如何正確評價DR的成像能力

2021-08-08 12:30:27 字數 3742 閱讀 5940

影像質量是影像裝置的核心。dr機器的一切設計都是圍繞著如何提高影象的分辨力來展開的,也就是如何提高醫生對dr影象細節的辨別能力。(請注意這裡提到的分辨力和後面提及的解析度完全是兩個概念)。

目前市場有些廠家推出1600萬畫素的dr,熱衷於炒作探測器的畫素矩陣越大影像質量越好,這事實上是完全違揹物理學的基本原理的。如何正確評價一台dr裝置的成像能力好壞呢?在此,我們來**一下。

1.空間解析度

空間解析度指單位寬度內的分辨影象細節的能力。通常是以在單位寬度範圍內能夠分辨清楚線條的能力來表示,單位是「線對/公釐」(lp/mm)。乙個線對由一根線條和乙個間距組成,且間距的寬度等於線條的寬度。

在單位寬度範圍內能夠分辨清楚線對數越多,表示空間解析度越高。空間解析度可用解析度測試卡直接測出。

空間解析度與畫素尺寸有密切關係。畫素尺寸實際上應是畫素間距,是指相鄰兩個畫素中心的間距。從理論上來說,畫素尺寸越小,空間解析度大。

其數值可用1除以2倍的畫素尺寸來計算,如畫素尺寸為143um×l43um時,空間解析度為1000÷(2×143)或者1÷(2×143×10-3)= 3.5lp/mm,139um×l39um時為3.6lp/mm,200um×200um時為2.

5lp/mm。

這裡還需要解釋一下畫素矩陣的概念。所有畫素的陣列稱為畫素矩陣。畫素矩陣的大小與平板尺寸和畫素尺寸的大小有關,其大小為平板的有效尺寸除以畫素尺寸。

例如,平板尺寸為35.56cm×43.18cm(即14英吋×17英吋),畫素尺寸為139um×139um時,畫素矩陣為2.

5k×3k(≈7.5m),(即35.56cm/139um×43.

18cm/139um = 2558×3106)此即國內稱為「七百五十萬畫素」的來由,當然這種稱法是不夠準確全面的。但也正因為如此,某些廠家鼓吹1600萬畫素的探測器產生的影象就一定比低畫素矩陣探測器清晰。這事實上是完全違背x射線成像基本原理的。

誠然,從理論上說,畫素尺寸越小,單位面積內畫素數量越多,空間解析度就越大,分辨細節的能力就越強,影象越清晰。

但是空間解析度的提高不是無限的,其與探測器對x線光子的檢測靈敏度、訊雜比、動態範圍等都有密切關係。

大家知道,在探測器面積一定的條件下為了增加空間解析度,只好減小畫素顆粒尺寸(即降低單位畫素面積)、增加畫素密度(即增加單位面積內的畫素數量,也就是增加畫素矩陣大小)。但我們知道單位畫素的面積越小,就會使每一畫素檢測到的x線光子數大大減少,也就是說畫素的有效因子減少,每個畫素的感光效能越低,每一畫素點的訊雜比降低,動態範圍變窄。對於那些本身對比度很低的小物體,比如說和周邊組織密度相差不大的病灶,就很難檢測出來。

因此這種減小畫素尺寸的方法來增大影象解析度的方法必須運用得當,也就是說通過減小畫素尺寸的方法不可能無限制地增大解析度。

還乙個更重要的原因是,畫素過小或單位面積內畫素過多會引起影象雜訊急劇增大,導致影象質量的急劇惡化,最終即使增加了的空間解析度又會被因此帶來的雜訊淹沒,而要彌補此問題的唯一辦法只能是增大x線**劑量。這恰恰是與x線影像技術的發展相違背的。事實上,即使大幅增加x線**劑量也不能非常有效地解決訊雜比下降所帶來的影象質量問題。

因此單有高畫素矩陣的探測器並不意味著有更高的發現病變的能力。

科學家早已經發現,調節好像素大小和雜訊之間的平衡是探測器成功的關鍵。科學家們數十年的研究和實踐表明,理想的畫素尺寸大致在140-200μm之間。在此範圍內方有可能得到最佳影象質量。

畫素尺寸過大,則空間解析度太低,不適合醫學診斷。畫素尺寸過小,則訊雜比降低,影象雜訊加大。非晶硒平板探測器的畫素尺寸為139μm,這已經是目前業界探測器生產商在保證影象質量的同時可以做到的極限了。

現在再來看看目前市場上熱衷炒作的1600萬畫素(即4k×4k)dr。這種裝置探測器畫素尺寸的大小為108μm,單從技術指標角度計算,可知它的空間解析度可以達到4.6lp/mm。

廠家因此大肆炒作該裝置畫素矩陣業界最高、空間解析度業界最高等等,有意誤導使用者宣傳該裝置因此影像質量最好,而對因畫素尺寸太小導致訊雜比大大降低、影象雜訊增加卻避而不談。此外廠家為了改善影像質量問題,在設計上大大提公升了x線的投照劑量,這點也避而不談,這事實上是欺騙消費者的行為,會大大增加醫技人員、患者的x射線損傷。這點我們從某廠家的brochure上就可以得到佐證。

該廠家提出所謂的「pod (pixel optimized dose)」技術,稱「通過軟體控制,使ccd的有效畫素發生改變,而形成兩種攝像方式,即hr(high resolution)高解析度方式和he(high efficiency)高效率方式。hr方式時,ccd的全部1600萬畫素全部參與成像,解析度高;he方式時,ccd的每4個畫素融合成乙個畫素,提高了資訊的讀出效率,縮短了成像時間,降低了x線投照劑量」。很顯然,廠家也知道該裝置在1600萬畫素工作時需要的x線照射劑量的是不合適地提高了的。

高畫素矩陣還帶來乙個問題,成像速度變慢了。成像速度與平板探測器的畫素尺寸,畫素矩陣、計算機處理能力等有關,畫素點越多,資料量越大,傳輸、處理資訊和顯示x線影象的時間就越長,反之,時間就越短,為了追求影象的高解析度,希望畫素點越多越好,但顯示影象的時間就要長一些,這也是一對矛盾體,也需要平衡處理。

2.動態範圍和密度解析度

動態範圍是衡量探測器效能的另乙個關鍵指標。它是指探測器能夠線性地探測出x線入射劑量的變化,其值為x線最低入射劑量與最高入射劑量之比。假如dr探測器能線性地探測出劑量變化最低值是1μgy,劑量低於1μgy時輸出都是0,能探測的最高值是10mgy,劑量再高輸出也是相同,那麼兩輸入劑量高低之比是1μgy:

10mgy= 1:10000(即10的4次方),此為該探測器的動態範圍。

動態範圍大,密度解析度高,是dr統優於傳統放射影像系統最重要的特點。動態範圍大意味著可得到更多的影像細節,使醫生能夠看到過去在普通平片看不清或看不到的資訊,發現檢出病變的能力也因此遠高於傳統影像。

要正確表達探測器的動態範圍dr影像必須具有足夠的bit深度,目前大多dr系統都能達到14bit,可記錄的灰階等級能達到214 = 16384,可以反映很細微的密度層次變化,分辨影像細節的能力就越強。

學術界有時用密度解析度(或稱對比解析度)來描述這種分辨影像細節的能力,密度解析度是指對密度的微小灰度差別的分辨能力。例如對肺組織內與周邊組織密度僅有微小差別的小結節或盤狀病灶的分辨能力。

不像空間解析度可以簡單用解析度測試卡直接測量,密度解析度目前還沒有乙個簡易可行的客觀測量工具。但它與dr探測器動態範圍有非常密切的關係,同時受雜訊的影響很大。動態範圍大,裝置就可以反映很小的密度層次變化,分辨影像細節的能力就強。

這意味著醫生能看到更多的影像細節。

臨床經驗表明,當乙個相對較小的物體(例如乙個2-3公釐的肺的微小病變)被重疊在很厚的身體內時,要在乙個二維的平面影象上將其顯示出來,假如這個病灶相對於周圍組織是乙個明顯的高密度,顯示它是比較容易的。但醫學臨床實踐中碰到的往往是乙個相對等密度或稍高密度即相似密度的病灶,這時候高畫素矩陣(或者說畫素多)是沒有意義的,關鍵是需要足夠多的灰階等級(動態範圍要大)和低雜訊,即足夠高的密度解析度。有些廠家鼓吹其採用的ccd探測器能達到16bit灰階,號稱以動態範圍很大。

事實上,ccd探測器由於成像結構和原理不同於非晶硒或非晶矽平板探測器,在成像過程中,需要有光學折射和傳導系統的參與,它的影象實際灰階無法大於10bit,ccd探測器的動態範圍恰恰是三種主流探測器中最低的一種。由於動態範圍偏低,影象層次資訊含量不足,雖然某些ccd探測器的空間解析度很高達到4k×4k(4.6lp/mm),但是它對臨床上常見的密度變化不大的細微病灶的分辨能力是很弱的。

國外對於ccd探測器的使用範圍是有限制的,比如不能用於矽肺診斷。廠家所謂14或16bit灰階,是通過軟體後處理抑噪和擴充套件插值來產生的,純粹是個噱頭。非晶硒平板由於採用的是「直接轉換技術」,不存在光電轉換過程,它是真正能達到原生態14bit灰階的探測器,即從原始資料、採集、傳輸、儲存全為14bit,當然顯示和輸出目前還做不到,因為目前大多數顯示器和雷射相機還只有12bit。

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