專利名稱：數(shù)字x射線成像系統(tǒng)的調(diào)制傳遞函數(shù)精確測量方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于生物醫(yī)學(xué)工程及計(jì)算機(jī)領(lǐng)域，涉及一種數(shù)字X射線成像系統(tǒng)的調(diào)制傳遞函數(shù)測量方法。
背景技術(shù)：
調(diào)制傳遞函數(shù)(Modulation Transfer Function，MTF)是調(diào)制度的傳遞函數(shù)，是對線性影像系統(tǒng)空間頻率傳輸特性的定量描述，是影像評價(jià)方法中的重要進(jìn)展。此前普遍使用定性描述指標(biāo)，例如影像密度、對比度、清晰度、分辨率及失真度等來評價(jià)成像系統(tǒng)的影像質(zhì)量，但其結(jié)果受個(gè)人主觀因素影響大。近年來隨數(shù)字化X射線成像技術(shù)迅速發(fā)展，MTF 作為客觀指標(biāo)已成為放射成像工作者和研究者所關(guān)注的重要影像評價(jià)手段。同時(shí)，MTF也是獲得成像系統(tǒng)探測量子效率的必須參數(shù)。要定量地評價(jià)數(shù)字X射線成像系統(tǒng)的固有成像質(zhì)量，只需計(jì)算不受個(gè)人主觀因素影響的系統(tǒng)固有預(yù)采樣MTF。實(shí)際中系統(tǒng)MTF常由以下三種擴(kuò)散函數(shù)來計(jì)算點(diǎn)擴(kuò)散函數(shù)、 線擴(kuò)散函數(shù)和邊緣響應(yīng)函數(shù)，它們分別描述經(jīng)成像系統(tǒng)后點(diǎn)、線和邊緣彌散程度，能夠間接地反映系統(tǒng)成像能力。目前測量MTF的方法中，線對卡方法可以獲得高精度的MTF值，但是線對卡方法只能提供有限幾個(gè)整數(shù)空間頻率位置的MTF值，無法實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)傳遞函數(shù)的全面評估。為了獲取成像系統(tǒng)空間頻率范圍下的MTF變化曲線，一般常用的測量方法包括狹縫法和刀口法， 狹縫法(Slit Camera)和刀口法(Edge)已被國際放射學(xué)會(huì)公認(rèn)為是獲得MTF的較好方法， 日本將狹縫法定義成測量MTF的標(biāo)準(zhǔn)方法，刀口法也已被國際電氣技術(shù)委員會(huì)(IEC)指定為測量系統(tǒng)MTF的標(biāo)準(zhǔn)方法。將通過狹縫法和刀口法所獲得的同一系統(tǒng)下不同MTF曲線進(jìn)行比較時(shí)，可知前者在高頻域有較高信噪比，而后者在低頻域有較高信噪比。通過狹縫法獲得的系統(tǒng)MTF精確，且操作簡便、方法成熟。但因其加工難度高(狹縫寬度小于等于10微米，誤差在1微米內(nèi))，導(dǎo)致在實(shí)際應(yīng)用中此法較難被推廣。由于刀口法測量儀器自加工相對容易，在科研實(shí)驗(yàn)和常規(guī)檢測中使用較為廣泛。采用刀口法可以獲得金屬模塊刀口的邊緣響應(yīng)函數(shù)(Edge Response Function, ERF)，它反映了經(jīng)成像系統(tǒng)后邊緣彌散程度，ERF的導(dǎo)數(shù)為線擴(kuò)展函數(shù)(Line Spread Function, LSF)，再經(jīng)過傅立葉變換即可獲得系統(tǒng)MTF，目前大部分關(guān)于MTF的研究都是基于刀口法技術(shù)展開的。但至今為止，刀口法在MTF測量準(zhǔn)確性方面仍然存在較大問題，大量研究者在相關(guān)研究工作中指出MTF測量有如下幾方面問題刀口傾斜角度測量誤差，噪聲影響，散射影響，剖面對準(zhǔn)誤差，截尾誤差等。這些由于刀口加工精度、測量方法精度以及測量人員經(jīng)驗(yàn)差異等因素造成MTF測量難度大，測量穩(wěn)定性和測量精度較差。因此，探索一種更有效的MTF測量方法，避免當(dāng)前刀口法測量方法引入的測量問題，準(zhǔn)確實(shí)現(xiàn)數(shù)字X射線成像系統(tǒng)的調(diào)制傳遞函數(shù)特性評估，已經(jīng)成為成像系統(tǒng)性能評估的研究重點(diǎn)，這對于成像系統(tǒng)的發(fā)展應(yīng)用具有十分重要的意義。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的主旨是針對數(shù)字X射線成像系統(tǒng)性能評估中，采用刀口法測量調(diào)制傳遞函數(shù)面臨的刀口加工精度、測量方法精度以及測量人員經(jīng)驗(yàn)差異等因素造成的調(diào)制傳遞函數(shù)測量誤差問題，提出一種數(shù)字X射線成像系統(tǒng)的調(diào)制傳遞函數(shù)精確測量新方法，實(shí)現(xiàn)數(shù)字X射線成像系統(tǒng)的調(diào)制傳遞函數(shù)的準(zhǔn)確測量，為進(jìn)一步全面評估放射成像系統(tǒng)性能提供有力條件。本發(fā)明的技術(shù)方案如下一種數(shù)字X射線成像系統(tǒng)的調(diào)制傳遞函數(shù)精確測量方法，包括下列步驟1)放置脂肪仿體，采集多幅圖像；2)計(jì)算系統(tǒng)整體噪聲的噪聲功率譜；3)放置用于覆蓋探測器的鉛板，采集多幅圖像；4)計(jì)算系統(tǒng)的電子噪聲功率譜；5)放置線對卡，采集多幅圖像，將各個(gè)圖像疊加平均，得到線對卡平均圖像；6)通過線對卡平均圖像獲取強(qiáng)度剖面圖，計(jì)算線對卡整數(shù)空間頻率對應(yīng)的MTF 值；7)根據(jù)線對卡整數(shù)空間頻率對應(yīng)的MTF值、系統(tǒng)整體噪聲的噪聲功率譜以及系統(tǒng)電子噪聲功率譜，利用線性回歸方法，計(jì)算噪聲功率譜與調(diào)制傳遞函數(shù)相關(guān)系數(shù)η ；8)根據(jù)獲取的噪聲功率譜與調(diào)制傳遞函數(shù)相關(guān)系數(shù)η、系統(tǒng)整體噪聲的噪聲功率譜以及系統(tǒng)電子噪聲功率譜，獲取成像系統(tǒng)空間頻率范圍下的MTF變化曲線。上述方法的步驟7)，可以采用下列公式計(jì)算噪聲功率譜與調(diào)制傳遞函數(shù)相關(guān)系數(shù) n NPS(M,v)=/7MTFd2et(M,v)+ NPSelectromc(u,v)，式中，NPS(u, ν)為系統(tǒng)整體噪聲的噪聲功率值，NPSelectronic(u, ν)為系統(tǒng)的電子噪聲功率值，U和V分別代表橫向及縱向的空間頻率。本發(fā)明提出基于線性級(jí)聯(lián)模型的調(diào)制傳遞函數(shù)測量新方法，通過準(zhǔn)確獲取的系統(tǒng)噪聲以及線對卡方法獲取的整數(shù)空間頻率位置的調(diào)制傳遞函數(shù)值，獲取噪聲與調(diào)制傳遞函數(shù)關(guān)系系數(shù)，從而以系統(tǒng)噪聲為突破點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)調(diào)制傳遞函數(shù)的準(zhǔn)確測量。在進(jìn)行數(shù)字X射線成像系統(tǒng)的調(diào)制傳遞函數(shù)測量時(shí)，通過本發(fā)明的基于線性級(jí)聯(lián)系統(tǒng)模型的MTF測量方法， 以精確測量系統(tǒng)噪聲為突破點(diǎn)，可以獲得準(zhǔn)確的MTF曲線，從而避免刀口法測量的一系列系統(tǒng)誤差以及測量人員經(jīng)驗(yàn)因素等方面對MTF測量精度的影響。本發(fā)明的應(yīng)用，將為準(zhǔn)確測量系統(tǒng)調(diào)制傳遞函數(shù)，有效評估放射成像系統(tǒng)性能，深入開展放射影像學(xué)臨床實(shí)踐和研究提供有力支持。


圖1.線對卡方法測量MTF(a)為線對卡圖像，(b)為線對卡強(qiáng)度剖面。圖2.刀口法及線對卡方法測量MTF結(jié)果對比圖。圖3.系統(tǒng)整體噪聲、電子噪聲及兩者差值-量子噪聲的噪聲功率譜。圖4.線性回歸獲取噪聲功率譜與調(diào)制傳遞函數(shù)相關(guān)系數(shù)η曲線圖。圖5.刀口法，線對卡法與本發(fā)明基于級(jí)聯(lián)模型測量MTF的結(jié)果對比。
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合測量原理、附圖和實(shí)施例對本發(fā)明做進(jìn)一步說明。數(shù)字X射線成像系統(tǒng)從理論上屬于線性級(jí)聯(lián)系統(tǒng)(Cascaded Linear System)，因此，按照級(jí)聯(lián)系統(tǒng)理論，系統(tǒng)的量子檢測效率(Detective Quantum Efficiency, DQE)可以定義如下DQE(u, ν) = φ2 (μ, v)/NPS total (u, v)q0(1)這里φ2( !，ν)是級(jí)聯(lián)系統(tǒng)最終輸出信號(hào)的頻率響應(yīng)。線性級(jí)聯(lián)系統(tǒng)理論假設(shè)系統(tǒng)響應(yīng)空間性一致，NPSt。tal(u，v)因此只包括電子噪聲和量子噪聲，不包括結(jié)構(gòu)噪聲。是單位輻射劑量下的平均X射線光子數(shù)，u和ν分別代表橫向及縱向的空間頻率。而在通常情況下，對于X射線數(shù)字成像系統(tǒng)，DQE —般定義為輸出信噪比平方與輸
入信噪比平方的比值，即
/ 、 SNR2t ^2 (θ) · MTF,21 (Μ, ν)
0032 DQE (μ, ν) =-= ~~xdetV ’(ο)
\ ， SNRl NPS (μ, ν). TVΚΔ>這里的S (O)是探測器單位像素的平均強(qiáng)度值，MTFd26t (μ, ν)是探測器的調(diào)制傳遞函數(shù)，NPS (u, ν)是系統(tǒng)的量子噪聲，N是每平方毫米的X射線光子數(shù)。由公式(1)及公式⑵可以推導(dǎo)出NPS(M,v)=/7MTFd2et(M,v)+ NPS electromc(u,v)(3)這里的η是由探測器以及入射X射線性質(zhì)共同決定的比例系數(shù)，NPS (u, ν)是系
統(tǒng)的量子噪聲，NPSelectronic(u, ν)為電子噪聲。因此，如果我們能夠準(zhǔn)確獲取量子噪聲及電子噪聲，再根據(jù)線對卡方法在幾個(gè)整數(shù)頻率位置的MTF值，由公式C3)通過偏最小二乘法等擬合方法求得η的值，那么我們就可以通過噪聲功率譜估計(jì)結(jié)果準(zhǔn)確擬合探測器的調(diào)制傳遞函數(shù)，從而避免了刀口法測量方法引入的一系列測量精度問題。其中，電子噪聲測量可以通過在探測器表面覆蓋一定厚度鉛板，保證X光無法到達(dá)探測器，這樣經(jīng)過多次測量就能獲得電子噪聲的統(tǒng)計(jì)特性。目前，大量的研究表明，相對于其他系統(tǒng)特性標(biāo)定，噪聲特性標(biāo)定的原理較為成熟，標(biāo)定方法相對簡單，標(biāo)定結(jié)果的個(gè)體差異性小，因此，我們選擇噪聲標(biāo)定作為系統(tǒng)特性標(biāo)定的出發(fā)點(diǎn)和突破口，以此獲取系統(tǒng)調(diào)制傳遞函數(shù)，可望實(shí)現(xiàn)MTF的準(zhǔn)確測量。本發(fā)明的數(shù)字X射線成像系統(tǒng)的調(diào)制傳遞函數(shù)準(zhǔn)確測量方法的流程描述如下1、測量系統(tǒng)整體噪聲1)設(shè)置數(shù)字放射成像系統(tǒng)的曝光參數(shù)，放置脂肪仿體，連續(xù)采集15幅圖像，并設(shè)置圖像中央256X256區(qū)域作為噪聲功率譜研究的感興趣區(qū)域(Region of interest, R0I)；2)計(jì)算15幅ROI圖像的平均ROI圖像；3)將15幅脂肪仿體圖像分別減去步驟2)獲得的平均圖像，以此獲取15幅噪聲圖像；4)計(jì)算系統(tǒng)整體噪聲功率譜，將15幅噪聲圖像的噪聲功率譜疊加平均，獲取數(shù)字 X射線成像系統(tǒng)的二維噪聲功率譜；
5
5)從二維噪聲功率譜圖中心沿橫軸向右至終點(diǎn)，取橫軸上下各7行功率譜值，而后將這14行功率譜值疊加平均，計(jì)算不同分辨率下數(shù)字X射線成像系統(tǒng)的一維噪聲功率
■i並曰O2、測量系統(tǒng)電子噪聲1)設(shè)置數(shù)字放射成像系統(tǒng)的曝光參數(shù)，放置4毫米厚鉛板覆蓋探測器，連續(xù)采集 15幅圖像，由于沒有X光透過，這些圖像即為系統(tǒng)電子噪聲。設(shè)置圖像中央256X256區(qū)域作為噪聲功率譜研究的感興趣區(qū)域(Region of interest, R0I)；2)分別計(jì)算15幅ROI圖像的功率譜，即為二維電子噪聲功率譜。3)從二維電子噪聲功率譜圖中心沿橫軸向右至終點(diǎn)，取橫軸上下各7行功率譜值，而后將這14行功率譜值疊加平均，計(jì)算數(shù)字X射線成像系統(tǒng)的一維電子噪聲功率譜。3、通過線對卡方法測量整數(shù)頻率位置的MTF值1)設(shè)置數(shù)字放射成像系統(tǒng)的曝光參數(shù)，放置線對卡，連續(xù)采集15幅圖像，將所有圖像疊加平均，提高線對卡圖像信噪比。2)提取線對卡圖像強(qiáng)度剖面圖，計(jì)算各空間頻率下強(qiáng)度最大值和最小值，最大值和最小值之差，除以最大值和最小值之和，即為該空間頻率下的MTF值。4、計(jì)算噪聲功率譜與調(diào)制傳遞函數(shù)相關(guān)系數(shù)η根據(jù)公式NPS(M,ν)=/7MTFd2et(M,V)+ NPSdectromc(u,v)，利用線性回歸方法，代入步
驟3獲得的整數(shù)位置空間頻率對應(yīng)的MTF值，以及這些整數(shù)空間頻率位置的系統(tǒng)整體噪聲 NPS(u, ν)以及系統(tǒng)電子噪聲NPSeleetranie(u，ν)，畫出散點(diǎn)圖，通過線性回歸獲取噪聲功率譜與調(diào)制傳遞函數(shù)相關(guān)系數(shù)n。5、計(jì)算成像系統(tǒng)空間頻率范圍下的MTF變化曲線再次利用公式NPS(m,ν)= //MTFd2etRv)+ NPSefecirorac(Μ,ν)，這時(shí)已知系統(tǒng)整體噪聲 NPS (u，ν)，系統(tǒng)電子噪聲NPSeleetranie (u，ν)以及噪聲功率譜與調(diào)制傳遞函數(shù)相關(guān)系數(shù)η，獲取成像系統(tǒng)空間頻率范圍下的MTF變化曲線。本發(fā)明采用美國BI0PTICS公司生產(chǎn)的Pixarray 100小動(dòng)物數(shù)字放射成像系統(tǒng)。 我們首先采用線對卡方法獲取整數(shù)位置的MTF值(僅在整數(shù)頻率位置5，6，7，8，9，10，11有值)。圖1(a)所示為線對卡方法獲得的線對卡圖像，而后獲取線對卡圖像的強(qiáng)度剖面圖，如圖1(b)所示。計(jì)算各空間頻率位置，強(qiáng)度最大值與強(qiáng)度最小值之差及之和，該強(qiáng)度差除以強(qiáng)度和即為該頻率位置的MTF值。圖2給出了采用刀口設(shè)備測量獲得的MTF曲線，以及通過線對卡方法計(jì)算獲得的 MTF值(僅在整數(shù)頻率位置5，6，7，8，9，10，11有值)。從圖中可以看出，采用刀口法測量獲得的MTF曲線與線對卡方法獲得的MTF準(zhǔn)確值有比較明顯的差距，導(dǎo)致該誤差產(chǎn)生的原因主要在于刀口法測量的一系列系統(tǒng)誤差以及測量人員經(jīng)驗(yàn)因素等方面，因此，刀口法測量方法對系統(tǒng)測量時(shí)引入的誤差比較敏感，導(dǎo)致測量準(zhǔn)確性的降低。為了獲得準(zhǔn)確的MTF曲線，我們采用本發(fā)明的基于線性級(jí)聯(lián)系統(tǒng)模型的MTF測量方法，首先測量系統(tǒng)的整體噪聲、電子噪聲，得到兩者的差值，即系統(tǒng)量子噪聲。圖3為噪聲功率譜測量結(jié)果。根據(jù)公式NPS(M,ν)=/7MTFd2et(M,V)+ NPSdectromc(u,v)，利用線性回歸方法，代入步
驟3獲得的整數(shù)位置空間頻率對應(yīng)的MTF值，以及這些整數(shù)空間頻率位置的系統(tǒng)整體噪聲
6NPS(u, ν)以及系統(tǒng)電子噪聲NPSeleetranie(u，ν)，畫出散點(diǎn)圖，通過線性回歸獲取噪聲功率譜與調(diào)制傳遞函數(shù)相關(guān)系數(shù)n。線性回歸得到的斜率即為n，n的值為11.47，具體結(jié)果如圖4所示。再次利用公式NPS(m,ν)= //MTFd2etRv)+ NPSefecirorac(Μ,ν)，這時(shí)已知系統(tǒng)整體噪聲 NPS (u，ν)，系統(tǒng)電子噪聲NP、e。te。ni。(u，ν)以及噪聲功率譜與調(diào)制傳遞函數(shù)相關(guān)系數(shù)η，求解成像系統(tǒng)空間頻率范圍下的MTF變化曲線。結(jié)果如圖5所示。從圖中看出，本發(fā)明方法獲得的MTF曲線更接近于線對卡方法獲得的MTF準(zhǔn)確值。最終結(jié)果表明，在進(jìn)行數(shù)字X射線成像系統(tǒng)的調(diào)制傳遞函數(shù)測量時(shí)，通過本發(fā)明的基于線性級(jí)聯(lián)系統(tǒng)模型的MTF測量方法，以精確測量系統(tǒng)噪聲為突破點(diǎn)，可以獲得準(zhǔn)確的MTF曲線，從而避免刀口法測量的一系列系統(tǒng)誤差以及測量人員經(jīng)驗(yàn)因素等方面對MTF 測量精度的影響。該方法的應(yīng)用，將為準(zhǔn)確測量系統(tǒng)調(diào)制傳遞函數(shù)，有效評估放射成像系統(tǒng)性能，深入開展放射影像學(xué)臨床實(shí)踐和研究提供有力支持。
權(quán)利要求
1.數(shù)字X射線成像系統(tǒng)的調(diào)制傳遞函數(shù)精確測量方法，包括下列步驟1)放置脂肪仿體，采集多幅圖像；2)計(jì)算系統(tǒng)整體噪聲的噪聲功率譜；3)放置用于覆蓋探測器的鉛板，采集多幅圖像；4)計(jì)算系統(tǒng)的電子噪聲功率譜；5)放置線對卡，采集多幅圖像，將各個(gè)圖像疊加平均，得到線對卡平均圖像；6)通過線對卡平均圖像獲取強(qiáng)度剖面圖，計(jì)算線對卡整數(shù)空間頻率對應(yīng)的MTF值；7)根據(jù)線對卡整數(shù)空間頻率對應(yīng)的MTF值、系統(tǒng)整體噪聲的噪聲功率譜以及系統(tǒng)電子噪聲功率譜，利用線性回歸方法，計(jì)算噪聲功率譜與調(diào)制傳遞函數(shù)相關(guān)系數(shù)n ；8)根據(jù)獲取的噪聲功率譜與調(diào)制傳遞函數(shù)相關(guān)系數(shù)η、系統(tǒng)整體噪聲的噪聲功率譜以及系統(tǒng)電子噪聲功率譜，獲取成像系統(tǒng)空間頻率范圍下的MTF變化曲線。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的數(shù)字X射線成像系統(tǒng)的調(diào)制傳遞函數(shù)精確測量方法，其特征在于，所述的步驟7)，采用下列公式計(jì)算噪聲功率譜與調(diào)制傳遞函數(shù)相關(guān)系數(shù)η NPS(M,v)=/7MTFd2et(M,v)+ NPSefecirorac(Μ,ν)，式中，u和ν分別代表橫向及縱向的空間頻率， NPS (u，ν)為系統(tǒng)整體噪聲的噪聲功率值，NPSelectronic (u, ν)為系統(tǒng)的電子噪聲功率值。
全文摘要
本發(fā)明屬于生物醫(yī)學(xué)工程及計(jì)算機(jī)領(lǐng)域，涉及一種數(shù)字X射線成像系統(tǒng)的調(diào)制傳遞函數(shù)精確測量方法，包括放置脂肪仿體，采集多幅圖像，并計(jì)算系統(tǒng)整體噪聲的噪聲功率譜；放置用于覆蓋探測器的鉛板，采集多幅圖像并計(jì)算系統(tǒng)的電子噪聲功率譜；放置線對卡，采集多幅圖像，將各個(gè)圖像疊加平均，得到線對卡平均圖像；通過線對卡平均圖像獲取強(qiáng)度剖面圖，計(jì)算線對卡整數(shù)空間頻率對應(yīng)的MTF值；利用線性回歸方法，計(jì)算噪聲功率譜與調(diào)制傳遞函數(shù)相關(guān)系數(shù)η，得到成像系統(tǒng)空間頻率范圍下的MTF變化曲線。本發(fā)明能夠?qū)崿F(xiàn)數(shù)字X射線成像系統(tǒng)的調(diào)制傳遞函數(shù)的準(zhǔn)確測量，為進(jìn)一步全面評估放射成像系統(tǒng)性能提供有力條件。
文檔編號(hào)G01M99/00GK102204828SQ201110126080
公開日2011年10月5日 申請日期2011年5月13日 優(yōu)先權(quán)日2011年5月13日
發(fā)明者周仲興, 張力新, 趙會(huì)娟, 高峰 申請人:天津大學(xué)