Детективная квантовая эффективность - Detective quantum efficiency
Детективные квантовая эффективность (часто сокращенно DQE ) является мерой комбинированного воздействия сигнала (связанным с контрастностью изображения) и производительностью шума системы формирования изображения, как правило , выражаются в виде функции пространственной частоты . Это значение используется в первую очередь для описания детекторов изображения в оптических изображениях и медицинской радиографии .
В медицинской рентгенографии DQE описывает, насколько эффективно система формирования рентгеновских изображений может создавать изображение с высоким отношением сигнал / шум ( SNR ) по сравнению с идеальным детектором. Иногда его рассматривают как суррогатную меру эффективности дозы облучения детектора, поскольку требуемое облучение пациента (и, следовательно, биологический риск от этого радиационного облучения) уменьшается по мере увеличения DQE для того же отношения сигнал / шум изображения и условий облучения. .
DQE также является важным аспектом для ПЗС-матриц , особенно тех, которые используются для получения низкоуровневых изображений в световой и электронной микроскопии , поскольку он влияет на отношение сигнал / шум изображений. Он также похож на коэффициент шума, используемый для описания некоторых электронных устройств. Эта концепция была распространена на химические сенсоры, и в этом случае более уместен альтернативный термин «обнаруживающая способность».
История
Начиная с 1940-х годов, был большой научный интерес к классификации характеристик сигнала и шума различных оптических детекторов, таких как телевизионные камеры и фотопроводящие устройства. Было показано, например, что качество изображения ограничено количеством квантов, используемых для создания изображения. Квантовая эффективность детектора является основным показателем производительности , поскольку она описывает часть падающих квантов , которые взаимодействуют и , следовательно , пораженного качество изображения. Однако другие физические процессы также могут ухудшать качество изображения, и в 1946 году Альберт Роуз предложил концепцию полезной квантовой эффективности или эквивалентной квантовой эффективности для описания производительности этих систем, которую мы теперь называем детективной квантовой эффективностью . Ранние обзоры важности и применения DQE были даны Цвейгом и Джонсом.
DQE был представлен сообществу специалистов по медицинской визуализации Шоу для описания рентгеновских пленочных экранных систем. Он показал, как качество изображения в этих системах (в терминах отношения сигнал / шум) может быть выражено в единицах квантов, эквивалентных шуму (NEQ). NEQ описывает минимальное количество квантов рентгеновского излучения, необходимое для получения заданного отношения сигнал / шум . Таким образом, NEQ является мерой качества изображения и, в самом фундаментальном смысле, описывает, сколько рентгеновских квантов стоит изображение . Он также имеет важное физическое значение, так как описывает, насколько хорошо малоконтрастная структура может быть обнаружена идеальным наблюдателем в однородном ограниченном шумом изображении, что является показателем того, что может визуализировать человек-наблюдатель в определенных условиях. Если мы также знаем, сколько квантов рентгеновского излучения было использовано для создания изображения (число квантов рентгеновского излучения, падающих на детектор), q, мы знаем стоимость изображения в пересчете на количество квантов рентгеновского излучения. DQE это отношение того , что изображение является стоит того , что она стоит в терминах чисел Пуассона-распределенных квантов:
- .
В этом смысле DQE описывает, насколько эффективно система визуализации захватывает информацию, доступную в рентгеновском изображении, по сравнению с идеальным детектором. Это критически важно для рентгеновской медицинской визуализации, поскольку это говорит нам о том, что облучение пациентов может быть минимальным только в том случае, если DQE будет максимально приближен к единице. По этой причине DQE широко применяется в регулирующих, коммерческих, научных и медицинских кругах как фундаментальный критерий производительности детектора.
Определение
DQE обычно выражается в терминах пространственных частот на основе Фурье как:
где u - переменная пространственной частоты в циклах на миллиметр, q - плотность падающих квантов рентгеновского излучения в квантах на квадратный миллиметр, G - коэффициент усиления системы, относящийся к q выходному сигналу для линейного детектора с коррекцией смещения, T ( u) - передаточная функция модуляции системы, а W (u) - спектр мощности винеровского шума изображения, соответствующий q. Поскольку это метод анализа, основанный на Фурье, он применим только для линейных и инвариантных к сдвигу систем визуализации (аналогичен линейной и инвариантной во времени теории систем, но заменяет инвариантность во времени инвариантностью пространственного сдвига), включающих стационарные или широкие -сознавать циклостационарные шумовые процессы. DQE часто можно смоделировать теоретически для конкретных систем визуализации с использованием теории каскадных линейных систем.
DQE часто выражается в альтернативных формах, которые эквивалентны, если правильно интерпретировать термины. Например, квадрат отношения сигнал / шум падающего пуассоновского распределения q квантов на квадратный миллиметр определяется выражением
и изображение, соответствующее этому входу, дается выражением
что привело к популярной интерпретации DQE как равного отношению квадрата выходного SNR к квадрату входного SNR:
Это соотношение верно только в том случае, если на входе имеется равномерное распределение Пуассона квантов изображения, а сигнал и шум определены правильно.
Измерение DQE
Отчет Международной электротехнической комиссии (IEC 62220-1) был разработан с целью стандартизации методов и алгоритмов, необходимых для измерения DQE цифровых рентгеновских систем.
Преимущества высокого DQE
Это сочетание очень низкого уровня шума и превосходной контрастности, которое позволяет некоторым цифровым рентгеновским системам предлагать такие значительные улучшения в обнаруживаемости малоконтрастных объектов - качество, которое лучше всего определяется одним параметром, DQE. Как недавно сообщил один эксперт по медицинской физике, DQE стал де-факто эталоном в сравнении существующих и новых технологий детекторов рентгеновского излучения.
DQE особенно влияет на способность видеть маленькие малоконтрастные объекты. Фактически, во многих ситуациях визуализации более важно обнаружение мелких объектов, чем ограничение пространственного разрешения (LSR) - параметр, традиционно используемый для определения того, насколько малый объект можно визуализировать. Даже если цифровая система имеет очень высокий LSR, она не может воспользоваться преимуществом разрешения, если у нее низкий DQE, который предотвращает обнаружение очень маленьких объектов.
Исследование, сравнивающее пленку / экран и цифровое изображение, демонстрирует, что цифровая система с высоким DQE может улучшить способность обнаруживать небольшие малоконтрастные объекты - даже если цифровая система может иметь значительно более низкое предельное пространственное разрешение (LSR), чем пленка.
Снижение дозы облучения - еще одно потенциальное преимущество цифровой рентгеновской технологии; и высокий DQE должен внести значительный вклад в это уравнение. По сравнению с пленкой / отображением на экране цифровой детектор с высоким DQE может обеспечить значительное улучшение обнаруживаемости объектов при эквивалентной дозе или обеспечить обнаруживаемость объектов, сравнимую с пленкой при пониженной дозе.
Не менее важно, что высокий DQE обеспечивает необходимую основу для передовых цифровых приложений - например, двухэнергетической визуализации, томосинтеза и низкой дозы флюорита. В сочетании с передовыми алгоритмами обработки изображений и возможностью быстрого сбора и считывания данных, высокий DQE является ключом к тому, чтобы такие приложения, как эти, стали клинически практичными в ближайшие годы.