ลองนึกภาพการเป็นช่างภาพที่หมกมุ่นอยู่กับความคมชัดที่สมบูรณ์แบบ โดยพินิจพิเคราะห์ทุกพิกเซล ในการถ่ายภาพทางการแพทย์ นักเทคโนโลยีรังสีวิทยาต่างก็แสวงหาความสมบูรณ์แบบเช่นนี้—ไม่ใช่เพื่อภาพถ่ายเชิงศิลปะ แต่เพื่อภาพถ่ายรังสีเอกซ์ที่เปิดเผยรายละเอียดที่ละเอียดที่สุดของกายวิภาคศาสตร์ของมนุษย์ เราจะวัดและปรับปรุงความคมชัดของระบบถ่ายภาพรังสีเอกซ์อย่างเป็นกลางได้อย่างไร
บทความนี้จะสำรวจแนวคิดพื้นฐานต่างๆ รวมถึงฟังก์ชันการแพร่กระจายจุด (PSF), ฟังก์ชันการถ่ายโอนการมอดูเลต (MTF), สเปกตรัมกำลังเสียงรบกวน (NPS) และประสิทธิภาพควอนตัมการตรวจจับ (DQE)—เครื่องมือสำคัญสำหรับการทำความเข้าใจทฤษฎีระบบเชิงเส้นเบื้องหลังการถ่ายภาพทางการแพทย์
ความละเอียดเชิงพื้นที่—หรือความคมชัดของภาพ—วัดความสามารถของระบบถ่ายภาพในการแยกแยะรายละเอียดเล็กๆ น้อยๆ เช่นเดียวกับที่เราประเมินคุณภาพของภาพถ่ายจากกล้องถ่ายรูปหรือโทรทัศน์ รังสีแพทย์ต้องเข้าใจวิธีการวัดปริมาณความละเอียดของระบบรังสีเอกซ์
ความละเอียดที่สูงขึ้นช่วยให้ตรวจจับโครงสร้างที่เล็กกว่าได้: กระดูกร้าวขนาดเล็กในการถ่ายภาพรังสี หรือแคลซิฟิเคชันขนาดเล็กในการถ่ายภาพแมมโมแกรม โดยทั่วไปความละเอียดจะหมายถึงการถ่ายภาพที่มีคอนทราสต์สูง (กระดูกหรือสารทึบรังสี) ในขณะที่ตัวชี้วัดอื่นๆ จะประเมินการมองเห็นคอนทราสต์ต่ำ
เมื่อเทียบกับ CT, MRI, SPECT, PET หรืออัลตราซาวนด์ การถ่ายภาพรังสีเอกซ์มีความละเอียดเชิงพื้นที่ที่เหนือกว่า เราจะตรวจสอบกรอบการทำงานสากลสำหรับการวัดพารามิเตอร์ที่สำคัญนี้
ความละเอียดเชิงพื้นที่กำหนดโครงสร้างที่เล็กที่สุดที่มองเห็นได้ในการถ่ายภาพรังสีเอกซ์
การประเมินความละเอียดที่ตรงไปตรงมาที่สุดเกี่ยวข้องกับการถ่ายภาพวัตถุที่มีขนาดแตกต่างกัน วัตถุที่เล็กที่สุดที่สามารถแยกแยะได้จะเปิดเผยขีดจำกัดของระบบ
เครื่องมือมาตรฐาน ได้แก่ รูปแบบทดสอบที่มีแถบตะกั่วและอากาศสลับกัน หรือรูปแบบแถบที่แคบลงเรื่อยๆ ผู้สังเกตการณ์ที่เป็นมนุษย์จะระบุเส้นที่ละเอียดที่สุดที่สามารถแก้ไขได้—แถบที่กว้างกว่าแสดงถึงความถี่เชิงพื้นที่ที่ต่ำกว่า (คู่อันดับเส้นต่อนิ้ว) ในขณะที่แถบที่แคบกว่าสอดคล้องกับความถี่ที่สูงกว่า
เมื่อความถี่เพิ่มขึ้น การแยกแยะแถบจะกลายเป็นเรื่องท้าทาย ระบบต่างๆ จะแสดงความสามารถในการแก้ปัญหาที่แตกต่างกันเมื่อถ่ายภาพรูปแบบเดียวกัน ระบบความละเอียดสูงจะแสดงแถบที่มองเห็นได้ชัดเจนกว่า โดยวัดความละเอียดเป็นคู่เส้นต่อนิ้ว (lp/mm)
แม้ว่าจะใช้งานง่าย แต่วิธีนี้มีข้อจำกัดด้านอัตวิสัย—ผู้สังเกตการณ์ที่แตกต่างกันอาจไม่เห็นด้วยกับรูปแบบที่เล็กที่สุดที่มองเห็นได้
รูปแบบแถบแสดงให้เห็นขีดจำกัดความละเอียดด้วยภาพผ่านคู่เส้นที่แตกต่างกัน
ระบบรังสีเอกซ์จริงมักจะทำให้เกิดการเบลอเนื่องจากจุดโฟกัสและข้อจำกัดของตัวตรวจจับ ทฤษฎีระบบเชิงเส้นสร้างแบบจำลองกระบวนการเบลอด้วยคณิตศาสตร์
แนวคิดเริ่มต้นด้วย "ภาพในอุดมคติ" ที่ผ่านการเบลออย่างต่อเนื่อง องค์ประกอบตัวตรวจจับที่ใหญ่ขึ้นจะเพิ่มการเบลอ แต่ละจุดในอุดมคติจะกระจายไปยังพื้นที่ใกล้เคียง—ปรากฏการณ์ที่อธิบายโดยฟังก์ชันการแพร่กระจายจุด (PSF) PSF ที่มากขึ้นหมายถึงการเบลอมากขึ้น PSF ที่เล็กลงบ่งบอกถึงการถ่ายภาพที่คมชัดขึ้น
แบบจำลองการเบลอสองมิตินี้ใช้ PSF ทั่วทั้งภาพ เปลี่ยนภาพในอุดมคติให้เป็นเอาต์พุตจริง รูปร่าง PSF แสดงลักษณะการทำงานของระบบ—ระบบที่คมชัดจะรักษาลวดลายแถบให้ชัดเจน ในขณะที่ระบบที่เบลอจะทำให้วัตถุที่อยู่ติดกันแยกไม่ออก
ฟังก์ชันการแพร่กระจายจุดวัดปริมาณการเบลอเชิงพื้นที่ในพื้นที่ภาพ
การเปรียบเทียบรูปแบบแถบในอุดมคติกับรูปแบบจริงเผยให้เห็นว่าคอนทราสต์ลดลงอย่างไรที่ความถี่สูงขึ้น ฟังก์ชันการถ่ายโอนการมอดูเลต (MTF) แสดงภาพการลดคอนทราสต์ที่ขึ้นอยู่กับความถี่นี้
แถบที่กว้างกว่า (ความถี่ต่ำ) ยังคงรักษาคอนทราสต์ใกล้เคียงกับต้นฉบับ ในขณะที่แถบที่แคบกว่า (ความถี่สูง) แสดงการสูญเสียคอนทราสต์อย่างมาก เส้นโค้ง MTF พล็อตการลดลงนี้—ค่า MTF ที่สูงกว่าบ่งบอกถึงการรักษารายละเอียดที่ดีกว่า
PSF (โดเมนเชิงพื้นที่) และ MTF (โดเมนความถี่) เชื่อมโยงกันทางคณิตศาสตร์ผ่านการแปลงฟูริเยร์—หลักการเดียวกันที่ใช้ในการสร้างภาพ MRI ใหม่
การแปลงฟูริเยร์ PSF แบบสมมาตรจะให้ MTF วิธีนี้ให้การประเมินความละเอียดเชิงปริมาณและเป็นอิสระจากผู้สังเกตการณ์ แนวทางปฏิบัติมาตรฐานรายงานความถี่ที่ MTF ถึง 50% (MTF50) และ 10% (MTF10) ของค่าสูงสุด
ด้วยการสแกนลวดบางๆ (เล็กกว่าองค์ประกอบตัวตรวจจับมาก) และใช้การวิเคราะห์ฟูริเยร์ เราจะได้รับการวัด MTF ที่ทำซ้ำได้ ซึ่งเทียบเท่ากับ—แต่เป็นวัตถุประสงค์มากกว่า—การประเมินรูปแบบแถบด้วยภาพ
MTF คือการแปลงฟูริเยร์ของ PSF—การแสดงความละเอียดในโดเมนความถี่
เช่นเดียวกับที่ผู้บริโภคเปรียบเทียบประสิทธิภาพการใช้เชื้อเพลิงของรถยนต์ (ไมล์ต่อแกลลอน) รังสีแพทย์จะประเมินว่าระบบถ่ายภาพแปลงรังสีเอกซ์เป็นข้อมูลการวินิจฉัยอย่างมีประสิทธิภาพเพียงใด สิ่งนี้ถูกวัดปริมาณผ่านประสิทธิภาพควอนตัมการตรวจจับ (DQE)
Albert Rose ก่อตั้งขึ้นในปี 1948 ว่าคอนทราสต์ ขนาดวัตถุ และการมองเห็นของมนุษย์เชื่อมโยงกันอย่างเป็นพื้นฐาน แนวคิด DQE ของเขา (แม้ว่าจะตั้งชื่อต่างกันในตอนแรก) ใช้ทฤษฎีระบบเชิงเส้นเพื่อเปรียบเทียบประสิทธิภาพของระบบถ่ายภาพ
ทฤษฎีนี้สร้างแบบจำลองว่าสัญญาณรังสีเอกซ์อินพุตเปลี่ยนเป็นภาพสุดท้ายอย่างไร โดยสมมติว่าการเปลี่ยนแปลงอินพุตขนาดเล็กทำให้เกิดการเปลี่ยนแปลงเอาต์พุตตามสัดส่วน (ความเป็นเชิงเส้น)
เช่นเดียวกับโน้ตดนตรีที่รวมกันเป็นท่วงทำนอง ภาพประกอบด้วยความถี่เชิงพื้นที่ การแปลงฟูริเยร์จะแยกภาพออกเป็นความถี่เหล่านี้—ความถี่ต่ำให้คอนทราสต์จำนวนมาก ในขณะที่ความถี่สูงให้รายละเอียดขอบ
ทฤษฎีระบบเชิงเส้นติดตามว่าความถี่ต่างๆ เปลี่ยนแปลงอย่างไรผ่านห่วงโซ่การถ่ายภาพ คลื่นความถี่ต่ำแสดงถึงโครงสร้างทางกายวิภาคขนาดใหญ่ คลื่นความถี่สูงสอดคล้องกับรายละเอียดเล็กๆ น้อยๆ เช่น รอยแตกหรือไมโครแคลซิฟิเคชัน
ทฤษฎีระบบเชิงเส้นวิเคราะห์การเปลี่ยนแปลงความถี่เชิงพื้นที่ผ่าน MTF, NPS และ DQE
MTF วัดปริมาณว่าความถี่ต่างๆ รักษาแอมพลิจูดสัญญาณ (ความสว่าง) อย่างไรผ่านระบบ ความถี่ต่ำกว่า (แถบที่กว้างกว่า) ประสบกับการลดทอนแอมพลิจูดน้อยกว่าความถี่ที่สูงกว่า (แถบที่แคบกว่า) ซึ่งพล็อตบนเส้นโค้ง MTF
ในขณะที่ MTF ติดตามสัญญาณ สเปกตรัมกำลังเสียงรบกวน (NPS) จะวิเคราะห์ความผันแปรของเสียงรบกวนในทุกความถี่ เช่นเดียวกับ MTF NPS ใช้การแปลงฟูริเยร์—ที่นี่ใช้กับภาพเสียงรบกวนที่เป็นเนื้อเดียวกัน (เช่น แฟนทอมน้ำ)—วัดเสียงรบกวนในบริเวณภาพที่ทับซ้อนกัน
DQE เปรียบเทียบอัตราส่วนสัญญาณต่อสัญญาณรบกวนเอาต์พุต (SNR OUT ) กับ SNR อินพุตในอุดมคติ (SNR IN ) ที่แต่ละความถี่ ในทางคณิตศาสตร์ DQE เป็นสัดส่วนกับ MTF²/NPS—MTF ที่สูงกว่าและ NPS ที่ต่ำกว่าช่วยเพิ่มประสิทธิภาพ เมื่อเปรียบเทียบระบบ DQE ที่สูงกว่าที่ความถี่ที่เกี่ยวข้องกับงานบ่งบอกถึงประสิทธิภาพที่เหนือกว่า
DQE เปรียบเทียบวิธีการตรวจจับรังสีเอกซ์ต่างๆ ได้อย่างมีประสิทธิภาพ ระบบฟิล์มหน้าจอแบบดั้งเดิมแสดงเส้นโค้ง DQE ลักษณะเฉพาะที่ลดลงตามความถี่ ระบบการถ่ายภาพรังสีแบบคำนวณ (CR) ทำงานในลักษณะเดียวกัน
เทคโนโลยีใหม่กว่าแสดงให้เห็นถึงการปรับปรุง: ตัวตรวจจับซีเซียมไอโอไดด์ (CsI) ใช้โครงสร้างคอลัมน์ที่ช่วยลดการแพร่กระจายของแสง เพิ่ม MTF และ DQE ตัวตรวจจับซีลีเนียมอสัณฐานแปลงรังสีเอกซ์เป็นอิเล็กตรอนโดยตรง ลดการเบลอและบรรลุ DQE ความถี่สูงสูงสุด—เนื่องจาก DQE เกี่ยวข้องกับ MTF² การเพิ่ม MTF เล็กน้อยช่วยเพิ่มประสิทธิภาพได้อย่างมาก
DQE ช่วยให้สามารถเปรียบเทียบเทคโนโลยีการถ่ายภาพได้อย่างเป็นกลางโดยการวัดปริมาณประสิทธิภาพการแปลงโฟตอนเป็นภาพในทุกความถี่
