数字X射线摄影系统量子探测效率检测方法研究*

赵庆军 徐 桓 刘晓军 孙喜文

数字放射成像设备在医疗诊断中的使用率在快速的增加，数字化的X射线成像技术也已逐步代替传统的模拟X射线成像技术。目前，许多厂商生产数字X射线摄影(digit radiography，DR)设备，因此需要定义DR设备参数用于描述成像设备的成像性能，使不同厂商生产的设备或同一厂商生产的不同类型设备均可基于统一的指标对其产品的成像质量进行评估和提高。在业界通常会选用可反映系统性能的参数，而国际认可的指标主要有探测量子转换效率(detective quantum efficiency，DQE)和调制转换函数(modulation transfer function，MTF)等。这些指标需通过试验获得图像，经过系列算法分析计算后得到频域参数。为此，国际电工委员会(IEC)为数字化的X射线设备质量评估制定了统一的实验标准——IEC 62220-1[1]。IEC标准制定的目的是图像质量的研究要在统一的标准下进行，使得到的计算方法和参数具有通用性。

本研究旨在按照国际标准进行试验获得图像，对计算DQE和MTF的过程涉及到的算法进行研究，并且关注了设备中对图像质量评估指标有影响的各项因素，提出一套基于成像物理参数的图像质量评估算法。

1 数字化医用X射线摄影系统影像质量要求

1.1 空间分辨率

产品标准中应规定在标称有效成像区域下、有衰减体模和无衰减体模情况下的空间分辨率及测量时的加载因素组合。在厚度为20 mm的铝(纯度＞99.5%)衰减体模情况下空间分辨率应≥2.0 lp/mm。

1.2 低对比度分辨率

产品标准中应规定低对比度分辨率的最小值及测量时的空气比释动能和加载因素组合。在规定的空气比释动能和加载因素组合下，低对比度分辨率的最小值，应不大于规定的最小值。鉴于许多试验器件均可有效地测量低对比度分辨率，如果使用的试验器件与本研究规定不同，则应将所使用试验器件的说明与低对比度分辨率的测量结果一起记录。

1.3 影像均匀性

产品标准中应规定影像均匀性的最大值及所使用的SID和加载因素。除非制造商另有声明，影像规定采样点的灰度值标准差R与规定采样点的灰度值均值Vm之比应≤2.2%(公式1)：

式中R为灰度值标准差；Vm为灰度值均值。

1.4 有效成像区域

产品标准中应规定所采用的探测器的有效成像区域在x，y两个方向上的最大尺寸，实际有效视野尺寸应大于制造商声称有效视野尺寸的95%。

1.5 残影与伪影

无可见残影和伪影存在。在以上的数字化医用X射线摄影系统摄影影像质量要求中并未体现全面说明DR系统的特点，为了更加科学地评价DR系统，目前普遍采用DQE的概念作为评价DR系统的技术指标。在增感屏和影像增强器中，DQE表示一定入射剂量条件下影像输出屏的亮度，通常用于影像增强器和CCD的性能评价[2]。DQE不是简单的可见光强度与X射线强度之比，而是描述把入射X射线转化成输出影像效率和能力的指标。DQE的定义与影像质量成正比，与入射剂量成反比，由于影像质量同时正比于入射X射线剂量，高的DQE表现了DR系统在低入射剂量条件下获得高质量影像的能力，其涉及到DR探测器的灵敏度、线性、噪声剂量及MTF等多项参数，因此QDE对DR系统是较全面和完整的性能评价参数。对于众多不同的DR系统而言以DQE指标来进行对比应较为全面和科学。

2 DQE参数值

DQE用来描述平板探测器对X射线量子探测的效率。DQE测量了探测器对入射到探测器表面的X射线的吸收能力，具有较高的量子探测效率DQE的成像系统能够以更低的剂量获得更优秀的图像质量。DQE和高空间效率的高MTF一样，小目标会因系统噪声而看不见，系统若能加强信号并降低噪声则可增加小组织的可见度。DQE如同一个空间效率功能用于判定系统里信号到噪声转换，且是剂量效率的一个很好的判定。DQE值越高，X射线的转化效率越高，图像的信息利用率也越高[3-5]。

虽然目前DQE的测量方法在业界还未达成统一，但有一点共识是DQE的测量值受到多种因素的影响，如射线kV值、过滤片的厚度及材料、空间频率值以及具体的测量方法等[6-7]。因此IEC制定了一个标准来统一测量过程，即IEC 62220-1标准，其对应国内行业标准为YY/T 0590.1-2005。在业内通常使用DQE值来衡量和比较不同类型的平板探测器(flat panel detector，FPD)的成像质量以及不同X射线成像系统的图像质量(如图1所示)。

图1 DQE曲线图

3 DQE参数的影响因素

影响DQE参数的因素有噪声、对比度、MTF和患者剂量4种[8]。

3.1 噪声

一幅被认为是均匀的X射线照片，其密度是不均匀的，若密度值是1.0的照片在放大镜下观察，照片上散布着不均匀的斑点，而这种密度差较小的点状影被称为噪声。噪声客观存在于任何影像系统中，在X射线影像系统中包括X射线量子噪声和电子噪声两部分。量子噪声与探测到X射线光子的数目有关，随入射剂量而变化；电子噪声存在于信号A/D转换前的模拟成像链系统电路中，是固有的。量子和电子噪声信号都是随机变化的，其在成像时可以模糊有用信息，降低对微小和对比差别小的物质分辨能力。当噪声增加时，图像质量即下降。对于放射影像，如果X射线照射是均匀的，对同一图像上多个采样点的统计累加均值与在同一采样点进行多次曝光所采集累加均值是等效的。本研究结果表明，对均匀影像做傅立叶变换，求出噪声功率谱(noise power spectrum，NPS)，可全面有效地反映出影像的噪声水平，并且相对比较稳定。因此，在影像评估中使用NPS作为全面反映噪声量级的指标。

3.2 对比度

放射性成像系统的对比度分辨能力是影响DQE的另一重要因素。从X射线摄影学的角度解释，透过被照体不同组织的X射线强度的差异，称为X射线对比度，也称物体对比度。照片上各组织之间的影像在密度上的差异，称为照片对比度。图像对比度性能反映了系统捕获和显示物体真实反差的能力。只要信号上能够区分出对比度差别，数字系统的图像处理能力可以通过对比度增强和显示窗宽、窗位的调整将信号表现出来。若准确评估数字化成像系统的性能必须对系统的噪声和对比度检测能力进行综合的评价，而不能孤立地看待其参数。如果系统具有较高对比度检测能力，但噪声很大则弱信号将淹没于噪声中而无法被检测到，其影像质量则不会优良；同样如果系统噪声和对比度均很低，整体信号都很弱仍然得不到诊断上有用的图像。因此，必须是对比度强而同时噪声低，即高信噪比的系统才能获得最佳的影像。

3.3 MTF

MTF在最初放射学界是用影像的最高可分辨细节来评价影像的质量，用这种方法仅能给出成像系统的极限分辨率(LP/mm)。通常在影像上能分清的线对数越多则显示的影像细节越清晰。这种简单、方便及意义明确的方法，能够用数目去表示，便于比较好坏程度。然而，线对数只能表达细节，不能分辨出界限，对于较粗线条的成像质量不能作出定量的评价。两个分辨率一样的成像系统，清晰程度可能不一样，仅用分辨率不能真正地反映出成像系统质量的优劣。这种极限分辨率是因人而异，与人的主观因素有关。因此，仅有极限分辨率这一指标不能科学、全面地评价成像系统的特征。20世纪60年代，放射学界将光学传递函数引入X射线成像系统，并借用通讯技术中的“调制”概念，用调制传递函数来评价影像质量的方法更加科学和客观。光学传递函数可看作是对成像系统的扩散或线扩散的定量说明，其不是用数字表征，而是用函数表达，即用光学传递函数来表达，这种表达更细致，更容易明确成像的质量。光学传递函数包含分辨率，但从分辨率不能得知光学传递函数。MTF是指由于系统非线性的存在，对比度是信号空间频率的函数，随空间频率的提高，系统的对比度分辨能力下降。MTF综合反映了影像的对比度和空间分辨率情况，可用作单纯图像所包含信息的评价指标。而对于DR的数字成像，图像质量除了受探测器单元面积、灵敏度等因素影响外还受图像处理方法、入射X射线剂量和能量的影响，单纯使用MTF已经不能全面地表达数字图像的质量，因此必须采用更加完善的方法，即DQE来评价数字影像的质量，其综合了包括MTF在内的多项影响影像质量的参数，是评价影像质量方法的进一步完善和发展。

3.4 患者剂量

入射剂量和能量也是一个对DQE有直接影响的参数。在注意射线剂量的同时不能忽略X射线的能量也是影响DQE的重要因素，不同硬度的X射线所产生的DQE也不相同。X射线光子能量影响成像物体的对比度，影响探测器的信号强度和噪声。通过被照体后的X射线量子成为“调制”X射线，形成X射线影像。如果X射线量子很少，对X射线吸收有差别的两种物质则不能被探测器记录下来，这一现象是由于X射线量子的统计“涨落”之故而产生。X射线影像是因X射线量子的照射和减弱而形成，因此X射线影像也遵循统计学的法则。本研究中是通过使X射线减弱相等的被照体的X射线量子来研究。如果量子数无限多，于是到达像面上的每单位面积上的量子数(光子密度)，可认为处处相等。然而，当X射线量子数目有限时在像面上的量子数就因位置而不同。对X射线影像而言，即使焦点的大小、散射线的消除等各种形成要素得到改善，提高了图像质量，若在X射线统计涨落限度以外使图像质量提高也是不可能的。若使形成X射线影像的照射量减少时必须考虑这一因素，这正是在DR数字成像系统中即使有很强的图像后处理功能，也不能无限制地降低曝光条件的原因所在。

4 DQE测试方法

4.1 IEC62220-1标准的要求

对通用的X射线成像设备进行DQE测量时，测量条件和参数的设置对DQE测量结果有显著的影响，因此在IEC标准中严格的定义测量条件，对不同级别的测量要求均作了详细的说明。试验使用的射线等级质量是重要的参数。DQE测试使用RQA5标准射线等级(见表1)。

表1 测试DQE要求的射线质量和对应参数要求

4.2 DQE测试装置要求

(1)测量装置结构。测量装置包括：①B1、B2和B3束光器(如果不影响结果可不使用B2和B3)；②SID(150 cm)；③照射野(160 mm×160 mm)；④剂量计；⑤附加滤过参照RQA 5；⑥刃边测试设备(如图2所示)。

图2 测量装置结构图

(2)附加滤过要求。①标准RQA 5；②管电压70 kVp；③半价层7.1 mm Al(铝，纯度＞99.5%)；④附加滤过21.0 mm Al；半价层和附加滤过Al的尺寸与束光器的尺寸相当，可以固定到束光器上。

(3)刃边测试设备要求。①尺寸要求：a=200 mm，b=50 mm，c=100 mm，d=70 mm，e=90 mm，f=100 mm；②内部小虚线区域为测量MTF所设定的ROI；③内部大虚线区域为探测器上的照射区域；④钨板要求[W(1)]，厚度为1.0 mm；纯度＞90%，尺寸为100 mm×75 mm，边缘要求锯齿＜5 μm；如果纯度不够，可以增加厚度；⑤铅板要求[Pb(2)]，厚度为3.0 mm，尺寸为200 mm×100 mm(如图3所示)。

图3 刃边测试设备示意图

4.3 DQE测试的具体步骤

DQE测试的具体步骤为：①DR设备X射线输出稳定性，无附加滤过条件下测试；②RQA 5测试条件的确定；③根据制造商定义测试基准，参考2～4 uGy；④计算转换函数；⑤测试噪声功率谱(NPS)；⑥测试调制传递函数(MTF)。

5 结论

对于放射影像，需要看影像的质量和考虑影像获取的条件。就图像而言，通常用空间分辨率、动态范围和对比度分辨率、MTF以及噪声等指标衡量其质量。对数字影像系统而言，其指标除受探测器的单元面积、灵敏度等因素影响外，还受图像处理方法、入射X射线剂量和能量的影响，任何分散的参数不能全面说明DR系统的特点。如何以较低的入射X射线剂量获得高信噪比的影像是反映探测器性能和技术水平的标志。目前，各DR系统生产厂商普遍采用量子探测效率DQE作为评价DR探测器系统的技术指标，同时DQE也作为国内外DR生产厂商准入市场的检测标准[9]。DQE有机结合了影像对比度、噪声、空间分辨率和入射X射线剂量等重要参数，对数字影像系统的对比度检测能力进行全面表述，被专家看作评价数字化X射线成像质量最精确的标准。

[1]IEC 62220-1.Medical electrical equipment-Characteristics of digital X-ray imaging devices-Part 1:Determination of the detective quantum efficiency[S].IEC,2003-10-01.

[2]国家食品药品监督管理局.YYT 0741-2009数字化医用X射线摄影系统专用技术标准[S].国家食品药品监督管理局,2009-11-15.

[3]Samei E,Flynn MJ,Reimann DA.A method for measuring the presampled MTF of digital radiographic systems using an edge test device[J].Med Phys,1998,25(1):102-113.

[4]Awai K,Komi M,Hori S.Selenium-based digital radiography versus high-resolution storage phosphor radiography in the detection of solitary pulmonary nodules without calcification:receiver operating characteristic curve analysis[J].AJR Am J Roentgenol,2001,177(5):1141-1144.

[5]Ludwig K,Link TM,Fiebich M,et al.Seleniumbased digital radiography in the detection of bone lesions: preliminary experience with experimentally created defects[J].Radiology,2000,216(1):220-224.

[6]Denny L,Kelly P,Jeffrey G,et al.Directconversion x-ray detectors using amorphous selenium[J].Journal of X-ray Science and Technology,2002,10(1):17-36.

[7]Oda K,Tsuzaka M.Evaluation of moire artifacts with stationary anti-scatter grids in amorphous selenium-based flat panel X-ray detector system[J].Medical Imaging SPIE,2007,6510(2):401-405.

[8]宗会迁,史朝霞,周存河,等.数字化X线摄影系统标准DQE测量方法和评估[J].河北医药,2008,30(9):1342-1344.

[9]鲁向.量子检测效率在数字化X射线摄影系统检定中的应用[J].计量学报,2011,30(6):41-44.

[10]曹厚德,杨燕敏.应用DQE评价数字X线探测器的成像性能[J].中国医学计算机成像,2014,20(5):471-473.

[11]刘建新,袁卫英,苏磊.基于无线传输的数字X射线成像与处理系统的研究与框架构建[J].中国医学装备,2012,9(1):19-21.

[12]Nasseri MM,MA Qing-Li,YIN Ze-jie,et al.Monte-Carlo simulation for determining SNR and DQE of linear array plastic scintillating fiber[J].Nuclear Science and Techniques,2004,15(5):1304-1307.

[13]孙智勇,王亚南,魏欢欢,等.基于IEC 62220-1-2标准的量子探测效率(DQE)检测[J].中国医药导刊,2010,12(4):190-192.

[14]Samei E,Nicole TR,James TD,et al.Intercomparison of methods for image quality characterization I modulation transfer function[J].Medical Physics,2006,33(5):1454-65.

[15]李金霞,杨旭,赵宏波,等.DR不同类型平板探测器性能的比较研究[J].中国医学装备,2011,8(8):30-32.

[16]白玫,刘旭,彭明辰,等.数字X射线成像设备DQE的测试[J].医疗设备信息,2007,22(4):2-5.

[17]Bertilini M,Nitrosi A,Rivetti S,et al.A comparison of digital radiography systems in terms of effective detective quantum efficiency[J].Medical Physics,2012,39(5):3617-3627.