量子檢測(cè)效率在平板探測(cè)器評(píng)估中的研究進(jìn)展*

徐松，姚旭峰，黃鋼

(1.上海理工大學(xué)醫(yī)療器械與食品學(xué)院，上海 200082；2.上海健康醫(yī)學(xué)院醫(yī)學(xué)影像學(xué)院，上海201308)

1 引 言

1895年德國物理學(xué)家倫琴(Rontgen)發(fā)現(xiàn)了X射線，這是醫(yī)學(xué)影像史上的重大突破。因X射線具有波長(zhǎng)短、穿透力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，故被廣泛應(yīng)用于醫(yī)療診斷、工業(yè)無損檢測(cè)等諸多領(lǐng)域。

隨著工業(yè)技術(shù)的發(fā)展，X射線成像技術(shù)與探測(cè)器取得了巨大的進(jìn)展，從最初的X射線膠片、X射線熒光屏、計(jì)算機(jī)X線攝影(computed radiography, CR)發(fā)展到目前被廣泛使用的FPD。同時(shí)，醫(yī)學(xué)診療對(duì)高分辨率快速實(shí)時(shí)成像的需求和圖像質(zhì)量的要求也在不斷提高，而傳統(tǒng)的X射線成像技術(shù)的空間分辨率和密度分辨率有限，無法滿足以上需求，新型探測(cè)器的研發(fā)應(yīng)運(yùn)而生。

20世紀(jì)90年代，位于美國硅谷的瓦里安(Varian)技術(shù)中心研制出了世界上第一臺(tái)商用的X射線FPD。它作為X射線攝影系統(tǒng)中的關(guān)鍵組成部分，具有靈敏度高、固有噪聲低、動(dòng)態(tài)范圍大、存儲(chǔ)方便可靠、可進(jìn)行圖像后處理等諸多優(yōu)點(diǎn)[1]，能夠?qū)⒋┻^人體的X射線轉(zhuǎn)化為數(shù)字化信息，所以FPD的性能直接決定采集圖像的質(zhì)量[2]。

FPD的性能會(huì)隨著使用年限的增加而下降，此時(shí)整個(gè)攝影系統(tǒng)的成像質(zhì)量也將受到影響，因此有必要對(duì)FPD的性能進(jìn)行評(píng)估分析，以確保系統(tǒng)運(yùn)行的安全性、穩(wěn)定性和準(zhǔn)確性。量子檢測(cè)效率(DQE)與FPD的多項(xiàng)性能指標(biāo)有關(guān)，如靈敏度、分辨率、信噪比、劑量、調(diào)制傳遞函數(shù)等。作為影像設(shè)備的重要檢測(cè)參數(shù)之一，DQE可對(duì)X線攝影系統(tǒng)的整體進(jìn)行綜合評(píng)估[3]，是業(yè)內(nèi)公認(rèn)的圖像檢測(cè)系統(tǒng)最重要的性能參數(shù)[4]。國際電工委員會(huì)(International Electro technical Commission, IEC)制定了IEC 62220-1-1、IEC 62220-1-2、IEC 62220-1-3標(biāo)準(zhǔn)來統(tǒng)一不同X線探測(cè)器的DQE的測(cè)量方法及要求。

我們首先介紹了FPD的種類，然后對(duì)DQE的檢測(cè)現(xiàn)狀進(jìn)行歸納，包括近年國內(nèi)外DQE的檢測(cè)研究現(xiàn)狀、DQE的相關(guān)參數(shù)研究、DQE檢測(cè)技術(shù)的應(yīng)用和DQE測(cè)量過程中的影響因素，最后進(jìn)行了總結(jié)與展望。

2 X射線平板探測(cè)器(FPD)簡(jiǎn)介

目前FPD主要分為非晶硅(a-Si)、CMOS和非晶硒(a-Se)三類。三類FPD的比較見表1。首先X射線光子經(jīng)閃爍體層轉(zhuǎn)化為可見光，再由a-Si陣列將可見光轉(zhuǎn)化為電荷信號(hào)，電荷信號(hào)讀出為數(shù)字化信息，計(jì)算機(jī)最后進(jìn)行處理、重建形成圖像[5]。

3 量子檢測(cè)效率(DQE)檢測(cè)

X射線系統(tǒng)的DQE被廣泛應(yīng)用于以圖像的信噪比來量化探測(cè)器的性能[15]，它可以被解釋為系統(tǒng)傳輸接受到的信息的效率，DQE越高，說明影像系統(tǒng)在低X射線入射劑量的情況下，獲得高質(zhì)量影像的能力越強(qiáng)[16]。作為空間頻率的函數(shù)，DQE是最被廣泛接受的數(shù)字X射線成像性能的評(píng)估指標(biāo)[17]。

3.1 DQE檢測(cè)現(xiàn)狀

DQE被普遍認(rèn)為是數(shù)字化X射線性能最精準(zhǔn)而全面的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，研究[18]通過圖像信噪比和對(duì)比分辨率說明了DQE在數(shù)字化影像評(píng)估中的重要性。有研究[19]表明，DQE的檢測(cè)可以反映出X射線轉(zhuǎn)換成圖像信息的能力，DQE值越大，X射線的轉(zhuǎn)化能力越強(qiáng)，轉(zhuǎn)化效率越高。Michail等[20]對(duì)CMOS成像探測(cè)器的DQE進(jìn)行了研究分析，Monnin等[21]在不同劑量下測(cè)定了數(shù)字乳腺X射線攝影系統(tǒng)的DQE。Costa等[22]通過對(duì)X射線成像的閃爍光纖探測(cè)器的DQE測(cè)量，說明有必要通過探測(cè)器的調(diào)制傳遞函數(shù)(modulation transfer function,MTF)，執(zhí)行濾波操作或等效過程來過濾入射光束的輸入泊松噪聲，以獲得真實(shí)的DQE。

表1 三類平板探測(cè)器對(duì)比

以上DQE的測(cè)量方法均未考慮臨床操作條件，以及焦斑、放大、散射輻射和防散射網(wǎng)格對(duì)臨床實(shí)踐中獲得的圖像質(zhì)量的影響。Samei等[23]提出了一個(gè)新的圖像質(zhì)量指標(biāo)-有效量子檢測(cè)效率(effective detective quantum efficiency,eDQE)，實(shí)驗(yàn)證明，eDQE能克服上述限制。Bor等[24]探討了焦斑等因素對(duì)eDQE的影響，Yalcin等[25]觀察到eDQE隨著柵格比的增加而降低。同時(shí)，與高劑量的DQE相比，eDQE的劑量較低，Choi等[8]對(duì)兩種檢測(cè)器的臨床性能進(jìn)行了比較，也證明了eDQE總體在成像性能上有更好的表現(xiàn)，這為繼續(xù)改進(jìn)放射學(xué)的圖像質(zhì)量和減少患者劑量提供了巨大的機(jī)會(huì)。

由于DQE參數(shù)測(cè)量所需的X射線物理知識(shí)、專業(yè)儀器和計(jì)算分析，通常僅限于實(shí)驗(yàn)室環(huán)境中的專家研究。Cunningham等[26]開發(fā)了一種便攜式自動(dòng)化原型儀器，可自動(dòng)進(jìn)行物理測(cè)量和后續(xù)圖像分析，非專家可以使用它來完成設(shè)置、數(shù)據(jù)采集和分析，以確定射線攝影和乳腺攝影系統(tǒng)的調(diào)制傳遞函數(shù)、噪聲功率譜和DQE。使用低患者曝光獲取高質(zhì)量的X射線圖像需要具有高DQE的檢測(cè)器，Nano等[15,27]提出了一種通過改善調(diào)制傳遞函數(shù)和降低噪聲混疊來在高空間頻率下增加DQE的方法-Apodized Aperture Pixel(APP)，該方法提供了比傳統(tǒng)探測(cè)器設(shè)計(jì)更高的DQE，可以改善圖像對(duì)比度，并顯示小結(jié)構(gòu)和精細(xì)細(xì)節(jié)。美國醫(yī)學(xué)物理學(xué)會(huì)(American Academy of Physical Medicine, AAPM)162任務(wù)組也提出了通過測(cè)量成像系統(tǒng)的DQE進(jìn)行圖像質(zhì)量評(píng)估的新方法和對(duì)應(yīng)的軟件包，Samei等[28]對(duì)該方法做了詳細(xì)的介紹說明，并通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了其準(zhǔn)確性。

3.2 DQE相關(guān)參數(shù)研究

DQE的定義為系統(tǒng)輸出信噪比與輸入信噪比的平方之比[29-30]。DQE=1對(duì)應(yīng)于一個(gè)理想的探測(cè)器，這意味著所有入射的輻射能都被吸收并轉(zhuǎn)換成有用的圖像信息。顯然，DQE的值總是小于1的，這是由于輸入的信號(hào)不可能被完全探測(cè)到，而且在成像過程中會(huì)存在一定的損失。DQE與MTF2成正比，與NPS成反比。

3.2.1調(diào)制傳遞函數(shù) (MTF) MTF是成像探測(cè)器在不同空間頻率下從物體對(duì)比度再現(xiàn)圖像對(duì)比度的能力的量度[31]。MTF表示成像系統(tǒng)在所得圖像中再現(xiàn)不同尺寸的高對(duì)比度物體的能力，因此,表示對(duì)比度和空間分辨率之間的關(guān)系。由成像系統(tǒng)引入的不清晰導(dǎo)致較高的空間頻率不能像較低的空間頻率信息那樣良好地傳輸，因此，空間頻率越大，MTF值越小。

測(cè)量X射線MTF的方法主要有三種：狹縫法、刀刃法和柵條法。其中刀刃法已被IEC定為測(cè)量MTF的標(biāo)準(zhǔn)方法[32]。用于確定MTF的測(cè)試裝置包括一個(gè)用做邊緣測(cè)試的厚1.0 mm、純度高于90%的鎢板，用于實(shí)驗(yàn)照射的邊沿與板面成90°，鎢板固定在一個(gè)厚度為3 mm的鉛板上。由鎢板和鉛板組成的試驗(yàn)器件放在探測(cè)器表面，其邊緣與探測(cè)器像素陣列的行列排列有一個(gè)1.5°～3°的夾角。圖1是進(jìn)行MTF測(cè)量的實(shí)驗(yàn)裝置圖，其中a最小為1.5 m，b為120 mm，探測(cè)器表面的最小輻射野為160 mm×160 mm2，限束器的作用是消除散射的影響。計(jì)算時(shí)，首先利用鎢板的邊緣圖像獲得邊緣擴(kuò)散函數(shù)(edge spread function, ESF)。后線擴(kuò)散函數(shù)(line spread function, LSF)經(jīng)對(duì)ESF進(jìn)行差分運(yùn)算得到，LSF的傅里葉變換即為MTF[33]。

直接數(shù)字化攝影(direct digital radiography, DDR)與CR相比有更高的DQE和信噪比，近年來對(duì)DR系統(tǒng)有大量的研究，然而，CR操作簡(jiǎn)單且維護(hù)成本低，在全球市場(chǎng)仍占相當(dāng)大的份額，故對(duì)CR的研究還是很有必要的。Kim等[31]近年提出了一種新的MTF，在CR系統(tǒng)測(cè)量點(diǎn)擴(kuò)散函數(shù)和線擴(kuò)散函數(shù)時(shí)，所開發(fā)的邊緣算法表現(xiàn)出比傳統(tǒng)方法更好的性能，同時(shí)在CR數(shù)字X射線成像系統(tǒng)的實(shí)際測(cè)量中也證明了該方法的有效性。Fang等[34]提出了一種“程序校正方法”，該方法可以矯正MTF測(cè)量中的錯(cuò)誤，保證測(cè)量結(jié)果更加準(zhǔn)確。

圖1 調(diào)制傳遞函數(shù)測(cè)試裝置

3.2.2噪聲功率譜(noise power spectrum, NPS) NPS表示圖像中的噪聲功率作為空間頻率的函數(shù)，它代表噪聲與空間分辨率之間的關(guān)系[1]。NPS可被認(rèn)為是分布在圖像的各種頻率分量中的圖像強(qiáng)度(即圖像噪聲)的方差，提供了在X射線探測(cè)器的均勻曝光之后空間頻域中包含的噪聲分量的定量描述[35]。Kim等[36]提出了一種NPS測(cè)量算法，該算法可以提供更穩(wěn)定的NPS曲線。Anastasiou等[37]在60 kVp和70 kVp照射條件下對(duì)數(shù)字牙科攝影CMOS平板探測(cè)器的MTF和NPS值進(jìn)行了評(píng)估，發(fā)現(xiàn)探測(cè)器在不同的kVp設(shè)置中表現(xiàn)出相當(dāng)?shù)男阅?。Marshall等[38]對(duì)兒科影像科使用的5臺(tái)X射線探測(cè)器的MTF、NPS及DQE進(jìn)行了表征，確定了這些探測(cè)器為新生兒成像提供的成像性能范圍。

3.3 DQE檢測(cè)技術(shù)的應(yīng)用

對(duì)醫(yī)療影像設(shè)備進(jìn)行質(zhì)量控制可以確保成像系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定高效，DQE是影像設(shè)備質(zhì)控內(nèi)容中的重要指標(biāo)。

在國內(nèi)的醫(yī)療機(jī)構(gòu)和公司所研發(fā)和使用的各類X線影像設(shè)備中，不乏具有世界領(lǐng)先的，但也有陳舊落后的，它們所得到的圖像質(zhì)量好壞不一。而且隨著使用年限的增加，漏診和誤診發(fā)生的幾率也會(huì)增加，很有必要對(duì)影像設(shè)備進(jìn)行質(zhì)量控制。有研究[39]對(duì)當(dāng)?shù)豖射線攝影設(shè)備的使用狀況和探測(cè)器質(zhì)量進(jìn)行評(píng)估，結(jié)果證明，設(shè)備經(jīng)過一段時(shí)間的使用，DQE會(huì)不斷降低，醫(yī)生為了得到更好的圖像質(zhì)量，會(huì)選擇增加射線劑量，這無疑會(huì)增加患者受到輻射損傷的幾率。還有研究[3]針對(duì)平板探測(cè)器DR升級(jí)方案也做了相似的研究。將DQE應(yīng)用到設(shè)備質(zhì)控中，可以提高影像質(zhì)量和醫(yī)生的工作效率，促進(jìn)設(shè)備的更新?lián)Q代、推陳出新，更充分地利用已有的設(shè)備資源。

同時(shí)在X射線攝影系統(tǒng)中有許多不同類型的產(chǎn)品，如基于膠片的模擬成像系統(tǒng)、使用了不同類型轉(zhuǎn)換探測(cè)器的數(shù)字X射線成像系統(tǒng)。利用DQE進(jìn)行比較[29]可以降低材料損耗和設(shè)備購買成本，選擇更優(yōu)的設(shè)備，避免資源浪費(fèi)。

3.4 DQE檢測(cè)影響因素

3.4.1劑量 有研究[40]在距探測(cè)器180 cm、RQ5輻射質(zhì)量的情況下，改變劑量對(duì)數(shù)字X光機(jī)進(jìn)行DQE測(cè)試，對(duì)比標(biāo)準(zhǔn)圖像分析所得圖像、得到的MTF值與DQE數(shù)值。結(jié)果表明MTF曲線隨著劑量的改變變化不大，在10 μGy情況下DQE不會(huì)隨著劑量的增加發(fā)生大的改變。通過實(shí)驗(yàn)，解釋了在臨床中可以通過增加劑量獲得更好的圖像質(zhì)控指標(biāo)，同時(shí)可以根據(jù)DQE以及已觀察到的某些只存結(jié)構(gòu)的成像結(jié)果大致推算其他尺寸結(jié)構(gòu)的參考劑量。

3.4.2空間頻率 Escartin等[17]使用DQE測(cè)試儀器對(duì)臨床X線系統(tǒng)進(jìn)行了初步的DQE測(cè)量調(diào)查。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，在相同的曝光水平(8.0 μGy)下，低空間頻率下的DQE大約為0.36～0.75，高空間頻率下的DQE大約為0.02～0.4。表明DQE值在低空間頻率下更高。

3.4.3X射線光子數(shù) Wu等[41]在研究中，通過對(duì)不同kVp/相同濾波器和不同濾波器/相同kVp的模式比較得到的曲線表明，隨著曝光中高能X射線光子的增加，整體DQE降低。Fang等[4]模擬了非晶硒(a-Se)X射線探測(cè)器的DQE，也證明了DQE作為空間頻率的函數(shù)取決于入射的X射線光子能量。

3.4.4使用壽命 對(duì)不同時(shí)間生產(chǎn)的相同設(shè)備進(jìn)行DQE測(cè)試，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，經(jīng)過一段時(shí)間的使用，設(shè)備的DQE會(huì)降低，這種變化在高頻區(qū)更加明顯[29,38]。

4 總結(jié)和展望

FPD被廣泛地應(yīng)用于醫(yī)學(xué)、工業(yè)無損檢測(cè)等領(lǐng)域，以滿足不同的使用需求。DQE涉及到探測(cè)器的多項(xiàng)性能參數(shù), 對(duì)X射線攝影系統(tǒng)來說是比較完整和全面的性能評(píng)估指標(biāo)。DQE的檢測(cè)結(jié)果可以作為國內(nèi)不同F(xiàn)PD的評(píng)估指標(biāo)，其得到的數(shù)據(jù)可以為生產(chǎn)廠商和醫(yī)院提供不同產(chǎn)品和時(shí)間周期之間的數(shù)據(jù)比較，為質(zhì)量控制提供數(shù)據(jù)支持。DQE也有助于發(fā)現(xiàn)國內(nèi)外X射線攝影系統(tǒng)制造商之間的技術(shù)差距，更好地幫助和支持國產(chǎn)X射線攝影系統(tǒng)制造產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。在DQE的檢測(cè)過程中還存在一些實(shí)際問題，比如開發(fā)國產(chǎn)DQE測(cè)量軟件、推出新的DQE算法以及對(duì)其準(zhǔn)確性進(jìn)行驗(yàn)證，這些都需要我們?cè)诤罄m(xù)工作中加以重視和解決。

未來醫(yī)療領(lǐng)域，以人工智能(artificial intelligence, AI)為核心的智能醫(yī)學(xué)被普遍認(rèn)為是最具發(fā)展?jié)摿Φ难芯糠较?，醫(yī)療影像學(xué)是其中的重要組成部分之一。對(duì)于AI在DQE測(cè)試中的應(yīng)用，可以嘗試用曝光圖片學(xué)習(xí)出刃鎢圖像，然后進(jìn)行DQE計(jì)算，同時(shí)用深度學(xué)習(xí)進(jìn)行圖像的分割和識(shí)別。將AI應(yīng)用于醫(yī)學(xué)影像中可以緩解醫(yī)療影像工作人員缺口大的現(xiàn)狀，同時(shí)減少醫(yī)生因重復(fù)工作而產(chǎn)生的人工疲勞失誤，提高工作效率及診斷準(zhǔn)確率。