Основные показатели для оптимизации качества рентгеновских изображений: MTF, NPS, DQE

Представьте себе фотографа, одержимого идеальной четкостью, тщательно изучающего каждый пиксель.но для рентгеновских снимков, которые показывают самые мелкие детали человеческой анатомииКак объективно измерить и улучшить четкость рентгеновских систем?

В данной статье рассматриваются основные понятия, включая функцию точечного распространения (PSF), функцию передачи модуляции (MTF), спектр мощности шума (NPS),и детективная квантовая эффективность (DQE) - существенные инструменты для понимания теории линейных систем, лежащей в основе медицинской визуализации.

Пространственное разрешение или четкость изображения измеряет способность системы визуализации различать мелкие детали.рентгенологи должны знать, как определить разрешение рентгеновской системы.

Более высокое разрешение позволяет обнаруживать более мелкие структуры: микроскопические переломы костей при рентгенографии или крошечные кальцификации при маммографии.Разрешение обычно относится к изображениям с высоким контрастом (кости или контрастные агенты), в то время как другие показатели оценивают низкоконтрастную видимость.

По сравнению с КТ, МРТ, СПЭКТ, ПЭТ или УЗИ, рентгеновская томография обеспечивает превосходное пространственное разрешение.

Наиболее простая оценка разрешения включает изображение объектов различных размеров.

Стандартные инструменты включают образцы испытаний с чередующимися свинцовыми и воздушными полосами или постепенно сужающимися полосами.Человеческие наблюдатели выявляют наиболее тонкие разрешимые линии. Широкие полосы представляют собой более низкие пространственные частоты (менее пар линий на миллиметр)., в то время как более узкие полосы соответствуют более высоким частотам.

Поскольку частота увеличивается, различие полос становится сложным.Системы с высоким разрешением отображают более заметные полосы, с разрешением, измеряемым в парах линий на миллиметр (lp/mm).

Хотя этот метод интуитивно понятен, у него есть ограничения субъективности - различные наблюдатели могут не соглашаться с самой маленькой видимой моделью.

Реальные рентгеновские системы всегда вводят некоторую размытость из-за ограничений фокусных точек и детекторов.

Концепция начинается с "идеального изображения", которое проходит постепенное размывание.Каждая идеальная точка распространяется на соседние области, явление, описанное функцией распространения точек (PSF)Более высокая PSF означает больше размытости; меньшая PSF указывает на более четкое изображение.

Эта двумерная модель размывания применяет PSF на всем изображении, преобразуя идеал в фактический выход.Форма ПСФ характеризует поведение системы., в то время как размытые системы делают соседние объекты неразличимыми.

Сравнение идеальных и реальных полосных рисунков показывает, как контраст уменьшается при более высоких частотах.Функция передачи модуляции (MTF) графически представляет это частотно-зависимое уменьшение контраста.

Более широкие полосы (низкие частоты) сохраняют почти оригинальный контраст, в то время как узкие полосы (высокие частоты) показывают значительную потерю контраста.Кривая MTF показывает это снижение. Более высокие значения MTF указывают на лучшее сохранение мелких деталей..

• MTF описывает частотную реакцию. Высокие частоты (детали) показывают более низкие значения MTF.
• Крупные структуры соответствуют низким частотам; небольшие особенности - высоким частотам

PSF (пространственный домен) и MTF (частотный домен) математически связаны с помощью трансформации Фурье - тот же принцип, который используется при реконструкции изображений МРТ.

При преобразовании Фурье симметричного ПСФ получается МТФ. Этот подход обеспечивает количественную, независимую от наблюдателя оценку разрешения.Стандартная практика включает в себя отчетность о частотах, при которых МТФ достигает 50% (MTF50) и 10% (MTF10) максимальных значений..

Сканируя тонкий провод (намного меньше, чем детекторные элементы) и применяя анализ Фурье,мы получаем воспроизводимые измерения МТФ, сопоставимые с “оценкой визуального рисунка полос, но более объективные, чем “.

Подобно тому как потребители сравнивают топливную эффективность автомобиля (миль на галлон), радиологи оценивают, насколько эффективно системы визуализации преобразуют рентгеновские лучи в диагностическую информацию.Это измеряется с помощью детективной квантовой эффективности (DQE)..

Альберт Роуз установил в 1948 году, что контраст, размер объекта и визуализация человека фундаментально связаны.Его концепция DQE (хотя изначально именовалась по-другому) использует линейную теорию систем для сравнения производительности системы визуализации.

Эта теория моделирует, как входные рентгеновские сигналы превращаются в окончательные изображения, предполагая, что небольшие изменения входа приводят к пропорциональным изменениям выхода (линейность).

Как музыкальные ноты, объединяющиеся в мелодии, изображения содержат пространственные частоты.В то время как высокие частоты предоставляют краевые детали.

Теория линейных систем отслеживает, как различные частоты изменяются через цепочку визуализации.высокочастотные волны соответствуют мелким деталям, таким как переломы или микрокальцификации.

MTF количественно определяет, как различные частоты поддерживают амплитуду сигнала (яркость) через систему.Более низкие частоты (более широкие полосы) испытывают меньшее уменьшение амплитуды, чем более высокие частоты (более узкие полосы), изображен на кривой MTF.

В то время как MTF отслеживает сигнал, спектр мощности шума (NPS) анализирует изменение шума на различных частотах.Водные призраки) ∆измерение шума в перекрывающихся областях изображения.

DQE сравнивает отношение выходного сигнала к шуму (SNR)_{Снаружи}) к идеальному SNR ввода (SNR)_INМатематически, DQE пропорционален MTF2/NPS, а более высокие MTF и более низкие NPS повышают эффективность.более высокая DQE на частотах, относящихся к задачам, указывает на более высокую производительность.

DQE эффективно сравнивает различные методы рентгеновского обнаружения.Компьютерная рентгенография (РР) работает аналогично.

Новые технологии демонстрируют улучшения: детекторы йодиру цезия (CsI) используют колоннистые структуры, которые уменьшают распространение света, увеличивая MTF и DQE.Аморфные детекторы селена напрямую преобразуют рентгеновские лучи в электроны, минимизируя размытость и достигая наивысшей высокочастотной DQE, поскольку DQE относится к MTF2, небольшие прибыли MTF значительно повышают эффективность.