X线影像质量及评价医学影像技术.ppt

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1、2024/1/5,1,第四章 X线影像质量及评价,2024/1/5,2,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。,2024/1/5,3,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,2024/1/5,4,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

2、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。,2024/1/5,5,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。,2024/1/5,6,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

3、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,2024/1/5,7,一、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。,2024/1/5,8,1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。,2024/1/5,9,3.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

4、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。,2024/1/5,10,二、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。,2024/1/5,11,1RMS、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（modulation transfer function，MTF）MTF是描述成像系统分辨力特性的重要参量。,2024/1/5,12,3NEQ、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

5、信-噪比（SNR）和特性曲线等。,2024/1/5,13,三、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（quality assurance，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。,2024/1/5,14,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

6、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。,2024/1/5,15,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（point spread function，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。,2024/1/5,16,点光源的亮度分布,2024/1/5,17,PSF的立体分布示意图,2024/1/5,18,2线扩散函数 线扩散函数（LSF）与PSF相似。实际情

7、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。,2024/1/5,19,线扩散的亮度分布剖面,2024/1/5,20,线扩散函数立体示意图,2024/1/5,21,3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。,2024/1/5,22,扩散对影像质量的影响,2024/1/5,23,二、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

8、时在不同的域中分析能达到好的效果。,2024/1/5,24,1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。,2024/1/5,25,2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。,2024/1/5,26,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,2024/1/5,27,3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：,2024/1/5,28

9、,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,2024/1/5,29,4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,2024/1/5,30,（二）MTF MTF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,2024/1/5,31,单位空间距离内完成周期性变

10、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,2024/1/5,32,矩形波测试卡X线强度分布,2024/1/5,33,正弦波测试卡像,2024/1/5,34,2光学传递函数,正弦波理想成像与实际成像,2024/1/5,35,3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。,2024/1/5,36,极限分辨力示图,2024/1/5,37,4MTF的测量(1)屏-片系统的MT

11、F：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。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。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。,2024/1/5,38,（2）数字成像系统的MTF有用狭缝的，但多数是用刃边 CR的MTF：CR系统的MTF组成复杂。,2024/1/5,39,狭缝放置示意图,2024/1/5,40,DR的MTF：DR系统的MTF与CR系统类似，测试方法也相似，文献中多

12、使用刃边（edge）设备。,刃边放置示意图,2024/1/5,41,CT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。,2024/1/5,42,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。,2024/1/5,43,三、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

13、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。,2024/1/5,44,（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-correlated function，ACF）等。1RMS 是描述X线量子“统计涨落”的物理量。2WS 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。,2024/1/5,45,WS示意图,2024/1/5,46,（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

14、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。,2024/1/5,47,2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。,2024/1/5,48,（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,2024/1/5,49,五、量子检出效率 1DQE 虽然是较新引

15、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,2024/1/5,50,DQE示意图,2024/1/5,51,2NEQ NEQ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,2024/1/5,52,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

16、线,2024/1/5,53,标准的示例,2024/1/5,54,标准的作用,2024/1/5,55,ROC曲线示例,2024/1/5,56,曲线的扩散,2024/1/5,57,（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。,2024/1/5,58,2ROC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（false positive rat

17、e，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。,2024/1/5,59,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。,2024/1/5,60,ROC曲线实例,2024/1/5,61,3ROC曲线下的面积,4条不同面积的ROC曲线,2024/1/5,62,AUC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A

18、UC的两条ROC曲线,2024/1/5,63,4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,2024/1/5,64,5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。,2024/1/5,65,6ROC曲线的种类（1）LROC：在定位ROC（localisation ROC，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。,2024/1/5,66,LROC曲线,2024/1/5,67,（2）FROC：自由响应ROC（free-response ROC，FROC）方法是由

19、Bunch等引入医学影像领域的。,FROC曲线,2024/1/5,68,（3）AFROC：替代FROC（alternative FROC，AFROC）分析是 FROC分析 的一个简单 的替代方法,AFROC,2024/1/5,69,（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（differential ROC，DROC）ROC方法,2024/1/5,70,7ROC软件（1）ROCKIT：是Metz等开发的参数

20、ROC分析的程序。（2）PlotROC：是用Microsoft Excel5.0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。,2024/1/5,71,（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。,2024/1/5,72,

21、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：肯定没有；好像没有；不清楚；好像有；肯定有。,2024/1/5,73,二、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。,