第二节　影像质量的客观评价

一、客观评价

在评价影像质量时，必须首先考虑以下两个问题：X射线把正常组织和病变部分客观准确地传递出来的能力；信息接受介质如何把信息真实地再现成可见影像。前者取决于X射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。

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。主要是通过摄影条件（X射线摄影三参量kVp、mA、s的输出）、特性曲线、调制传递函数、均方根值（root mean square，RMS）颗粒度、维纳频谱（Wiener spectrum，WS），以及近年导入的量子检出效率（detective quantum efficiency，DQE）和等效噪声量子数（noise-equivalent number of quantum，NEQ）等参数的测量方法作为影像客观评价的手段。

从临床影像诊断的角度来讲，医生更关心的是影像细节的微小变化，即早期诊断的确定，这些涉及影像清晰度的评价。最初清晰度是通过分辨力和锐利度的测定来判断的。但这些方法都各有其缺点，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出综合评价。

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）为自变量的调制传递函数。

调制传递函数即“响应函数”，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，其理论基础是傅里叶变换。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射线成像系统的检测与评价。X射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、强度或量，传递指的是接受介质（如屏-片体系）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。

在X射线照片上淹没微小信号的无规则的微小密度差称为斑点，对影像细节和低对比度情况下观察图像影响较大。我们用RMS颗粒度和WS来定量地测定X射线照片的颗粒性。维纳频谱是以空间长度为变量的函数，它表示医学影像上单位长度（mm）上的噪声能量随空间频率（LP/mm）的变化而分布的状况，其数值等于噪声自相关函数的傅里叶变换。

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。但它们之间是相互独立的评价，缺少综合的概念。而DQE和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。

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。反映成像系统中有效量子的利用率。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。NEQ是指成像系统中输出侧的信噪比的平方，反映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射线摄影发展的今天，量子检出效率（DQE）和等效噪声量子数（NEQ）这两个概念已成为成像系统客观评价中的重要参数。

二、客观评价在屏-片体系成像质量分析中的价值

（一）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，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。事实上分辨力主要在高空间频率（高频部分）与清晰度有相应的关系，而在低频部分分辨力与清晰度不一定统一，如图1-3-4的调制传递函数曲线所示，B屏-片体系的分辨力要大于A屏-片体系。但是，在低频部分（2LP/mm）B系统的调制传递函数小于A。在正常的观察条件下，肉眼一般能看到对应于2～4LP/mm之间的结构。因此，对于一般X射线摄影来讲，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。

（二）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射线照射下的调制传递函数测定中可见，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，调制传递函数曲线有大幅度的跌落。从中得出一个重要的启示，屏-片体系信息传递的损失，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叠效应上。因此，提高屏-片体系信息传递功能的关键是增感屏调制传递函数的提高，这一结论对生产厂家有指导意义。

不同屏-片组合下的调制传递函数：

整个体系的信息传递功能将随屏-片体系相对感度的增加而下降；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；在低空间频率（如0.5LP/mm）或高空间频率（10LP/mm），几组屏-片体系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-片体系的传递函数被拉开。这意味着，X射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-片体系，即应用系列化选用屏-片体系。如四肢远端关节，应取Fine屏-片体系，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-片体系为宜。虽然，它的信息传递减弱一些。但是，照射剂量大幅度降低。一般情况下，选用普通或中速的屏-片体系为宜。

三、客观评价在焦点成像质量分析中的价值

（一）X射线管焦点形状对成像质量的影响

1.相同焦点在不同方位的变形

这是由于X射线管焦点线量分布的不均匀造成的。

这一情况，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射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，这种现象称为相位移动。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4LP/mm（即径线为0.125mm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射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射线管焦点的大小，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，这就是伪解像。

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射线管，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。

（二）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，并不等于标称焦点尺寸。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。

四、客观评价在体位设计质量分析中的价值

（一）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了。现在，我们认为在新的成像原理指导下，应赋予体位设计以更深刻的含义，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，还必须以最高成像质量反映在照片上。体位设计与影像质量之间的关系，受下列因素的影响。

投影学因素：焦点、被照体、胶片三者间位置与距离的关系；

X射线管焦点的成像质量；

X射线中心线投射增感屏-胶片系统（下称屏-片系统）的状态。

（二）X射线中心线投射状态与成像质量关系的分析

1.X射线垂直射入的影像质量

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。通过一个横径18cm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0.50，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0.15，这一差别在高频信息（微细结构）下尤为显著。

2.X射线中心线倾斜射入屏-片系统的影像质量

（1）斜射效应的产生：

在X射线摄影中，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，没有引起人们的更多注意，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射线胶片涂有两面乳剂层，夹在前后两张增感屏中使用。当X射线倾斜射入时，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，由此

D=T·tanθ

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。

（2）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，并绘制成调制传递函数曲线。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。

伪解像的产生是中心线斜射效应的结果，即X射线倾斜使前后屏发光峰值的错开幅度增大，X射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/胶体系时有明显恶化。

（三）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射线影像是被照体在胶片上的平面投影，其形态、大小将依X射线管焦点、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，照片影像的总体调制传递函数，可以从X射线管焦点调制传递函数与屏-片系统的调制传递函数乘积求得。

Rω = Tω·Cω

Rω：摄影体系的总体调制传递函数，Tω：X射线管焦点的调制传递函数，Cω：屏-片系统的调制传递函数。

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，具体以某患者内听道Towne位摄影为实例，比较不同体位设计下的成像质量。

中心线倾斜30°：患者取Towne位，前后位，实测患者蝶鞍距片12.5cm、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 X中心线30°斜射效应下的Cω。

被照体倾斜30°法：同一患者取前后位，头颅下垫起30°，实测蝶鞍距片20.6cm，焦-片距100cm，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 X中心线垂直下的Cω。

两种摄影方法均使用0.3mm焦点。

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。但还应指出影像的几何模糊随X射线管焦点的大小而变化。因此，在不同焦点尺寸下，上述两种设计方案也就会有不同结果。对0.3mm、1.0mm、2.0mm三种焦点在上述条件下做了测试，并在同一空间频率（1.5LP/mm同一组织径线粗细下）下进行了比较，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位方案为佳。

中心线倾斜角度时焦点的调制传递函数比较体位设计方案，几乎不依赖于焦点尺寸，而只依赖于屏-片系统的调制传递函数。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射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。

（四）结语

对于X射线摄影中的摆位，应赋予新的广义的概念，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。

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。

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射线管的使用，有可能在一个更优越的几何投影条件下进行X射线摄影。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射线机的进展，传统的体位设计方案的再讨论是必要的。

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射线片的组合，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射线摄影质量的提高带来新的局面。