X光机成像系统低对比度分辨和空间分辨能力分析及讨论

    被显示图像各点灰度差别,即系统检测物体得到的各点输出信号大小:g o )=^ )★ ; )或G。 )= )·Gi )。图像中两相邻部分灰度差异常用对比度(c = (1部灰度)一D (2部灰度)】/D ,设D >D )来表征。被测物中某些特征(如沿射线方向的凹槽或气隙固有的“物体对比度”(如这时的AT/T,AT和 分别为沿射线凹槽深度和母体厚度),由系统转换、生成图像对比度信号。适当选择系统配置、选择照射参数和电路参数等可加大系统增益,改善对比度。但优良的x射线成像系统会在同等照射条件下得到更高对比度(如平板探测器x射线系统较底片法x射线系统)。注意到系统传递函数 )是空间频率的函数,就会考虑到物体内部小尺寸细节的图像对比度信号还和系统的频率特性有关,它受频带宽度的影响。x射线机成像系统中,x射线球管靶点尺寸大小、射线接收和转换装置像素元尺寸大小、它们和被测物三者间位置关系、电子系统(如设有)频率特性、可能的图像信号转换和处理等算法、显示部分显示特性、被测物内部散射等,决定了系统频带宽度是有限的,相当于一个低通空间频率滤波器。一个理想低通滤波器 )=G w )·e—j一。(w 一截止频率, 。一相移),当输入单位阶跃信号时,输出为: 。 )=1/2+(1/~)Si【x一)【o)】,其中S i)为正弦积分,示于图2。这样,无限陡峭的阶跃信号上升沿成为转为平缓的输出信号上升沿。如按图中定义,该上升沿延伸宽度为x =2n/W =l/B,B为系统带宽 】。
图2 理想低通滤波器对单位阶跃信号的响应那么射线如图3所示照射所成图像,如系统频带宽度无限,一灰度在边界X 处即跳变为另一灰度。但由于系统的低通滤波器特性(它是非理想滤波器),在边界X 两侧一定距离内,由试块厚部位对应黑度,逐渐变为薄部位对应黑度。即 。 )在X 附近是渐变的(见图3曲线)。从而产生边界处图像不清晰度。如按图示将曲线由ab直线段近似(Klasen法),则图像不清晰度由 近似表示D 。
l x射线
图3 射线照射阶梯实块垂直边所成图像信号的存在,不仅模糊了被测物一些细节部分的边缘,如这些部分沿射线垂直方向延伸很小,其图像对比度(相对母体)还要下降。严重时在图像中无法被识别出来。 对图像对比度的影响可按下式计算b :C =C0·X/U (U > 时)
其中C。为未受 影响时的对比度,C 是影响后对比度。图4和图5示出 对图像对比度的影响,其中前者是在被测物内凹槽(沿x射线方向有一定深度,沿垂直x射线方向有一定伸展)尺寸一定,各系统不同 时其图像对比度变化,后者是某系统 一定,凹槽宽度不断变窄时其图像对比度变化。不难看出,系统空间频率特性决定的 值大小,影响着被测物内特征物的检测图像边缘模糊程度、对比度是否下降或下降程度及图像上可识别的被测物内部细节大小。系统这种分辨被测物内部细节的能力,即空间分辨能力,如以线对卡成像来观察所能分辨的线对/毫米数 表示, 和 之间可使用Mor.gan经验公式相联系: · 一2.9 1。
x射线成像系统存在着x射线量子噪声、x射线接收和转换器噪声、电子电路(如设有)器件各类噪声等,限制了输出图像信噪比为有限值。x射线量子噪声源自x射线光量子数在时间上、空间上分布的随机起伏特性,它服从泊松分布。成像过程中,如x射线接收面某点平均光量子接收数为Ⅳ ,则光量子噪声为(Ⅳ) ,信噪比为N/(N) =(Ⅳ) 。总可以适当提高x射线剂量,保证系统噪声为x射线量子噪声占主导地位。
图4 不同U 值系统对凹槽成像的影响L上 r--1. .
图5 不同宽度凹槽在某U值系统中所成图像x射线机成像系统将被测物体对比度转换生成供人观察的图像对比度信号,它既由系统0频率(或低频)时传递函数Ⅳ )l 。特性确定,小细节时又受到系统频带宽度(即Ⅳ )l 。时特性)的制约,并伴生着随机噪音。一些因素,数字成像系统中信号采样不够细密而引起的混叠效应,也会影响到输出图像对比度。自然,将对应尽小物体对比度的图像对比度由人眼识别出来,是人们所希望的。但系统带宽有限、信噪比有限等因素,限制了有限识别能力的人眼识别被测物内部小细节、患者体内小病灶的能力。
3 人眼对比度分辩和空间分辩能力局限由于生理原因,人眼识别图像能力是有限的。人眼区分图像中两相邻区域(面积足够大)最小对比度(即阈值对比度),在良好观察、读取条件下约为2%(无噪声影响时);人眼识别图像细节能力:在睛朗日间人眼视觉分辨能力可达200 300线对/毫米【4 ;人眼的阀值信噪比:有研究表明图像 /IV) =1.5时,可正确识别图像的概率为50%, /N)⋯ =1.9时,可正确识别图像的概率为75%,只有当 /Ⅳ) =3—5时,人眼才可以较好识别图像H 。因此 /N 很小时,即使将图像对比度(意指无噪音影响时的)提的很高,也无济于正确识别图像。有噪音存在时,在一定S/N 下,阈值对比度要相应提高。有人提出,阈值对比度C =常数/(s/N )×100%I3 。(注:S/N 不大时)。可以看出,S/IV降低倍数导致阈值对比度同倍数增加。一些技术手段可以助人观察小图像对比度(如使用窗宽、窗位技术达到对比度伸展)和识别小细节(如采用zoom放大技术),只要存在这种可能的话。但是,噪声的存在,最终限制了观察更小对比度和分辨更小细节。 ‘
4 低对比度分辨能力、空间分辨能力评价
一个x射线成像系统,在照射射线剂量一定情况下,对同一被测物或被检查患者,越小的物体对比度在其检查图像上可被识别,越好;越小的物体内部细节在其检查图像上可被辨别,越好。为了表征系统这些性能的优劣,前者用低对比度分辨率(或密度分辨率)评价,说明检测被测物内部相邻两低物体对比度部分(在射线垂直方向伸展可以较大)的能力。以被测物内可被检测到的最小物体对比度(百分数)表示。在射线垂直方向两部分伸展保持较大尺寸,是为了剔除系统频率特性可能影响。后者用空间分辨率(或高对比度分辨率)评价系统空间分辨能力,即物体内很小细节在图像上可被识别的能力。除使用线对/毫米表示空间分辨率外,还有使用点扩散函数(PSF)、线扩散函数(LSF)、边缘响应函数(ERF)、调制传递函数(M TF)、对比度传递函数(C TF)等表示法。这时试验用模体物体对比度高,系统输出信号强,以保证这时仅频率特性决定检测结果。系统的噪声,限制了信噪比,是决定低对比度分辨率的根本因素。在细节很小,即使物体对比度较高,由于较高空间频率时频率响应低,因而其输出信号弱时,噪声对这些点的识别有影响,低信噪比限定了很小细节的被分辨能力(即对该时空间分辨能力有影响)。噪声也是衡量X射线机成像系统的一项指标。一般用透射厚度和密度均匀的一定面积区域内各点图像信号的标准偏差值衡量。
5 对某些低对比度分辨、空间分辨能力检测法
讨论
目前有多种模体和检测方法用于不同种类X射线机检测系统的上述指标检测。以客观评价系统优劣和是否满足使用要求。有个别值得讨论的地方,如:
5.1 小尺寸模孔检测低对比度分辨率问题。
有检测机构在检测x射线机系统中,采用40m m厚铝块模体,并使用1mm铝片,其上钻有 1,3,5,7(mm)孔,将该1mm 铝片放在铝块之上进行射线照射,中心射线对准某一小孔。观看检测图像,以可识别的最小尺寸孔来作为对比度鉴别率的检测结果指标。这些小孔所成图像,和系统生成图像对比度信号的特性有关,和系统的噪声特性有关,和系统的频率特性也有关。系统的有限带宽产生小孔图像边缘不清晰度,严重时会降低小孔图像对比度,影响到该孔能否在图像上被识别。因此,很可能由于系统空间频率特性好看到该该孔,也可能由于空间频率特性差而看不到。一个看到 1孔的系统和一个看不到该孔的系统,有可能是前者空间频率特性很好,而后者较差,而两者低对比度分辨特性一致(甚至前者还差些)所产
生的。孤立地以观察到小孔尺寸来说明低对比度分辨特性,有可能失去辨别低对比度分辨能力的准确性。
5.2 多在工业界,使用小巧、轻便的各种“透度计”
来综合检测成像系统的特性,即包括系统低对比度特性,也包括系统频率特性,考虑了系统噪音影响。也有其不尽人意之处。如长期以来广泛使用的“板孔式”透度计:一个和被检测物体相同材料制成的小薄片,其上钻有直径为四倍、两倍、一倍片厚的小孔(1—4T孔、1—2T孔、1—1T孔)。放在被检测物体上受射线照射成像。如该片厚度AT为母体厚度的1% ,则当图像中观察到2T孔,称达到1—2T射线照像质量级,等效像质计灵敏度1% ,如观察到1T孔,则称达到l一1T射线照像质量级,等效像质计灵敏度0.7%。美国试验和材料协会规定,等效像质计灵敏度是可看清其上1—2T孔的透度计厚度和试样厚度之比。达到
1—1T灵敏度,等效像质计灵敏度0.7%,即意指可观察到0.7AT厚度薄片上的1—2T孔。该法把看到较小孔能力定量等价于看到更薄较大孔能力上来,把空间频率特性可达效果肯定为其低对比度分辨特性也必然可达同样效果。观察到小孔图像,和空间分辨能力有关,和低对比度分辨能力也有关。但无法肯定两者以上等同效果。一个频率特性很好、低对比度分辨特性一般的系统,有可能看到1—1T孔,但不一定做到识别0.7AT厚度时的1—2T孔。
6 试验
6.1 模体:20cm厚×39cm长×26cm宽有机玻璃,密度l 1.16g/cm’
6.2 同模体材料制成2mm厚和1.4mm 厚透度计(12cm 长×4cm 宽)在2mm 片上有 4mm 孔(1—2孔)、 2mm孔(1—1T孔),在1.4mm 厚片上, 有2.8mm 孔(1—2T孔)。
6.3 使用机器:G、E、Prestige II数字胃肠X光机(I.I.+TV摄像管图像系统)。
6.4 照射工艺:管球— — I.I.距离1m。20cm有机玻璃放在床面上,透度计放在其上,照射时保持照射野稍小于被测物面积,并将射线中心始终对准所关心的小孔。采用自动亮度控制进行透视曝光从而保证I.I.各视野在I.I.接收面射线剂量不变。采用末帧保持图像作观察图像。
6.5 试验结果:
① 在I.I.4.5”、6”、9”、12”视野下在图像上可看到2.0mm 透度计1—2T孔和1—1T孔。
② 在I.I.12”、9”、6”视野下观察不到1.4mm 透度计的 2.8mm 孔(该厚度下1—2T 孔), 在I.I.4.5”视野下,可模糊看到1.4mm 厚透度计的1—2T孔。
6.6 结果讨论:
① 在保持I.I.接收面在各视野恒定剂量输入下,系统低对比度分辨率在各野下应一致。但按试验结果② ,仅4.5”视野下看到1—2T孔。说明不剔除空间分辨特性的影响,在检测法讨论“1”中是不能准确得到低对比度分辨率衡量结果的。
② 说明检测法讨论“2”中,将看到AT厚透度计1—1T孔等价为可看到0.7A T厚透度计1—2T孔的结论在有的场合下是欠准确的。

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