（生物医学工程专业论文）数字乳腺x线成像系统图像质量分析及测试方法研究.pdf

第5 章数字乳腺x 射线成像系统d q e 测定实现4 7 5 1m t f 测试结果4 7 5 2 噪声功率谱测定结果4 8 5 3d o e 值计算4 9 5 4 本章小结5 3 第6 章讨论与结论5 4 6 1 讨论5 4 6 2 结 - 沦5 6 6 3 展望5 6 四、本研究的创新性的自我评价5 8 五、参考文献5 9 六、附录 综述6 3 在学期间科研成绩7 2 致谢7 3 个人简介7 4 中文论著摘要 数字乳腺x 线成像系统图像质量分析及测试方法研究 通过利用乳腺x 线摄影的筛查可以大大降低乳腺癌的死亡率。这依赖于高分 辨力、高对比度、低剂量的乳腺摄影影像的恒定产生。 因此有必要定义描述数字x 射线成像装置特定成像性能参数并标准化所使用 的测量程序。在实际工作中，需要有统一的参数和指标来定量的反映和评价x 射 线成像系统的性能。对于数字乳腺x 线成像系统的图像质量评估，我们一方面要 看图像的质量，另一方面还要考虑到图像的获取条件( 辐射条件) ，单纯就图像本 身而言，动态范围、空间分辨力、对比度、噪声情况和调制传递函数都是衡量成 像系统的指标，而这些指标又受到一些其它的硬件及后处理因素制约，上述每个 评估指标都是片面的，不能全面地将整个成像系统的成像性能进行评价。 在科学界日趋一致的意见是量子探测效率( d e t e c t i v eq u a n t u me f f i c i e n c y ，d q e ) 是描述x 射线成像装置成像性能的最适合的参数。评价数字乳腺x 摄影系统机性能 的d q e 检测方法，是国内外临床医学界和医学影像检测部门所关注。针对相对成 熟的i e c6 2 2 2 0 1 标准不适用于辐射剂量小、辐射野小的数字乳腺机d q e 检测的问 题，本文较深入地研究了基于i e c6 2 2 2 0 1 2 标准的数字乳腺机d q e 检测方法和具 体数字图像处理算法的实现。并将该d q e 检测手段实施于在辽宁省医疗器械检验 所受检乳腺机样品，得到了相应的d q e 钡j j 试结果，讨论了数字乳腺x 射线成像系统 量子探测效率的重要影响因素。验证了所设计的测试系统和编制的软件可以较准 确的对数据进行采集、处理和计算。 关键词 数字乳腺x 射线成像；调制传递函数；噪声功率谱；量子探测效率；i e c 6 2 2 2 0 1 - 2 英文论著摘要 t h es t u d yo ft h et e s tm e t h o df o ri m a g eq u a l i t ya n a l y s i s o ft h ed i g i t a lm a m m o g r a p h ys y s t e m s d i g i t a lm a m m o g r a p h yt e c h n o l o g yh a sb e c o m et h ei m p o r t a n tm e a n so fc l i n i c a l d i a g n o s i sf o rt h e e a r l ya s y m p t o m a t i cs e c r e t i v e n e s sb r e a s tc a n c e lb yu s i n gt h es c r e e n i n g o fm a m m a r yg l a n dx - r a yp h o t o g r a p h yc a nb eg r e a t l yr e d u c e db r e a s tc a n c e rm o r t a l i t y a n dt h i sd e p e n d so nt h eh i g h e rs p a t i a lr e s o l u t i o n ，h i g h e rc o n t r a s tr a t i oa n dl o w e rd o s e s o fm a m m a r yg l a n dp h o t o g r a p h yi m a g e sw h i c ha r ep r o d u c e dc o n s t a n t l y c o m p a r e d 谢t l lt h et r a d i t i o n a ld e v i c e s ，t h ed i g i t a ld e v i c eh a sm a n ya d v a n t a g e s ， b e s to fa l lt h e md e c r e a s et h ed o s e o fx r a y ，b u ti m p r o v et h ei m a g i n gq u a l i t y ， f u r t h e r m o r et h e mc o u l dc a l t yo u tt h ei m a g i n gd i s p o s a la c c o r d i n gt ot h ed e m a n do ft h e d o c t o r s i ti sn e c e s s a r y ，t h e r e f o r e ，t od e f i n ep a r a m e t e r st h a td e s c r i b et h es p e c i f i c i m a g i n gp r o p e r t i e so ft h e s ed i g i t a lx r a yi m a g i n gd e v i c e s a n dt os t a n d a r d i z et h e m e a s u r e m e n tp r o c e d u r e se m p l o y e d t h e r ei sg r o w i n gc o n s e n s u si nt h es c i e n t i f i cw o r l d t h a td q ei st h em o s ts u i t a b l ep a r a m e t e rf o rd e s c r i b i n gt h ei m a g i n gp e r f o r m a n c eo fa n x - r a yi m a g i n gd e v i c e t h ed q ed e s c r i b e st h ea b i l i t yo ft h ei m a g i n go ft h ei m a g i n g d e v i e c et op r e s e r v et h es i g n a l - t o n o i s er a t i of r o mt h er a d i a t i o nf i e l dt ot h er e s u l t i n g d i g i t a li m a g ed a t a s i n c ei nx - r a yi m a g i n g ，t h en o i s ei nt h er a d i a t i o nf i e l di si n t i m a t e l y c o u p l e dt ot h ea i rk e r m al e v e l ，d q ev a l u e sc a na l s ob ec o n s i d e r e dt od e s c r i b et h ed o s e e f f i c i e n c yo f a g i v e nd i g i t a lx r a yi m a g i n gd e v i c e t h ed q e i sa l r e a d yw i d e l yu s e db y m a n u f a c t u r e r st od e s c r i b et h ep e r f o r m a n c eo ft h e i rd i g i t a lx - r a yi m a g i n gd e v i c e t h e s p e c i f i c a t i o no ft h ed q e i sa l s or e q u i r e db yr e g u l a t o r ya g e n c i e s ( s u c ha st h ef o o da n d d r u ga d m i n i s t r a t i o n ( f d a ) ) f o ra d m i s s i o np r o c e d u r e s q u a n t u md e t e c t i v ee f f i c i e n c y ( d q e ) m e a s u r e m e n tm e t h o d o l o g yb a s e do nt h e i n t e r n a t i o n a ls t a n d a r di e c6 2 2 2 0 1i sb e i n gr e g a r d e da sa no b j e c t i v ep e r f o r m a n c e 2 e v a l u a t i o nm e t r i cf o rt h ed i g i t a lx - r a yg r a p h i cs y s t e m h o w e v e r , t h ef a s tb e c o m i n g p o p u l a rm a m m o g r a p h i cs y s t e m sa r e a ta p p l i e d t ot h ei e c6 2 2 2 0 _ 1s t a n d a r db e c a u s e t h ef a c t o r sa f f e c t i n gm e a s u r e m e n ta r em o r ec o m p l i c a t e d i nt h i sp a p e r , t h ed q e m e a s u r e m e n tm e t h o d o l o g yf o rd i g i t a lm a m m o g r a p h i cs y s t e ma n dt h ec o r r e s p o n d i n g s t a n d a r di e c6 2 2 2 0 1 2w a si n v e s t i g a t e d f u r t h e r , t h i sm e a s u r e m e n tm e t h o dw a su s e d f o rt e s t i n gt h ed q eo ft h ed i g i t a lm a m m o g r a p h i cs y s t e m t h ed q e v a l u ew a so b t a i n e d a n dt h ef a c t o r sa f f e c tm e a s u r e m e n tw a sd i s c u s s e di nd e t a i l s k e y w o r d s d i g i t a lm a m m o g r a p h y ；m o d u l a t i o nt r a n s f e rf u n c t i o n ( m t f ) ；n o i s ep o w e rs p e c t r u m ( n p s ) ；d e t e c t i v eq u a n t u me f f i c i e n c y ( d q e ) ；i e c6 2 2 2 0 - 1 - 2 3 英文缩略语 一_ _ 一 英文缩写 一 茎茎全整 ! 茎全整 - - _ _ _ - _ - _ _ - _ _ _ - - _ _ 一一 i c r p i n t e m a t i o n a l c o m m i s s i o no n 国际放射线防护委员会 r a d i a t i o np r o t e c t i o n f d af o o da n dd r u g a d m i n i s t r a t i o n美国食品药品监督管理局 h v lh a l f v a l u el a y e r半值层 s f m s c r e e n f i l mm a m m o g r a p h y 屏片乳腺摄影 d m d i g i t a lm a m m o g r a p h y 数字乳腺摄影 f f d mf u l l f i e l dd i g i t a lm a m m o g r a p h y 全野数字平板乳腺摄影 s n r s i g n a lt on o i s er a t i o 信噪比 m t f m o d u l a t i o nt r a n s f e rf u n c t i o n调制传递函数 d q e d e t e c t i v eq u a n t u me f f i c i e n c y 量子探测效率 n p s n o i s ep o w e rs p e c t r u m 噪声功率谱 p s f p o i n ts p r e a df u n c t i o n 点扩散函数 l s f l i n es p r e a df u n c t i o n线扩散函数 e s f e d g es p r e a df u n c t i o n 边缘扩散函数 r o i r e g i o 里! f i n ! ! 堡壁壁茎壑匡垫 - - - _ _ _ _ _ _ _ - _ _ 一一 4 论文 第1 章前言 1 1 研究背景 1 9 7 8 年以来，我国乳腺癌逐渐上升为女性恶性肿瘤之首，而且每年以3 的速 度上升，即每3 0 名女性将有1 人患乳腺癌，同时也是死亡率上升速度最快的恶性 肿瘤。可见乳腺癌严重威胁着我国妇女的健康与生命。 就目前来讲，乳腺x 线摄影筛查仍是乳腺癌早期发现的最有效的检查方法。 根据国际癌症研究机构的调查研究分析表明：“年龄在5 0 - 6 9 岁的妇女，如果定 期做乳腺x 线摄影检查，可以使死于乳腺癌的危险率降低3 5 ”。 2 0 0 4 年“百万妇女乳腺癌普查工程”在我国启动。2 0 0 7 年“乳腺x 线摄影技师 持证上岗”制度被推行。我国乳腺x 线摄影筛查的形势已经造就而成，它可以大大 降低乳腺癌的死亡率。但是，这又依赖于高分辨力、高对比度、低剂量的乳腺摄 影影像的恒定产生。说得更透彻一点，这一切必须在乳腺x 线摄影规范的技术操 作、标准的影像显示以及严格的质量控制前提下，才能达到预期的效果。 以目前的趋势数字乳腺x 射线摄影系统将在乳腺x 射线摄影的所有应用方面 全面代替模拟( 胶片一屏幕) 系统。而我们最为关注的就是其检测乳腺是否异常 以及从中准确区分恶性或良性的能力。特别要关注的参数是其灵敏度和区分性。 因此，数字乳腺x 射线摄影系统与单纯用于诊断的放射设备上的数字成像系统相 比，在市场准入等方面需要更多的检验。 数字x 射线成像装置是利用x 射线穿过人体到达数字影像探测器从而形成供 医生诊断的医用影像。所以患者、检查者或操作者避免不了的吸收x 射线。x 射 线具有生物效应，超辐射剂量可能引起放射性损伤。破坏人体的正常组织出现病 理反应。辐射具有积累作用，超辐射剂量照射是致癌因素之一，并可能殃及下一 代，造成胎儿畸形或发育不良等。同时，现代医学的发展很大程度上依赖于数字 x 射线成像装置的成像质量。因此，数字x 射线成像装置提高成像质量以及对入 5 射剂量的利用效率显的尤为重要。 在科学界日趋一致的意见是量子探测效率( d q e ) 是描述x 射线成像装置成 像性能的最适合的参数。d q e 描述成像装置维持从辐射野到输出数字化影像数据 的信噪比的能力。由于在x 射线成像中，辐射野中的噪声与空气比释动能水平是 密切相关的，d q e 值也可以被认作描述给定数字化x 射线成像设备的剂量效率， 从而反映出该设备对患者、操作者或检查者所需要造成的伤害程度。从临床意义 上说，d q e 是对数字x 射线成像装置图像质量和病灶检测效率的体现，它覆盖了 m t f 、噪声和对比度性能，它也是探测器剂量效能的体现。因此，生厂商在研发 数字x 射线成像装置期间，通过提高生产技术，改善生产工艺，使得该装置的d q e 值做到尽量的高，从而最大程度的降低对患者和操作者的伤害。d q e 已经广泛的 由制造商用于描述其数字化x 射线成像装置的性能。d q e 的规范也由管理部门( 例 如f d a ) 要求认可程序。 虽然i e c 发布了一系列测定d q e 的标准，但是数字乳腺x 线成像系统d q e 的测 定方法有待更完善的研究和执行( 特别是测定软件) ，已成为医疗器械生厂商、 第三方检测机构研究的热点。 1 2 研究现状 1 2 1 国外概况 美国食品药品监督管理局( f o o da n dd r u ga d m i n i s t r a t i o n ，f d a ) 把d q e 指标 作为市场准入条件。例如：数字乳腺x 射线摄影系统上市前的申请：对企业及 f d a 的最终指导中明确要求企业提供d q e 技术数据。日本和欧盟也要求企业 提供d q e 测定数据。所以大多数数字x 射线成像装置生产厂商都有d q e 测定能 力。但是具体的计算方法和计算程序会有一些不同，这就导致递交政府的d q e 数 据不具有可比性，从而失去公信力。 i e c 针对医用数字x 射线成像装置的分类已经出版系列标准：i e c 6 1 2 6 2 5 ：1 9 9 4 医用电气设备光电x 射线影像增强器特性第5 部分：探测量子效 率的测定、i e c6 2 2 2 0 1 ：2 0 0 3 ( 医用电气设备数字x 射线成像装置特性第1 部 6 分：量子探测效率的测定) 1 1 、m c6 2 2 2 0 1 2 - 2 0 0 7 ( 医用电气设备数字x 射线 成像装置特性第1 2 部分：量子探测效率的测定一乳腺x 射线摄影用探测器) 1 2 j 、 i e c6 2 2 2 0 一1 3 ：2 0 0 8 ( 医用电气设备，数字x 射线成像装置特性第1 2 部分：量 子探测效率的测定一动态探测器) 【3 】。 国外的很多大学和科研院所相继发表和出版了研究d q e 测试相关的论文。 例如：h a n do f m e d i c a li m a g i n g 介绍了d q e 的相关理论。i e c 标准中的噪声 功率谱所使用的二维傅立叶变换公式来自于该手册f 4 】o d u k e 大学医学中心x 射线分部的e h s a ns a m e i 、h a r r e l lg l c h o t a s 和h e n r yf o r d h e a l t hs y s t e m 诊断射线学分部的m i c h a e lj f l y n n 、j a m e st d o b b i n s 在m e d i c a l i m a g i n g 杂志上发表的一篇文章【5 】对三种系统( d r 1 0 0 0s y s t e m 、x q is y s t e m 、c r s y s t e m ) 进行d q e 测定并进行了结果分析。 德国的h a r t m u ti l l e r s 等人于2 0 0 4 年发表了m e a s u r e m e n to ft h ed e t e c t i v e q u a n t u me f f i c i e n c y ( d q e ) o fd i g i t a lx r a yi m a g i n gd e v i c e sa c c o r d i n gt ot h es t a n d a r d i e c6 2 2 2 0 1 1 6 l 。论文对三种数字x 射线成像装置分别做了d q e 测定，这三种 装置分别是c rd e t e c t o rs y s t e m s ( c r 探测器系统) 、c s i b a s e di n d i r e c tf l a tp a n e l d e t e c t o r ( 基于碘化铯的非直接平板探测器) 、s e l e n i u m b a s e dd i r e c tf l a tp a n e ld e t e c t o r ( 基于硒材料的直接平板探测器) 。该三种装置在0 5 1 p m m l 1 上得到了最大d q e 值，它们分别为：0 2 1 、0 4 2 、0 3 1 。 日本n a g o y a 大学健康科学学院的m i h ot a k a m u r a 等人在2 0 0 5 年发表了 a n a l y s i so f f a c o r st h a ta f f e c td q e i nd i g i t a lm a m m o g r a p h y ) ) 。该文章重点描述了调 制传递函数的测试。 1 2 2 国内概况 近年来，国内的医疗器械监管部门和医疗器械生产厂商也在越来越重视d q e 测定，发表了一些相关论文。但大多是理论描述，具体的测试经验很少。国内的 d q e 测定工作处于起步阶段，尤其是数字乳腺x 线成像装置的d q e 测定，其深 度和系统性方面和国外有很大差距。 例如：首都医科大学宣武医院的白玫和伊士曼柯达公司医疗影像中国研发中 7 心的刘旭发表了论文数字x 射线成像设备d q e 的测试。该文章对比了有限束 器和无限束器的d q e 值。 2 0 0 2 年谢晋东在中华放射学杂志上发表噪声等价量子数和量子检出效率对 放射成像系统像质评价的意义1 7 。文章重点提出量子探测效率的重要意义。 白玫、刘旭和彭明辰在医疗设备信息杂志上发表了文章数字x 射线成 像设备d q e 的测试。该论文简单介绍了d q e 测试方法【8 1 。 2 0 0 6 年辽宁省医疗器械检验所完成对i e c6 2 2 2 0 1 ：2 0 0 3 ( 医用电气设备数 字x 射线成像装置特性第1 部分：量子探测效率的测定) 标准的转化工作( x , j - 应的中华人民共和国医药行业标准号为y y t0 5 9 0 1 2 0 0 5 ) 。2 0 0 9 年作者承担了 i e c6 2 2 2 0 1 2 - 2 0 0 7 ( 医用电气设备数字x 射线成像装置特性第1 2 部分：量 子探测效率的测定一乳腺x 射线摄影用探测器) 标准转化为中华人民共和国医药 行业标准的主要工作。 1 3 本文研究内容 本论文主要是基于国际和国内测定标准，通过分析研究国外的相关文献和测 定经验来研究和设计数字乳腺x 线成像装置d q e 测定方法。同时，使用m a t l a b 软件编辑了一套d q e 测定分析软件并通过具体测试实现d q e 测定结果并分析测 量结果。 由于数字x 射线成像装置的种类甚多，许多参数( 如辐射质量、几何关系、 时间依赖性等) 也都不同，相应的d q e 测定条件会有不同，但是测试方法和计算 方法都是类似的。本论文中d q e 测定系统和软件是针对数字乳腺x 射线摄影成 像装置的。同时软件对以下的单次曝光成像的数字x 射线成像装置经过设置不同 参数，同样有效：c r 系统、基于硒材料的成像系统、平板探测器、光学耦合c c d 成像系统、数字x 射线影像增强器、。 8 第2 章乳腺x 射线系统及图像质量参数介绍 2 1 乳腺x 线摄影系统的构成 国际放射线防护委员会( i m e m a t i o n a lc o m m i s s i o no nr a d i a t i o np r o t e c t i o n ， i c r p ) 3 4 号( p u b l 3 4 ) 出版物指出：“乳腺x 线摄影属于特殊摄影，应使用发生软x 线的专用装置。” 作为乳腺x 线摄影系统( 简称乳腺摄影系统) 的最佳设计，必须明确它是以 乳腺x 线摄影筛查早期乳腺癌为基点的。首先它要确保能产生低能的软x 线( 1 5 2 5 k e v ) 这对于扩大腺体、脂肪、皮肤之问及其与病灶组织之间的x 线吸收差异 十分关键，这是获取乳腺各组织结构的成像基础。乳腺x 线摄影系统性能的总体 要求应具备高对比度、高分辨力、低剂量三大特点。 乳腺x 线摄影系统由高压发生器、x 线管( 铍窗、附加滤过) 、x 线摄影机架、 操作控制台、辐射防护屏等构成。 x 线摄影机架如图1 所示，它包括c 形臂或球形臂、准直器、影像接收器、 滤线器、自动曝光控制系统，压迫器等。作为数字乳腺x 线摄影系统还应包括数 字探测器和图像采集工作站等部件。 x 线球管 球警歼翻 滤避 礁纛器 斓聪扳 绻线缀 解盼域戒像板 光电计时器 图1 ，乳腺x 线摄影系统结构图 9 、i 2 2 数字乳腺x 线摄影 2 2 1 数字乳腺摄影与屏片乳腺摄影的比较 乳腺摄影是乳腺癌筛查的最好方法，使乳腺癌的死亡率降低。尤其是，在早 期乳腺癌筛查方面，乳腺摄影有着其他成像技术无法比拟的优势。 屏片乳腺摄影( s c r e e n - f i l mm a m m o g r a p h y ，s f m ) 已经有几十年的历史，在过 去的2 0 年里得得到了充分的认可，它确实带来了较好的图像质量与较高的敏感性 和特异性 数字乳腺摄影( d i g i t a lm a m m o g r a p h y ，d m ) 。特别是全野数字平板乳腺摄影 ( f u l l f i e l dd i g i t a lm a m m o g r a p h y ，f f d m ) 克服了s f m 的局限性，可提高乳腺筛查 的水平。 在s f m 中，乳腺照片的每一个步骤，如影像采集、显示、存储和查阅，都需 借助于胶片。而d m 的5 个基本功能是分离( 采集、处理、重现、存储、分配) 的，这是数字系统的主要优势之一。因为这5 个独立的环节都可以分别优化。 2 2 2 数字乳腺x 射线成像装置的探测器类型 成像装置采用对x 射线敏感的能量检测器，把x 射线强度转换成电流或电压， 并最终转换成影像。成像装置有多种型式的探测器，一般分为传统成像装置和数 字化成像装置。 数字乳腺x 线摄影成像装置目前常用的有i p 、影像增强器+ c c d 形式的装置、 平板探测器( 分为非晶硅、非晶硒、) 等。不同的探测器其装置和成像原理与方法 都不同1 1 1 1 。 2 3 数字乳腺x 射线摄影成像质量的影响因素 影响乳腺摄影影像质量的主要因素有空间分辨力、对比度、动态范围、噪声 和伪影。所有这些因素都会对影像的整体质量产生影响，使得相关解剖细节或者 病理状态能被放射医师观察到。 2 3 1 空间分辨力 按照严格的定义，空间分辨力描述的是成像系统把两个邻近结构显示为相互 l o 分离的能力。此外，此术语可用于描述影像边缘的锐利度。 空间分辨力可通过测量极限分辨力来进行评估，根据每毫米线对数。从一个 含有交替不透射线的“条”和能够透射线、等同宽度的“间隙”条形的线对测试卡( 图 7 ) 来获取检测影像。 一对相邻的铅条和间隙被称为一个“线对”，根据其宽度，测试卡图案指的足 每毫米一定数量的线对。在使用中将线对测试卡成像，由观察人员确定两个邻近 的线条能够被分离的每毫米最高线对数。 通过线对卡的测试，以此分离并量化影像的具体模糊效应。例如，测量影像 接收器的分辨力时，可把条形图案牢固固定到接收器上，以便了解由运动或者焦 点尺寸引起的模糊。然而，该项测试具有主观性，在复杂成像系统分析中应用有 限。 lilllillllllllil 1 72 53 557 嗍 b c 图2 ，使用条形测试图案( 线对卡) 对空间分辨力的测量 空间分辨力对临床影像质量的影响：如果考虑乳腺中精细结构的成像，例如 从肿块或者微型钙化中辐射出的针状结构，那么就很容易联系到空间辨力的影响。 高空间辨力不仅对检测微型钙化非常必要，而且还有助于评估其形状和边缘，来 判断其是否是由良性或者恶性过程所引起的。 2 3 2 对比度与动态范围 x 线影像的对比度指的是被显示影像内兴趣结构与其周围结构之间信号差异 玎疆tlllllliliilliii；n鼯lil-jl线lilii；隙_liili 皤一 l$lllllliiii嘛l，llllil 麓霾馨鬈羹麓蠢力缓缓缓露蘩h嗍剿潮瓣瓣婚 的大小。x 线影像的对比度受两个因素影响：物体对比度和显示对比度。通常考 虑影像中较大区域( l c m 2 ) 的对比度。物体对比度是根据x 线穿过乳腺组织和相邻 区域后到达影像接收器的x 线照射量相对差异测得的( 从x 线角度讲，可称为射 线对比度) 。总体对比度取决于物体对比度和显示对比度，表现为冲洗后激光照片 中两个区域之间的光学密度差异，或显示器上显示影像内相应区域之间亮度的相 对差异。 动态范围指的是穿过乳腺且能够被影像接收器有效探测的x 线照射量范围。 在胶片乳腺x 线摄影中，动态范围上限值受光学密度饱和度的限制，下限值受胶 片颗粒度和x 线量子噪声的限制。对于数字乳腺摄影，动态范围的上限值由探测 器饱和度( 尽管这通常小是限制因素) 和模数转换器的设置决定，而下限值则由 数字化比特数和探测器固有噪声及量子噪声决定。 2 3 3 噪声 噪声或称图像斑点，降低了诊断医生识别钙化等细微结构的能力，降低了诊 断的正确率。在医学影像中应尽量降低噪声对影像质量的影响。 数字化图像具有宽广的动态范围。在进行乳腺摄影时，数字化成像对曝光条 件的要求远不如屏片成像体系严格。当照射量过低时，图像的噪声会明显增加， 从而影响影像质量，尤其是影响对“钙化点”的观察。照射量过高对数字化乳腺摄 影的图像质量影响并不十分明显。但是，过高的摄影条件会使图像的散射线增加， 灰雾增大，降低图像质量，同时会大大增加乳腺的平均腺体剂量。曝光条件的选 择尤其要以对噪声的可接受程度作为评判的标准。数字化医学影像的噪声可以分 为加性噪声、乘性噪声、量化噪声、“胡椒盐”噪声、量子噪声。 在临床工作中，应在降低噪声、提高影像质量和尽可能地降低患者接受x 线 剂量中寻求最佳的应用技术。既不可为降低噪声而无限制的增加照射量，也小可 过分的追求低剂量而造成影像质量的劣化。 2 4 探测器的主要性能指标 2 4 1 调制传递函数 调制传递函数( m o d u l a t i o nt r a n s f e rf u n c t i o n ，m t f ) 是对线性影像系统或其环 1 2 节的空间频率传输特性的描述，用来评价各种成像系统或成像元件传递影像信息 能力及细节分辨能力，传统的影像评价普遍沿用影像密度、对比度、分辨率及失 真度等，显然这样评价方法处于对成像质量的定性描述阶段，不够严谨。1 9 6 2 年 国际放射学界就将光学传递函数( o t f ) 引入x 射线成像系统，并借用通讯技术 中“调制”的概念，采用m t f 来评价影像质量，现在国际放射技术界已把m t f 作 为评价影像质量的主要方法之一。首先m t f 的值可以直接测量和运用计算机处 理；第二它反映系统的成像质量，不受被观察物类型的影响；第三对于复杂系统 的总调制函数可由它的各个分系统m t f 的乘积来确定；最后还可以从m t f 曲线 和阈值反差函数曲线来确定影像的分辨率。 以下是调制传递函数理论中最重要的几个概念： ( 1 ) 调制度。调制度表示像的明暗对比与物的明暗对比，若引用调制度m 来 定义，是图像中最大灰度i m 瓢与最小灰度i m i n 之差和最大灰度i m 戤与最小灰度i m i n 之和的比值： m ：生d 二( 2 1 ) l 戤+ l 血 在一个成像系统特定的空间频率下，成像调制值日油) 为：日细) ：等。眠表示 m o 实际像的调制度，m ，表示输出像的调制度。m t f 是将以时间频率为自变量的时 间响应函数，换成以空间频率为变量的频率响应函数，它不仅对信号有调制作 用，同时也对成像系统的噪声进行调制。 ( 2 ) 点扩散函数。点扩散函数( p o i n ts p r e a df u n c t i o n ，p s f ) 是描写成像器件 特性的函数，是成像系统对点光源成像所得的像斑。在铅板上制作一个很小的孔， 并置于x 线管和探测器之间，那么穿过小孔的x 线，就可认为是点光源，在胶片 上成的像就是点光源像斑。对一个理想的成像系统来说，点光源成像后是一个点 像，它的亮度( 强度) 是集中的。但实际成像系统并非如此，成像光斑是散开的， 点扩散就是点光源成像后的光能散开，用x 、y 表示像面上的位置坐标，p ( x ，y ) 表 示点扩散函数，它描述了系统成像后点像的弥散程度。 ( 3 ) 线扩散函数。线扩散函数( 1 i n es p r e a df u n c t i o n ，l s f ) 的概念与点扩散函 1 3 数的概念相似。如果在铅板上制作一条很细的线，置于x 射线管与探测器之间， 通过狭缝的像是往两侧散开的，其散开的程度取决于成像系统点扩散程度。因为 这一条( 缝) 可以看作是由无数个点组成的，这样无数个点扩散就堆积成了线扩 散。如果把像面上的线像长度方向叫做y 方向，那么线像沿x 方向的分布l & 夕 就叫线扩散函数，它描述了系统成像后线像的弥散程度，线扩散函数由点扩散函 数积分得到： l ( x ) = ip ( x ，y ) d y ( 2 2 ) ( 4 ) 光学传递函数。光学传递函数( o p t i c a lt r a n s f e rf u n c t i o n ，o t f ) 是以空间 频率为变量的函数。对成像系统而言，理想像和实际像的像质是有差别的，实际 像对比度降低，像质变差，其降低的程度由成像系统的好坏来决定。对于同一个 成像系统，又因空间频率不同而不同，不妨假定输入的调制度就是物体本身的调 制度( ) ，而输出的调制度即为输出图像的调制度( 埘) ，那么m o 吡是随空间 频率的函数。调制度的降低程度用朋。与来比较，且定义为某一空间频率 的调制传递值h ( ) ： 日( ) = 瓦m o o t 丽( a 。) ( 2 3 ) 把包含各个空间频率的h ( ) 就叫m t f ，它的涵义就是描述系统再现成像物体 空间频率范围的能力，理想的成像系统要求1 0 0 再现成像物体细节，但现实中肯 定存在着不同程度的衰减，所以0 h ( ) 1 ，即m t f 始终小于1 它说明成像 系统在某一个c o 值上不能把输入的影像全部再现出来，换句话说，凡是经过成像 系统所获得的图像都不同程度损失了影像的对比度。o t f 计算公式： o t f = h 如) = il ( x ) e 1 孤w d x ( 2 4 ) ， 则l h 汹) l 公式就是所说的m t f 。 调制传递函数和量子探测效率为成像性能提供了定量测量方法。m t f 可测量 空间分辨力。而d q e 则是信噪比、对比分辨力和剂量效率的测量单位。通过查看 相应的m t f 和d q e 曲线可以最好地反映成像系统的特点。然而，这不能用一个 1 4 数字以单个空间频率进行描述。可以用这些测量法去确定系统在一个空间频率范 围内获取信息的好坏程度。 2 4 2 噪声功率谱 噪声功率谱( n o i s ep o w e rs p e c t r u m ，n p s ) 是评价系统噪声的函数。人们用均 方根值( 粒状度、自相关函数) 和功率谱来定量地测定x 线图像的粒状性。这些 参数中最能表达噪声大小和内涵的莫过于功率谱。在通讯领域中，功率谱是以时 间为变量的函数，而应用到医学影像学中，却是以空间的长度为度量，它是客观 评价影像质量的重要参数之一，是对影像噪声更复杂的描述，与简单的测量密度 或像素涨落的均方根值相比，它给出了噪声在空间分辨率上分布的信息。 探测器的噪声主要来源于两个方面： ( 1 ) 探测器电子噪声，主要由以下的部分构成：象元开关电流噪声，由象元电 容引起；反向漏电流噪声，取决于反偏二极管对的漏电流；量子阱噪声，取决于 同步工作的开关的数量；读出电路噪声，由读出集成电路的输入电容导致；其他 电路噪声如，列电阻，模拟电路，a d 转换电路噪声等。 ( 2 ) x 射线图像量子噪声，来源于入射x 光量子的起伏，受到探测器传递函数 及采样点阵的调制，在图像上表现为一种有色噪声。 噪声功率谱( n p s ) 是噪声协方差函数经傅立叶变换后的系数，噪声功率谱 包含二维空间频率间隔，是二维空间频率的函数。 n p s 定义为某给定的空间频率分量在这个空间频率的测量集中的方差，也可 以定义为在图像的不同空间频率之间分配的图像噪声的方差，这两种定义是等价 的。 在连续变量的情况下，也就是对模拟系统而言，n p s 计算公式为： 朋垆熙击忡小7 1 2 汜5 ， = w l i m 。a1 _ f t f ( w ) 】1 2 式中，i 是原始图像，是原始图像i 的均值，其差值f ( x ，y ) 即代表了噪声图像。 x 和】，分别是噪声图像在x 和y 方向的尺寸大小。f t 表示傅立叶变换操作。 1 5 对于数字系统而言，n p s 的导出需要将式( 2 5 ) 中连续变量改写成离散变量 的形式。假设数字探测器的像素间距分别为止和缈，x x y 的图像f ( x ，y ) 经过采 样后的图像为f ( m ，胛) ，像素的个数分别m = x a x 和n = 】，缈，空间频率间隔分 别为a u = 1 x 和a v = 1 j ，则式( 2 5 ) 可以改写成： n p s ( u , v ) = 妊。篱l 厂( m 】1 2 ( 2 6 ) 式中f ( m ，刀) 为m x n 的离散数字图像，缸和缈为像素矩阵，羁表示离散傅立 叶变换操作。 由式( 2 6 ) 可以看出，理论上得到n p s 需要m 和n 趋于无穷大，而这个条 件在实际应用中并不可能实现，但是如果系统是各态遍历的，我们就可以用一个 m x n 样本的有限观察值来直接计算n p s 。然而证明遍历性很难，许多实际的重要 系统都是近似遍历的，比如本文研究的x 射线平板探测器成像系统以及其他一些 重要的x 射线数字成像系统。因此式( 2 6 ) 又可以改写成： n p s ( u , v ) = 篱l f t d f ( m , n ) 1 2 ( 2 7 ) 这就是本论文所要用到的二维n p s 测量公式，同理，只对噪声图像的某一行进行 处理即可得到一维n p s 曲线；或者直接对二维n p s 图像进行处理也可得到一维 n p s 曲线。 2 4 3 量子探测效率 量子探测效率( d e t e c t i v eq u a n t u me f f i c i e n c y ，d q e ) 是描述x 射线成像装置 成像性能的主要的参数，表示数字成像装置在把射线影像转换成数字影像时图像 信噪比所保留的比率。在x 线影像领域射线影像的噪声是与曝光剂量密切相关的， 所以d q e 的值同样也表达了数字影像设备对入射剂量的利用效率。d q e 是照射 量和空间频率的函数。 医学影像学上借助通讯工程学，将x 线图像上灰度影像分解为各种空间频率 的波谱，把x 线图像上亮度分布相邻的黑线或白线的距离定义为空间周期，用单 位长度上的线对数( l p m m ) ，即空间分辨力来表示空间频率，它描述成像单元对 物体几何尺寸的鉴别能力。调制是指改变一个信号的幅度或强度，传递是指接受 1 6 介质将输入信息存储和转换以及输出的过程，对同一个系统而言，调制和传递存 在相关性，信息接受介质在某一频率下响应用特定的定量来表示，即频率响应函 数。调制度与分辨率的关系可以用调制传递不同空间频率下的响应函数曲线来表 示。 2 5 本章小结 本章为数字乳腺x 线成像装置的图像质量分析及测试方法的相关背景知识介 绍，首先介绍了数字乳腺x 成像系统的组成结构和工作原理，然后介绍了数字乳 腺x 射线成像系统与屏片乳腺摄影的差别和常用探测器种类。最后介绍了影响数 字乳腺x 线摄影成像质量的因素和探测器的技术指标( 包括调制传递函数和噪声 功率谱的定义和计算公式。) 等相关背景知识从而得到d q e 是评价数字乳腺x 线 成像系统的重要、综合的指标。 1 7 第3 章数字乳腺