像质量及评价医学影像技术ppt

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,*,1,章,X,线影像质量及评价,四川 雅安职业技术学院医学系 李锡忠,2,本章学习目标,一、掌握内容,X,线影像质量评价的概念；主观评价、客观评价及综合评价的概念,及,常用参数。,ROC,曲线的概念、基本原理、,ROC,曲线的制作。,二、熟悉内容,X,线影像质量评价的发展过程及发展趋势。信号与系统的概念。,三、了解内容,已淘汰的评价参数。国内外新进展。,四川 雅安职业技术学院医学系 李锡忠,3,本章所属章节,第一节,X,线影像质量评价概述,第二节 成像系统的特性参数,第三节,ROC,及其应用,四川 雅安职业技术学院医学系 李锡忠,4,第一节,X,线影像质量评价概述,X,线发现,100,多年来，从传统的屏,-,片,X,线系统到新型的数字,X,线成像设备，各种模拟和数字的医学成像系统在临床上得到了广泛的应用，还有许多的新系统在研制中。医学成像系统是一个复杂的系统，从信号（,X,线）输入到最后医生观察解释的影像输出，整个过程涉及许多物理过程。,四川 雅安职业技术学院医学系 李锡忠,5,影像质量评价这一新的研究领域。,总结起来，主要的评价方法可分为,主观评价法（观察者性能）,客观评价法（物理参数法）,二者相结合的综合评价法。,早期的评价主要是对,X,线照片。近年来对数字成像系统的成像性能和数字影像显示、打印设备的质量评价已成为国际上研究的热点。,四川 雅安职业技术学院医学系 李锡忠,6,主观方法 客观方法 观察者,/,诊断效能,分辨力 （,MTF,） 观察者偏好,对比度,-,细节图 噪声 解剖的质量标准,物理参数主观 信噪比 视觉分级析,视觉区别力 量子检出效率,ROC,和相关方法,照片对比度 诊断和治疗效果,剂量质量,诊断成像质量评价的方法,四川 雅安职业技术学院医学系 李锡忠,7,一、主观评价法,影像质量的主观评价，即依靠观察者（评价者）的主观判断进行的评价，其评价结果受人（观察者）的因素影响，不同的观察者得到的结果可能不尽相同，甚至差别迥异，因而是不全面的。,四川 雅安职业技术学院医学系 李锡忠,8,1,对比度清晰度曲线图法 特点是以人的视觉能分辨的影像细节评价影像质量，属于该类的还有解像力法等。,2,模糊数学评价法 是随模糊数学的出现而发展起来的评价方法。,四川 雅安职业技术学院医学系 李锡忠,9,3. ROC,曲线法,受试者操作特性曲线，是一种基于统计决策理论的评价方法。,现在,ROC,曲线分析已成为一种广泛使用的评价分析方法。,还有高对比度极限分辨力和阈值对比度细节检出力等参数。,四川 雅安职业技术学院医学系 李锡忠,10,二、客观评价法,所谓客观评价，就是用测定构成影像的一些物理属性（参数）评价影像质量的方法。,四川 雅安职业技术学院医学系 李锡忠,11,1,RMS,、,WS,均方根值和维纳频谱是描述,X,线照片斑点（噪声）特征的物理量。,2,调制传递函数 调制传递函数（,modulation transfer function,，,MTF,）,MTF,是描述成像系统分辨力特性的重要参量。,四川 雅安职业技术学院医学系 李锡忠,12,3,NEQ,、,DQE,噪声等价量子数和量子检出效率,是,20,世纪,60,年代用于评价天体物理摄影系统成像质量的物理量，,20,世纪,70,年代进入医学影像领域。,还有信,-,噪比（,SNR,）和特性曲线等。,四川 雅安职业技术学院医学系 李锡忠,13,三、综合评价,实际应用中，对医学影像的质量评价既可以用主观的方法也可以用客观（物理）的方法。,在放射质量保证（,quality assurance,，,QA,）中，主观评价因其固有的简单易行在临床中得到了较广泛应用，而许多测试条件严格的客观方法也逐渐被接受。,客观（物理）的方法往往有大量复杂的数学运算，应用曾一度受到限制，随着计算机技术的不断发展，这一问题已逐渐解决，大量的客观（物理）方法进入临床应用。,四川 雅安职业技术学院医学系 李锡忠,14,所谓综合评价，按照,QA,和放射质量控制（,QC,）的术语可叙述为：以诊断要求为依据，用物理参量作为客观评价手段，以成像的技术条件作保证，三者有机结合，而且注意尽量减少病人受检剂量的综合评价影像质量的方法 。,四川 雅安职业技术学院医学系 李锡忠,15,第二节 成像系统的特性参数,一、,输入输出特性,1,点扩散函数 点扩散函数（,point spread function,，,PSF,）是描述成像系统特性的函数。,如果测量小孔像面上每一点的亮度，就会发现，像面上的亮度分布不均匀，中心高，周边低。也就是说小孔像的亮度在像面上发生了扩散，正如在疏松的纸上写字时墨水会湮开一样，这种现象称为点扩散,。,四川 雅安职业技术学院医学系 李锡忠,16,点光源的亮度分布,四川 雅安职业技术学院医学系 李锡忠,17,PSF,的立体分布示意图,四川 雅安职业技术学院医学系 李锡忠,18,2,线扩散函数,线扩散函数（,LSF,）,及,PSF,相似。实际情况是狭缝像的亮度分布不均匀，沿垂直狭缝方向中心亮度高，向两侧逐渐减小。这种现象称为线扩散。,四川 雅安职业技术学院医学系 李锡忠,19,线扩散的亮度分布剖面,四川 雅安职业技术学院医学系 李锡忠,20,线扩散函数立体示意图,四川 雅安职业技术学院医学系 李锡忠,21,3,扩散对影像质量的影响,综合到最终的影像上，扩散的效应是高能量降低，低能量升高，整幅影像的对比度降低。,四川 雅安职业技术学院医学系 李锡忠,22,扩散对影像质量的影响,四川 雅安职业技术学院医学系 李锡忠,23,二、解像特性,（一）傅立叶变换,傅立叶变换是线性系统分析的一个有力工具，从某种意义上说，傅立叶变换就好比我们的第二语言。能讲两种语言的人常常会发现，在表达某种观点时，一种语言可能比另一种语言优越。对系统的分析也是一样，有时在不同的域中分析能达到好的效果。,四川 雅安职业技术学院医学系 李锡忠,24,1,周期函数,一个函数若对于一个常数,X,能满足式下式的关系，它就叫周期函数。,X,叫做周期。我们熟知的正弦函数和余弦函数都是周期函数。,四川 雅安职业技术学院医学系 李锡忠,25,2,傅立叶级数,先介绍一个名词“三角级数”。凡由无限多个正弦函数和余弦函数相加起来、具有如下式形式的级数，就叫三角级数。,四川 雅安职业技术学院医学系 李锡忠,26,若不等于,0,，而是和各个都等于,0,，这个级数就叫正弦级数。,三角级数就叫傅立叶级数,四川 雅安职业技术学院医学系 李锡忠,27,3,傅立叶变换,傅立叶变换在数学中的定义非常严格，假设函数满足傅立叶变换的条件，则其一维傅立叶变换为：,傅立叶逆变换为：,四川 雅安职业技术学院医学系 李锡忠,28,傅立叶变换的结果是一个复数表达式,下式称为的傅立叶幅度谱,四川 雅安职业技术学院医学系 李锡忠,29,4,傅立叶变换的应用：,（,1,）利用傅立叶变换可以将信号分解为对应各个空间频率的不同幅度、相位的信号，从而可以了解某个空间频率时的信号情况，进而推断系统在该空间频率的响应性能。,（,2,）作为一种分析工具，傅立叶变换在信号处理中应用也很广泛，如,CT,的图像重建、计算成像系统的,MTF,等,四川 雅安职业技术学院医学系 李锡忠,30,（二）,MTF,MTF,是成像系统分辨力特性的重要参量，描述了系统的信号传递特性。通过,MTF,可以分析系统在不同空间频率对正弦输入的响应特性。,1,空间频率和调制度,余弦函数曲线,四川 雅安职业技术学院医学系 李锡忠,31,单位空间距离内完成周期性变化的次数就是空间频率。空间频率一般可用于表示成像系统的分辨力。,矩形波测试卡,四川 雅安职业技术学院医学系 李锡忠,32,矩形波测试卡,X,线强度分布,四川 雅安职业技术学院医学系 李锡忠,33,正弦波测试卡像,四川 雅安职业技术学院医学系 李锡忠,34,2,光学传递函数,正弦波理想成像,及,实际成像,四川 雅安职业技术学院医学系 李锡忠,35,3,成像系统的,MTF,及其应用,MTF,作为描述,X,线成像系统分辨力特性的物理参数得到广泛接受。一个,X,线成像系统包括许多组成部分，如,X,线管焦点、滤线栅、屏,-,片系统等，成像时每个部分都会发生信号传递，都有可能发生幅度降低、相位偏移，都有自身的,MTF,。,四川 雅安职业技术学院医学系 李锡忠,36,极限分辨力示图,四川 雅安职业技术学院医学系 李锡忠,37,4,MTF,的测量,(1),屏,-,片系统的,MTF,：对于屏,-,片系统，系统总的,MTF,的测量需使用正弦波测试卡，因为,MTF,描述的是线性系统对正弦输入的响应。,对比度法：用矩形波测试卡测出矩形波测试卡的,MTF,，再转换为正弦波的,MTF,。,傅立叶变换法：,LSF,的傅立叶变换的绝对值就是系统的,MTF,，所以，该方法就是要求系统的,LSF,，一般用狭缝装置测量。但,LSF,很难用数学式表达，实际应用时，也要作近似计算。,四川 雅安职业技术学院医学系 李锡忠,38,（,2,）数字成像系统的,MTF,有用狭缝的，但多数是用刃边,CR的MTF：CR系统的MTF组成复杂。,四川 雅安职业技术学院医学系 李锡忠,39,狭缝放置示意图,四川 雅安职业技术学院医学系 李锡忠,40,DR的MTF：DR系统的MTF,及,CR系统类似，测试方法也相似，文献中多使用刃边（edge）设备,。,刃边放置示意图,四川 雅安职业技术学院医学系 李锡忠,41,CT的MTF：,由于CT是重建成像，故有许多因素影响CT的MTF，如X线束宽度、探测器响应、重建算法等。,测试方法也有许多报道。主要的研究有使用星卡、扫描细金属条、扫描正弦波测试卡、扫描刃边等。,四川 雅安职业技术学院医学系 李锡忠,42,其它设备的,MTF,：,其它成像设备的,MTF,测试方法,及,前述类似，一般也是用先求,PSF,或,ERF,、,LSF,，再求傅立叶变换得,MTF,的方法。,四川 雅安职业技术学院医学系 李锡忠,43,三、噪声特性,（一）噪声的概念,在日常工作中，有时，由于曝光不足或冲洗条件不好时，得到的,X,线照片上往往会有许多斑点（,mottle,），使照片看起来有“粗糙”的感觉。这些斑点是由于,X,线量子分布的空间随机性所致，现在一般称之为噪声。,所谓噪声，就是,X,线照片上,X,线量子的统计涨落。,四川 雅安职业技术学院医学系 李锡忠,44,（二）噪声的特性,描述噪声特性的物理量主要有：,RMS,、,WS,、还有已经淘汰的自相关函数（,auto-correlated function,，,ACF,）等。,1,RMS,是描述,X,线量子“统计涨落”的物理量 。,2,WS,是评价屏,-,片系统噪声特性的又一重要参量，它表示照片斑点单位长度上的能量随着空间频率变化的分布状况 。,四川 雅安职业技术学院医学系 李锡忠,45,WS,示意图,四川 雅安职业技术学院医学系 李锡忠,46,（三）影响噪声的因素,1,影响屏,-,片系统噪声的因素,（,1,）由于,X,线量子“统计涨落”形成的量子斑点。,（,2,）增感屏对,X,线量子的吸收是随机的，且增感屏荧光颗粒的分布不均匀、大小不相等，都会造成影像斑点。由此形成增感屏的结构斑点。,（,3,）,X,线胶片的感光颗粒大小不等、分布不均，形成,X,线胶片的粒状性。,四川 雅安职业技术学院医学系 李锡忠,47,2,影响数字,X,线系统噪声的主要因素,数字,X,线系统的噪声因素非常复杂，包括,X,线管、探测器、图像后处理参数等的诸多因素。除了,X,线量子噪声，还有电路系统的电子噪声等，都是影响因素。,四川 雅安职业技术学院医学系 李锡忠,48,（,四）,SNR,在,X,线成像系统中设探测到的,X,线量子数为,N,，当,X,线量子数服从,Poisson,分布时，影像上就出现随机信号涨落。,SNR,示意图,四川 雅安职业技术学院医学系 李锡忠,49,五、量子检出效率,1,DQE,虽然是较新引入的概念，,DQE,已成为客观评价探测器，尤其是现代的数字成像探测器性能的重要方法。,DQE,用对比度、噪声和分辨力的概念描述了一个成像系统如何处理输入的,X,线光子，作为剂量（,dose,，,D,）、频率（,frequency,，,f,）的函数。,定义为系统输出侧,SNR,的平方,及,输入侧,SNR,的平方的比,四川 雅安职业技术学院医学系 李锡忠,50,DQE,示意图,四川 雅安职业技术学院医学系 李锡忠,51,2,NEQ NEQ,是一个以绝对尺度描述影像质量的参数。,定义为系统输出侧信噪比（,SNRout,）的平方。,它表示理想探测器产生,及,实际探测器相同,SNR,时的量子数,四川 雅安职业技术学院医学系 李锡忠,52,第三节,ROC,及其应用,一、,ROC,的基本原理,（一）信号检测理论,被测试者响应的概率密度曲线,四川 雅安职业技术学院医学系 李锡忠,53,标准的示例,四川 雅安职业技术学院医学系 李锡忠,54,标准的作用,四川 雅安职业技术学院医学系 李锡忠,55,ROC,曲线示例,四川 雅安职业技术学院医学系 李锡忠,56,曲线的扩散,四川 雅安职业技术学院医学系 李锡忠,57,（二）,ROC,分析,1,基本概念,ROC,曲线中有两个重要的概念：灵敏度（,sensitivity,，,SE,）和特异度（,specificity,，,SP,）,灵敏度（,sensitivity,，,SE,）,SE,是诊断阳性的病人检查阳性的概率 。,特异度（,specificity,，,SP,）,SP,是诊断阴性的病人检查阴性的概率 。,四川 雅安职业技术学院医学系 李锡忠,58,2,ROC,曲线,ROC,曲线是以检查的灵敏度为,y,轴、以（,1-,特异性）或假阳性概率（,false positive rate,，,FPR,）为,x,坐标画出的曲线。,ROC,曲线是评价诊断检查性能的有效方法，所以在影像学中广泛用于评价许多影像检查的性能。,四川 雅安职业技术学院医学系 李锡忠,59,拟合的或平滑的,ROC,曲线,假设检查结果或它的某种单调变换服从某种分布（如双正态分布），可以由这些离散点得到,ROC,曲线。,四川 雅安职业技术学院医学系 李锡忠,60,ROC,曲线实例,四川 雅安职业技术学院医学系 李锡忠,61,3,ROC,曲线下的面积,4,条不同面积的,ROC,曲线,四川 雅安职业技术学院医学系 李锡忠,62,AUC,是一个诊断检查的性能的总测度，所以可以通过比较它们的,AUC,比较不同检查的性能。,AUC,越大，诊断检查的性能越好。相等的,AUC,意味着两个检查有相同的总性能，但这两条,ROC,曲线并不一定相同。,有同样,AUC,的两条,ROC,曲线,四川 雅安职业技术学院医学系 李锡忠,63,4,特定,FPR,的灵敏度和部分面积,ROC,曲线下的部分面积定义为两个,FPR,或两个灵敏度间的面积。,特定,FPR,下两条,ROC,曲线的比较,四川 雅安职业技术学院医学系 李锡忠,64,5,影像学研究中的,ROC,放射学检查中的多数,ROC,分析一般都用,5-,点法或,6,点法。,四川 雅安职业技术学院医学系 李锡忠,65,6,ROC,曲线的种类,（,1,）,LROC,：在定位,ROC,（,localisation ROC,，,LROC,）中，观察者必须指出图像中病变出现的位置以得到真阳性记分。,四川 雅安职业技术学院医学系 李锡忠,66,LROC,曲线,四川 雅安职业技术学院医学系 李锡忠,67,（,2,）,FROC,：自由响应,ROC,（,free-response ROC,，,FROC,）方法是由,Bunch,等引入医学影像领域的。,FROC,曲线,四川 雅安职业技术学院医学系 李锡忠,68,（,3,）,AFROC,：替代,FROC,（,alternative FROC,，,AFROC,）,分析是,FROC,分析,的一个简单,的替代方法,AFROC,四川 雅安职业技术学院医学系 李锡忠,69,（,4,）,FFE,：在,FFE,实验中，观察者被要求按照确信度递减的顺序对测试结构分级，直到出现错误。,FFE,测试可以看作是一个经验的检测，是,及,任何观察者性能无关的精确测度。,（,5,）,DROC,：,Chakraborty,等开发了一种用于决定设备间差别的（,differential ROC,，,DROC,）,ROC,方法,四川 雅安职业技术学院医学系 李锡忠,70,7,ROC,软件,（,1,）,ROCKIT,：是,Metz,等开发的参数,ROC,分析的程序。,（,2,）,PlotROC,：是用,Microsoft Excel5.0,开发的宏工作表，它基于双正态分布的假设获得参数画出平滑的,ROC,曲线。,（,3,）,MedCalc,：是一个提供非参数,ROC,分析的统计包。,（,4,）,Partarea.for,：一个用,FORTRAN,语言写的程序。,四川 雅安职业技术学院医学系 李锡忠,71,（三）,ROC,曲线的制作,常用的制作,ROC,曲线的方法有两种：一种是二阶求法；一种是五阶求法。,1,二阶法,二阶求法有的称二等级法，也称二分类法。它解决是或否的问题，即要求诊断者必须作出二者择其一的明确判断（诊断）。如对信号,s,，即病灶的存在或不存在、恶性或良性等，不允许有第三种诊断。,四川 雅安职业技术学院医学系 李锡忠,72,2,五阶法,五阶求法又称多阶法。在影像诊断中，实际上观察者（放射诊断医师）往往是面临多种选择的可能，并非简单的“是”或“否”。目前放射影像文献中用的多阶法有四阶法、五阶法、六阶法，常用五阶求法。,五阶求法是观察者面对信号,s,或噪声,n,可有,5,种选择：肯定没有；好像没有；不清楚；好像有；肯定有。,四川 雅安职业技术学院医学系 李锡忠,73,二、,ROC,的临床应用,ROC,的临床应用是多方面的。主要包括：,1,不同成像方法效能的比较，包括某成像系统对某种疾病的诊断绝对值的评价。,2,对不同测试者运用同一种成像方法的判断能力大小的比较。,3,应用不同成像条件时，对几位观察者的效能比较。,4,用,ROC,曲线下的面积值,Az,的大小，比较数字,X,线成像系统后处理功能参数的不同作用。,四川 雅安职业技术学院医学系 李锡忠,74,本章结束,