医学影像成像原理课件：5数字摄影基本评价

1、医学影像成像原理数字化影像基本评价,黄 林,一、影像质量基本特征,对比度,噪声,分辨率,（一）图像质量基本评价,伪影,噪声,对比度,细节,（二）数字化影像质量评价要点,空间频率,二、细节,details,（一）细节的要素,（二）伴影与强度分布,光斑扩散图,（三）点扩散函数 point spead func（PSF）,伴影加大影像模糊度加大； 伴影加大灰度逐步降低。,（四）细节的评估方法,对比度细节体模,孔的直径、深度呈指数分布,临床关注的细节,（五）不同检查的细节比较,模糊度,分辨率,三、模糊,（一）基本概念,模 糊 度 增 加,（二）表达公式,一般认为；影像模糊度的极限值为0.2mm。,D1

2、 D2 S = H,锐利度：S，与模糊度相反的概念 反差值；D1 D2，光学密度差 模糊值；H，本影到半影移行距离,四、对比度,contrast,（一）对比度的概念,相邻灰度的差异,连续灰阶变化的差异,（二）X线影像对比度,1、影像对比度表现； 从黑到白的灰度渐变层次（灰阶级别）。 2、影响对比度的因素； 物体对比度（物质对比） 转换介质对比度（放大系数） 量化对比度（转换精度） 显示对比度（LUT） 后处理对比度（计算机技术）。 3、影像对比度与宽容度相对应； 影像对比度越高，影像宽容度越低，显示灰阶越少。 影像对比度越低，影像宽容度越高，显示灰阶越多。 4、环境光的影响； 阅片灯因素 环境

3、光因素 5、心理因素；,（三）影像对比度的要素,（四）影像对比度特点,（五）影像对比度表达,0,Imax,Imin,影像对比度计算公式,（六）灰雾对影像对比度的影响,1,2,3,1、原始分辨率 2、调制分辨率 3、叠加灰雾分辨率,侧抑制Lateral Inhibition,光对比错觉；同时对比度Light Contrast Illusions,马赫带效应 Mach Bands,Mach effect,mimicing pneumomediastinum,mimicing odontoid fracture,五、分辨率,对比度物体之间可鉴别的最小间隙。,resolution,图像分辨率指单位长度

4、的像素数目，ppi（Pixel per Inch）。,10 ppi,6 ppi,5 ppi,3 ppi,（一）分辨率的概念,视觉分辨率（视力、视距、背景光强） 成像系统分辨率（焦点、运动、像素、后处理）,（二）影像分辨率,相关概念有焦点分辨率，探测器分辨率，显示分辨率，照片分辨率等。,激光相机,采集阶段,矩阵、材料灵敏度、转换能力,显示器分辨率,呈现阶段,焦点大小、几何投影关系,打印分辨率,热敏相机,CRT,LCD,X线探测器采集分辨率,CT探测器采集分辨率,Section of 16-slice detector with scatter removal septa. Septa are s

5、ufficiently deep to eliminate nearly all scatter. Note smaller elements (0.625 mm, in this example) in center of array and larger (1.25-mm) outer elements. Also note dead spaces (lighter lines) between elements.,（三）空间分辨率表达,空间频率（spatial resolution） 为亮度在空间呈现出正弦波变化，在单位长度内亮度变化的周期数。成像系统定义的空间分辨率： 用每毫米线对数（

6、LP/mm）表示，或可辨别最小物体直径。两者换算关系为； LP/mm =1/2p LP-line pair； Ppitch 例1， 已知空间分辨率为3.5LP/mm，求像素？ P=1/23.5= 0.143mm = 143m 例2， 已知像素为143m，求空间分辨率？ LP/mm= 1/2p=1/20.143=3.5,（四）空间分辨率测试方法,金属细丝法,线对测试卡,星形测试卡,X线分辨率测试卡由不同宽度的线径构成不同线对数组，代表不同空间频率。,观察测试卡影像LP/mm，可确定X线成像系统的分辨能力。当线对影像不能分辨时，称为成像系统极限分辨率 Limiting Resolution或截止频

7、率（高于该频率的信号均不能被成像系统识别）。,影像分辨率的客观测定,矩形波线对测试卡影像,X线影像极限分辨率,CRIP极限分辨率,用采集象素密度表示,用采集矩阵大小表示,像素与人体结构的细节,139m,160m,200m,143m,500m,711象素,1778象素,2558象素,2222象素,2486象素,FCR定义,低频范围；0.090.25 LP/mm 中频范围；0.350.5 LP/mm 高频范围；0.712.0 LP/mm,1LP/mm,2.5LP/mm,3.1LP/mm,3.5LP/mm,3.6LP/mm,空间分辨率对影像的影响,分辨率降低,空间分辨率的临床应用,Low image

8、 frequency,High image frequency,六、噪声,noise,（一）噪声的定义,噪声又称斑点（mottle），是干扰目标检测的重 要参数。噪声的基本特点； 1、属于不确定的，随机的附加于原信号中的高频信号。 2、噪声源于成像过程中许多噪声源，且噪声不可避免。 3、噪声增加时，会模糊有用信息，降低微小的、对比 差别小的结构的分辨能力。 4、噪声不能单独定量评价，在电子学/通讯工程学中 用信噪比（S/N，Signal to Noise ratio ）表示， 信噪比越高越好。 5、影像噪声水平的客观检测，采用信噪比曲线表达。,（二）影像噪声的产生,（三）信噪比,SNR越高，影

9、像的可见度越优,1:1,2:1,5:1,信噪比的特性,当噪音降低时，或SNR增加时，目标的可见度迅速增加,信噪比与影像表现,X线量大幅下降，X线量子噪声明显出现；提高X线量，病人剂量和散射线量就会增大。 矛盾的解决要点主要取决于，影像对噪声的容忍度；对病人辐射防护的要求。,噪声由系统噪声和X线量子噪声两部分构成。 1、系统噪声（电子噪声） 结构噪声；像素单元晶体特理缺陷造成。本征噪声；FPD暗电流与探测器温度有关。电子噪声；FPD成像单元对射线响应的不均匀性。高斯噪声；信号传输及控制系统。混叠噪声；重建算法噪声与软件的降噪方法和量化水平有关。 2、X线量子噪声 量子噪声与X线曝光剂量成反比，当

10、曝光剂量低到一定程度，影像表现出的噪声大。,（四）数字化成像系统噪声源,1、FPD的暗电流,FPD暗电流是指在无X线照射的情况下，一段时间后FPD仍会产生一定的载流子，表现为叠加在信号上的噪声。导致采集图像前各像素值并不均匀。 暗电流噪声主要是载流子的热噪声，它是一种泊松分布的随机过程，表现为白噪声信号，图像的背景噪声主要是这种噪声造成。 降低FPD工作温度可减小这种噪声。在实际工作中，连续的两次曝光的间隔时间不宜过短，通过软件设置等待时间，不但利于降低热噪声，而且可延长FPD的使用寿命。,CCD热噪声,2、FPD像元的X线响应不一致性,FPD像元响应不一致性是指在均匀X线照射条件下，各像元响

11、应的不均匀程度。 响应不一致性与FPD材料的均匀性和工艺过程有关，在成像过程中，这种不一致性体现为像元之间响应的大涉同但比例不变。 由于各个像元对均匀光的响应不一致性是随机的，因此，在图像上反映出的灰度空间分布具有随机性。然而，对于单个特定像元来说，每次产生的响应灵敏度不一致性是有规律的。也就是说这种噪声属于FPD的固有噪声。,3、FPD像元的晶体缺陷,FPD像元缺陷是由于探测器在产生制作过程中，内部出现个别晶格的变性或掺入了杂质，造成某些像元异常。 也可能是由于在搬运/使用FPD时受到的物理损伤，造成某些像元的破坏。 当FPD中有大量集中的像元缺陷时，将导致尖峰脉冲，在图像上会出现相应的明显

12、条纹、亮斑、暗斑等虚假影像。,4、图像灰度的渐晕性,图像灰度的渐晕性是指图像灰度由中心向边缘、或由一侧向另一侧递减的现象。 渐晕性的产生与X线能量的空间分布有关。X线束呈锥状摄影，导致中心能量高，周边能量低，由于阴极效应的影响而致阴极端线量多于阳极端，呈现跟端现象。 另外，线束中心线与探测器中心不一致、线束中心线与探测量器平面垂直不准，均可导致图像渐晕性。,5、X线量子噪声,一般认为数字摄影对于曝光量的要求不十分严格。 但是，当线量大幅下降的情况下,量子效应会变得十分明显，特别是做影像增强处理后或放大后，噪声会引起影像粗糙感觉，甚至淹没微小病灶，采用降噪功能后，影像的对比度下降，细微结构的显示

13、困难。 降低FPD曝光量减少病人的辐射剂量和提高曝光量保证影像质量是一对矛盾，应根据临床对影像的具体要求确定。,（五）减少噪声的方法,1、 增加曝光量；可使影像密度的随机波动减小，噪声量降低。 2、质控；固有噪声产生的空间位置是不变的，或者在时间上规律变化。经分析噪声现象后，有针对性的处理（例如，CR采用定时检查清除扫描残影，清除静电灰尘，调整机械运行速度，探测器定时效准等）。 3、影像后处理；调整降噪软件参数的设置，降低图像的可视噪声。,影像与噪声的关系,像素大小与噪声,X线量子数与噪声,七、X线探测器动态范围,Dynamic range,X线探测器对X线曝光量的信号响应,（一）动态范围的定

14、义,1、动态范围是一个成像系统可以记录的X线量的范围， 包括容许的最大值和敏感的最小值。 2、位深和动态范围之间没有直接关连。,X线探测器动态范围,屏胶系统与数字探测器动态范围比较,屏-胶组合动态范围是S形渐变曲线，曝光范围狭窄。X线摄影曝光宽容度窄，可能造成失败或图像质量不足。,数字探测器动态相应范围大，曝光强度与信号响应是线性。X线摄影几乎消除了曝光失败风险。,X线探测器参数表,原始影像,Image Brightness,X-ray Detected,（二）动态调节的非线性应用,模拟胶片,软组织,骨组织,不同后处理软件采用的灰度变化调节步进有差异，步进值越小，图像后处理的宽容度越大。 例如

15、；某探测器动态范围0.5R13000R，每梯阶50R 步进，共270分级；某探测器动态范围150R3500R，每梯阶150R步进，共23分级。,（三）动态步进值与调节宽容度,八、调制传递函数,Modunation Transfer Function,MTF是在频谱域中研究图像质量的客观评价方法。在线性空间不变系统，任何一个成像系列可看作一个空间频率滤波器。不同的空间频率通过成像系统传递后的响应特性，可通过MTF函数曲线定量表达出来。 在影像学中，物像的空间空间频率响应是成像系统对人体信号检出能力的客观表述。将X线信号输入称为激励，X线探测器采集信号并进行转换后输出称为响应，它们之间存在着函数关

16、系。,（一）基本概念,人体不同组织结构和细节可以被理解为各种空间频率的组合。 MTF曲线能模拟X线通过人体后，经过成像系统的信息传递，人体不同结构在X线影像上的再现能力。MTF的优势在于； 1、具有传递信息的客观性。 2、分频率、多参数获得量化值。 3、对信息传递的不同阶段进行定量评价。,（二）信息的调制过程（调制度）（Modulation）,M,M,M,M,设有一频率为f的正弦波形的信号，光强分布最大亮度Imax，最小亮度为Imin，I为正弦波振幅，调制度M表示反差大小。,M =,Imax Imin,Imax Imin,矩形波测试卡各频率组的灰度影像，客观地反应了X线对不同频率结构的解像能力

17、。 1、调制度经过成像系统后，原信号M与调制度M 之比；MTF= M/ M。反映了图像在确定分辨率的细部反差(比对比度概念)。调制度介于0和1之间。调制度越大，反差越大；当亮度相等时，反差消失，调制度为0。 2、MTF曲线将各线对从低频到高频范围排列为横坐标，调制度从100到0为纵坐标。在坐标系标入不同频率的MTF值并连接成的曲线称MTF曲线。,MTF曲线,X线影像可用不同的空间频率组合进行表达。 即一幅X线影像可分解成不同频率的通道，每个通道代表不同大小的结构细节和不同水平的对比度。,低频结构,中频结构,高频结构,高频结构,（三）空间频率分频的概念,分解,（四）MTF测试方法,MTF测试采用

18、铅制矩形波测试卡模拟人体结构，用一系列的线对数(lp/mm，line Pairs/mm)表示不同的空间频率，相邻的两个铅条的距离为空间周期，空间周期倒数（1/2d）为空间频率(Spatial Frequency) 。,矩形波测试卡光强度传递分布,标准模板,测试模板,扫描曲线,对比度与空间频率响应,（五）MTF的应用,MTF曲线是对成像系统的客观评价。 人眼对影像反差有一定的物理极限，影像反差为0.05时尚能分辩，当反差低于0.02时就完全不能察觉。在摄影学上，一般选定MTF值为0.03时的空间频率作为摄影镜头的极限分辨率。 X线透过人体，除X线焦点的MTF，在摄影时还会受到散射线的明显干扰（大

19、约占原发射线的3040），使影像反差明显降低。所以，在X线摄影学上一般选定MTF值为0.2时的空间频率作为X线成像的极限分辨率。,不同MTF曲线比较,A：低、中频好，截止频率低,B：低、中频差，截止频率高,MTF对分辨率影响,1,2,3,4,运动速度的MTF,焦点大小、摄影距离的MTF,MTF应用与综合评价,不同探测器的MTF评价,X线探测器的MTF比较,非晶硒平板探测器 （MTF） 非晶硅平板探测器（MTF） 1.0LP/mm 95% 1.0LP/mm 70% 2.0LP/mm 70% 2.0LP/mm 40% 3.5LP/mm 40% 3.5LP/mm 20%,MTF曲线的理解,1、FTF

20、曲线代表成像质量的主要参数之一。表达不同空间频率条件下的对比度表现能力。 2、临床使用要点； 分析高/中/低频各段MTF值。 X线影像的MTF截止点为0.2。 观察曲线在有效频率区内的面积 参考截止频率。,影像各频段最佳显示区,摄影镜头MTF曲线评价,MTF小结,1、MTF是以空间频率为自变量的相应函数，它代表一个成像系统传递特性。MTF值大，表示信息量（即对比度）的传递损失少；反之，则表示传递效率低。 2、MTF随空间频率的增加而减少，空间频率越高，MTF值则越低，比对比度和分辨率也越低。 3、MTF值反映了成像系统对细节的分辩特性，它的定义域为：0MTF1。 4、影像链每个单元有独立的MT

21、F，因此图像质量取决于总的MTF。（等于各个独立单元MTF值的乘值）,难度如何？,八、量子捕获效率,量子捕获能力也称量子采集效率，是入射X线光子被探测器检测到的概率。探测器的采集信息能力按量子采集效率的百分率计算。 探测器的量子采集效率越高，代表获得的原始信息量越多。,Detect Quantum Efficiency，DQE,理想的探测器应能检测出入射到它上面的每一个光子。X线探测器并非所有的入射光子都与探测器发生作用。例如，部分高能X线会穿过探测器而不与荧光晶体物质发生作用。部分低能X线被晶体物质吸收而没有发生能量转换，不能被检测到。只有产生出可以检测到的输出信号的X线才有用。 因此，任何X线探测器均有一个量子检测效率，即入射X线光量子被检测到的概率。,（一）量子检测效率概念,DQE定义,检测量子效率 = 信噪比（输出）2/ 信噪比（输入）2,IEC 62220-1测试标准,（二）DQE体模测定法,CDRAD PHANTOM,F/S,DR的DQE比较,屏/片系统成像,FPD成像,（三）DQE评价,1、量子捕获效率是代表成像质量的主要参数之一。表达不同剂量条件下，探测器在不同频率段对X线量子的捕获能力。 X线量子的敏感度 2、临床关注要点； 在高/中/低频各段的DQE值。 首先是空间频率为0时的