64 四川 雅安职业技术学院医学系 李锡忠 6ROC曲线的种类 （1）LROC：在定位ROC（localisation ROC，LROC） 中，观察者必须指出图像中病变出现的位置以得到真阳 性记分。 Date65 四川 雅安职业技术学院医学系 李锡忠 LROC曲线 Date66 四川 雅安职业技术学院医学系 李锡忠 （2）FROC：自由响应ROC（free-response ROC， FROC）方法是由Bunch等引入医学影像领域的。 FROC曲线 Date67 四川 雅安职业技术学院医学系 李锡忠 （3）AFROC：替代FROC（alternative FROC，AFROC） 分析是 FROC分析 的一个简单 的替代方法 AFROC Date68 四川 雅安职业技术学院医学系 李锡忠 （4）FFE：在FFE实验中，观察者被要求按照确信度递减的 顺序对测试结构分级，直到出现错误。FFE测试可以看作 是一个经验的检测，是与任何观察者性能无关的精确测度 。 （5）DROC：Chakraborty等开发了一种用于决定设备间差 别的（differential ROC，DROC）ROC方法 Date69 四川 雅安职业技术学院医学系 李锡忠