量子检测效率(DQE)在数字化X射线摄影系统检定中的应用

2 量子检测效率测试方法
用量子检测效率来描述DR系统对入射X射线光 子数探测的效率， 是成像系统从输入到输出的转换 效率的表达方式,它反映了DR系统对其所产生的X 射线穿过人体被探测器转换成有用图像信息的能 力。其数学公式可表示为：
DQE (u, v) SNR out SNR in
2
算而得的单位面积的曝光量子数时，G可舍去。 MTF(µ,ν)为平板探测器对入射X射线响应的系 统函数，也称为调制传递函数。 [2-4] MTF(µ,ν)函数的计算方法大致如下 ： （1）按照IEC 62220-1标准的方法对刃钨模体 成像。 （2）通过对刃钨模体图像搜索边缘像素。 （3）构造刃钨模体图像构造过采样边缘函数 （4）对边缘函数求导，再做傅里叶变换。 wout(µ,ν)为平板探测器输出图像信息的噪声功 率谱 NPS(µ,ν)，其计算公式为:
量子检测效率（DQE）在数字化 X 射线 摄影系统检定中的应用
鲁 向 1 ， 张军毅 2
(1.北京市计量检测科学研究院，北京 100013；2.德润特数字化影像科技(北京)有限公司，北京 100097) 摘要: 介绍了量子检测效率在数字化 X 射线系统检定中的应用。由于量子检测效率描述了探测到的 X 射线和最终通过平板探测器生成的医学图像的之间的效率， 因此量子检测效率的检测可以把入射 X 射线剂 量与平板探测器产生的图像联系起来。实验证明了通过量子检测效率的检测，可以明确了解数字化 X 射线 系统的平板探测器的基本性能。 关键词：计量学；DR 系统;平板探测器;量子检测效率;医学图像; 中图分类号：TB9 文献标识码： A 文章编号：1000-1158(2011)6A-0000-00
1.2 1
1600 1400 1200 1000 800 600 400 200 0 0
y = 0.0021x + 48.8
图像值
MTF值
200000 400000 600000 800000 光子数 /个
0.8 0.6 0.4
图 2 非晶硒平板探测器线性响应图 第 2 种 DR 系统是临床使用正常的 DR 系统， 采 用的是非晶硅平板探测器， 测得的平板探测器的线 性响应如图 3 所示。 由图 3 可得图像像素值与入射 X 射线在平板探测器表面产生的光子数的线性相 关系数 R2=0.9998。 第 3 种 DR 系统是临床使用不正常的 DR 系统， 采用的是非晶硅平板探测器。 由图 4 中可得图像像
由上式可得， 在测量 DQE 的过程中， 需要测量 入射 X 射线的剂量，平板探测器的调制传递函数, 平板探测器输出图像的噪声，当 G 舍去时，需要 计算平板探测器所产生的图像原始数据与入射 X 射线在平板探测器表面产生的空气比释动能的线 性关系。因此，在测量 DQE 的过程中，已经测量了 平板探测器大部分关键的计量性能参数。由于 DQE 反映了入射 X 光子转换为有用图像信息的效率， 因 此具有较高 DQE 的成像系统能够以更低的剂量获 得更优秀的图像质量； 能够减小病灶识别假阳性与 假阴性。
Q Ka ( E) dE K aSNR 2 Kα
(6)
(3)
式中， E代表X射线的能量； Kα代表入射X射线的 空气比释动能； ( E) 为为单位空气比释动能下的X 射线光子通量，SNR2为每单位空气比释动能的信 [1] 噪比平方值。测试中通常采用IEC 62220-1标准 规定的序号为RQ5辐射质的SNR2值，见表1。 表 1 IEC 62220-1 标准规定的序号为 RQ5 辐射质的参数表 辐 射 球管 附加过 SNR2 半值层 质 电压 滤 -2 /mm ·μGy-1 /mm AL /mm Al 序 /kV 号 RQ5 70 7.1 21 30174
100 50 0 0
y = -0.0039x + 92.614
5000 10000 光子数 /个
15000
图 4 不正常的 DR 系统非晶硅平板探测器线性响应 图 由以上 3 种线性响应情况比较可以看出当平板 探测器线性响应出现问题时， 是影响到 DR 系统的 临床使用。
3.3 通过 DQE 的测试反映 DR 系统的 MTF
3 实验结果
3.1 测试装置
试验装置如图 1 所示[1]， 在 B1 限束器下的插槽 内放置 21mm 铝板作为附加过滤。在测量平板探 测器的调制传递函数 MTF(µ,ν)时要将刃钨模板置 于平板探测器表面。 图中 B2、 B3 为限束器,其作用 为消除散射对测量结果的影响。
2.2 SNRin 的计算
SNR out G 2 MTF 2 ( μ, ν)
2 2 win ( μ, ν ) wout ( μ, ν)
(4)
式中G为平板探测器输出图像在X、Y方向空间 分辨率均为0时的增益。当图像像素值的大小为由 入射X射线光子数与图像原始数据的线性关系计
3
素值与入射 X 射线在平板探测器表面产生的光子 数的线性相关系数 R2= 0.7899。
900 800 700 600 500 400 300 200 100 0 0
y = 0.0022x - 3.1806
图像值
100000 200000 300000 400000 500000 光子数 / 个
图 1 测试 DQE 装置示意图
图 3 非晶硅平板探测器线性响应图
150
图像值
3.2 通过 DQE 的测试反映平板探测器的线性 响应情况
Abstract ： The application of detective quantum efficient in verification of digital radiography is
described. Detective quantum efficient gives an indication of the system effectiveness in detecting X-ray beam and faithfully reproducing medical image by the flat panel detector, so the measurement of the detective quantum efficiency has been a link between X-ray beam and image reproduced by the flat panel detector. The experiment result has proved that some important performance about the flat panel detector of digital radiography can be found by the measurement of the detective quantum efficiency.
DR 系统的平板探测器在入射 X 射线能量谱固 定的情况下，要求图像像素值与入射 X 射线在平 板探测器表面产生的光子数呈线性。 平板探测器的 这种特性决定了在临床运用中， 可以通过适当增加 曝光剂量来观测对比度较低的细节信息， 当平板探 测器的线性特性遭到破坏时， 图像像素值的大小随 着曝光剂量的增加而增加很少， 那么在观测对比度 较低的细节信息时，就需要增加病人的受照剂量。 我们对三种不同的 DR 系统做了平板探测器的线 性响应测量。 第 1 种 DR 系统是临床使用正常的 DR 系统， 采用的是非晶硒平板探测器， 测得的平板探测器的 线性响应如图 2 所示。 由图 2 可得图像像素值与入 射 X 射线在平板探测器表面产生的光子数的线性 相关系数 R2=1。
The Application of Detective Quantum Efficient in Verification of Digital Radiography
LU Xiang1 , ZHANG Jun-yi 2 (1.Beijing Institute of Metrology， Beijing 100013, 2. Direct Digital Imaging Technology (Beijing) INC., Beijing 100097)
NPS(u, v) lim
M
M 256 256 2 ΔxΔy I( xi , y j ) S(xi , y j )exp(2i( μxi νy j )) M 256 256 m1 i1 j 1
(5) 式中 I(xi,yj)为 256× 256 感兴区图像； M 代表选取的 感兴区图像数量；S(xi,yj)代表感兴区图像的参考图 像， 在实际应用中， 可用对平板探测器多次曝光获 得的图像平均值来表示。
对于临床医生来说，DR 系统的空间分辨率对 于临床诊断具有极其重要的意义， 只有大于 DR 系 统的一定空间分辨率的病灶才能有可能通过图像 信息识别。 长期以来对于空间分辨率的测量只能通 过人眼观测一些分辨率卡进行定性确定，在测试 DQE 的过程中可以通过 MTF 函数来获得空间分辨 率的客观评价， 我们对一个 DR 系统进行 MTF 测试， 该 DR 系统采用的是非晶硒平板探测器，平板探测 器 的 尺 寸 为 35cm× 43cm ， 采 集 像 素 矩 阵 为 2560× 3072。图 5 是该系统在 RQ5 辐射质、曝光时 间 40ms 和管电流 100mA 条件下测得的的 MTF 函 数，表 2 是一些空间分辨率对应的 MTF 函数值。
数字化 X 射线摄影系统获得准确可靠的影像信息 的关键。 目前实行的数字化 X 射线摄影系统的计量检 定过程分为两部分， 一部分是通过剂量检测来判断 X 光机标称剂量与实际测量的剂量的偏差，另一部 分通过对一些成像性能模体成像， 用肉眼主观判断 是否能看到的一定数量的线对或一些具有不同对 比度规则形状的物体。这种检测方式将数字化 X 射线摄影系统将穿过被测物体的 X 射线转换成数 字图像的这一过程分割成互不相干的两部分， 并不 能十分准确的反映数字化 X 射线摄影系统真实的 成像性能， 而且这种检定方法人为的因素在测量中 起着关键的作用。 现有的检测方式不能监测在用数
(1)
2
2.2 DQE 最终计算公式
将式（2） 、 （4ห้องสมุดไป่ตู้联立得:
DQE (u, v) G 2 MTF 2 (u, v) win (u, v) wout (u, v)
式中,μ,ν 分别代表平板探测器输出图像在 X、 Y 方向的空间分辨率； SNRin 为输入信号的信噪比； SNRout 为输出信号的信噪比。 2.1 SNRin 的计算 SNRin 计算公式为： 2 (2) SNR in win (u, v) 式中， win(μ,ν)等价于入射X射线的光子通量Q。
收稿日期：2011-00-00；修回日期：2011-00-00 作者简介: 鲁向（1977-） ，男，河南新野人，工程师，博士，主要从事医学影像设备计量检测和医学图像处理研究。 Luxiangzz@sohu.com
2
字化 X 射线摄影系统运行状况。 综上所述， 在数字化 X 射线摄影系统的计量检 定过程中， 我们需要将管球产生的 X 射线与平板探 测器中产生的图像联系起来考虑， 才能解决现有检 定过程中存在的一些问题。 在国际上， 通常使用量 子检测效率（detective quantum efficiency，DQE ） 作为评价 X 射线转换成有效图像信息能力的客观 物理量。
Key words: Metrology; Digital radiography; Flat panel detector; Detective quantum efficiency; Medical image
1 引 言
数 字 化 X 射 线 摄 影 系 统 (digital radiography,DR)是 X 射线放射影像领域具有突破 性的技术进步之一， 其具有丰富的功能、 高效的工 作方式和低曝光剂量高图像质量的特点， 是常规增 感屏胶片成像系统和计算机化 X 射线摄影系统所 无法比拟的， 这一切使数字化 X 射线摄影系统近两 年的市场普及率迅猛增长。 在数字化 X 射线摄影系统中，平板探测器是 数字化 X 射线摄影系统的核心部件， 它将 X 射线转 化成可测量的电信号， 再根据电信号生成可供处理 的二维数字化影像。 平板探测器的计量性能是保证