شاخص‌های کلیدی برای بهینه‌سازی کیفیت تصویر اشعه ایکس MTF NPS DQE

تصور کنید که یک عکاس هستید که به وضوح کامل وسواس دارد، هر پیکسل را بررسی می کند. در تصویربرداری پزشکی، تکنسین های رادیولوژیک این تلاش برای کمال را به اشتراک می گذارند، نه برای عکس های هنری،اما برای عکس های اشعه ایکس که کوچکترین جزئیات آناتومی انسان را نشان می دهدچگونه می توانیم بطور عینی وضوح سیستم های تصویربرداری اشعه ایکس را اندازه گیری و بهبود بخشیم؟

این مقاله مفاهیم اساسی از جمله عملکرد انتشار نقطه (PSF) ، عملکرد انتقال نوسان (MTF) ، طیف قدرت سر و صدا (NPS) را بررسی می کند.و کارایی کوانتومی کارآگاهان (DQE) ابزار ضروری برای درک نظریه سیستم خطی پشت تصویربرداری پزشکی.

رزولوشن فضایی یا وضوح تصویر، توانایی یک سیستم تصویربرداری برای تشخیص جزئیات دقیق را اندازه گیری می کند. درست مثل اینکه کیفیت تصویر دوربین یا تلویزیون را ارزیابی می کنیم،رادیولوژیست ها باید بفهمند که چطور وضوح سیستم اشعه ایکس را کمی کنند..

وضوح بالاتر امکان تشخیص ساختارهای کوچکتر را فراهم می کند: شکستگی های استخوان میکروسکوپی در رادیوگرافی یا کالسیفاسیون های کوچک در ماموگرافی.رزولوشن به طور معمول به تصویربرداری با کنتراست بالا (حجرات یا عوامل کنتراست) اشاره دارد، در حالی که دیگر معیارهای ارزیابی دید کم کنتراست.

در مقایسه با سی تی، ام آر آی، SPECT، PET یا سونوگرافی، تصویربرداری اشعه ایکس دارای وضوح فضایی برتر است. ما چارچوب جهانی برای اندازه گیری این پارامتر حیاتی را بررسی خواهیم کرد.

ساده ترین ارزیابی وضوح شامل تصویربرداری اشیاء با اندازه های مختلف است. کوچکترین شی قابل تشخیص محدودیت های سیستم را نشان می دهد.

ابزار استاندارد شامل الگوهای آزمایش با خطوط سرب و هوا متناوب یا الگوهای خطوط باریک کننده تدریجی است.ناظران انسانی بهترین خطوط قابل حل را شناسایی می کنند خطوط گسترده تر فرکانس های فضایی پایین تر را نشان می دهند (جفت های خط کمتر در میلی متر)، در حالی که خطوط باریک تر با فرکانس های بالاتر مطابقت دارند.

با افزایش فرکانس، تشخیص خطوط چالش برانگیز می شود. سیستم های مختلف در هنگام تصویربرداری الگوهای یکسان توانایی های رزولوشنی متفاوت را نشان می دهند.سیستم های با وضوح بالا خطوط قابل تشخیص بیشتری را نشان می دهند، با وضوح اندازه گیری شده در جفت خط در میلی متر (lp/mm).

در حالی که این روش بدیهی است، محدودیت های ذهنی دارد، ناظران مختلف ممکن است در کوچکترین الگوی قابل مشاهده اختلاف نظر داشته باشند.

سیستم های اشعه ایکس واقعی همیشه به دلیل نقاط کانونی و محدودیت های آشکارگر، برخی از تار شدن را معرفی می کنند. نظریه سیستم خطی این فرآیند تار شدن را به صورت ریاضی مدل سازی می کند.

این مفهوم با یک "تصویر ایده آل" آغاز می شود که به تدریج محو می شود. عناصر آشکارگر بزرگتر باعث افزایش محو می شوند.هر نقطه ایده آل به مناطق همسایه گسترش می یابد، پدیده ای که توسط تابع گسترش نقطه (PSF) توصیف می شود.. PSF بزرگتر به معنای مبهم تر است؛ PSF کوچکتر نشان دهنده تصویربرداری تیزتر است.

این مدل دو بعدی، PSF را روی کل تصویر اعمال می کند و ایده آل را به خروجی واقعی تبدیل می کند.شکل PSF رفتار سیستم را مشخص می کند. سیستم های تیز الگوهای نوار را به وضوح حفظ می کنند.، در حالی که سیستم های مبهم باعث می شوند اشیاء مجاور قابل تشخیص نباشند.

مقایسه الگوهای خطی ایده آل در مقابل واقعی نشان می دهد که چگونه کنتراست در فرکانس های بالاتر کاهش می یابد.تابع انتقال نوسان (MTF) به صورت گرافیکی این کاهش کنتراست وابسته به فرکانس را نشان می دهد.

خطوط گسترده تر (فریکونسی های پایین) کنتراست نزدیک به اصلی را حفظ می کنند، در حالی که خطوط باریک (فریکونسی های بالا) از دست دادن کنتراست قابل توجهی را نشان می دهند.منحنی MTF این کاهش را به تصویر می کشد. مقادیر بالاتر MTF نشان دهنده حفظ بهتر جزئیات کوچک است..

• MTF پاسخ فرکانس را توصیف می کند  فرکانس های بالا (داده های دقیق) نشان دهنده مقادیر پایین تر MTF است
• ساختارهای بزرگ با فرکانس های پایین مطابقت دارند؛ ویژگی های کوچک با فرکانس های بالا

PSF (سلطنت فضایی) و MTF (سلطنت فرکانسی) از طریق تحول فوریه به صورت ریاضی مرتبط هستند، همان اصل مورد استفاده در بازسازی تصویر MRI.

تبدیل فوریه یک PSF تقارن دهنده MTF را تولید می کند. این رویکرد ارزیابی کمی، مستقل از ناظر را فراهم می کند.به گزارش روش های استاندارد، فرکانس هایی که MTF به 50٪ (MTF50) و 10٪ (MTF10) از حداکثر مقادیر می رسد، گزارش می شود..

با اسکن یک سیم نازک (بسیار کوچکتر از عناصر آشکارگر) و استفاده از تجزیه و تحلیل فوریه،ما اندازه گیری های قابل تکرار MTF قابل مقایسه با اما هدفمندتر از ارزیابی الگوی نوار بصری را دریافت می کنیم.

همان طور که مصرف کنندگان میزان مصرف سوخت خودرو را مقایسه می کنند، رادیولوژیست ها ارزیابی می کنند که چگونه سیستم های تصویربرداری به طور موثر اشعه ایکس را به اطلاعات تشخیصی تبدیل می کنند.این با استفاده از کارایی کوانتومی کارآگاه (DQE) اندازه گیری می شود..

آلبرت روز در سال ۱۹۴۸ تأسیس کرد که کنتراست، اندازه اشیاء و تجسم انسانی اساساً مرتبط هستند.مفهوم DQE او (اگرچه در ابتدا نام متفاوتی دارد) از نظریه سیستم خطی برای مقایسه عملکرد سیستم تصویربرداری استفاده می کند.

این تئوری مدل سازی می کند که چگونه سیگنال های اشعه ایکس ورودی به تصاویر نهایی تبدیل می شوند، فرض بر این که تغییرات کوچک ورودی باعث تغییرات متناسب خروجی (خطی) می شود.

مانند نوت های موسیقی که به ملودی ها ترکیب می شوند، تصاویر شامل فرکانس های فضایی هستند. تحول فوریه تصاویر را به این فرکانس ها تجزیه می کند. فرکانس های پایین باعث کنتراست عمده می شوند.در حالی که فرکانس های بالا جزئیات لبه را ارائه می دهند.

تئوری سیستم خطی نحوه تغییر فرکانس های مختلف را در زنجیره تصویربرداری نشان می دهد. امواج فرکانس پایین نشان دهنده ساختارهای بزرگ آناتومیک هستند.امواج فرکانس بالا با جزئیات ظریف مثل شکستگی ها یا میکروکالیفیکیشن ها مطابقت دارند.

MTF اندازه گیری می کند که چگونه فرکانس های مختلف دامنه سیگنال را از طریق سیستم حفظ می کنند.فرکانس های پایین تر (شرکت های گسترده تر) از کاهش دامنه کمتری نسبت به فرکانس های بالاتر (شرکت های باریک تر) رنج می برند، بر روی منحنی MTF نمودار شده است.

در حالی که MTF سیگنال را ردیابی می کند، طیف قدرت سر و صدا (NPS) تغییرات سر و صدا را در فرکانس ها تجزیه و تحلیل می کند. مانند MTF، NPS از تحول فوریه استفاده می کند که در اینجا به تصاویر یکنواخت سر و صدا اعمال می شود (به عنوان مثال،فانتوم های آب) ◄ اندازه گیری سر و صدا در مناطق تصویر همپوشانی.

DQE نسبت سیگنال به سر و صدا (SNR) را مقایسه می کند._خارج) به SNR ورودی ایده آل (SNR)_INاز نظر ریاضی، DQE متناسب با MTF2/NPS است.DQE بالاتر در فرکانس های مربوط به کار نشان دهنده عملکرد برتر است.

DQE به طور موثر روش های مختلف تشخیص اشعه ایکس را مقایسه می کند. سیستم های سنتی صفحه نمایش فیلم منحنی های مشخص DQE را با فرکانس کاهش می دهند.سیستم های رادیوگرافی کامپیوتری (CR) عملکرد مشابهی دارند.

تکنولوژی های جدیدتر نشان می دهد که پیشرفت هایی داشته است: آشکارسازان یودید سزیوم (CsI) از ساختارهای ستون استفاده می کنند که گسترش نور را کاهش می دهد و MTF و DQE را افزایش می دهد.آشکارسازان سلنیوم بی شکل به طور مستقیم اشعه ایکس را به الکترون تبدیل می کننداز آنجا که DQE مربوط به MTF2 است، سود های کوچک MTF به طور قابل توجهی کارایی را افزایش می دهد.