应用DQE评价数字X线探测器的成像性能

曹厚德 杨燕敏

20世纪90年代起，以平板型探测器(flat panel detector, FPD)为图像采集核心部件的DR逐渐成为X线摄影的主流技术。为此，对平板探测器成像性能的检测成为数字化X线摄影质量评价的重要内容之一。本文报道量子检测效率（detective quantum efficiency ,DQE）的技术内涵及临床应用。

定义及物理概念

20世纪80年代起，DQE等作为增感屏/胶片系统及影像增强管X线成像系统性能描述的参数，但应用于数字化影像设备中显然有所不同，它不仅是可见光强度与X线强度之比，而是表征X线转化成输出图像能力的指标[1]。

DQE是空间频率（f）的函数，DQE的原始定义为：

式中：SNRin— 输入图像信噪比；

SNRout— 输出图像信噪比。

影响DQE参数的因素

1.噪声

噪声（noise）单纯从字面解释，系指不同频率及不同强度的声音无规律地组合在一起。后来其含义加以扩展，应用于其他科技领域中。在X线数字成像中则严格定义为：图像上观察到的亮度水平中随机出现的波动。从本质上分析，噪声主要属统计学而并非检测性的。噪声客观存在于任何影像系统中，数字化成像过程中引入噪声的环节较模拟成像为多。诸如：①由X线光子的随机涨落而引入的量子噪声；②由探测器或其他数字化成像部件引入的结构噪声；③由模/数转换引入的量化噪声；④由显示器亮度涨落引入的显示噪声等。

研究表明，对均匀影像进行傅立叶变换，求算影像的噪声功率谱（noise power spectra，NPS），可以全面、有效地反映影像的噪声水平，并且相对比较稳定。因此，在影像评估中，通常使用NPS作为表征噪声量级的指标。

2.对比度

影像系统的对比度分辨能力，也是影响DQE的重要因素之一。因为图像对比度性能反映系统采集和显示物体真实反差的能力。影响对比度的因素有：

2.1 动态范围：可以采集多宽曝光范围内的信号强度，较宽的动态范围可以采集很低和很高剂量入射X线的图像。在传统影像技术中，曝光不足和曝光过度的图像可以在动态范围宽的数字成像系统中得到补偿。

2.2 对比分辨率：指能够采集的灰度等级，通常可以用数字化的bit表示，也与动态范围相配合。使宽的动态范围能够被有效地反映出来。数字系统的图像处理能力可以通过对比度增强和显示窗宽/窗位的调整，将诊断信息充分显示。

3.调制传递函数

由于图像系统非线性的存在，对比度是图像空间频率的函数，随空间频率的增高，系统的对比度分辨能力下降，这种关系可用MTF（modulation transfer function）表征。因此，DQE也是空间频率（f）的函数。MTF综合反映了影像对比度和空间分辨率情况，可用作单纯图像所包含信息量的评价指标。

4.辐射剂量

入射X线的线质及线量也会直接影响DQE的参数，因此在注意射线剂量的同时不应忽略X线的能量，也是影响DQE的重要因素，因为不同线质的X线所产生的DQE也不相同。X线光子能量影响成像物体的对比度，X线剂量则影响探测器的信号强度及噪声。

综上所述，DQE是入射X线剂量、能量、空间频率及探测器检测灵敏度的函数。要准确评估数字化探测器的性能，必须纳入诸多影响因素。例如：评价系统的噪声和对比度检测能力，不能孤立地看待某一参数。如果系统具有较高对比度检测能力，但噪声也很大，则弱信号会湮没于噪声中，而无法被检测到。同样，如系统噪声很低，但对比度也很低，则整体信号都较弱，仍然得不到诊断上有用的图像。因此像质好的图像必须是对比度强而同时噪声低，换言之，即高信噪比（signal to noise ratio, SNR）的系统才能获得优质的图像。

DQE的测量

DQE是用于描述成像器件、信号、噪声传递特性的客观物理量。但由于采用的测试方法及测试条件的不一致，导致测试结果无可比性。有鉴于此，国际电工委员会IEC TC62B技术委员会特别成立一个33工作组，以建立标准的DQE检测方法。该工作组的名称为：“Characteristics of digital X-ray imaging device：Determination of the detective quantum efficiency”。IEC TC62B-WG33工作组成员主要包括：Siemens、Philips、GE、Swissary、Hologic等生产厂家的技术专家组成。国际电工委员会（IEC SC 62B WG33 ）公布IEC622.0-1文件中建立为国际认可的DQE测试方法。该文件已被作为一种技术标准而普遍采用[2]。

图1 DQE测试装置示意图。

测试装置及测量方法如图1所示，在遮线器下插槽内放置21mm铝板，可同时使用铅板遮线器（B2，B3）来降低X射线散射线对测量的影响。在测量系统调整传递函数MTF时要将测试模板置于探测器表面。

用辐射剂量仪（空气电离室）测量探测器表面辐射剂量。测量时应将平板探测器移开，此时可以将剂量仪放在平板探测器表面的位置上（在剂量仪后面不能有任何物体以免将散射线引入剂量仪）。如果不能移开平板探测器可以将剂量仪放置在X线源与平板探测器表面之间，避免来自源滤过和探测器的散射线。在探测器表面的曝射量可以通过距离平方反比公式计算而得。操作过程中尽量使背向散射量减小，可以采用多次曝光计算平均曝射量。

DQE参数的临床应用解读

DQE能综合表征影像系统的探测器灵敏度、线性、噪声、剂量、MTF等多项参数。因此，DQE对X线图像数字探测器而言是较全面及完整的性能评价参数。各家不同厂商由于技术方案及自身工艺条件的不同，以DQE指标来进行对比是比较科学的。图2示两种不同平板探测器的DQE曲线比较。

图2 两种不同平板探测器DQE曲线比较。

由于测量过程繁复及影响测量结果的因素很多，因此测量过程引入的误差相当可观，导致测试结果缺乏可比性。

由于商业宣传的需要，各家厂家均给出了各自产品的DQE值，但均未提及测试条件。笔者认为：既然DQE是评价数字化X线探测器的一个重要参数已得公认，但是不按照标准的测试条件及步骤，即意味着不同厂商提供的DQE值是一个没有任何条件信息的数值，因此无可比性。 作为质量控制的标准，必须严格按照规范化的测试方法和步骤。

[1] 曹厚德.数字影像检测器性能评价标准“量子检测效率（DQE）”浅析. 中国医院采购指南，2003：66-67.

[2 ] 白 玫，刘 旭，彭明辰. 数字X射线成像设备DQE的测试. 医疗设备信息，2007，21：1-4.