Квантовая эффективность обнаружения (часто сокращенно DQE ) является мерой комбинированных эффектов сигнала (связанного с контрастностью изображения) и шумовых характеристик системы визуализации, обычно выражаемых как функция пространственной частоты . Это значение используется в основном для описания детекторов изображений в оптической визуализации и медицинской радиографии .
В медицинской радиографии DQE описывает, насколько эффективно система рентгеновской визуализации может создавать изображение с высоким отношением сигнал/шум ( SNR ) по сравнению с идеальным детектором. Иногда его рассматривают как суррогатную меру эффективности дозы облучения детектора, поскольку требуемое воздействие радиации на пациента (и, следовательно, биологический риск от этого воздействия радиации) уменьшается по мере увеличения DQE для того же изображения SNR и условий облучения.
DQE также является важным фактором для ПЗС , особенно тех, которые используются для низкоуровневой визуализации в световой и электронной микроскопии , поскольку он влияет на SNR изображений. Он также похож на фактор шума, используемый для описания некоторых электронных устройств. Эта концепция была распространена на химические датчики [1] , в этом случае более уместен альтернативный термин обнаружительная способность [2] .
Начиная с 1940-х годов существовал большой научный интерес к классификации характеристик сигнала и шума различных оптических детекторов, таких как телевизионные камеры и фотопроводящие устройства. Например, было показано, что качество изображения ограничено числом 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 [3] предложил концепцию полезной квантовой эффективности или эквивалентной квантовой эффективности для описания производительности этих систем, которую мы теперь называем квантовой эффективностью детектора . Ранние обзоры важности и применения DQE были даны Цвейгом [4] и Джонсом. [5]
DQE был представлен сообществу медицинской визуализации Шоу [6] [7] для описания систем рентгеновской пленки-экрана . Он показал, как качество изображения с этими системами (с точки зрения отношения сигнал/шум) может быть выражено в терминах эквивалентных шуму квантов (NEQ). NEQ описывает минимальное количество рентгеновских квантов, необходимых для получения определенного SNR . Таким образом, NEQ является мерой качества изображения и, в самом фундаментальном смысле, описывает, сколько рентгеновских квантов стоит изображение . Он также имеет важное физическое значение, поскольку описывает, насколько хорошо низкоконтрастная структура может быть обнаружена идеальным наблюдателем на однородном изображении с ограниченным шумом , что является показателем того, что может быть визуализировано человеком-наблюдателем при определенных условиях. [8] [9] Если мы также знаем, сколько рентгеновских квантов было использовано для создания изображения (число рентгеновских квантов, падающих на детектор), q, мы знаем стоимость изображения в терминах числа рентгеновских квантов. DQE — это отношение того, что стоит изображение, к тому, что оно стоило в терминах числа распределенных по Пуассону квантов:
В этом смысле DQE описывает, насколько эффективно система визуализации фиксирует информационное содержание, доступное в рентгеновском изображении, относительно идеального детектора. Это критически важно в рентгеновской медицинской визуализации, поскольку это говорит нам, что воздействие радиации на пациентов может быть сохранено на минимально возможном уровне, только если DQE максимально приближен к единице. По этой причине DQE широко принят в регулирующих, коммерческих, научных и медицинских сообществах как фундаментальная мера производительности детектора.
DQE обычно выражается в терминах пространственных частот на основе Фурье следующим образом: [10]
где u — пространственная частота в циклах на миллиметр, q — плотность падающих рентгеновских квантов в квантах на квадратный миллиметр, G — системное усиление, связывающее q с выходным сигналом для линейного и скорректированного по смещению детектора, T(u) — функция передачи модуляции системы, а W(u) — спектр мощности шума Винера изображения, соответствующий q. Поскольку это метод анализа на основе Фурье, он действителен только для линейных и инвариантных к сдвигу систем визуализации (аналогично линейной и инвариантной по времени теории систем, но заменяющей инвариантность по времени на инвариантность к пространственному сдвигу), включающих стационарные в широком смысле или циклостационарные в широком смысле шумовые процессы. DQE часто можно теоретически смоделировать для конкретных систем визуализации с использованием каскадной теории линейных систем. [11]
DQE часто выражается в альтернативных формах, которые эквивалентны, если правильно интерпретировать термины. Например, квадрат SNR распределения Пуассона q квантов на квадратный миллиметр задается как
а изображение, соответствующее этому входу, определяется как
в результате чего общепринятая интерпретация DQE оказывается равной отношению квадрата выходного SNR к квадрату входного SNR:
Эта связь верна только в том случае, если входные данные представляют собой равномерное пуассоновское распределение квантов изображения, а сигнал и шум определены правильно.
Отчет Международной электротехнической комиссии (IEC 62220-1) [12] был разработан с целью стандартизации методов и алгоритмов, необходимых для измерения DQE цифровых рентгеновских систем визуализации.
Именно сочетание очень низкого уровня шума и превосходной контрастности позволяет некоторым цифровым рентгеновским системам предлагать столь значительные улучшения в обнаружении малоконтрастных объектов — качество, которое лучше всего количественно определяется одним параметром — DQE. DQE стал фактическим эталоном в сравнении существующих и новых технологий рентгеновских детекторов. [13]
DQE особенно влияет на способность видеть мелкие, малоконтрастные объекты. Фактически, во многих ситуациях визуализации он более важен для обнаружения мелких объектов, чем ограничение пространственного разрешения (LSR) — параметра, традиционно используемого для определения того, насколько мал объект, который можно визуализировать. Даже если цифровая система имеет очень высокое LSR, она не может воспользоваться разрешением, если у нее низкое DQE, что препятствует обнаружению очень мелких объектов.
Исследование, сравнивающее пленку/экран и цифровые изображения, показывает, что цифровая система с высоким DQE может улучшить способность обнаруживать мелкие, малоконтрастные объекты, даже если цифровая система может иметь существенно более низкое предельное пространственное разрешение (LSR), чем пленка.
Снижение дозы облучения является еще одним потенциальным преимуществом цифровой рентгеновской технологии; и высокий DQE должен внести значительный вклад в это уравнение. По сравнению с пленкой/экраном, цифровой детектор с высоким DQE имеет потенциал для обеспечения значительного улучшения обнаруживаемости объектов при эквивалентной дозе или для обеспечения обнаруживаемости объектов, сравнимой с пленкой при сниженной дозе.
Не менее важно, что высокий DQE обеспечивает необходимую основу для современных цифровых приложений, например, двухэнергетической визуализации, томосинтеза и низкодозной флюорографии. В сочетании с передовыми алгоритмами обработки изображений и возможностью быстрого получения и считывания данных, высокий DQE является ключом к тому, чтобы сделать такие приложения клинически практичными в ближайшие годы.
