X线影像质量及评价

2022/12/221第四章

X线影像质量及评价2022/12/222

本章学习目标一、掌握内容

X线影像质量评价的概念；主观评价、客观评价及综合评价的概念与常用参数。ROC曲线的概念、基本原理、ROC曲线的制作。二、熟悉内容

X线影像质量评价的发展过程及发展趋势。信号与系统的概念。三、了解内容已淘汰的评价参数。国内外新进展。

2022/12/223本章所属章节

第一节X线影像质量评价概述

第二节成像系统的特性参数

第三节ROC及其应用2022/12/224第一节X线影像质量评价概述

X线发现100多年来，从传统的屏-片X线系统到新型的数字X线成像设备，各种模拟和数字的医学成像系统在临床上得到了广泛的应用，还有许多的新系统在研制中。医学成像系统是一个复杂的系统，从信号（X线）输入到最后医生观察解释的影像输出，整个过程涉及许多物理过程。2022/12/225

影像质量评价这一新的研究领域。总结起来，主要的评价方法可分为主观评价法（观察者性能）客观评价法（物理参数法）二者相结合的综合评价法。早期的评价主要是对X线照片。近年来对数字成像系统的成像性能和数字影像显示、打印设备的质量评价已成为国际上研究的热点。2022/12/226主观方法客观方法观察者/诊断效能分辨力（MTF）观察者偏好

对比度-细节图噪声解剖的质量标准物理参数主观信噪比视觉分级析

视觉区别力量子检出效率ROC和相关方法

照片对比度诊断和治疗效果

剂量质量

诊断成像质量评价的方法2022/12/227

一、主观评价法影像质量的主观评价，即依靠观察者（评价者）的主观判断进行的评价，其评价结果受人（观察者）的因素影响，不同的观察者得到的结果可能不尽相同，甚至差别迥异，因而是不全面的。2022/12/2281．对比度清晰度曲线图法特点是以人的视觉能分辨的影像细节评价影像质量，属于该类的还有解像力法等。2．模糊数学评价法是随模糊数学的出现而发展起来的评价方法。2022/12/2293.ROC曲线法受试者操作特性曲线，是一种基于统计决策理论的评价方法。现在ROC曲线分析已成为一种广泛使用的评价分析方法。还有高对比度极限分辨力和阈值对比度细节检出力等参数。2022/12/2210二、客观评价法所谓客观评价，就是用测定构成影像的一些物理属性（参数）评价影像质量的方法。2022/12/22111．RMS、WS均方根值和维纳频谱是描述X线照片斑点（噪声）特征的物理量。2．调制传递函数调制传递函数（modulationtransferfunction，MTF）MTF是描述成像系统分辨力特性的重要参量。2022/12/22123．NEQ、DQE噪声等价量子数和量子检出效率是20世纪60年代用于评价天体物理摄影系统成像质量的物理量，20世纪70年代进入医学影像领域。还有信-噪比（SNR）和特性曲线等。2022/12/2213三、综合评价实际应用中，对医学影像的质量评价既可以用主观的方法也可以用客观（物理）的方法。在放射质量保证（qualityassurance，QA）中，主观评价因其固有的简单易行在临床中得到了较广泛应用，而许多测试条件严格的客观方法也逐渐被接受。客观（物理）的方法往往有大量复杂的数学运算，应用曾一度受到限制，随着计算机技术的不断发展，这一问题已逐渐解决，大量的客观（物理）方法进入临床应用。2022/12/2214

所谓综合评价，按照QA和放射质量控制（QC）的术语可叙述为：以诊断要求为依据，用物理参量作为客观评价手段，以成像的技术条件作保证，三者有机结合，而且注意尽量减少病人受检剂量的综合评价影像质量的方法。2022/12/2215第二节成像系统的特性参数一、输入输出特性1．点扩散函数点扩散函数（pointspreadfunction，PSF）是描述成像系统特性的函数。如果测量小孔像面上每一点的亮度，就会发现，像面上的亮度分布不均匀，中心高，周边低。也就是说小孔像的亮度在像面上发生了扩散，正如在疏松的纸上写字时墨水会湮开一样，这种现象称为点扩散。2022/12/2216点光源的亮度分布2022/12/2217PSF的立体分布示意图2022/12/2218

2．线扩散函数线扩散函数（LSF）与PSF相似。实际情况是狭缝像的亮度分布不均匀，沿垂直狭缝方向中心亮度高，向两侧逐渐减小。这种现象称为线扩散。2022/12/2219线扩散的亮度分布剖面2022/12/2220线扩散函数立体示意图

2022/12/22213．扩散对影像质量的影响综合到最终的影像上，扩散的效应是高能量降低，低能量升高，整幅影像的对比度降低。2022/12/2222扩散对影像质量的影响2022/12/2223二、解像特性（一）傅立叶变换傅立叶变换是线性系统分析的一个有力工具，从某种意义上说，傅立叶变换就好比我们的第二语言。能讲两种语言的人常常会发现，在表达某种观点时，一种语言可能比另一种语言优越。对系统的分析也是一样，有时在不同的域中分析能达到好的效果。2022/12/22241．周期函数一个函数若对于一个常数X能满足式下式的关系，它就叫周期函数。

X叫做周期。我们熟知的正弦函数和余弦函数都是周期函数。2022/12/2225

2．傅立叶级数先介绍一个名词“三角级数”。凡由无限多个正弦函数和余弦函数相加起来、具有如下式形式的级数，就叫三角级数。2022/12/2226

若不等于0，而是和各个都等于0，这个级数就叫正弦级数。三角级数就叫傅立叶级数2022/12/22273．傅立叶变换傅立叶变换在数学中的定义非常严格，假设函数满足傅立叶变换的条件，则其一维傅立叶变换为：傅立叶逆变换为：2022/12/2228

傅立叶变换的结果是一个复数表达式下式称为的傅立叶幅度谱2022/12/22294．傅立叶变换的应用：（1）利用傅立叶变换可以将信号分解为对应各个空间频率的不同幅度、相位的信号，从而可以了解某个空间频率时的信号情况，进而推断系统在该空间频率的响应性能。（2）作为一种分析工具，傅立叶变换在信号处理中应用也很广泛，如CT的图像重建、计算成像系统的MTF等2022/12/2230（二）MTFMTF是成像系统分辨力特性的重要参量，描述了系统的信号传递特性。通过MTF可以分析系统在不同空间频率对正弦输入的响应特性。

1．空间频率和调制度余弦函数曲线

2022/12/2231

单位空间距离内完成周期性变化的次数就是空间频率。空间频率一般可用于表示成像系统的分辨力。矩形波测试卡

2022/12/2232矩形波测试卡X线强度分布

2022/12/2233正弦波测试卡像

2022/12/22342．光学传递函数正弦波理想成像与实际成像2022/12/22353．成像系统的MTF及其应用

MTF作为描述X线成像系统分辨力特性的物理参数得到广泛接受。一个X线成像系统包括许多组成部分，如X线管焦点、滤线栅、屏-片系统等，成像时每个部分都会发生信号传递，都有可能发生幅度降低、相位偏移，都有自身的MTF。2022/12/2236极限分辨力示图

2022/12/22374．MTF的测量

(1)屏-片系统的MTF：对于屏-片系统，系统总的MTF的测量需使用正弦波测试卡，因为MTF描述的是线性系统对正弦输入的响应。①对比度法：用矩形波测试卡测出矩形波测试卡的MTF，再转换为正弦波的MTF。②傅立叶变换法：LSF的傅立叶变换的绝对值就是系统的MTF，所以，该方法就是要求系统的LSF，一般用狭缝装置测量。但LSF很难用数学式表达，实际应用时，也要作近似计算。2022/12/2238（2）数字成像系统的MTF有用狭缝的，但多数是用刃边

①CR的MTF：CR系统的MTF组成复杂。2022/12/2239狭缝放置示意图

2022/12/2240

②DR的MTF：DR系统的MTF与CR系统类似，测试方法也相似，文献中多使用刃边（edge）设备。

刃边放置示意图2022/12/2241③CT的MTF：由于CT是重建成像，故有许多因素影响CT的MTF，如X线束宽度、探测器响应、重建算法等。测试方法也有许多报道。主要的研究有使用星卡、扫描细金属条、扫描正弦波测试卡、扫描刃边等。2022/12/2242

④其它设备的MTF：其它成像设备的MTF测试方法与前述类似，一般也是用先求PSF或ERF、LSF，再求傅立叶变换得MTF的方法。2022/12/2243三、噪声特性（一）噪声的概念在日常工作中，有时，由于曝光不足或冲洗条件不好时，得到的X线照片上往往会有许多斑点（mottle），使照片看起来有“粗糙”的感觉。这些斑点是由于X线量子分布的空间随机性所致，现在一般称之为噪声。所谓噪声，就是X线照片上X线量子的统计涨落。2022/12/2244（二）噪声的特性描述噪声特性的物理量主要有：RMS、WS、还有已经淘汰的自相关函数（auto-correlatedfunction，ACF）等。

1．RMS是描述X线量子“统计涨落”的物理量。

2．WS是评价屏-片系统噪声特性的又一重要参量，它表示照片斑点单位长度上的能量随着空间频率变化的分布状况。2022/12/2245WS示意图2022/12/2246

（三）影响噪声的因素

1．影响屏-片系统噪声的因素（1）由于X线量子“统计涨落”形成的量子斑点。（2）增感屏对X线量子的吸收是随机的，且增感屏荧光颗粒的分布不均匀、大小不相等，都会造成影像斑点。由此形成增感屏的结构斑点。（3）X线胶片的感光颗粒大小不等、分布不均，形成X线胶片的粒状性。2022/12/22472．影响数字X线系统噪声的主要因素数字X线系统的噪声因素非常复杂，包括X线管、探测器、图像后处理参数等的诸多因素。除了X线量子噪声，还有电路系统的电子噪声等，都是影响因素。2022/12/2248（四）SNR在X线成像系统中设探测到的X线量子数为N，当X线量子数服从Poisson分布时，影像上就出现随机信号涨落。SNR示意图

2022/12/2249五、量子检出效率

1．DQE虽然是较新引入的概念，DQE已成为客观评价探测器，尤其是现代的数字成像探测器性能的重要方法。

DQE用对比度、噪声和分辨力的概念描述了一个成像系统如何处理输入的X线光子，作为剂量（dose，D）、频率（frequency，f）的函数。定义为系统输出侧SNR的平方与输入侧SNR的平方的比2022/12/2250DQE示意图2022/12/22512．NEQNEQ是一个以绝对尺度描述影像质量的参数。定义为系统输出侧信噪比（SNRout）的平方。它表示理想探测器产生与实际探测器相同SNR时的量子数2022/12/2252第三节ROC及其应用一、ROC的基本原理（一）信号检测理论被测试者响应的概率密度曲线

2022/12/2253标准的示例2022/12/2254标准的作用

2022/12/2255ROC曲线示例

2022/12/2256曲线的扩散

2022/12/2257（二）ROC分析1．基本概念

ROC曲线中有两个重要的概念：灵敏度（sensitivity，SE）和特异度（specificity，SP）灵敏度（sensitivity，SE）SE是诊断阳性的病人检查阳性的概率。特异度（specificity，SP）SP是诊断阴性的病人检查阴性的概率。2022/12/22582．ROC曲线

ROC曲线是以检查的灵敏度为y轴、以（1-特异性）或假阳性概率（falsepositiverate，FPR）为x坐标画出的曲线。

ROC曲线是评价诊断检查性能的有效方法，所以在影像学中广泛用于评价许多影像检查的性能。2022/12/2259

拟合的或平滑的ROC曲线假设检查结果或它的某种单调变换服从某种分布（如双正态分布），可以由这些离散点得到ROC曲线。2022/12/2260ROC曲线实例

2022/12/22613．ROC曲线下的面积

4条不同面积的ROC曲线2022/12/2262AUC是一个诊断检查的性能的总测度，所以可以通过比较它们的AUC比较不同检查的性能。AUC越大，诊断检查的性能越好。相等的AUC意味着两个检查有相同的总性能，但这两条ROC曲线并不一定相同。有同样AUC的两条ROC曲线2022/12/22634．特定FPR的灵敏度和部分面积

ROC曲线下的部分面积定义为两个FPR或两个灵敏度间的面积。

特定FPR下两条ROC曲线的比较2022/12/22645．影像学研究中的ROC

放射学检查中的多数ROC分析一般都用5-点法或6点法。2022/12/22656．ROC曲线的种类（1）LROC：在定位ROC（localisationROC，LROC）中，观察者必须指出图像中病变出现的位置以得到真阳性记分。2022/12/2266LROC曲线

2022/12/2267

（2）FROC：自由响应ROC（free-responseROC，FROC）方法是由Bunch等引入医学影像领域的。

FROC曲线2022/12/2268（3）AFROC：替代FROC（alternativeFROC，AFROC）分析是

FROC分析的一个简单的替代方法AFROC2022/12/2269

（4）FFE：在FFE实验中，观察者被要求按照确信度递减的顺序对测试结构分级，直到出现错误。FFE测试可以看作是一个经验的检测，是与任何观察者性能无关的精确测度。（5）DROC：Chakraborty等开发了一种用于决定设备间差别的（differentialROC，DROC）ROC方法2022/12/22707．ROC软件（1）ROCKIT：是Metz等开发的参数ROC分析的程序。（2）PlotROC：是用MicrosoftExcel5.0开发的宏工作表，它基于双正态分布的假设获得参数画出平滑的ROC曲线。（3）MedCalc：是一个提供非参数ROC分析的统计包。（4）Partarea.for：一个用FORTRAN语言写的程序。2022/12/2271

（三）ROC曲线的制作常用的制作ROC曲线的方法有两种：一种是二阶求法；一种是五阶求法。

1．二阶法二阶求法有的称二等级法，也称二分类法。它解决是或否的问题，即要求诊断者必须作出二者择其一的明确判断（诊断）。如对信号s，即病灶的存在或不存在、恶性或良性等，不允许有第三种诊断。2022/12/2272

2．五阶法五阶求法又称多阶法。在影像诊断中，实际上观察者（放射诊断医师）往往是面临多种选择的可能，并非简单的“是”或“否”。目前放射影像文献中用的多阶法有四阶法、五阶法、六阶法，常用五阶求法。五阶求法是观察者面对信号s或噪声n可有5种选择：①肯定没有；②好像没有；③不清楚；④好像有；⑤肯定有。2022/12/2273二、ROC的临床应用

ROC的临床应用是多方面的。主要包括：

1．不同成像方法效能的比较，包括某成像系统对某种疾病的诊断绝对值的评价。

2．对不同测试者运用同一种成像方法的判断能力大小的比较。

3．应用不同成像条件时，对几位观察者的效能比较。

4．用ROC曲线下的面积值Az的大小，比较数字X线成像系统后处理功能参数的不同作用。2022/12/2274本章结束2022/12/2275本章所属章节

第一节X线影像质量评价概述

第二节成像系统的特性参数

第三节ROC及其应用2022/12/2276

所谓综合评价，按照QA和放射质量控制（QC）的术语可叙述为：以诊断要求为依据，用物理参量作为客观评价手段，以成像的技术条件作保证，三者有机结合，而且注意尽量减少病人受检剂量的综合评价影像质量的方法。2022/12/2277二、解像特性（一）傅立叶变换傅立叶变换是线性系统分析的一个有力工具，从某种意义上说，傅立叶变换就好比我们的第二语言。能讲两种语言的人常常会发现，在表达某种观点时，一种语言可能比另一种语言优越。对系统的分析也是一样，有时在不同的域中分析能达到好的效果。2022/12/2278

单位空间距离内