DR性能客觀評價方法DQE和IQF的對比探討

方良君，張吉，謝松城，管衛

浙江醫院 a. 醫學工程部；b. 放射科，浙江 杭州 310013

引言

數字X線攝影（Digital Radiography，DR）設備是各級醫療機構的最基本、最常用的醫療診斷設備之一，目前越來越多的DR設備開始在基層醫療機構廣泛投入使用，而DR的影像作為最終呈現在醫生面前的圖像，其影像質量是一臺DR最為重要的指標。因此如何對DR數字影像質量做出客觀、正確的評價成為一項有意義的課題。目前主流的評價設備成像質量的方法有物理評價和心理評價[1]，其中物理評價屬于客觀評價法，心理評價是主觀評價法。

影像的主觀評價就是以人作為影像的觀察者：其中一種是根據事先規定的評價尺度或自己的經驗對影像作出質量判斷，并給出質量分數，然后對所有觀察者給出的分數進行加權平均，所得的結果即為影像的主觀質量評價，具有代表性的評價方法是MOS（主觀質量評分）[2]；另外一種是事先規定某種尺度，采用可以體現該尺度模體，在獲取圖片后利用人眼觀看讀數來確定設備成像質量的好壞，其中比較具有代表性的方法是DIGI-13模體。通過觀察模體影像可以判斷設備影像的空間分辨率、對比度分辨率、光野和射野一致性及是否存在偽影（圖1）。主觀評價方法會受觀察者行為和感知能力影響，沒有數據模型，不便于計算機后續監控計算。

圖1 DIGI-13模體及其影像

經典的客觀質量評價方法主要有信息熵、方差法、平均梯度法等[3-4]，其實質就是分別通過計算影像的方差、平均梯度和信息熵的數值來評價影像的質量。但是這些方法往往只體現了圖像質量的某一個參數，不能對圖像質量做出綜合評價。

本文根據研究課題要求，通過對量子檢出效率與影像質量因子評價兩種客觀影像質量綜合評價方法的基本思想、原理、算法及性能評價的對比，確定一種適合DR實證評價、可行性高，便于實地操作測量的DR影像質量客觀評價方法。

1 數字X線機影像質量綜合客觀評價方法

1.1 量子檢出效率評價

量子檢出效率（Detective Quantum Efficiency，DQE）這一物理參數是對探測器效率值，即探測器系統對X射線量子探測效率的描述，它是表示X線轉換為輸出圖像能力的一個指標[5]。由于入射的X光子并非完全轉化為有效的圖像信息，因此DQE的大小與噪聲有關，它可使用輸入信號與輸出信號的信噪比的比之來表達[6]：

式中：sNRin為輸入信號信噪比，sNRout為輸出信號信噪比；，Q為X射線量子數。

由于DQE和調制傳遞函數（Modulation Transfer Function，MTF）等屬于平板探測器的自身屬性，雖然不能對圖像本身做出質量評判，但是可以從探測器角度來描述成像真實特性[7]。MTF定義為輸出圖像對比度與輸入對比度之間的比值，是空間分辨率與對比靈敏度的綜合反映。因此可以使用DQE-MTF函數來評價探測器的成像能力，其數學表達如下[8]：

式中：MTF(u,v)—數字X射線成像裝置的預采樣的調制傳遞函數；

win(u,v)—在探測器表面輻射野的噪聲功率譜；

wout_LD(u,v)—數字X射線成像裝置輸出的噪聲功率譜。

輸入噪聲功率譜win(u,v)可以按(3)式計算：

式中：Ka—檢測到空氣比釋動能。測定噪聲功率譜wout_LD(u,v)的公式為：

式中：ΔxΔy—水平和垂直方向的像素間距的乘積；M—感興趣區域的數量；I(xi,yi)—線性化數據；s(xi,yi)—可選的擬合二維多項式。

式(2)中的DQE函數綜合考慮了對比度、空間分辨率、曝光量和噪聲等多個因素。

1.2 影像質量因子評價

圖像質量因子是《醫用數字X射線攝影（DR）系統質量控制檢測規范》[9]推薦的一種客觀評價DR影像質量綜合性參數的方法。它是通過分析在一定的曝光條件下照射標準測量模體CDRAD 2.0獲取原始的DR影像，并在評價軟件CDRAD Analyser（V2.1.15）計算獲得。

CDRAD 2.0模體如圖2所示為265 mm×265 mm×10 mm的丙烯酸平板，上面具有多個不同深度和直徑的洞孔。每列洞孔的直徑按指數規律從8～0.3 mm變化，每行洞孔的直徑同樣按指數規律從8～0.3 mm變化。整個模體劃分成15個×15個方格，在每個方格里，除了最上面的3行，每格中間有一個洞孔，在一個角上也隨機排列著一個洞孔。

圖2 CDRAD體模及點位排布圖

影像質量因子（Image Quality Figure，IQF）定義為模體影像上能看到的最小洞孔的深度與直徑乘積的總和，公式為：

式(5)中，Ci為第i列的洞孔直徑，Di,th為第i列體模圖像可分辨的最小孔深度，因此IQF值越小，代表圖像的質量越高。而在實際測量的使用中為了方便比較，采用的是圖像質量因子反數值（Image Quality Figure inverse，IQF inv）[10-11]，公式為：

從式(6)中可以看到IQF inv參數隨著圖像質量的提高而增大，因而得到的數值越大，圖像質量越好[12]。

2 DR影像質量客觀評價的測量方法

2.1 DQE的測量

國際電工委員會公布的IEC62220-1文件中公布了一種受到國際認可的DQE測量方法[8]。其采用的模體為1.0 mm厚、至少100 mm長及至少75 mm寬的高純度（95%以上）鎢板，并將鎢板固定在一個3 mm厚的鉛板上（圖3）。該模體適合從一個方向測量數字X射線成像裝置的調制傳遞函數MTF。

圖3 DQE測量模體

其幾何位置如圖4所示，在光闌下插槽內放置21 mm鋁板作為附加過濾器，并同時使用鉛版光闌減少閃射的X射線對于測量的影響。

首先測定噪聲功率，不放置測量模體，X線光野范圍為160 mm×160 mm，取中心125 mm×125 mm內數據來計算噪聲功率譜。計算獲得噪聲功率譜，見圖5。

測定MTF函數，將模體擺放在探測器表面，其邊緣需要與探測器像素矩陣的行或列有1.5°到3°之間的夾角。連續旋轉約90°獲得4個方向的影像，來進行MTF測量，測量結果如圖6所示。

圖4 DQE測量示意圖

圖5 噪聲功率譜

圖6 DQE中MTF測量

通過以上的結果，從不同的空間頻率0.5、1.0、1.5 mm-1，到低于Nyquist采樣頻率的最高空間頻率來記錄DQE的值，并用數據表格來表達。

2.2 IQF的測量

在CDRAD2.0對比度細節模體上下各放置三塊30 cm×30 cm×1 cm的有機玻璃板，放置在平板探測器表面。統一設置條件為：SID=110 cm，有濾線柵（柵焦距對應于SID因選擇在100～130 cm），X線球管焦點為1.2 mm（大焦點），半質層控制在3.0 mm Al，X線曝光參數選用80 kV，2 mAs（表面照射野中心點的空氣比勢動能控制在100 μGy左右）。在該測試參數下，連續多次曝光，得到多幅DICOM圖像。由配套的評價軟件CDRAD Analyser（V2.1.15）分析每幅圖像，軟件分析的過程如下。

（1）識別模體位置，通過模體區域比背景區域亮，用搜索算法檢測四個方向最外側的含鉛刻線來確定模體的外輪廓。

（2）識別模體中225個點的對比度-細節組合的中心位置，模體板上雕刻的直線用含鉛的漆料進行了處理，X線圖像中顯示15行、15列的225個小方格，利用模體的四個角來確定每個小方格中心的大致位置，再通過投影校正與3×3像素里找最大值進行微調確認中心位置。

（3）確認背景信號，為了能夠更好的評價模體的圖像，軟件需要計算每個小方格中的背景信號，在每個小方格周圍固定模式取樣，通過取樣的像素(約250～350個像素點)，分別計算出平均值μ背景和標準差σ背景。

（4）確認圓點信號，在確定中心圓點的中心后，對于那些標稱直徑小于3個像素的點，使用一個3×3像素的區域來確定圓點的信號強度。而其他的點則使用位于實際直徑范圍內的所有像素。根據中心點和第二點的所有像素，計算出平均像素值μ信號和標準差σ信號。

（5）分配真/假判定，通過以上分析得到的μ背景、σ背景、μ信號、σ信號程序會自動檢測某個小方格中的平均信號水平是否會高于背景信號的平均值加上“預設均值差”，若某個小方格的信號和背景之間存在顯著差異，程序就判定信號可見，方格用紅點標出。

（6）計算獲得對比度細節曲線，在進行檢驗之后，程序會將那些檢測到的有顯著性差異的對比度-細節組合用圓點標記出來。在同一個圖中，可顯示出CD曲線。檢測結果以圖形的方式顯示，圖中的橫軸和縱軸分別為小孔深度和小孔直徑。穿過閾值區域的曲線就稱為對比度-細節曲線。為了計算對比度-細節曲線，程序使用了一個基于插值算法的模型對閾值數據進行曲線的擬合。對于每個深度，都使用最小二乘法進行曲線擬合。閾值為50%的可探測對比度-細節組合用直徑于計算對比度細節曲線，計算獲得曲線如圖7所示。

圖7 對比度細節曲線及對比度細節得分分布圖

（7）計算并獲取該IQF inv值。最后計算多次測量的平均值，來作為該設備的最終的IQF inv值，作為評價依據。

3 兩種測量方法的對比

從上文的DQE原理可以看出，DQE的大小取決于許多因素，主要包括探測器本身的性能、入射X線劑量、曝光量以及成像物體的空間頻率MTF的大小，它是對設備影像對比度、空間分辨率、曝光量和噪聲等多個因素的綜合反映，是X線數字成像探測器較全面且完整的評價參數。DQE不僅可以描述成像設備將輻射野轉變為數字化影像維持信噪比的能力即平板的本身對于信噪比的處理能力，也可以描述該設備的劑量檢出效率。在最新的醫用電氣設備YYT/T 0590.1-2018提出了更加明確的DQE實際計算及測量方法，規范了DQE值的獲取。但實際的DQE測量中，計算DQE需要未處理的圖像原始數據，而實際安裝在醫院中用于臨床診斷的DR已經將探測器獲取的原始圖像數據集成在整個系統的處理流程中，用戶需想要獲得該圖像數據需要與廠家合作，難度較大。為了使不同測試者之間的測量結果具有一定可比性，不僅要明確測試所用的曝光條件同時也要對測試設備的組成進行明確說明[13]，但不同設備間很難得到相同的測量條件，而且其測量過程非常復雜影響結果的因素比較多，在測量過程中極有可能產生相當可觀的誤差，導致結果不具有可比性。因此DQE的測量方法具有明確的目標用戶，就是制造商或裝備精良的檢測實驗室[14]。而且DQE的測量不涉及影響圖像質量的五個成像系統的關鍵參數：采集形狀，散射分數，濾線柵，放大器和焦點模糊，在實際測量中具有局限性，并不能很好的反應設備的完整的成像性能[15]。目前DQE主要用于研究在相同實驗條件下不同探測器的成像性能[16-18]。

IQF評價采用了CDRAD2.0對比度-細節體模，通過計算所獲取影像可顯示的最小對比度分辨力及可分辨的最高空間分辨力來判斷該成像設備對于組織細微結構的解析能力，進而表述該系統成像能力。它跳過了系統成像原理環節，直接獲取數字圖像，利用軟件來判斷所獲取圖像的圖像質量。該方法具有操作簡單，可操作性強的優點，且和人眼判斷模式相近，以人類觀察作為原始模型[19]。但它過渡依賴軟件算法的可靠性，對于同一圖像，該算法里面的顯著水平Alpha不同值對計算結果有較大的影響，因此如果作為單臺設備系統成像評價方法是有所欠缺的。但是如果將顯著水平設置為同一合理值，對于多臺設備的成像對比或者單臺設備用不同后處理算法的成像對比，其結果有很高的參考價值。不僅如此也可用于同種探測器在不同劑量下圖像質量變更曲線用于尋找對于該種材料最佳的劑量范圍[20]。

4 討論

DQE雖然作為國際認可的評價方式，可以綜合的反應一個，但因其測試條件嚴格，誤差影響變量多，該方法僅適用于制造商或裝備精良的檢測實驗室[13]，無法作為一個實地可測量的評價方法。IQF因其可操作性強，在相同的測試條件下，可以客觀的反應DR的影像質量等優點，可以用于多臺設備的橫向對比評價，而且國家衛生行業標準WS521-2017[9]也認為該方法是用于評價DR影像質量的一個新發展的先進方法。雖然本文比較兩種方法，但因兩種方法從本質上屬于兩種不同類型的圖像評價的方式，DQE是面向成像過程的評價方式，而IQF是直接面向最終成像的評價方式，從算法對比上并不能很好的解釋它們優劣。下一步在相同實驗環境下在相同設備上實地測量DQE與IQF數值，比較其相關性，用于后續研究。