第二节　X射线照片影像质量的分析基础

一、影响影像质量的基本因素

（一）X射线影像质量的评价

X射线影像质量的评价方法包括主观评价、客观评价、综合评价。

1.主观评价

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主观评价，主观评价也称为视觉评价。以往，主观评价方法主要有金属网法、Burger法、并列细线法等。目前，主要应用ROC（receiver operating characteristic）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，也称为受试者操作特性曲线。

2.客观评价

是指对形成X射线照片影像的密度、模糊度、对比度、颗粒度以及信息传递功能，以物理量水平进行的评价，称为客观评价。主要通过特性曲线、响应函数等方法予以测定、评价。

3.综合评价

以诊断学要求为依据，以物理参数为客观手段，再以能满足诊断要求的技术条件为保证，同时充分考虑减少辐射量的评价方法。

无论是主观评价、客观评价还是综合评价，其评价的前提是必须了解影响影像质量的基本因素。

（二）影响X射线影像质量的基本因素

从医疗角度来讲，评价影像质量的第一要素，是看影像质量是否符合诊断学要求。以下仅从技术角度对影像质量加以分析。

X射线照片影像，从X射线发生到形成最后的影像，其间要历经一系列复杂的信息形成与传递的过程。因此，一幅照片影像的质量评价、分析与控制应当是全面、全员、全过程的，即全面质量管理（total quality management，TQM）模式，要提高一幅照片影像质量，必须对所包含的每个步骤、过程加以测试、评估。

影响影像质量的诸多因素中，最重要的是对比度、清晰度和颗粒度。这3个因素既有各自的独立性，彼此之间也存在着相关性。

（三）X射线影像质量的视觉评价

以人类视觉对X射线照片影像质量进行评价时，很难对上述3个因素做出十分清楚的区分，所看到的影像是3个因素相互作用的结果。

当这3个因素完全满意、完全不满意或1种因素相对于另外2种因素具有悬殊的影响时，对影像质量的评价相对容易。但是，实际上有些照片显示出的是清晰度高、颗粒性差的影像，也可以是低清晰度，而有良好颗粒性影像。此外，照片影像质量的评价还受其他因素的影响，如医生的“偏爱”和所检查器官、组织的类型等。目前，主观评价结果与客观评价结果还不能做到完全一致，这也是引入“综合评价”概念的原因。

二、对比度

（一）对比度的概念

X射线摄影学中对比度概念十分重要，它是形成X射线影像的基础。涉及4个对比度概念，即物体对比度、射线对比度、胶片对比度和X射线照片对比度。

1.物体对比度

在X射线成像中，导致对X射线的吸收、散射不同的不同物体之间的差异称为物体对比度。

由于人体摄影部位不同的构造和组织成分，导致不同摄影部位的物体对比度存在差异。对物体对比度小的被照体，需要使用低能量X射线来增加光电效应的发生概率，以扩大不同组织对X射线的吸收差别，使射线对比度增大。反之亦然。因此，设置X射线曝光条件时，应根据摄影部位的物体对比度大小和诊断学要求，选择适宜的管电压。

2.射线对比度

X射线透过被照体时，由于被照体密度、厚度等差异，对X射线的吸收、散射不同，使透射线形成的不均匀分布的强度差异称为射线对比度。

X射线到达被照体之前不具有医学信号，它是强度分布均匀的一束射线。当X射线透过被照体时，由于被照体对X射线的吸收差异使得透过射线不再是均一射线，此射线对比度亦即X射线信息信号。

3.胶片对比度

胶片对射线对比度的放大能力称为胶片对比度。它取决于胶片特性曲线的最大斜率或平均斜率。

射线对比度所表达的X射线信息信号不能被人的裸眼识别，只有通过某种介质转换才能形成可见的影像。对常规X射线照片影像而言，将射线对比度转换为照片对比度的介质是胶片或屏-片系统。不同屏-片系统的特性曲线不全相同，对射线对比度的放大效果也存在差别。

4.X射线照片对比度

X射线照片上相邻组织影像的密度差，称为X射线照片对比度。

X射线照片对比度依存于被照体不同组织差别导致物体对比度、X射线吸收和散射线差别导致的射线对比度，以及胶片等转换介质对射线对比度的放大效果。

（二）影响影像对比度的因素

X射线影像形成的实质，是被照体各组织对X射线的吸收差异。而X射线照片影像形成的物理因素为密度、对比度、锐利度、颗粒度，几何因素为失真度（影像的放大与变形）。所有这些因素中，密度是基础，对比度是密度影像形成的根本。

图1-2-3所示为X射线照片影像形成过程中，其影响照片影像对比度的因素。胶片对比度在更大范围内影响着影像质量，同时胶片对比度也与影像锐利度和宽容度（信息量）有关。当胶片对比度大时，组织影像之间的密度分辨就容易，边缘就趋向锐利；当胶片对比度小时，密度的区分范围就大，涵盖的信息量也就越大。图1-2-4表明，密度的差别在高对比度胶片A中容易识别到。但是，在可分辨密度范围上与胶片B相比，曝光量的选择范围则相对窄。

三、清晰度

从摄影学意义上讲，清晰度是在不同密度区域内对“线对”的分辨能力，亦即影像所能表达组织结构细节的能力。

（一）影响影像清晰度的因素

图1-2-5所示为影响影像清晰度的高低因素，涉及摄影条件、X射线胶片、增感屏、观察条件等诸多因素。在这些因素中，对照片影像清晰度产生较大影响的是增感屏清晰度和胶片对比度。

图1-2-5中任何一个因素变化都会使清晰度受到影响。例如，当光线进入胶片乳剂层时会受到卤化银晶体颗粒的散射，此称散射（irradiation）。当光线穿过片基反射，而又一次进入到乳剂层时，此称光晕（halation）。此外还有荧光交叠效应等（图1-2-6）。所有这些因素都会使影像清晰度下降，因此入射光的信息形态与透射光影像形态有很大的差异。如果X射线信息影像（输入信息）与照片影像在形态、大小上完全相同，分辨力没有损失的话，那么信息记录与传递就是100%。然而，实际上这是不容易实现的，在信息转换、传递过程中必然有部分损失，而信息损失的多少就涉及了影像的清晰度。

（二）分辨力与清晰度的关系

分辨力与清晰度是两个不同的概念。分辨力也称解像力，表示某一个介质还原被照体细节的能力。分辨力是个极限值，在高空间频率（高频部分）与清晰度有对应关系，而在低频部分与清晰度评价结果未必一致。在正常观察条件下，肉眼一般能看到对应于2～4LP/mm之间的结构。因此，对常规X射线摄影而言，低频部分的信息传递能力对诊断价值的影响更大。但当采用放大摄影把高频信息变为低频来加以记录时，则希望在高频部分有更高的信息传递能力。

（三）信息量在增感屏传递中的损失

调制传递函数（modulation transfer function，MTF）是描绘不同空间频率下成像系统细节的分辨力传递函数。图1-2-7是不同屏-片组合下的调制传递函数比较，结果显示随着空间频率增加，与使用增感屏相比不使用增感屏的X射线直接照射的信息传递几乎没有损失。而一旦使用了增感屏，调制传递函数曲线有大幅度跌落。乳腺X射线摄影的屏-片组合与常规X射线摄影屏-片组合的调制传递函数曲线相比，在相同的空间频率下，乳腺摄影屏-片组合的调制传递函数远高于常规摄影的屏-片组合，且乳腺摄影屏-片组合的极限分辨力可达15～20LP/mm。

从中得到重要启示是，屏-片体系信息传递的损失，在于所用增感屏对影像清晰度的影响，信息是损失在增感屏的散射与交叠效应上。因此，提高屏-片体系信息传递功能的关键是提高增感屏调制传递函数，此结论对使用者和生产厂家都有指导意义。

图1-2-7展示了几种不同组合下的屏-片体系的调制传递函数比较，结果显示：

直接曝光（direct exposure），不使用增感屏的胶片信息传递几乎是100%，它的分辨力最高可达35LP/mm以上。

Min-R乳腺摄影专用中速单面增感屏与乳腺摄影专用胶片Min-R组合，调制传递函数的信息传递功能次之。

Min-R Fast乳腺摄影专用高速单面增感屏与乳腺摄影专用胶片Min-R T（T颗粒）的组合，信息传递功能在上述三组屏-片体系中最低。

Lanex regular稀土标准感度的双面增感屏与T颗粒TMG胶片的组合，在四组中信息传递最低，其原因是使用了前、后两张增感屏，与单面增感屏相比又逊色很多，尽管它使用了T颗粒的胶片。

以上组合的不同之处在于是否使用了增感屏以及增感屏的感度。增感屏感度越高，信息传递损失越大，如此可见增感屏在信息传递中的作用。

以上结果也表明，屏-片体系中调制传递函数高低的决定因素，在于所使用的增感屏。当然，在实际摄影技术中，要根据不同的摄影部位和诊断要求来选择恰当的屏-片体系的感度，以取得最大限度的信息传递，这也是为什么增感屏与胶片的生产要系列化的原因之一。

（四）清晰度的测定

X射线影像清晰度主要采用分辨力和调制传递函数来测定。

1.分辨力

某种成像介质（例如，胶片、增感屏、成像板、平板探测器等）区分两个相邻组织影像的细节能力，以每毫米可以分辨出多少线对来表示（LP/mm）。确定分辨力的最直接方式是使用特定的屏-片体系来记录被照体，然后对其影像进行观察判断。然而，由于被照体复杂和时常变化，每次记录时需要改变曝光条件，这样就不能做出有价值的比较。因此，可以使用测试卡来代替被照体，这样可使测试条件趋向一致，所得结果有较好的重复性和可比性。图1-2-8所示为方波测试的实例。通常测试卡由许多黑白相间且分隔宽度相同的线组成。例如每毫米四个线对时，黑线和白线分隔的总数为8条，每一条线条宽度为1/8mm或125μm。分辨力表示的是X射线接收-转换介质的极限分辨力，黑白部分的分离程度是建立在分辨力的极限基础上的。从表1-2-1列出的主要转换介质的分辨力可以看出，胶片的分辨力远远高于增感屏。换言之，分辨力很高的胶片一旦放到增感屏中使用时，其分辨力明显下降。由此可见，影像清晰度在很大程度上受增感屏清晰度的影响。X射线照片影像总体的分辨力，是由X射线管焦点、屏-片体系、被照体运动等各单元系统的分辨力的合成。

2.调制传递函数

是描绘不同空间频率下成像系统的细节分辨力的函数，是成像系统分辨力特性的重要参量。调制传递函数在通讯工程领域和光学领域也有应用，将这一概念应用到摄影系统时，需要制作出正弦波模板。对于光学影像来说，与通讯工程学中声音频率的等价物是黑与白的密度的重复，这些重复被指定为空间频率。医学影像中的空间频率是用每毫米长度上的线对数表示，调制指的是一个信号的幅度、强度或量，传递指的是接受介质将输入信息存储和转换输出的过程，两者之间存在一定的函数关系。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，不同空间频率的响应函数统称为调制传递函数。调制传递函数曲线中的横坐标是空间频率，纵坐标上的调制传递函数的数值表达了输入信号与输出信号的比值，取值范围为0～100%。

3.相位移动

用星型测试卡测试X射线管焦点的成像质量时发现，当X射线管焦点面积大于被照体的径线或被照体放大率超过限定数值时，星卡影像就会出现交错的影像，此即相位移动（图1-2-9）。在血管造影或放大摄影时，这种相位移动导致的伪解像，可以造成误诊。

4.正弦波与方波间的关系

理论上讲，用正弦波测试模板测量响应函数是最合适的。然而，用于X射线透射成像系统中的正弦波模板制作十分困难。为此，人们改用方波（或矩形波）测试卡来取代正弦波测试卡。

无论是来自普通摄影照片还是X射线照片，产生影像密度的光亮度（强度）的分布十分复杂。这些分布曲线具有多种空间频率、振幅和相位，它可以分割成多个单一的正弦波。从另一个角度解释，如果空间频率、振幅和相位组合在一起，它也可以形成任何一种波形。这种数学综合和分析叫作傅里叶变换。如图1-2-10所示，多个正弦波叠加在一起，最后便形成方波。由于它们之间存在着互易的数学关系，利用此法可以进行相互转换。因此，正弦波测试卡可以由方波测试卡取代来获得同样有效的结果。

5.分辨力与调制传递函数

当调制传递函数曲线绘制出来以后，分辨力与调制传递函数的测量实际上十分简单。图1-2-11显示，随着空间频率的提高，调制传递函数曲线下降，最终与横坐标相交，则信息输出为0。此时的空间频率即是该成像系统的极限分辨力（15LP/mm）。人眼不能识别调制传递函数值0.1以下的密度差异（低于10%），因此，对于人眼来讲，图1-2-11表示的成像系统的最终分辨力应为调制传递函数值0.1下的空间分辨力（12LP/mm）。

分辨力与调制传递函数之间不总是统一的。影像的清晰度取决于适宜人眼辨别能力（即低空间频率）的调制传递函数值。如图1-2-12所示，胶片A可能具有高分辨力，但在低频部分具有增强特性值的胶片B，会产生人眼所能识别的更加清晰的影像。

此外，调制传递函数测定的优点，还在于可以测试X射线成像系统中每一个单元对影像质量的影响比率，如X射线管、增感屏、X射线胶片、影像增强器等。同时，也可以简化其调制传递函数的分析过程。假定X射线管的调制传递函数值为0.5（50%），这就意味着输入到屏-片体系之前信息已损失了50%。假定所用屏-片体系的调制传递函数值为0.3（30%），这就意味着相对于原有输入的信息量来说，当通过屏-片体系输出时，其调制传递函数值为0.15（15%），即仅有15%的信息被屏-片体系记录和传递（图1-2-13）。

四、颗粒度

当靠近照片观看时，人们会发现整幅图像是由许许多多小的密度区域（颗粒）组成的。它们的组合形成了影像，这种粗糙或砂砾状效果即为颗粒性。

（一）影响颗粒性的因素

影响影像颗粒性的因素如图1-2-14所示，其中最为重要的有4种因素：X射线量子斑点（噪声）；胶片卤化银颗粒的尺寸和分布、胶片对比度、增感屏荧光体颗粒尺寸和分布。

（二）斑点（噪声）

观察X射线照片时会看到一定量的颗粒，它们不是由乳剂中单个银颗粒或增感屏荧光体颗粒组成，而是在一定区域内大量集中的不规则的颗粒。这些有颗粒聚集的区域，称为斑点（噪声）。

卤化银颗粒尺寸为1～2μm，因此裸眼是看不到的，除非它们的对比度非常高。人们所看到的X射线照片斑点，通常认为主要是由量子斑点形成的（或称量子噪声），约占整个X射线照片斑点的92%。所谓量子斑点就是X射线量子的统计涨落在照片上记录的反映。X射线量子冲击到某种介质的受光面时，会像雨点一样激起一个随机的图案，没有任何力量可以使它们均匀地分布在这个表面上（图1-2-15）。假若X射线量子数无限多，单位面积内的量子数就可以看成处处相等；若X射线量子数很少，则单位面积里的量子数就会因位置不同而不同。这种量子密度的波动（涨落）遵循统计学的规律，故称之为X射线量子的“统计涨落”。

五、影响影像质量因素间的相互关系

影像质量因素间的相互关系甚为复杂，它涉及主观（视觉）评价与客观（物理）评价之间的不一致因素。

（一）清晰度与颗粒度间的相互关系

如果忽略其他因素，仅考虑清晰度和颗粒度的相互关系，则影像调制传递函数（MTF），将随颗粒尺寸的变大而下降。换言之，影像清晰度会因影像颗粒性的提高（影粒度变小）而提高。例如，通常情况下增感屏的荧光体颗粒尺寸变小时，影像清晰度提高。这种关系同时也存在于胶片之中，即胶片的乳剂颗粒尺寸变小时，影像清晰度提高。

图1-2-16所示为增感屏、胶片感度与清晰度的关系。可以看出，不使用增感屏时，随着胶片感度逐渐提高，其调制传递函数（MTF）几乎无变化。然而，随着增感屏感度的增加，影像清晰度明显下降。

（二）清晰度与对比度的关系

这两个因素之间的关系相对较为简单。在同样使用增感屏的情况下比较，如果胶片对比度逐渐提高，其清晰度也会提高。相反亦然，胶片对比度降低，其清晰度也下降。

（三）颗粒度与对比度的关系

当影像对比度提高时，颗粒质量下降。图1-2-17所示为显影温度与胶片对比度和均方根值（root mean square，RMS）颗粒度的关系。图下方曲线所示为单纯胶片时，随着显影温度升高，影像对比度（γ值最大反差）增高，颗粒度加大，影像的颗粒性下降；图上方曲线为胶片与增感屏组合使用时，X射线量子斑点和增感屏斑点的双重影响，颗粒性下降幅度随显影温度的升高（对比度增大）而加大。

（四）高感度的屏-片系统与影像质量

当前，增感屏荧光体和胶片乳剂都在不断改进，以提高其系统的感度。理论上讲，要获得系统的高感度，必然会在一定程度上牺牲影像的清晰度和颗粒质量。

从辐射防护角度考虑，最大程度地减少曝光量是人们期望的，但如果以牺牲影像质量为代价，那么影像也就失去了自身的价值和意义。稀土增感屏由于采用了X射线吸收效率比传统钨酸钙增感屏高得多的荧光体，因此在很大程度上减少了高感度屏-片系统下影像清晰度和颗粒质量下降的制约。

图1-2-18是将具有相同颗粒度和对比度等级的8种胶片设计成不同的感度，并测量其颗粒度的实验结果。从中可以看出，当屏-片系统的相对感度达到特定值时，颗粒度开始急剧上升。而这种上升部分是由X射线量子斑点导致的，因为这8种胶片特性、增感屏特性和KV值均未变动，此时影像颗粒性除X射线量子斑点之外不受其他因素影响。

在影像工程学上，常用以下公式计算颗粒性：

照片影像整体颗粒性=（胶片对比度）×（X射线量子斑点）×（增感屏调制传递函数）①+（胶片对比度）×（增感屏斑点）②+ （胶片颗粒性）③

公式中，①表达出X射线量子斑点因素的重要作用，以至于②和③表达出的屏斑点和胶片颗粒性的轻微提高对整体颗粒性都不会产生明显影响。然而，X射线量子斑点的反作用可以通过①中胶片对比度和屏调制传递函数等协同因素的降低而下降。换言之，可通过设计产生稍低对比度照片的胶片结构来达到预期目的。