Детективная квантовая эффективность - Detective quantum efficiency

В детективная квантовая эффективность (часто сокращенно DQE) - это мера комбинированного воздействия сигнала (связанного с контрастом изображения) и шумовых характеристик системы формирования изображения, обычно выражаемая как функция пространственная частота. Это значение используется в основном для описания детекторов изображения в оптическое изображение и медицинская рентгенография.

В медицинская рентгенография, DQE описывает, насколько эффективно рентгеновская система визуализации может создавать изображение с высоким соотношение сигнал шум (SNR ) относительно идеального детектора. Иногда его рассматривают как суррогатную меру радиации. эффективность дозы детектора, поскольку необходимое облучение пациента (и, следовательно, биологический риск от этого радиационного облучения) уменьшается по мере увеличения DQE для того же изображения SNR и условия воздействия.

DQE также является важным фактором для ПЗС-матрицы, особенно те, которые используются для низкоуровневой визуализации в свет и электрон микроскопия, потому что это влияет на SNR изображений. Он также похож на коэффициент шума используется для описания некоторых электронных устройств. Концепция была распространена на химические сенсоры,^[1] в этом случае альтернативный термин обнаруживаемость^[2] более уместно.

История

Начиная с 1940-х годов возник большой научный интерес к классификации сигнал и шум работа различных оптических детекторов, таких как телекамеры и фотопроводящие устройства. Было показано, например, что качество изображения ограничено количеством квантов, используемых для создания изображения. В квантовая эффективность детектора является основным показателем производительности, поскольку он описывает долю падающих квантов, которые взаимодействуют и, следовательно, влияют на качество изображения. Однако другие физические процессы также могут ухудшить качество изображения, и в 1946 г. Альберт Роуз^[3] предложил концепцию полезная квантовая эффективность или же эквивалентная квантовая эффективность для описания производительности тех систем, которые мы теперь называем детектив квантовая эффективность. Ранние обзоры важности и применения DQE были даны Цвейгом.^[4] и Джонс.^[5]

DQE был представлен сообществу специалистов по медицинской визуализации Шоу.^[6][7] для описания рентгена киноэкран системы. Он показал, как качество изображения с помощью этих систем (в терминах отношения сигнал / шум) может быть выражено в единицах квантов, эквивалентных шуму (NEQ). NEQ описывает минимальное количество квантов рентгеновского излучения, необходимое для получения заданного SNR. Таким образом, NEQ является мерой качества изображения и в самом фундаментальном смысле описывает, сколько рентгеновских квантов в изображении. стоит. Он также имеет важное физическое значение, поскольку описывает, насколько хорошо низкоконтрастная структура может быть обнаружена на однородном ограниченном шумом изображении с помощью идеальный наблюдатель что является показателем того, что может визуализировать человек-наблюдатель в определенных условиях.^[8][9] Если мы также знаем, сколько квантов рентгеновского излучения было использовано для создания изображения (количество квантов рентгеновского излучения, падающих на детектор), q, мы знаем Стоимость изображения по количеству рентгеновских квантов. DQE - это соотношение изображения стоит к чему это Стоимость с точки зрения количества Распределенный по Пуассону кванты:

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

В этом смысле DQE описывает, насколько эффективно система визуализации захватывает информацию, доступную в рентгеновском изображении, по сравнению с идеальным детектором. Это критически важно для рентгеновской медицинской визуализации, поскольку это говорит нам о том, что облучение пациентов может быть минимальным только в том случае, если DQE будет максимально приближен к единице. По этой причине DQE широко признан в регулирующих, коммерческих, научных и медицинских кругах как фундаментальный критерий производительности детектора.

Определение

DQE обычно выражается в терминах Фурье -основан пространственные частоты в качестве:^[10]

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

где ты пространственная частота переменная в циклах на миллиметр, q - плотность падающих квантов рентгеновского излучения в квантах на квадратный миллиметр, G - коэффициент усиления системы, относящийся к q к выходному сигналу для линейного детектора с коррекцией смещения, T (u) - системная модуляция передаточная функция, 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 линейная и инвариантная во времени теория систем но заменяя инвариантность во времени инвариантностью пространственного сдвига) с участием стационарный в широком смысле или же циклостационарный в широком смысле шумовые процессы. DQE часто можно смоделировать теоретически для конкретных систем визуализации с использованием теории каскадных линейных систем.^[11]

DQE часто выражается в альтернативных формах, которые эквивалентны, если правильно интерпретировать термины. Например, квадрат отношения сигнал / шум падающего пуассоновского распределения q квантов на квадратный миллиметр определяется выражением

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

и изображение, соответствующее этому входу, дается выражением

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

что привело к популярной интерпретации DQE как равного отношению квадрата выходного SNR к квадрату входного SNR:

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

Это соотношение верно только в том случае, если на входе имеется равномерное распределение Пуассона квантов изображения, а сигнал и шум определены правильно.

Измерение DQE

Отчет Международной электротехнической комиссии (IEC 62220-1)^[12] был разработан с целью стандартизации методов и алгоритмов, необходимых для измерения DQE цифровых рентгеновских систем.

Преимущества высокого DQE

Это сочетание очень низкого уровня шума и превосходной контрастности, которое позволяет некоторым цифровым рентгеновским системам предлагать такие значительные улучшения в обнаруживаемости малоконтрастных объектов - качество, которое лучше всего определяется одним параметром, DQE. Как один эксперт по медицинской физике^{[ВОЗ? ]} недавно сообщил^{[когда? ]}, DQE стал де-факто эталоном для сравнения существующих и новых технологий детекторов рентгеновского излучения.

DQE особенно влияет на способность видеть маленькие малоконтрастные объекты. Фактически, во многих ситуациях визуализации более важно обнаружение мелких объектов, чем ограничение пространственного разрешения (LSR) - параметр, традиционно используемый для определения того, насколько малый объект можно визуализировать. Даже если цифровая система имеет очень высокий LSR, она не может воспользоваться преимуществом разрешения, если у нее низкий DQE, который предотвращает обнаружение очень маленьких объектов.

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

Снижение дозы облучения - еще одно потенциальное преимущество цифровой рентгеновской технологии; и высокий DQE должен внести значительный вклад в это уравнение. По сравнению с пленкой / отображением на экране цифровой детектор с высоким DQE может обеспечить значительное улучшение обнаруживаемости объектов при эквивалентной дозе или обеспечить обнаруживаемость объектов, сравнимую с пленкой при пониженной дозе.

Не менее важно, что высокий DQE обеспечивает необходимую основу для передовых цифровых приложений - например, двухэнергетической визуализации, томосинтеза и низких доз флюоресцентного излучения. В сочетании с передовыми алгоритмами обработки изображений и возможностью быстрого сбора и считывания данных, высокий DQE является ключом к тому, чтобы такие приложения, как эти, стали клинически практичными в ближайшие годы.

Рекомендации

1. С. Мангани и Дж. Дж. Рамсден, Эффективность химических детекторов, J Biol Phys Chem 3: 11-17, 2003
2. R.C. Джонс, Детективность: величина, обратная шумовому эквивалентному входному излучению, Nature (London) 170: 937-938, 1952.
3. А. Роуз, Единый подход к воспроизведению фотопленки, телевизионных приемных трубок и человеческого глаза, J Soc Motion Pict Telev Eng 47: 273-294, 1946.
4. Х. Дж. Цвейг, Критерии эффективности фотодетекторов - концепции в развитии, Photogr Sci Engng 8: 305-311, 1964
5. R.C. Джонс, Scientific American 219: 110, 1968 г.
6. Р. Шоу, Эквивалентная квантовая эффективность фотографического процесса, J Photogr Sci 11: 199-204, 1963
7. Дж. К. Дейнти и Р. Шоу, Image Science, Academic Press, Нью-Йорк, 1974
8. Х. Х. Барретт, Дж. Яо, Дж. П. Роллан, К. Дж. Майерс, Модельные наблюдатели для оценки качества изображения, Proc Natl Acad Sci USA 90: 9758-9765, 1993
9. Медицинская визуализация - Оценка качества изображения, Int Comm Rad Units and Measures, Отчет 54 ICRU, 1995 г.
10. Я. Каннингем, Прикладная теория линейных систем, в Справочнике по медицинской визуализации: Том 1, физика и психофизика, Эд Дж. Бейтель, Х. Л. Кундель и Р. Ван Меттер, SPIE Press, 2000.
11. Я. Каннингем и Р. Шоу, Оптимизация отношения сигнал-шум в медицинских системах визуализации, J Opt Soc Am A 16: 621-632, 1999
12. Характеристики устройств цифровой рентгеновской визуализации - Часть 1: Определение детективной квантовой эффективности, Отчет Международной электротехнической комиссии IEC 62220-1, 2003 г.

внешняя ссылка

• [1], Что такое детективная квантовая эффективность?
• [2], Детектив квантовой эффективности
• [3], DQE - упрощенный вид