Из Википедии, бесплатной энциклопедии
Перейти к навигации Перейти к поиску

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 радиографии 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 необходимое 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. Концепция была распространена на химические сенсоры [1], и в этом случае альтернативный термин «обнаруживающая способность» [2] является более подходящим.

История [ править ]

Начиная с 1940-х годов, был большой научный интерес к классификации характеристик сигнала и шума различных оптических детекторов, таких как телекамеры 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 [3] предложил концепцию полезной квантовой эффективности или эквивалентной квантовой эффективности.для описания производительности тех систем, которые мы теперь называем детективной квантовой эффективностью . Ранние обзоры важности и применения DQE были даны Цвейгом [4] и Джонсом. [5]

DQE был представлен сообществу специалистов по медицинской визуализации Шоу [6] [7] для описания рентгеновских пленочных экранных систем. Он показал, как качество изображения в этих системах (с точки зрения 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, поскольку описывает, насколько хорошо малоконтрастная структура может быть обнаружена на однородном ограниченном шумом изображении идеальным наблюдателем.что является показателем того, что может визуализировать человек-наблюдатель в определенных условиях. [8] [9] Если мы также знаем, сколько рентгеновских квантов было использовано для создания изображения (число рентгеновских квантов, падающих на детектор), q, мы знаем стоимость изображения в виде числа рентгеновских квантов. 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 формирования изображения захватывает информационное содержание, доступное 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 [ править ]

DQE обычно выражается в терминах пространственных частот на основе Фурье как: [10]

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 действителен только для линейных и инвариантных к сдвигу систем визуализации (аналогично линейной и инвариантной во времени теории систем, но заменяет инвариантность во времени инвариантностью пространственного сдвига), включающих стационарные или широкие системы в широком смысле. -смысловой циклостационарныйшумовые процессы. DQE часто можно смоделировать теоретически для конкретных систем визуализации с использованием теории каскадных линейных систем. [11]

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 равномерное распределение Пуассона квантов изображения, а сигнал и шум определены правильно.

Измерение DQE [ править ]

Отчет Международной электротехнической комиссии (IEC 62220-1) [12] был разработан с целью стандартизации методов и алгоритмов, необходимых для измерения DQE цифровых рентгеновских систем визуализации.

Преимущества высокого DQE [ править ]

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 сказал один эксперт по медицинской физике [ кто? ] недавно сообщил [ когда? ] , DQE стал де-факто эталоном в сравнении существующих и новых технологий детекторов рентгеновского излучения.

DQE особенно влияет на способность видеть небольшие 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 обнаружение объектов, сравнимых с пленочными при пониженной дозе.

Не менее важно, что высокий DQE обеспечивает необходимую основу для передовых цифровых приложений - например, двухэнергетической визуализации, томосинтеза и низких доз флюоресцентного излучения. 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.

Ссылки [ править ]

  1. ^ С. Мангани и Дж. Дж. Рамсден, Эффективность химических детекторов, J Biol Phys Chem 3: 11-17, 2003
  2. ↑ RC Jones, Обнаружение: величина, обратная шумовому эквивалентному входному излучению, Nature (London) 170: 937-938, 1952
  3. ↑ A. Rose, Единый подход к работе с фотопленкой, телевизионными приемными трубками и человеческим глазом, J Soc Motion Pict Telev Eng 47: 273-294, 1946.
  4. ^ HJ Zweig, Критерии эффективности для фотодетекторов - концепции в развитии, Photogr Sci Engng 8: 305-311, 1964
  5. Перейти ↑ RC Jones, Scientific American 219: 110, 1968
  6. ^ Р. Шоу, Эквивалентная квантовая эффективность фотографического процесса, J Photogr Sci 11: 199-204, 1963
  7. ^ JC Dainty и Р. Шоу, Image Science, Academic Press, Нью-Йорк, 1974
  8. ^ HH Barrett, J. Yao, JP Rolland и KJ Myers, Model наблюдатели для оценки качества изображения, Proc Natl Acad Sci USA 90: 9758-9765, 1993
  9. ^ Медицинская визуализация - Оценка качества изображения, Int Comm Rad Units and Meas, ICRU Report 54, 1995
  10. ^ И. А. Каннингем, Прикладная теория линейных систем, в Справочнике по медицинской визуализации: Том 1, физика и психофизика, Эд Дж. Бейтель, Х. Л. Кундель и Р. Ван Меттер, SPIE Press, 2000
  11. ^ И. А. Каннингем и Р. Шоу, Оптимизация отношения сигнал-шум медицинских систем визуализации, J Opt Soc Am A 16: 621-632, 1999
  12. ^ Характеристики цифровых рентгеновских устройств визуализации - Часть 1: Определение детективной квантовой эффективности, Отчет Международной электротехнической комиссии IEC 62220-1, 2003

Внешние ссылки [ править ]

  • [1] , Что такое детективная квантовая эффективность?
  • [2] , Детектив квантовой эффективности.
  • [3] , DQE A Simplified View