量子檢測效率在平板探測器評估中的研究進展*

徐松，姚旭峰，黃鋼

(1.上海理工大學醫療器械與食品學院，上海 200082；2.上海健康醫學院醫學影像學院，上海201308)

1 引 言

1895年德國物理學家倫琴(Rontgen)發現了X射線，這是醫學影像史上的重大突破。因X射線具有波長短、穿透力強等優點，故被廣泛應用于醫療診斷、工業無損檢測等諸多領域。

隨著工業技術的發展，X射線成像技術與探測器取得了巨大的進展，從最初的X射線膠片、X射線熒光屏、計算機X線攝影(computed radiography, CR)發展到目前被廣泛使用的FPD。同時，醫學診療對高分辨率快速實時成像的需求和圖像質量的要求也在不斷提高，而傳統的X射線成像技術的空間分辨率和密度分辨率有限，無法滿足以上需求，新型探測器的研發應運而生。

20世紀90年代，位于美國硅谷的瓦里安(Varian)技術中心研制出了世界上第一臺商用的X射線FPD。它作為X射線攝影系統中的關鍵組成部分，具有靈敏度高、固有噪聲低、動態范圍大、存儲方便可靠、可進行圖像后處理等諸多優點[1]，能夠將穿過人體的X射線轉化為數字化信息，所以FPD的性能直接決定采集圖像的質量[2]。

FPD的性能會隨著使用年限的增加而下降，此時整個攝影系統的成像質量也將受到影響，因此有必要對FPD的性能進行評估分析，以確保系統運行的安全性、穩定性和準確性。量子檢測效率(DQE)與FPD的多項性能指標有關，如靈敏度、分辨率、信噪比、劑量、調制傳遞函數等。作為影像設備的重要檢測參數之一，DQE可對X線攝影系統的整體進行綜合評估[3]，是業內公認的圖像檢測系統最重要的性能參數[4]。國際電工委員會(International Electro technical Commission, IEC)制定了IEC 62220-1-1、IEC 62220-1-2、IEC 62220-1-3標準來統一不同X線探測器的DQE的測量方法及要求。

我們首先介紹了FPD的種類，然后對DQE的檢測現狀進行歸納，包括近年國內外DQE的檢測研究現狀、DQE的相關參數研究、DQE檢測技術的應用和DQE測量過程中的影響因素，最后進行了總結與展望。

2 X射線平板探測器(FPD)簡介

目前FPD主要分為非晶硅(a-Si)、CMOS和非晶硒(a-Se)三類。三類FPD的比較見表1。首先X射線光子經閃爍體層轉化為可見光，再由a-Si陣列將可見光轉化為電荷信號，電荷信號讀出為數字化信息，計算機最后進行處理、重建形成圖像[5]。

3 量子檢測效率(DQE)檢測

X射線系統的DQE被廣泛應用于以圖像的信噪比來量化探測器的性能[15]，它可以被解釋為系統傳輸接受到的信息的效率，DQE越高，說明影像系統在低X射線入射劑量的情況下，獲得高質量影像的能力越強[16]。作為空間頻率的函數，DQE是最被廣泛接受的數字X射線成像性能的評估指標[17]。

3.1 DQE檢測現狀

DQE被普遍認為是數字化X射線性能最精準而全面的評價標準，研究[18]通過圖像信噪比和對比分辨率說明了DQE在數字化影像評估中的重要性。有研究[19]表明，DQE的檢測可以反映出X射線轉換成圖像信息的能力，DQE值越大，X射線的轉化能力越強，轉化效率越高。Michail等[20]對CMOS成像探測器的DQE進行了研究分析，Monnin等[21]在不同劑量下測定了數字乳腺X射線攝影系統的DQE。Costa等[22]通過對X射線成像的閃爍光纖探測器的DQE測量，說明有必要通過探測器的調制傳遞函數(modulation transfer function,MTF)，執行濾波操作或等效過程來過濾入射光束的輸入泊松噪聲，以獲得真實的DQE。

表1 三類平板探測器對比

以上DQE的測量方法均未考慮臨床操作條件，以及焦斑、放大、散射輻射和防散射網格對臨床實踐中獲得的圖像質量的影響。Samei等[23]提出了一個新的圖像質量指標-有效量子檢測效率(effective detective quantum efficiency,eDQE)，實驗證明，eDQE能克服上述限制。Bor等[24]探討了焦斑等因素對eDQE的影響，Yalcin等[25]觀察到eDQE隨著柵格比的增加而降低。同時，與高劑量的DQE相比，eDQE的劑量較低，Choi等[8]對兩種檢測器的臨床性能進行了比較，也證明了eDQE總體在成像性能上有更好的表現，這為繼續改進放射學的圖像質量和減少患者劑量提供了巨大的機會。

由于DQE參數測量所需的X射線物理知識、專業儀器和計算分析，通常僅限于實驗室環境中的專家研究。Cunningham等[26]開發了一種便攜式自動化原型儀器，可自動進行物理測量和后續圖像分析，非專家可以使用它來完成設置、數據采集和分析，以確定射線攝影和乳腺攝影系統的調制傳遞函數、噪聲功率譜和DQE。使用低患者曝光獲取高質量的X射線圖像需要具有高DQE的檢測器，Nano等[15,27]提出了一種通過改善調制傳遞函數和降低噪聲混疊來在高空間頻率下增加DQE的方法-Apodized Aperture Pixel(APP)，該方法提供了比傳統探測器設計更高的DQE，可以改善圖像對比度，并顯示小結構和精細細節。美國醫學物理學會(American Academy of Physical Medicine, AAPM)162任務組也提出了通過測量成像系統的DQE進行圖像質量評估的新方法和對應的軟件包，Samei等[28]對該方法做了詳細的介紹說明，并通過實驗驗證了其準確性。

3.2 DQE相關參數研究

DQE的定義為系統輸出信噪比與輸入信噪比的平方之比[29-30]。DQE=1對應于一個理想的探測器，這意味著所有入射的輻射能都被吸收并轉換成有用的圖像信息。顯然，DQE的值總是小于1的，這是由于輸入的信號不可能被完全探測到，而且在成像過程中會存在一定的損失。DQE與MTF2成正比，與NPS成反比。

3.2.1調制傳遞函數 (MTF) MTF是成像探測器在不同空間頻率下從物體對比度再現圖像對比度的能力的量度[31]。MTF表示成像系統在所得圖像中再現不同尺寸的高對比度物體的能力，因此,表示對比度和空間分辨率之間的關系。由成像系統引入的不清晰導致較高的空間頻率不能像較低的空間頻率信息那樣良好地傳輸，因此，空間頻率越大，MTF值越小。

測量X射線MTF的方法主要有三種：狹縫法、刀刃法和柵條法。其中刀刃法已被IEC定為測量MTF的標準方法[32]。用于確定MTF的測試裝置包括一個用做邊緣測試的厚1.0 mm、純度高于90%的鎢板，用于實驗照射的邊沿與板面成90°，鎢板固定在一個厚度為3 mm的鉛板上。由鎢板和鉛板組成的試驗器件放在探測器表面，其邊緣與探測器像素陣列的行列排列有一個1.5°～3°的夾角。圖1是進行MTF測量的實驗裝置圖，其中a最小為1.5 m，b為120 mm，探測器表面的最小輻射野為160 mm×160 mm2，限束器的作用是消除散射的影響。計算時，首先利用鎢板的邊緣圖像獲得邊緣擴散函數(edge spread function, ESF)。后線擴散函數(line spread function, LSF)經對ESF進行差分運算得到，LSF的傅里葉變換即為MTF[33]。

直接數字化攝影(direct digital radiography, DDR)與CR相比有更高的DQE和信噪比，近年來對DR系統有大量的研究，然而，CR操作簡單且維護成本低，在全球市場仍占相當大的份額，故對CR的研究還是很有必要的。Kim等[31]近年提出了一種新的MTF，在CR系統測量點擴散函數和線擴散函數時，所開發的邊緣算法表現出比傳統方法更好的性能，同時在CR數字X射線成像系統的實際測量中也證明了該方法的有效性。Fang等[34]提出了一種“程序校正方法”，該方法可以矯正MTF測量中的錯誤，保證測量結果更加準確。

圖1 調制傳遞函數測試裝置

3.2.2噪聲功率譜(noise power spectrum, NPS) NPS表示圖像中的噪聲功率作為空間頻率的函數，它代表噪聲與空間分辨率之間的關系[1]。NPS可被認為是分布在圖像的各種頻率分量中的圖像強度(即圖像噪聲)的方差，提供了在X射線探測器的均勻曝光之后空間頻域中包含的噪聲分量的定量描述[35]。Kim等[36]提出了一種NPS測量算法，該算法可以提供更穩定的NPS曲線。Anastasiou等[37]在60 kVp和70 kVp照射條件下對數字牙科攝影CMOS平板探測器的MTF和NPS值進行了評估，發現探測器在不同的kVp設置中表現出相當的性能。Marshall等[38]對兒科影像科使用的5臺X射線探測器的MTF、NPS及DQE進行了表征，確定了這些探測器為新生兒成像提供的成像性能范圍。

3.3 DQE檢測技術的應用

對醫療影像設備進行質量控制可以確保成像系統運行穩定高效，DQE是影像設備質控內容中的重要指標。

在國內的醫療機構和公司所研發和使用的各類X線影像設備中，不乏具有世界領先的，但也有陳舊落后的，它們所得到的圖像質量好壞不一。而且隨著使用年限的增加，漏診和誤診發生的幾率也會增加，很有必要對影像設備進行質量控制。有研究[39]對當地X射線攝影設備的使用狀況和探測器質量進行評估，結果證明，設備經過一段時間的使用，DQE會不斷降低，醫生為了得到更好的圖像質量，會選擇增加射線劑量，這無疑會增加患者受到輻射損傷的幾率。還有研究[3]針對平板探測器DR升級方案也做了相似的研究。將DQE應用到設備質控中，可以提高影像質量和醫生的工作效率，促進設備的更新換代、推陳出新，更充分地利用已有的設備資源。

同時在X射線攝影系統中有許多不同類型的產品，如基于膠片的模擬成像系統、使用了不同類型轉換探測器的數字X射線成像系統。利用DQE進行比較[29]可以降低材料損耗和設備購買成本，選擇更優的設備，避免資源浪費。

3.4 DQE檢測影響因素

3.4.1劑量 有研究[40]在距探測器180 cm、RQ5輻射質量的情況下，改變劑量對數字X光機進行DQE測試，對比標準圖像分析所得圖像、得到的MTF值與DQE數值。結果表明MTF曲線隨著劑量的改變變化不大，在10 μGy情況下DQE不會隨著劑量的增加發生大的改變。通過實驗，解釋了在臨床中可以通過增加劑量獲得更好的圖像質控指標，同時可以根據DQE以及已觀察到的某些只存結構的成像結果大致推算其他尺寸結構的參考劑量。

3.4.2空間頻率 Escartin等[17]使用DQE測試儀器對臨床X線系統進行了初步的DQE測量調查。實驗結果顯示，在相同的曝光水平(8.0 μGy)下，低空間頻率下的DQE大約為0.36～0.75，高空間頻率下的DQE大約為0.02～0.4。表明DQE值在低空間頻率下更高。

3.4.3X射線光子數 Wu等[41]在研究中，通過對不同kVp/相同濾波器和不同濾波器/相同kVp的模式比較得到的曲線表明，隨著曝光中高能X射線光子的增加，整體DQE降低。Fang等[4]模擬了非晶硒(a-Se)X射線探測器的DQE，也證明了DQE作為空間頻率的函數取決于入射的X射線光子能量。

3.4.4使用壽命 對不同時間生產的相同設備進行DQE測試，實驗結果表明，經過一段時間的使用，設備的DQE會降低，這種變化在高頻區更加明顯[29,38]。

4 總結和展望

FPD被廣泛地應用于醫學、工業無損檢測等領域，以滿足不同的使用需求。DQE涉及到探測器的多項性能參數, 對X射線攝影系統來說是比較完整和全面的性能評估指標。DQE的檢測結果可以作為國內不同FPD的評估指標，其得到的數據可以為生產廠商和醫院提供不同產品和時間周期之間的數據比較，為質量控制提供數據支持。DQE也有助于發現國內外X射線攝影系統制造商之間的技術差距，更好地幫助和支持國產X射線攝影系統制造產業的發展。在DQE的檢測過程中還存在一些實際問題，比如開發國產DQE測量軟件、推出新的DQE算法以及對其準確性進行驗證，這些都需要我們在后續工作中加以重視和解決。

未來醫療領域，以人工智能(artificial intelligence, AI)為核心的智能醫學被普遍認為是最具發展潛力的研究方向，醫療影像學是其中的重要組成部分之一。對于AI在DQE測試中的應用，可以嘗試用曝光圖片學習出刃鎢圖像，然后進行DQE計算，同時用深度學習進行圖像的分割和識別。將AI應用于醫學影像中可以緩解醫療影像工作人員缺口大的現狀，同時減少醫生因重復工作而產生的人工疲勞失誤，提高工作效率及診斷準確率。