4-第四章X线影像质量及评价(医学影像技术).ppt

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1、4-第四章X线影像质量及评价(医学影像技术)本章学习目标本章学习目标 一、掌握内容一、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、了解内容三、了解内容已淘汰的评价参数。国内外新进展。4/18/20232四川四川 雅安职业技术学院医学系雅安职业技术学院医学系 李锡忠李锡忠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子检出效率ROC和相关方法照片对比度

2、诊断和治疗效果剂量质量诊断成像质量评价的方法4/18/20236四川四川 雅安职业技术学院医学系雅安职业技术学院医学系 李锡忠李锡忠一、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。4/18/20237四川四川 雅安职业技术学院医学系雅安职业技术学院医学系 李锡忠李锡忠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。4/18/20238四川四川 雅安职业技术学院医学

3、系雅安职业技术学院医学系 李锡忠李锡忠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。4/18/20239四川四川 雅安职业技术学院医学系雅安职业技术学院医学系 李锡忠李锡忠二、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。4/18/202310四川四川 雅安职业技术学院医学系雅安职业技术学院医学系 李锡忠李锡忠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（modulationt

4、ransferfunction，MTF）MTF是描述成像系统分辨力特性的重要参量。4/18/202311四川四川 雅安职业技术学院医学系雅安职业技术学院医学系 李锡忠李锡忠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。还有信-噪比（SNR）和特性曲线等。4/18/202312四川四川 雅安职业技术学院医学系雅安职业技术学院医学系 李锡忠李锡忠三、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（qualityassurance，QA）中，主观评价因其固

5、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。4/18/202313四川四川 雅安职业技术学院医学系雅安职业技术学院医学系 李锡忠李锡忠所谓综合评价，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。4/18/202314四川四川 雅安职业技术学院医学系雅安职业技术学院医学系 李锡忠李

6、锡忠第二节第二节 成像系统的特性参数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（pointspreadfunction，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。4/18/202315四川四川 雅安职业技术学院医学系雅安职业技术学院医学系 李锡忠李锡忠点光源的亮度分布4/18/202316四川四川 雅安职业技术学院医学系雅安职业技术学院医学系 李锡忠李锡忠PSF的立体分布示意图4/18/202317四川四川 雅

7、安职业技术学院医学系雅安职业技术学院医学系 李锡忠李锡忠2线扩散函数线扩散函数（LSF）与PSF相似。实际情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。4/18/202318四川四川 雅安职业技术学院医学系雅安职业技术学院医学系 李锡忠李锡忠线扩散的亮度分布剖面4/18/202319四川四川 雅安职业技术学院医学系雅安职业技术学院医学系 李锡忠李锡忠线扩散函数立体示意图4/18/202320四川四川 雅安职业技术学院医学系雅安职业技术学院医学系 李锡忠李锡忠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

8、度降低。4/18/202321四川四川 雅安职业技术学院医学系雅安职业技术学院医学系 李锡忠李锡忠扩散对影像质量的影响4/18/202322四川四川 雅安职业技术学院医学系雅安职业技术学院医学系 李锡忠李锡忠二、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，有时在不同的域中分析能达到好的效果。4/18/202323四川四川 雅安职业技术学院医学系雅安职业技术学院医学系 李锡忠李锡忠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

9、，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。4/18/202324四川四川 雅安职业技术学院医学系雅安职业技术学院医学系 李锡忠李锡忠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。4/18/202325四川四川 雅安职业技术学院医学系雅安职业技术学院医学系 李锡忠李锡忠若不等于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4/18/202326四川四川 雅安职业技术学院医学系雅安职业技术学院医学系 李锡忠李锡忠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

10、换的条件，则其一维傅立叶变换为：傅立叶逆变换为：4/18/202327四川四川 雅安职业技术学院医学系雅安职业技术学院医学系 李锡忠李锡忠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4/18/202328四川四川 雅安职业技术学院医学系雅安职业技术学院医学系 李锡忠李锡忠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4/18/202329四川四川 雅安职业技术学院

11、医学系雅安职业技术学院医学系 李锡忠李锡忠（二）MTFMTF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4/18/202330四川四川 雅安职业技术学院医学系雅安职业技术学院医学系 李锡忠李锡忠单位空间距离内完成周期性变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4/18/202331四川四川 雅安职业技术学院医学系雅安职业技术学院医学系 李锡忠李锡忠矩形波测试卡X线强度分布4/18/202332四川四川 雅安职业技术学院医学系雅安职业技术学院医学系 李锡忠李锡忠

12、正弦波测试卡像4/18/202333四川四川 雅安职业技术学院医学系雅安职业技术学院医学系 李锡忠李锡忠2光学传递函数正弦波理想成像与实际成像4/18/202334四川四川 雅安职业技术学院医学系雅安职业技术学院医学系 李锡忠李锡忠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。4/18/202335四川四川 雅安职业技术学院医学系雅安职业技术学院医学系 李锡忠李锡忠极限分辨力示图4/18/202336四川

13、四川 雅安职业技术学院医学系雅安职业技术学院医学系 李锡忠李锡忠4MTF的测量(1)屏-片系统的MTF：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。4/18/202337四川四川 雅安职业技术学院医学系雅安职业技术学院医学系 李锡忠李锡忠（2）数字成像系统的MTF有用狭缝的，但多数是用刃边CR的MTF：

14、CR系统的MTF组成复杂。4/18/202338四川四川 雅安职业技术学院医学系雅安职业技术学院医学系 李锡忠李锡忠狭缝放置示意图4/18/202339四川四川 雅安职业技术学院医学系雅安职业技术学院医学系 李锡忠李锡忠DR的MTF：DR系统的MTF与CR系统类似，测试方法也相似，文献中多使用刃边（edge）设备。刃边放置示意图4/18/202340四川四川 雅安职业技术学院医学系雅安职业技术学院医学系 李锡忠李锡忠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

15、描刃边等。4/18/202341四川四川 雅安职业技术学院医学系雅安职业技术学院医学系 李锡忠李锡忠其它设备的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。4/18/202342四川四川 雅安职业技术学院医学系雅安职业技术学院医学系 李锡忠李锡忠三、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。4/18/2023

16、43四川四川 雅安职业技术学院医学系雅安职业技术学院医学系 李锡忠李锡忠（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-correlatedfunction，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。4/18/202344四川四川 雅安职业技术学院医学系雅安职业技术学院医学系 李锡忠李锡忠WS示意图4/18/202345四川四川 雅安职业技术学院医学系雅安职业技术学院医学系 李锡忠李锡忠（三）影响噪声的因素1影响屏-片系统噪声的因素

17、（1）由于X线量子“统计涨落”形成的量子斑点。（2）增感屏对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。4/18/202346四川四川 雅安职业技术学院医学系雅安职业技术学院医学系 李锡忠李锡忠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。4/18/202347四川四川 雅安职业技术学院医学系雅安职业技术学院医学系 李锡忠李锡忠（四）SNR在

18、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4/18/202348四川四川 雅安职业技术学院医学系雅安职业技术学院医学系 李锡忠李锡忠五、量子检出效率1DQE虽然是较新引入的概念，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4/18/202349四川四川 雅安职业技术学院医学系雅安职业技术学院医学系 李锡忠李

19、锡忠DQE示意图4/18/202350四川四川 雅安职业技术学院医学系雅安职业技术学院医学系 李锡忠李锡忠2NEQNEQ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4/18/202351四川四川 雅安职业技术学院医学系雅安职业技术学院医学系 李锡忠李锡忠第三节第三节 ROC及其应用及其应用一、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线4/18/202352四川四川 雅安职业技术学院医学系雅安职业技术学院医学系 李锡忠李锡忠标准的示例4/18/202353四川四川 雅安职业技术学院医学系雅

20、安职业技术学院医学系 李锡忠李锡忠标准的作用4/18/202354四川四川 雅安职业技术学院医学系雅安职业技术学院医学系 李锡忠李锡忠ROC曲线示例4/18/202355四川四川 雅安职业技术学院医学系雅安职业技术学院医学系 李锡忠李锡忠曲线的扩散4/18/202356四川四川 雅安职业技术学院医学系雅安职业技术学院医学系 李锡忠李锡忠（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

21、病人检查阴性的概率。4/18/202357四川四川 雅安职业技术学院医学系雅安职业技术学院医学系 李锡忠李锡忠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（falsepositiverate，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。4/18/202358四川四川 雅安职业技术学院医学系雅安职业技术学院医学系 李锡忠李锡忠拟合的或平滑的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。4/18/202359四川四川 雅安职业技术学院医学系雅安

22、职业技术学院医学系 李锡忠李锡忠ROC曲线实例4/18/202360四川四川 雅安职业技术学院医学系雅安职业技术学院医学系 李锡忠李锡忠w3ROC曲线下的面积曲线下的面积 4条不同面积的ROC曲线4/18/202361四川四川 雅安职业技术学院医学系雅安职业技术学院医学系 李锡忠李锡忠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AUC的两条ROC曲线4/18/202362四川四川 雅安职业技术学院医学系雅安职业技术学院医学系 李锡忠李锡忠4特定

23、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4/18/202363四川四川 雅安职业技术学院医学系雅安职业技术学院医学系 李锡忠李锡忠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。4/18/202364四川四川 雅安职业技术学院医学系雅安职业技术学院医学系 李锡忠李锡忠6ROC曲线的种类（1）LROC：在定位ROC（localisationROC，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。4/18/202365四川四川 雅安职业技术学院医学系雅安职业技术学院医学系 李锡

24、忠李锡忠LROC曲线4/18/202366四川四川 雅安职业技术学院医学系雅安职业技术学院医学系 李锡忠李锡忠（2）FROC：自由响应ROC（free-responseROC，FROC）方法是由Bunch等引入医学影像领域的。FROC曲线4/18/202367四川四川 雅安职业技术学院医学系雅安职业技术学院医学系 李锡忠李锡忠（3）AFROC：替代FROC（alternativeFROC，AFROC）分析是FROC分析的一个简单的替代方法AFROC4/18/202368四川四川 雅安职业技术学院医学系雅安职业技术学院医学系 李锡忠李锡忠（4）FFE：在FFE实验中，观察者被要求按照确信度递减的

25、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（differentialROC，DROC）ROC方法4/18/202369四川四川 雅安职业技术学院医学系雅安职业技术学院医学系 李锡忠李锡忠7ROC软件（1）ROCKIT：是Metz等开发的参数ROC分析的程序。（2）PlotROC：是用MicrosoftExcel5.0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.

26、for：一个用FORTRAN语言写的程序。4/18/202370四川四川 雅安职业技术学院医学系雅安职业技术学院医学系 李锡忠李锡忠（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。4/18/202371四川四川 雅安职业技术学院医学系雅安职业技术学院医学系 李锡忠李锡忠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

27、“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。4/18/202372四川四川 雅安职业技术学院医学系雅安职业技术学院医学系 李锡忠李锡忠二、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。4/18/202373四川四川 雅安职业技术学院医学系雅安职业技术学院医学系 李锡忠李锡忠4/18/202374四川四川 雅安职业技术学院医学系雅安职业技术学院医学系 李锡忠李锡忠此此课件下件下载可自行可自行编辑修改，修改，仅供参考！供参考！感感谢您的支持，我您的支持，我们努力做得更好！努力做得更好！谢谢!