数字X射线成像系统的调制传递函数精确测量方法技术方案

本发明专利技术属于生物医学工程及计算机领域，涉及一种数字X射线成像系统的调制传递函数精确测量方法，包括：放置脂肪仿体，采集多幅图像，并计算系统整体噪声的噪声功率谱；放置用于覆盖探测器的铅板，采集多幅图像并计算系统的电子噪声功率谱；放置线对卡，采集多幅图像，将各个图像叠加平均，得到线对卡平均图像；通过线对卡平均图像获取强度剖面图，计算线对卡整数空间频率对应的MTF值；利用线性回归方法，计算噪声功率谱与调制传递函数相关系数η，得到成像系统空间频率范围下的MTF变化曲线。本发明专利技术能够实现数字X射线成像系统的调制传递函数的准确测量，为进一步全面评估放射成像系统性能提供有力条件。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于生物医学工程及计算机领域，涉及一种数字X射线成像系统的调制传递函数测量方法。
技术介绍
调制传递函数(Modulation Transfer Function，MTF)是调制度的传递函数，是对线性影像系统空间频率传输特性的定量描述，是影像评价方法中的重要进展。此前普遍使用定性描述指标，例如影像密度、对比度、清晰度、分辨率及失真度等来评价成像系统的影像质量，但其结果受个人主观因素影响大。近年来随数字化X射线成像技术迅速发展，MTF 作为客观指标已成为放射成像工作者和研究者所关注的重要影像评价手段。同时，MTF也是获得成像系统探测量子效率的必须参数。要定量地评价数字X射线成像系统的固有成像质量，只需计算不受个人主观因素影响的系统固有预采样MTF。实际中系统MTF常由以下三种扩散函数来计算点扩散函数、 线扩散函数和边缘响应函数，它们分别描述经成像系统后点、线和边缘弥散程度，能够间接地反映系统成像能力。目前测量MTF的方法中，线对卡方法可以获得高精度的MTF值，但是线对卡方法只能提供有限几个整数空间频率位置的MTF值，无法实现系统传递函数的全面评估。为了获取成像系统空间频率范围下的MTF变化曲线，一般常用的测量方法包括狭缝法和刀口法， 狭缝法(Slit Camera)和刀口法(Edge)已被国际放射学会公认为是获得MTF的较好方法， 日本将狭缝法定义成测量MTF的标准方法，刀口法也已被国际电气技术委员会(IEC)指定为测量系统MTF的标准方法。将通过狭缝法和刀口法所获得的同一系统下不同MTF曲线进行比较时，可知前者在高频域有较高信噪比，而后者在低频域有较高信噪比。通过狭缝法获得的系统MTF精确，且操作简便、方法成熟。但因其加工难度高(狭缝宽度小于等于10微米，误差在1微米内)，导致在实际应用中此法较难被推广。由于刀口法测量仪器自加工相对容易，在科研实验和常规检测中使用较为广泛。采用刀口法可以获得金属模块刀口的边缘响应函数(Edge Response Function, ERF)，它反映了经成像系统后边缘弥散程度，ERF的导数为线扩展函数(Line Spread Function, LSF)，再经过傅立叶变换即可获得系统MTF，目前大部分关于MTF的研究都是基于刀口法技术展开的。但至今为止，刀口法在MTF测量准确性方面仍然存在较大问题，大量研究者在相关研究工作中指出MTF测量有如下几方面问题刀口倾斜角度测量误差，噪声影响，散射影响，剖面对准误差，截尾误差等。这些由于刀口加工精度、测量方法精度以及测量人员经验差异等因素造成MTF测量难度大，测量稳定性和测量精度较差。因此，探索一种更有效的MTF测量方法，避免当前刀口法测量方法引入的测量问题，准确实现数字X射线成像系统的调制传递函数特性评估，已经成为成像系统性能评估的研究重点，这对于成像系统的发展应用具有十分重要的意义。
技术实现思路
本专利技术的主旨是针对数字X射线成像系统性能评估中，采用刀口法测量调制传递函数面临的刀口加工精度、测量方法精度以及测量人员经验差异等因素造成的调制传递函数测量误差问题，提出一种数字X射线成像系统的调制传递函数精确测量新方法，实现数字X射线成像系统的调制传递函数的准确测量，为进一步全面评估放射成像系统性能提供有力条件。本专利技术的技术方案如下一种数字X射线成像系统的调制传递函数精确测量方法，包括下列步骤1)放置脂肪仿体，采集多幅图像；2)计算系统整体噪声的噪声功率谱；3)放置用于覆盖探测器的铅板，采集多幅图像；4)计算系统的电子噪声功率谱；5)放置线对卡，采集多幅图像，将各个图像叠加平均，得到线对卡平均图像；6)通过线对卡平均图像获取强度剖面图，计算线对卡整数空间频率对应的MTF 值；7)根据线对卡整数空间频率对应的MTF值、系统整体噪声的噪声功率谱以及系统电子噪声功率谱，利用线性回归方法，计算噪声功率谱与调制传递函数相关系数η ；8)根据获取的噪声功率谱与调制传递函数相关系数η、系统整体噪声的噪声功率谱以及系统电子噪声功率谱，获取成像系统空间频率范围下的MTF变化曲线。上述方法的步骤7)，可以采用下列公式计算噪声功率谱与调制传递函数相关系数 n NPS(M,v)=/7MTFd2et(M,v)+ NPSelectromc(u,v)，式中，NPS(u, ν)为系统整体噪声的噪声功率值，NPSelectronic(u, ν)为系统的电子噪声功率值，U和V分别代表横向及纵向的空间频率。本专利技术提出基于线性级联模型的调制传递函数测量新方法，通过准确获取的系统噪声以及线对卡方法获取的整数空间频率位置的调制传递函数值，获取噪声与调制传递函数关系系数，从而以系统噪声为突破点，实现调制传递函数的准确测量。在进行数字X射线成像系统的调制传递函数测量时，通过本专利技术的基于线性级联系统模型的MTF测量方法， 以精确测量系统噪声为突破点，可以获得准确的MTF曲线，从而避免刀口法测量的一系列系统误差以及测量人员经验因素等方面对MTF测量精度的影响。本专利技术的应用，将为准确测量系统调制传递函数，有效评估放射成像系统性能，深入开展放射影像学临床实践和研究提供有力支持。附图说明图1.线对卡方法测量MTF(a)为线对卡图像，(b)为线对卡强度剖面。图2.刀口法及线对卡方法测量MTF结果对比图。图3.系统整体噪声、电子噪声及两者差值-量子噪声的噪声功率谱。图4.线性回归获取噪声功率谱与调制传递函数相关系数η曲线图。图5.刀口法，线对卡法与本专利技术基于级联模型测量MTF的结果对比。具体实施例方式下面结合测量原理、附图和实施例对本专利技术做进一步说明。数字X射线成像系统从理论上属于线性级联系统(Cascaded Linear System)，因此，按照级联系统理论，系统的量子检测效率(Detective Quantum Efficiency, DQE)可以定义如下DQE(u, ν) = φ2 (μ, v)/NPS total (u, v)q0(1)这里φ2( !，ν)是级联系统最终输出信号的频率响应。线性级联系统理论假设系统响应空间性一致，NPSt。tal(u，v)因此只包括电子噪声和量子噪声，不包括结构噪声。是单位辐射剂量下的平均X射线光子数，u和ν分别代表横向及纵向的空间频率。而在通常情况下，对于X射线数字成像系统，DQE —般定义为输出信噪比平方与输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>这里的S (O)是探测器单位像素的平均强度值，MTFd26t (μ, ν)是探测器的调制传递函数，NPS (u, ν)是系统的量子噪声，N是每平方毫米的X射线光子数。由公式(1)及公式⑵可以推导出NPS(M,v)=/7MTFd2et(M,v)+ NPS electromc(u,v)(3)这里的η是由探测器以及入射X射线性质共同决定的比例系数，NPS (u, ν)是系统的量子噪声，NPSelectronic(u, ν)为电子噪声。因此，如果我们能够准确获取量子噪声及电子噪声，再根据线对卡方法在几个整数频率位置的MTF值，本文档来自技高网...

【技术保护点】
１．数字Ｘ射线成像系统的调制传递函数精确测量方法，包括下列步骤：１）放置脂肪仿体，采集多幅图像；２）计算系统整体噪声的噪声功率谱；３）放置用于覆盖探测器的铅板，采集多幅图像；４）计算系统的电子噪声功率谱；５）放置线对卡，采集多幅图像，将各个图像叠加平均，得到线对卡平均图像；６）通过线对卡平均图像获取强度剖面图，计算线对卡整数空间频率对应的ＭＴＦ值；７）根据线对卡整数空间频率对应的ＭＴＦ值、系统整体噪声的噪声功率谱以及系统电子噪声功率谱，利用线性回归方法，计算噪声功率谱与调制传递函数相关系数η；８）根据获取的噪声功率谱与调制传递函数相关系数η、系统整体噪声的噪声功率谱以及系统电子噪声功率谱，获取成像系统空间频率范围下的ＭＴＦ变化曲线。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：周仲兴，高峰，赵会娟，张力新，
申请(专利权)人：天津大学，
类型：发明
国别省市：12