Детектив квантовая эффективность

Детективная квантовая эффективность (часто сокращенно DQE ) представляет собой меру совокупного воздействия сигнала (связанного с контрастностью изображения) и шумовых характеристик системы формирования изображения, обычно выражаемую как функция пространственной частоты . Это значение используется в первую очередь для описания детекторов визуализации в оптической визуализации и медицинской радиографии .

В медицинской рентгенографии DQE описывает, насколько эффективно система рентгеновской визуализации может создавать изображение с высоким соотношением сигнал/шум ( SNR ) по сравнению с идеальным детектором. Иногда его рассматривают как суррогатную меру эффективности дозы облучения детектора, поскольку необходимое радиационное воздействие на пациента (и, следовательно, биологический риск от этого радиационного воздействия) уменьшается по мере увеличения DQE для того же отношения сигнал/шум изображения и условий облучения. .

DQE также является важным фактором для ПЗС-матриц , особенно тех, которые используются для формирования изображений низкого уровня в световой и электронной микроскопии , поскольку он влияет на соотношение сигнал/шум изображений. Он также похож на коэффициент шума, используемый для описания некоторых электронных устройств. Эта концепция была распространена на химические датчики, в этом случае альтернативный термин детективность является более подходящим.

История

Начиная с 1940-х годов, появился 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 долю падающих квантов, которые взаимодействуют и, следовательно, влияют на качество изображения. Однако другие физические процессы также могут ухудшать качество изображения, и в 1946 году Альберт Роуз предложил концепцию полезной квантовой эффективности или эквивалентной квантовой эффективности для описания производительности этих систем, которую мы теперь называем детективной квантовой эффективностью . Первые обзоры важности и применения DQE были даны Цвейгом. и Джонс.

DQE был представлен сообществу специалистов по медицинской визуализации Шоу. за описание рентгеновских пленочно-экранных систем. Он показал, как качество изображения с помощью этих систем (с точки зрения отношения сигнал/шум) может быть выражено через кванты, эквивалентные шуму (NEQ). NEQ описывает минимальное количество рентгеновских квантов, необходимое для получения определенного отношения сигнал/шум . Таким образом, NEQ является мерой качества изображения и, в очень фундаментальном смысле, описывает, сколько рентгеновских квантов стоит в изображении . может обнаружить низкоконтрастную структуру на однородном изображении с ограниченным шумом Он также имеет важный физический смысл, поскольку описывает, насколько хорошо идеальный наблюдатель , что является показателем того, что может визуализировать человек-наблюдатель в определенных условиях. Если мы также знаем, сколько рентгеновских квантов было использовано для создания изображения (количество рентгеновских квантов, попавших на детектор), q, мы знаем стоимость изображения в единицах количества рентгеновских квантов. изображения DQE — это отношение стоимости к его стоимости, выраженное в количестве квантов , распределенных по Пуассону :

$\mathrm {DQE} ={\frac {\mathrm {NEQ} }{q}}$.

В этом смысле DQE описывает, насколько эффективно система визуализации фиксирует информационное содержание, доступное в рентгеновском изображении, по сравнению с идеальным детектором. Это критически важно для рентгеновской медицинской визуализации, поскольку говорит нам о том, что радиационное воздействие на пациентов можно поддерживать на минимально возможном уровне только в том случае, если DQE максимально приближен к единице. По этой причине DQE широко принят в регулирующих, коммерческих, научных и медицинских кругах как фундаментальный показатель эффективности детектора.

Определение

DQE обычно выражается через Фурье на основе пространственные частоты следующим образом:

$\mathrm {DQE} (u)={\frac {\mathrm {NEQ} (u)}{q}}={\frac {qG^{2}\mathrm {T^{2}} (u)}{\mathrm {W} (u)}}$

где u — переменная пространственной частоты, выраженная в циклах на миллиметр, q — плотность падающих квантов рентгеновского излучения, выраженная в квантах на квадратный миллиметр, G — коэффициент усиления системы, относящийся к q к выходному сигналу для линейного детектора с коррекцией смещения, T( u) — передаточная функция системной модуляции, а W(u) — спектр мощности винеровского шума изображения, соответствующий q. Поскольку это метод анализа, основанный на Фурье, он применим только для линейных и инвариантных к сдвигу систем визуализации (аналогично линейной и инвариантной ко времени теории систем, но заменяющей временную инвариантность инвариантностью к пространственному сдвигу), включающих стационарные или широкие -чувствовать циклостационарные шумовые процессы. DQE часто можно смоделировать теоретически для конкретных систем визуализации с использованием теории каскадных линейных систем.

DQE часто выражается в альтернативных формах, которые эквивалентны, если внимательно интерпретировать термины. Например, квадрат SNR падающего распределения Пуассона q-квантов на квадратный миллиметр определяется выражением

$\mathrm {SNR} _{\text{in}}^{2}(u)=q$

а изображение, соответствующее этому входу, определяется выражением

$\mathrm {SNR} _{\text{out}}^{2}(u)={\frac {q^{2}G^{2}\mathrm {T} ^{2}(u)}{\mathrm {W} (u)}}$

в результате чего популярная интерпретация DQE равна отношению квадрата выходного SNR к квадрату входного SNR:

$\mathrm {DQE} (u)={\frac {\mathrm {SNR} _{\text{out}}^{2}(u)}{\mathrm {SNR} _{\text{in}}^{2}(u)}}.$

Это соотношение верно только в том случае, если входные данные представляют собой равномерное распределение Пуассона квантов изображения, а сигнал и шум определены правильно.

Измерение DQE

Отчет Международной электротехнической комиссии (IEC 62220-1) был разработан с целью стандартизировать методы и алгоритмы, необходимые для измерения DQE цифровых систем рентгеновской визуализации.

Преимущества высокого DQE

Именно сочетание очень низкого уровня шума и превосходной контрастности позволяет некоторым цифровым рентгеновским системам обеспечивать такие значительные улучшения в обнаружении объектов с низкой контрастностью – качество, которое лучше всего количественно оценить с помощью одного параметра, DQE. DQE стал де-факто эталоном при сравнении существующих и новых технологий детекторов рентгеновского излучения.

DQE особенно влияет на способность рассматривать маленькие, малоконтрастные объекты. Фактически, во многих ситуациях с визуализацией более важно обнаруживать небольшие объекты, чем ограничение пространственного разрешения (LSR) — параметра, традиционно используемого для определения того, насколько маленький объект можно визуализировать. Даже если цифровая система имеет очень высокий LSR, она не сможет воспользоваться преимуществами разрешения, если у нее низкий DQE, что предотвращает обнаружение очень маленьких объектов.

Исследование, сравнивающее пленку/экран и цифровое изображение, показывает, что цифровая система с высоким DQE может улучшить способность обнаруживать небольшие, малоконтрастные объекты – даже несмотря на то, что цифровая система может иметь значительно более низкое предельное пространственное разрешение (LSR), чем пленка.

Снижение дозы радиации — еще одно потенциальное преимущество цифровой рентгеновской технологии; и высокий DQE должен внести существенный вклад в это уравнение. По сравнению с изображением на пленке/экране цифровой детектор с высоким DQE потенциально может обеспечить значительное улучшение обнаруживаемости объектов при эквивалентной дозе или обеспечить обнаружение объектов, сравнимое с детектором на пленке при пониженной дозе.

Не менее важно и то, что высокий DQE обеспечивает необходимую основу для передовых цифровых приложений — например, двухэнергетической визуализации, томосинтеза и низкодозной флюорографии. В сочетании с передовыми алгоритмами обработки изображений и возможностью быстрого получения и считывания высокий DQE является ключом к тому, чтобы такие приложения стали клинически практичными в ближайшие годы.

Внешние ссылки

• Что такое детективная квантовая эффективность?
• Детектив Квантовая эффективность
• DQE: упрощенный взгляд