Kluczowe wskaźniki optymalizacji jakości obrazu rentgenowskiego MTF NPS DQE

Wyobraź sobie, że jesteś fotografem obsesyjnym na punkcie doskonałej jasności, badającym każdy piksel.ale na zdjęcia rentgenowskie, które ujawniają najdrobniejsze szczegóły ludzkiej anatomiiJak obiektywnie zmierzyć i poprawić ostrość systemów obrazowania rentgenowskiego?

W niniejszym artykule analizowane są podstawowe pojęcia, w tym funkcja rozkładu punktu (PSF), funkcja przenoszenia modulacji (MTF), widmo mocy hałasu (NPS),i detektywistycznej efektywności kwantowej (DQE) - niezbędne narzędzia do zrozumienia teorii systemów liniowych leżących u podstaw obrazowania medycznego.

Rozdzielczość przestrzenna lub ostrość obrazu mierzy zdolność systemu obrazowania do rozróżniania drobnych szczegółów.Radiolodzy muszą wiedzieć, jak wyliczyć rozdzielczość systemu rentgenowskiego..

Wyższa rozdzielczość umożliwia wykrycie mniejszych struktur: mikroskopijnych złamań kości w radiografii lub niewielkich zwapnień w mammografii.Rozdzielczość zazwyczaj odnosi się do obrazowania o wysokim kontraste (kości lub środki kontrastowe), podczas gdy inne wskaźniki oceniają widoczność niskiego kontrastu.

W porównaniu z tomografią, rezonansem magnetycznym, SPECT, PET lub ultradźwiękami, obrazy rentgenowskie oferują lepszą rozdzielczość przestrzenną.

Najprostsza ocena rozdzielczości polega na obrazowaniu obiektów o różnych rozmiarach.

Standardowe narzędzia obejmują wzory badawcze ze zmianą pasów ołowiu i powietrza lub stopniowe zwężanie pasów pasów.Ludzcy obserwatorzy identyfikują najlepsze rozwiązywalne linie. Szersze paski reprezentują niższe częstotliwości przestrzenne (mniej par linii na milimetr), podczas gdy węższe paski odpowiadają wyższym częstotliwościom.

Wraz ze wzrostem częstotliwości rozróżnienie pasów staje się trudne.Systemy o wysokiej rozdzielczości wyświetlają bardziej widoczne paski, z rozdzielczością mierzoną w parach linii na milimetr (lp/mm).

Chociaż metoda ta jest intuicyjna, ma ograniczenia subiektywności - różni obserwatorzy mogą nie zgadzać się co do najmniejszego widocznego wzoru.

Prawdziwe systemy rentgenowskie zawsze wprowadzają nieco rozmycia ze względu na ograniczenia punktu ogniskowego i detektora.

Koncepcja rozpoczyna się od "idealnego obrazu", który podlega stopniowemu rozmywaniu.Każdy idealny punkt rozprzestrzenia się na sąsiednie obszary - zjawisko opisane przez funkcję rozprzestrzeniania punktów (PSF)Większe PSF oznacza większą rozmycie, mniejsze PSF oznacza ostre obrazy.

Ten dwuwymiarowy model rozmywania stosuje PSF na całym obrazie, przekształcając ideał w rzeczywisty wynik.Kształt PSF charakteryzuje zachowanie systemu ̇ systemy ostre utrzymują wyraźnie wzory pasów, podczas gdy systemy rozmyte uniemożliwiają rozróżnienie sąsiednich obiektów.

Porównanie idealnych w stosunku do rzeczywistych wzorów pasów pokazuje, jak kontrast maleje przy wyższych częstotliwościach.Funkcja przenoszenia modulacji (MTF) graficznie przedstawia tę zależną od częstotliwości redukcję kontrastu.

Szersze paski (niskie częstotliwości) utrzymują kontrast zbliżony do oryginalnego, podczas gdy wąskie paski (wysokie częstotliwości) wykazują znaczną utratę kontrastu.Krzywa MTF przedstawia ten spadek. Wyższe wartości MTF wskazują na lepsze zachowanie szczegółów..

• MTF opisuje reakcję częstotliwości  wysokie częstotliwości (drobne szczegóły) wykazują niższe wartości MTF
• Duże struktury odpowiadają niskim częstotliwościom; małe cechy wysokim częstotliwościom

PSF (domena przestrzenna) i MTF (domena częstotliwości) są połączone matematycznie za pomocą transformacji Fouriera - tej samej zasady, która jest stosowana w rekonstrukcji obrazu MRI.

Transformacja Fourier symetrycznego PSF daje MTF. To podejście zapewnia ilościową ocenę rozdzielczości niezależną od obserwatora.Standardowa praktyka obejmuje sprawozdawczość o częstotliwościach, w których MTF osiąga 50% (MTF50) i 10% (MTF10) wartości maksymalnych.

Skanując cienkie przewody (o wiele mniejsze niż elementy detektorów) i stosując analizę Fouriera,uzyskujemy odtwarzalne pomiary MTF porównywalne z “ocenianiem wzoru pasów wizualnych”, ale bardziej obiektywne.

Podobnie jak konsumenci porównują zużycie paliwa w pojazdach (kilometry na galon), radiolodzy oceniają, jak skutecznie systemy obrazowania przekształcają promienie rentgenowskie w informacje diagnostyczne.Jest to ilościowo określane przez detektywistyczną efektywność kwantową (DQE)..

Albert Rose ustalił w 1948 roku, że kontrast, rozmiar obiektu i wizualizacja człowieka są zasadniczo powiązane.Jego koncepcja DQE (choć początkowo inaczej nazwana) wykorzystuje teorię systemów liniowych do porównania wydajności systemów obrazowania.

Ta teoria modelowała, w jaki sposób sygnały rentgenowskie przekształcają się w ostateczne obrazy, zakładając, że małe zmiany wejściowe powodują proporcjonalne zmiany wyjściowe (liniowość).

Tak jak nuty muzyczne łączą się w melodie, obrazy składają się z częstotliwości przestrzennych.Podczas gdy wysokie częstotliwości dostarczają szczegółów krawędzi.

Teoria systemów liniowych śledzi zmiany różnych częstotliwości w łańcuchu obrazowania.fale o wysokiej częstotliwości odpowiadają drobnym szczegółom, takim jak złamania lub mikrokalcyfikacje.

MTF ilościowo określa, w jaki sposób różne częstotliwości utrzymują amplitudę sygnału (jasność) w systemie.Niskie częstotliwości (szersze pasma) doświadczają mniejszej redukcji amplitudy niż wyższe częstotliwości (zwężone pasma), przedstawione na krzywej MTF.

Podczas gdy MTF śledzi sygnał, spektrum mocy hałasu (NPS) analizuje zmienność hałasu w różnych częstotliwościach.Wydarzenia z pomiarów hałasu w nakładających się regionach obrazu.

DQE porównuje współczynnik sygnału wyjściowego do hałasu (SNR)_WYJEDNIE) do idealnego SNR wejściowego (SNR_INW przypadku systemów porównujących, DQE jest proporcjonalny do MTF2/NPS, gdy większy MTF i niższy NPS zwiększają wydajność.wyższe DQE w częstotliwościach związanych z zadaniem wskazuje na lepszą wydajność.

DQE skutecznie porównuje różne metody wykrywania promieniowania rentgenowskiego.Systemy komputerowej radiografii (CR) działają podobnie.

Najnowsze technologie wykazują ulepszenia: detektory jodu cezu (CsI) wykorzystują kolumnowe struktury, które zmniejszają rozprzestrzenianie się światła, zwiększając MTF i DQE.Detektory amorficznego selenu bezpośrednio przekształcają promienie rentgenowskie w elektrony, minimalizując rozmycie i osiągając najwyższą wysoką częstotliwość DQE, ponieważ DQE odnosi się do MTF2, małe zyski MTF znacząco zwiększają wydajność.