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【考点9】影像质量的主观评价
1．ROC曲线的概念
通过人的视觉在检出、识别过程中，根据心理学规律以心理学水平进行的评价，称为心理学评价，又称主观评价或视觉评价。以前，主观评价方法主要有金属网法、Bureger法、并列细线法等。
既然是主观评价必然受到心理学因素的影响，且会因人而异。如何在主观视觉评价中建立一个统一的标准，这就可能使主观评价趋向客观化。1970年美国芝加哥大学完成了用ROC
曲线评价影像质量的方法。
所谓ROC曲线就是以通讯工程学中的信号检出理论(signal detection theory，SDT)为基础，以心理临床评价的观测者操作特性曲线的解析和数理统计处理为手段的评价法，人们称之为ROC曲线。它是一种以信号检出概率方式，对成像系统在背景噪声中微小信号的检出能力进行解析与评价的方法，也就是用数量来表示对影像中微细信号的识别能力。
2．ROC曲线的应用
ROC是一种以信号检出概率方式，对成像系统在背景噪声中微小信号的检出能力进行解析与评价的方法。它可以对主观评价以定量的方式进行表述。因此，ROC解析方法被广泛应用于医学影像中各个系统的成像性能的评价。
自测题-55 关于ROC曲线的叙述，下列哪项是错误的（ ）
A．1970年由美国芝加哥大学完成
B．以通讯工程学中的信号检出理论为基础
C．以心理临床评价的观测者操作特性曲线的解析和数理统计处理为手段
D．可以对主观评价以定性的方式进行表述
E．以信号检出概率方式，对成像系统在背景噪声中微小信号的检出能力进行解析与评价
答：D
自测题-56 关于ROC曲线的应用错误的说法是（ ）
A．ROC曲线属于影像质量的主观评价
B．可以对主观评价以定量的方式进行表述
C．主要应用于对评价者的主观评价能力的评估
D．可能使主观评价趋向客观化
E．用数量来表示对影像中微细信号的识别能力
答：C
【考点10】影像质量的客观评价
1．影像质量的客观评价
在评价影像质量时，必须首先考虑以下两个问题：
(1)当X线透过被照体时，不论正常与病变部分，究竟以多大程度把客观的信息准确传递出来。
(2)从信息接受介质来讲，又以何种程序把信息真实地再现成可见影像。前者取决于X线机的特性及摄影条件的选择；后者取决于接受介质的成像能力。
所谓客观评价就是对导致医学影像形成的密度、锐利度(模糊度)、对比度、颗粒度以及整个成像系统的信息传递功能，以物理量水平进行的评价，称为客观评价。主要是通过摄影条件(X线摄影三参量kV·mA·s的输出)、特性曲线、响应函数(MTF)、颗粒度的RMS、维纳频谱(Ws)，以及近年导入的量子检出率(detective quantum efficiency，DQE)和等效噪声量子数(noise-equivalent number of quanta，NEQ)等参数的测量方法作影像客观评价的手段。
从临床影像诊断的角度讲，医生更关心的是影像细节的微小变化，即早期诊断的确定。这些都涉及影像清晰度的评价。最初，清晰度是通过分辨率和锐利度的测定来判断的。但这些方法都各有其缺欠，不能对影像质量做综合评价。而调制传递函数的测定，可以客观地对影像质量做综合评价。
1962年国际放射界“模仿”了通讯工程学信息论的“频率调制”概念，将其以时间频率为自变量的频率响应函数，换成以空间频率(LP／mm)为变量的调制传递函数。
所谓调制传递函数(MTF)即“响应函数”，简单理解就是记录(输出)信息量与有效(输入)信息量之比。这一概念引自电子学，输入称为激励，输出称为响应，它们之间存在着函数关系，频率响应就是对于接受介质在某一频率下响应特性的定量表示，其理论基础是傅立叶变换。它广泛应用于通讯工程和光学领域。同样这一概念也适用于x线成像系统的检测与评价。X线摄影学将其频率定义为空间频率，以每毫米长度上的线对数表示(LP／mm)。调制指的是改变一个信号的幅度或强度或量，传递指的是接受介质(如屏／片系统)将输入信息存储和转换输出的过程，两者之间存在着一个函数关系。信息接受介质在某一频率下响应特性的定量表示，即为频率响应函数。我们把不同空间频率的响应函数统称为调制传递函数。
上面的MTF、RMS、WS等物理评价参数对于成像系统性能的客观评价是十分重要的。但是，它们之间是相互独立的评价，缺少综合的概念。而量子检出率(DQE)和等效噪声量子数(NEQ)却能将这些参数联系起来。因此，在数字成像系统性能的客观评价上更具有其价值。
所谓DQE是指成像系统中输出信号(信噪比平方)与输入信号(信噪比平方)之比。可以解释为成像系统中有效量子的利用率。当然，DQE值越高(最高值为1，即100％利用)，有效量子利用率高，输出信息也就越高。所谓NEQ是指成像系统中输出侧的信噪比的平方，可以解释为该量子数在理想的成像系统(记录100％的输入信号)中产生的噪声与实际输入信号在真实的成像系统中产生的噪声一样。显然，NEQ越大，成像系统的信噪比就越大，提供的影像信息也就越多。
在数字X线摄影发展的今天，DQE和NEQ这两个概念已称为成像系统客观评价中的重
要参数。
2．客观评价在屏／片系统成像质量分析中的价值
（1）分辨率与清晰度的关系
分辨率与清晰度是两个不同的概念。分辨率也称解像力，虽然能表示某一个介质还原被照体细节的能力。但它是一个极限值，不能反映全部情况。事实上分辨率主要在高空间频率(高频部分)与清晰度有相应的关系，而在低频部分分辨率与清晰度不一定统一，如图1-3-4的MTF曲线所示，B屏／片系统的分辨率要大于A屏／片系统。但是，在低频部分(2LP／mm)B系统的MTF小于A。在正常的观察条件下，肉眼一般能看到对应于2~4 LP／mm之间的结构。因此，对于一般X线摄影来讲，A系统信息传递能力比B有更大的诊断价值。当然在需要记录高频信息时，就应采用放大摄影把高频信息变为低频来加以记录，选用B系统为好。
（2）信息量在增感屏传递中的损失
从图1-3-5使用增感屏与不使用增感屏的X线照射下的MTF测定中看到，不使用增感屏的胶片的信息传递几乎没有损失，尽管空间频率在加大。然而，一旦使用了增感屏，MTF曲线有大幅度地跌落。从中我们得到了一个重要的启示，屏／片系统信息传递的损失，在于增感屏的使用对影像清晰度的影响，信息是损失在增感屏的散射与交迭效应上。因此，提高屏／片系统信息传递功能的关键是增感屏MTF的提高，这一结论对生产厂家有指导意义。
不同屏／片组合下的MTF：
①整个体系的信息传递功能将随屏／片系统相对感度的增加而下降。
②信息传递功能随空间频率(相当于解剖结构的细微程度)的增加而下降。
③在低空间频率(如0.5 LP／mm)或高空间频率(如10LP／mm)，几组屏／片系统的传递函数相对接近。而在肉眼识别(诊断时所用的)能力最强的1~2LP／mm空间频率下，几组屏／片系统的传递函数被拉开。这意味着，X线摄影技术应根据临床诊断部位的不同需要，采用不同相对感度的屏／片系统，即应用系列化选用屏／片系统。如四肢远端关节，应取Fine屏／片系统，相对感度较低，但诊断最需要显示的骨纹理特别清晰；血管造影因曝光次数多，拍片量大，而血管造影对比度强。因此，选用高速屏(Fast)屏／片系统为宜。虽然，它的信息传递衰减一些，但是，照射剂量大幅度降低。一般情况下，选用常规或中速的屏／片系统为宜。
人们会说，今天我们已进入医学影像数字化，X线摄影使用的是CR、DR了，这些内容还有什么意义?不错，我们是进入了影像数字化时代。但是，其成像系统质量的评价概念、思路、方法依然有它的实用性。
3．客观评价在焦点成像质量分析中的价值
（1）X线管焦点形状对成像质量的影响
①同一焦点，在照片的不同方位上出现的变形，是由于X线管焦点线量分布的不均匀造成的。
这一情况，我们可以通过一个星卡测试的方法来验证。图1-3-6为标称0.2mm焦点拍摄的星卡放大影像。我们发现沿其影像与X线管长轴平行的方位，自外向内观察时，黑白相间的星条影像出现了模糊，继之就是黑条影移到了原来白条影的位置上，影像呈现了双峰状的反转交错；而在短轴方位上影像虽未出现反转，但也呈现了单峰状的扭曲。这就是说，星卡在一定放大率下的实际成像位置，并不始终在理想的、连续的位置上，而是沿着一定方位移动了一段距离，这种现象叫相位移动。其出现的反转与扭曲影像，在放射线图像工学上称为伪解像(spariousresolution)或对比度逆转。
在同一空间频率(被照体相同径线的组织结构)下，单峰要比双峰分布的信息传递功能要高得多，特别表现在高频部分。例如空间频率为4 LP／mm(即径线为0.125 mm的组织结构)时，单峰分布下可将其信息传递出40％，而双峰分布只能传递出21％，几乎相差一倍。
(2)伪解像产生条件的分析：X线管不规则的线量分布，特别是双峰分布下的伪解像的出现，不仅降低了焦点成像质量，而且会给放大摄影的诊断带来困难。这种伪解像的形成能够在微细结构的成像中，模拟出分叉或血管阻断等假象。因此，了解放大摄影中伪解像出现的具体情况是至关重要的。
伪解像出现的原因，从几何学角度来分析更为直观易懂。图1-3-7表示星卡像面上的线量分布情况。很明显在A、B两个像面上，能够分辨出相邻两铅条的影像。但在C像面上，由于相邻两铅条被放大的影像恰好等于X线管焦点的大小。致使平面C上原成像的区域内，线量分布值处处相等，从而导致了相邻两铅条影像完全消失，呈模糊像面。而在越过C平面的像面D上，由于相邻两铅条的本影与半影的叠加，又出现了可分辨的相邻两铅条的影像，但其影像的位置却发生了改变，恰好在A、B两像面上所显示的原来可分辨的相邻两铅条之间的位置上，即原影像的黑线条变成了白线条，白线条变成了边境线条，这就是我们所说的伪解像。
为此，我们对0.2mm、0.3mm微焦点在不同倍率下伪解像出现的频率进行了测试。伪解像不是在任何情况下都会出现，它需要具备一定条件：
·焦点尺寸大于被照体微细结构的径线。
·被照体放大到一定倍率时，相邻组织半影叠加大于组织径线。
这种情况在被照体紧贴胶片的平片摄影中是不会出现的。但在放大率较大的放大摄影中，伪解像出现的频率大为增加。为避免这一情况，必须选用微焦点或超微焦点X线管，并把被照体的放大控制在该焦点可能产生伪解像的放大率以下，才能获得一张清晰的放大影像。
（2）焦点尺寸对成像质量的影响
在焦点线量分布形状相同的情况下，焦点越小，成像质量越高。实际成像的等效焦点尺寸，并不等于标称焦点面积。实测出的焦点尺寸，表示的是由焦点大小及其线量分布等总体成像量的等效焦点尺寸。
4．客观评价在体位设计的质量分析中的价值
（1）体位设计的意义
以往，一个摄影位置的摆法是从解剖学的角度设计的，这已经是几十年沿用下来的常规。现在，我们认为在新的成像原理指导下，应赋予体位设计更深刻的含义，即根据临床诊断要求，在能够发现、显示病变成目的部位的同时，还必须以最高像质反映在照片上。
体位设计与影像质量之间的关系，受下列因素影响：
①投影学因素：焦点、被照体、胶片三者间位置与距离的关系。
②X线管焦点的成像质量。
③X线中心线投射屏／片系统的状态。
（2）X线中心线投射状态与成像质量关系的分析
①X线中心线垂直射入屏—片系统的影像质量：在中心线垂直射入屏／片系统的体位设计中，最重要的原则之一，是病变部位紧靠胶片，以缩小物——片距，从而获得一个几何模糊度很小的清晰影像。但是，患侧靠片与健侧靠片二者在影像质量上究竟有多大区别，还需要定量分析，对此最有力的手段就是测定该成像系统的调制传递函数。
现在，通过一个横径18 cm的头颅侧位摄影(右侧颅骨骨折)的信息传递功能的测定，看患侧靠片与健侧靠片所呈现的影像质量区别。如图1-3-8所示，在同一空间频率下(2LP／mm)，患侧靠片时的调制传递函数为0.5，而在健侧靠片时的调制传递函数为0.35，可见患侧靠片较健侧靠片时的信息传递功能高出15％，这一差别在高频信息(微细结构)下尤为显著。
②X线中心线倾斜射入屏／片系统的影像质量
·斜射效应的产生：在X线摄影中，为使病变和目的部位显示出来，常常采取中心线倾斜角度的方法，特别是对于结构复杂的头颅部位的摄影。中心线倾斜射入屏／片系统将产生怎样的影像质量，没有引起人们更多注意，只是从解剖学的角度出发，着眼于避免病变或目的部位过多的重叠上。现在，当我们掌握了影像质量评价的物理手段时，就可以对此做出定量分析，了解斜射效应对影像质量的影响，以采取必要措施来获得最佳像质。
一般医用X线胶片涂有两面乳剂层，夹在前后两张增感屏中使用。当X线倾斜射入时，被胶片记录下来的前后屏发光分布难以吻合，则在胶片两面乳剂膜上分别产生了两个错开的影像。这就是使影像出现很大模糊的斜射效应。
已知胶片厚度T，中心线倾斜角度θ即可计算出前后屏发光峰值错开的幅度D：
D=T·tanθ
由此可知，胶片越厚、中心线倾斜角度越大，胶片两面乳剂所记录下来的影像模糊度也就越大。
·斜射效应下伪解像的产生：将线对卡置于暗盒上，中心线分别倾斜0°，10°，20°，30°照射，将其影像用微密度计扫描、测算，并绘制成MTF曲线。如图1-3-9所示，中心线倾斜角度越大，影像质量越差，特别是在高频部分(微细结构)。在中心线倾斜20°时，就开始出现了伪解像。
伪影像的产生是中心线斜射效应的结果，即X线倾斜使前后屏发光峰值的错开幅度增大，X线片两面乳剂合成密度分布出现双峰状的移行，造成影像在原有位置上出现黑白交替的反转现象——伪解像。总之，由于斜射效应，中心线倾斜射入屏／片系统时的影像质量，较垂直射入屏／片系统时有明显恶化。
（3）最高像质的体位设计
对于需要中心线倾斜角度的摄影部位，都会因斜射效应而使影像质量下降，对此情况又将如何设计体位呢?
我们知道，X线影像是被照体在胶片上的平面投影，其形态、大小将依X线管焦点、被照体、胶片三者间的位置关系而变化。对于需要倾斜中心线的摄影部位，均可用被照体倾斜而中心线垂直射入的方法来获得同一影像。但是，这必然带来物-片距加大，而产生放大模糊。究竟哪一种是最佳方案，不能一概而论，
必须具体加以比较。对此最能发挥鉴别能力的就是调制传递函数的测定方法。
一般来说，照片影像的总体MTF，可以从X线管焦点MTF与屏／片系统的MTF乘积求得。
Rω=Tω·Cω
Rω：摄影体系的总体MTF，Tω：X线管焦点的MTF，Cω：屏／片系统的MTF。
在这里，Tω可以通过星卡测试手段、Cω可以通过方波测试卡测试手段获得，将测试数据代入上述公式，即可获得所设计体位下的总体成像质量。
现在，我们具体以某患者内听道Towne氏位摄影为实例，比较一下不同体位设计下的成像质量。
中心线倾斜30°：患者取Towne位，前后向，实测患者蝶鞍距片12.5 cm、焦-片距100cm，放大率M=100／(100－12.5)≈1.15，中心线向足侧倾斜30°(图1-3-10)。
Rω=放大率1.15时的Tω×中心线30°斜射效应下的Cω
被照体倾斜30法：同一患者取前后向，头颅下垫起30°，实测蝶鞍距片20.6 cm，焦—片距100 cm，放大率M=100／(100－20.6)≈1.26，中心线垂直射入屏／片系统。
Rω=放大率1.26时的Tω×中心线垂直下的Cω
两种摄影方法均使用0.3mm焦点的X线管。
测试结果表明(图1-3-11)，以被照体倾斜30°、而中心线垂直射入屏／片系统的方法为佳。但是，还应指出影像的几何模糊随x线管焦点的大小而变化。因此，在下不同体位设计下的成像X线管不同焦点尺寸下，上述两种设计方案也就会有不同结果。我们对0.3 mm、1．0 mm、2.0mm三种焦点在上述条件下做了测试，并在同一空间频率(1.5 LP／mm同一组织径线粗细下)下作了比较，发现：
·使用1.0mm以下焦点尺寸时，取被照体倾斜，中心线垂直射入屏／片系统的设计方案为佳；
·使用2.0mm以上焦点尺寸时，以中心线倾斜30°的原Towne氏位方案为佳；
·中心线倾斜角度时焦点下的MTF比较体位设计方案，几乎不依赖于焦点尺寸，而只依赖于屏／片系统的MTF。这是因为物-片距小，相对来说，焦点尺寸的增加不致带来过分的几何模糊。
在X线摄影的体位设计中，类似上述的体位变换是很多的，如胸骨、乳突摄影等，都存在一个最高像质的体位选择问题，对此必须做具体的测试评价，才能获得一个最佳的体位设计方案。
（4）结语
①对于x线摄影中的摆位，应赋予新的广义概念，即应该以最高像质把病变或欲照部位显示出来为目的进行体位设计。
②在掌握了影像评价手段的今天，应该从上述概念出发，来检验历史沿用下来的体位设
计。
③当前由于高感度屏／片系统的开发，小焦点大功率高速旋转阳极X线管的使用，使我们有可能在一个更优越的几何投影条件下进行X线摄影。在这种形势下，使用被照体倾斜而中心线垂直入射屏／片系统的体位设计方案能显示出更高的影像质量。
因此，上述讨论给我们提出了一个共同的问题，考虑到X线机的进展，传统的体位设计方案的再讨论是必要的。
④由于上述讨论的启发，我们设想使用单层高速(稀土)增感屏与单面高感度X线片的组合，而仍采用中心线倾斜入射的体位设计方案，一定能取得一个像质更高的图像。因为在单层屏／片组合下，中心线的倾斜不再出现斜射效应下的影像模糊，而且此时的被照体放大率又小于被照体倾斜、中心线垂直射入时的体位设计方案。可以预言单层高速屏／片组合的使用，一定会给X线摄影质量的提高带来新的局面。
自测题-57 客观评价的测量方法的参数不包括（ ）
A．X线摄影三参量
B．ROC曲线
C．响应函数
D．特性曲线
E．量子检出率
答：B
自测题-58可以客观地对影像质量做综合评价的是（ ）
A．调制传递函数的测定
B．ROC曲线的测定
C．特性曲线的测定
D．维纳频谱测定
E．X线摄影三参量测定
答：A
自测题-59在数字成像系统性能的客观评价上更具有价值的参量是（ ）
A．MTF
B．RMS
C．WS
D．kV·mA·s
E．DQE
答：E
自测题-60关于量子检出率(DQE)的叙述错误的是（ ）
A．指成像系统中输出信号(信噪比平方)与输入信号(信噪比平方)之比
B．可以解释为成像系统中有效量子的利用率
C．DQE最高值为10
D．DQE值越高，有效量子利用率高
E．DQE值越高，输出信息也就越高
答：C
自测题-61 NEQ是指（ ）
A．等效噪声量子数
B．成像系统中输入侧的信噪比的平方
C．量子检出率
D．成像系统中输出信号(信噪比平方)与输入信号(信噪比平方)之比
E．X线摄影三参数
答：A
自测题-62 关于伪解像的说法错误的是（ ）
A．星卡在一定放大率下的实际成像位置沿一定方位上移动了一段距离
B．伪解像不是在任何情况下都会出现的
C．焦点尺寸大于被照体微细结构的径线时出现
D．被照体放大到一定倍率时，相邻组织半影叠加大于组织径线时出现
E．在被照体紧贴胶片的平片摄影中常常出现
答：E
自测题-63体位设计与影像质量之间的关系，受下列因素中哪项影响最小（ ）
A．焦-片距大小
B．肢-片距大小
C．X线管焦点的成像质量
D．X线中心线投射屏／片系统的状态
E．胶片特性
答：E
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