量子检测效率在平板探测器评估中的研究进展*

徐松，姚旭峰，黄钢

(1.上海理工大学医疗器械与食品学院，上海 200082；2.上海健康医学院医学影像学院，上海201308)

1 引 言

1895年德国物理学家伦琴(Rontgen)发现了X射线，这是医学影像史上的重大突破。因X射线具有波长短、穿透力强等优点，故被广泛应用于医疗诊断、工业无损检测等诸多领域。

随着工业技术的发展，X射线成像技术与探测器取得了巨大的进展，从最初的X射线胶片、X射线荧光屏、计算机X线摄影(computed radiography, CR)发展到目前被广泛使用的FPD。同时，医学诊疗对高分辨率快速实时成像的需求和图像质量的要求也在不断提高，而传统的X射线成像技术的空间分辨率和密度分辨率有限，无法满足以上需求，新型探测器的研发应运而生。

20世纪90年代，位于美国硅谷的瓦里安(Varian)技术中心研制出了世界上第一台商用的X射线FPD。它作为X射线摄影系统中的关键组成部分，具有灵敏度高、固有噪声低、动态范围大、存储方便可靠、可进行图像后处理等诸多优点[1]，能够将穿过人体的X射线转化为数字化信息，所以FPD的性能直接决定采集图像的质量[2]。

FPD的性能会随着使用年限的增加而下降，此时整个摄影系统的成像质量也将受到影响，因此有必要对FPD的性能进行评估分析，以确保系统运行的安全性、稳定性和准确性。量子检测效率(DQE)与FPD的多项性能指标有关，如灵敏度、分辨率、信噪比、剂量、调制传递函数等。作为影像设备的重要检测参数之一，DQE可对X线摄影系统的整体进行综合评估[3]，是业内公认的图像检测系统最重要的性能参数[4]。国际电工委员会(International Electro technical Commission, IEC)制定了IEC 62220-1-1、IEC 62220-1-2、IEC 62220-1-3标准来统一不同X线探测器的DQE的测量方法及要求。

我们首先介绍了FPD的种类，然后对DQE的检测现状进行归纳，包括近年国内外DQE的检测研究现状、DQE的相关参数研究、DQE检测技术的应用和DQE测量过程中的影响因素，最后进行了总结与展望。

2 X射线平板探测器(FPD)简介

目前FPD主要分为非晶硅(a-Si)、CMOS和非晶硒(a-Se)三类。三类FPD的比较见表1。首先X射线光子经闪烁体层转化为可见光，再由a-Si阵列将可见光转化为电荷信号，电荷信号读出为数字化信息，计算机最后进行处理、重建形成图像[5]。

3 量子检测效率(DQE)检测

X射线系统的DQE被广泛应用于以图像的信噪比来量化探测器的性能[15]，它可以被解释为系统传输接受到的信息的效率，DQE越高，说明影像系统在低X射线入射剂量的情况下，获得高质量影像的能力越强[16]。作为空间频率的函数，DQE是最被广泛接受的数字X射线成像性能的评估指标[17]。

3.1 DQE检测现状

DQE被普遍认为是数字化X射线性能最精准而全面的评价标准，研究[18]通过图像信噪比和对比分辨率说明了DQE在数字化影像评估中的重要性。有研究[19]表明，DQE的检测可以反映出X射线转换成图像信息的能力，DQE值越大，X射线的转化能力越强，转化效率越高。Michail等[20]对CMOS成像探测器的DQE进行了研究分析，Monnin等[21]在不同剂量下测定了数字乳腺X射线摄影系统的DQE。Costa等[22]通过对X射线成像的闪烁光纤探测器的DQE测量，说明有必要通过探测器的调制传递函数(modulation transfer function,MTF)，执行滤波操作或等效过程来过滤入射光束的输入泊松噪声，以获得真实的DQE。

表1 三类平板探测器对比

以上DQE的测量方法均未考虑临床操作条件，以及焦斑、放大、散射辐射和防散射网格对临床实践中获得的图像质量的影响。Samei等[23]提出了一个新的图像质量指标-有效量子检测效率(effective detective quantum efficiency,eDQE)，实验证明，eDQE能克服上述限制。Bor等[24]探讨了焦斑等因素对eDQE的影响，Yalcin等[25]观察到eDQE随着栅格比的增加而降低。同时，与高剂量的DQE相比，eDQE的剂量较低，Choi等[8]对两种检测器的临床性能进行了比较，也证明了eDQE总体在成像性能上有更好的表现，这为继续改进放射学的图像质量和减少患者剂量提供了巨大的机会。

由于DQE参数测量所需的X射线物理知识、专业仪器和计算分析，通常仅限于实验室环境中的专家研究。Cunningham等[26]开发了一种便携式自动化原型仪器，可自动进行物理测量和后续图像分析，非专家可以使用它来完成设置、数据采集和分析，以确定射线摄影和乳腺摄影系统的调制传递函数、噪声功率谱和DQE。使用低患者曝光获取高质量的X射线图像需要具有高DQE的检测器，Nano等[15,27]提出了一种通过改善调制传递函数和降低噪声混叠来在高空间频率下增加DQE的方法-Apodized Aperture Pixel(APP)，该方法提供了比传统探测器设计更高的DQE，可以改善图像对比度，并显示小结构和精细细节。美国医学物理学会(American Academy of Physical Medicine, AAPM)162任务组也提出了通过测量成像系统的DQE进行图像质量评估的新方法和对应的软件包，Samei等[28]对该方法做了详细的介绍说明，并通过实验验证了其准确性。

3.2 DQE相关参数研究

DQE的定义为系统输出信噪比与输入信噪比的平方之比[29-30]。DQE=1对应于一个理想的探测器，这意味着所有入射的辐射能都被吸收并转换成有用的图像信息。显然，DQE的值总是小于1的，这是由于输入的信号不可能被完全探测到，而且在成像过程中会存在一定的损失。DQE与MTF2成正比，与NPS成反比。

3.2.1调制传递函数 (MTF) MTF是成像探测器在不同空间频率下从物体对比度再现图像对比度的能力的量度[31]。MTF表示成像系统在所得图像中再现不同尺寸的高对比度物体的能力，因此,表示对比度和空间分辨率之间的关系。由成像系统引入的不清晰导致较高的空间频率不能像较低的空间频率信息那样良好地传输，因此，空间频率越大，MTF值越小。

测量X射线MTF的方法主要有三种：狭缝法、刀刃法和栅条法。其中刀刃法已被IEC定为测量MTF的标准方法[32]。用于确定MTF的测试装置包括一个用做边缘测试的厚1.0 mm、纯度高于90%的钨板，用于实验照射的边沿与板面成90°，钨板固定在一个厚度为3 mm的铅板上。由钨板和铅板组成的试验器件放在探测器表面，其边缘与探测器像素阵列的行列排列有一个1.5°～3°的夹角。图1是进行MTF测量的实验装置图，其中a最小为1.5 m，b为120 mm，探测器表面的最小辐射野为160 mm×160 mm2，限束器的作用是消除散射的影响。计算时，首先利用钨板的边缘图像获得边缘扩散函数(edge spread function, ESF)。后线扩散函数(line spread function, LSF)经对ESF进行差分运算得到，LSF的傅里叶变换即为MTF[33]。

直接数字化摄影(direct digital radiography, DDR)与CR相比有更高的DQE和信噪比，近年来对DR系统有大量的研究，然而，CR操作简单且维护成本低，在全球市场仍占相当大的份额，故对CR的研究还是很有必要的。Kim等[31]近年提出了一种新的MTF，在CR系统测量点扩散函数和线扩散函数时，所开发的边缘算法表现出比传统方法更好的性能，同时在CR数字X射线成像系统的实际测量中也证明了该方法的有效性。Fang等[34]提出了一种“程序校正方法”，该方法可以矫正MTF测量中的错误，保证测量结果更加准确。

图1 调制传递函数测试装置

3.2.2噪声功率谱(noise power spectrum, NPS) NPS表示图像中的噪声功率作为空间频率的函数，它代表噪声与空间分辨率之间的关系[1]。NPS可被认为是分布在图像的各种频率分量中的图像强度(即图像噪声)的方差，提供了在X射线探测器的均匀曝光之后空间频域中包含的噪声分量的定量描述[35]。Kim等[36]提出了一种NPS测量算法，该算法可以提供更稳定的NPS曲线。Anastasiou等[37]在60 kVp和70 kVp照射条件下对数字牙科摄影CMOS平板探测器的MTF和NPS值进行了评估，发现探测器在不同的kVp设置中表现出相当的性能。Marshall等[38]对儿科影像科使用的5台X射线探测器的MTF、NPS及DQE进行了表征，确定了这些探测器为新生儿成像提供的成像性能范围。

3.3 DQE检测技术的应用

对医疗影像设备进行质量控制可以确保成像系统运行稳定高效，DQE是影像设备质控内容中的重要指标。

在国内的医疗机构和公司所研发和使用的各类X线影像设备中，不乏具有世界领先的，但也有陈旧落后的，它们所得到的图像质量好坏不一。而且随着使用年限的增加，漏诊和误诊发生的几率也会增加，很有必要对影像设备进行质量控制。有研究[39]对当地X射线摄影设备的使用状况和探测器质量进行评估，结果证明，设备经过一段时间的使用，DQE会不断降低，医生为了得到更好的图像质量，会选择增加射线剂量，这无疑会增加患者受到辐射损伤的几率。还有研究[3]针对平板探测器DR升级方案也做了相似的研究。将DQE应用到设备质控中，可以提高影像质量和医生的工作效率，促进设备的更新换代、推陈出新，更充分地利用已有的设备资源。

同时在X射线摄影系统中有许多不同类型的产品，如基于胶片的模拟成像系统、使用了不同类型转换探测器的数字X射线成像系统。利用DQE进行比较[29]可以降低材料损耗和设备购买成本，选择更优的设备，避免资源浪费。

3.4 DQE检测影响因素

3.4.1剂量 有研究[40]在距探测器180 cm、RQ5辐射质量的情况下，改变剂量对数字X光机进行DQE测试，对比标准图像分析所得图像、得到的MTF值与DQE数值。结果表明MTF曲线随着剂量的改变变化不大，在10 μGy情况下DQE不会随着剂量的增加发生大的改变。通过实验，解释了在临床中可以通过增加剂量获得更好的图像质控指标，同时可以根据DQE以及已观察到的某些只存结构的成像结果大致推算其他尺寸结构的参考剂量。

3.4.2空间频率 Escartin等[17]使用DQE测试仪器对临床X线系统进行了初步的DQE测量调查。实验结果显示，在相同的曝光水平(8.0 μGy)下，低空间频率下的DQE大约为0.36～0.75，高空间频率下的DQE大约为0.02～0.4。表明DQE值在低空间频率下更高。

3.4.3X射线光子数 Wu等[41]在研究中，通过对不同kVp/相同滤波器和不同滤波器/相同kVp的模式比较得到的曲线表明，随着曝光中高能X射线光子的增加，整体DQE降低。Fang等[4]模拟了非晶硒(a-Se)X射线探测器的DQE，也证明了DQE作为空间频率的函数取决于入射的X射线光子能量。

3.4.4使用寿命 对不同时间生产的相同设备进行DQE测试，实验结果表明，经过一段时间的使用，设备的DQE会降低，这种变化在高频区更加明显[29,38]。

4 总结和展望

FPD被广泛地应用于医学、工业无损检测等领域，以满足不同的使用需求。DQE涉及到探测器的多项性能参数, 对X射线摄影系统来说是比较完整和全面的性能评估指标。DQE的检测结果可以作为国内不同FPD的评估指标，其得到的数据可以为生产厂商和医院提供不同产品和时间周期之间的数据比较，为质量控制提供数据支持。DQE也有助于发现国内外X射线摄影系统制造商之间的技术差距，更好地帮助和支持国产X射线摄影系统制造产业的发展。在DQE的检测过程中还存在一些实际问题，比如开发国产DQE测量软件、推出新的DQE算法以及对其准确性进行验证，这些都需要我们在后续工作中加以重视和解决。

未来医疗领域，以人工智能(artificial intelligence, AI)为核心的智能医学被普遍认为是最具发展潜力的研究方向，医疗影像学是其中的重要组成部分之一。对于AI在DQE测试中的应用，可以尝试用曝光图片学习出刃钨图像，然后进行DQE计算，同时用深度学习进行图像的分割和识别。将AI应用于医学影像中可以缓解医疗影像工作人员缺口大的现状，同时减少医生因重复工作而产生的人工疲劳失误，提高工作效率及诊断准确率。