واژه نامه پرتو ایکس شماره ۱۲

۲۴. بازده کوانتومی آشکارساز –  Detector Quantum Efficiency (DQE)

بازده کوانتومی آشکارساز چیست؟

Detector Quantum Efficiency  یا DQE یکی از مهم ترین شاخص های ارزیابی عملکرد آشکارسازهای دیجیتال است.

DQE  نشان می دهد آشکارساز تا چه اندازه می‌تواند اطلاعات موجود در فوتون های ورودی را با حفظ نسبت سیگنال به نویز، به یک تصویر مفید تبدیل کند.

به بیان ساده، DQE  به این سؤال پاسخ می دهد:

آشکارساز تا چه اندازه از اطلاعات موجود در پرتو ورودی برای تشکیل تصویر استفاده می کند؟

این مفهوم فقط به تعداد فوتون هایی که آشکارساز دریافت می کند مربوط نیست؛ بلکه کیفیت تبدیل این اطلاعات به سیگنال تصویر و میزان نویزی که در این فرآیند ایجاد یا حفظ می‌شود نیز اهمیت دارد.

چرا DQE اهمیت دارد؟

در تصویربرداری پرتو ایکس، تعداد فوتون های ورودی محدود است و وجود نویز کوانتومی نیز بخشی از ماهیت تصویربرداری با پرتو ایکس است. بنابراین تنها دریافت فوتون کافی نیست؛ آشکارساز باید بتواند اطلاعات این فوتون ها را با کارایی مناسب به سیگنال تصویری تبدیل کند. هرچه بازده کوانتومی آشکارساز بیشتر باشد، در شرایط یکسان، می‌توان اطلاعات بیشتری از پرتو ورودی را در تصویر حفظ کرد. به همین دلیل، DQE  ارتباط نزدیکی با کیفیت تصویر، نویز و میزان تابش مورد نیاز دارد.

البته DQE به تنهایی کیفیت تصویر را تعیین نمی کند و باید در کنار شاخص های دیگری مانند MTF، نویز و شرایط تصویربرداری بررسی شود.

DQE چگونه تعریف می‌شود؟

یکی از تعریف های رایج DQE بر اساس نسبت مجذور نسبت سیگنال به نویز در خروجی به مجذور نسبت سیگنال به نویز در ورودی است:

فرمول اصلی:

که در آن:

• DQE(f) = بازده کوانتومی آشکارساز در فرکانس فضایی f
•  =  نسبت سیگنال به نویز در خروجی
•  =  نسبت سیگنال به نویز در ورودی

وجود f در رابطه نشان می‌دهد که DQE می‌تواند با فرکانس فضایی تغییر کند. بنابراین DQE معمولاً به‌صورت یک منحنی برحسب فرکانس فضایی بررسی می‌شود، نه صرفاً یک عدد ثابت.

DQE  چه چیزی را نشان می دهد؟

برای درک ساده تر DQE می‌توان مسیر تشکیل تصویر را این گونه در نظر گرفت:

فوتون های ورودی ← آشکارسازی ← تبدیل به سیگنال ← اثر نویز ← تصویر خروجی

DQE  در واقع بررسی می کند که اطلاعات کوانتومی موجود در ورودی، پس از عبور از این فرآیند، با چه کارایی در تصویر حفظ شده است. به همین دلیل، DQE را نمی‌توان صرفاً با “توانایی جذب فوتون” یکسان دانست.

بازده کوانتومی آشکارساز مفهومی گسترده تر است و کیفیت استفاده از اطلاعات فوتون ها و اثر نویز را نیز در نظر می گیرد.

بازده کوانتومی آشکارساز و میزان تابش

یکی از دلایل اهمیت DQE در تصویربرداری پزشکی، ارتباط آن با میزان تابش مورد نیاز برای دستیابی به کیفیت تصویر مناسب است. آشکارسازی با DQE بالاتر، در شرایط قابل مقایسه، می‌تواند استفاده مؤثرتری از فوتون های ورودی داشته باشد. در نتیجه، امکان دستیابی به کیفیت تصویری مشخص با میزان تابش کمتر، بسته به شرایط سامانه و تصویربرداری، می‌تواند افزایش یابد.

اما نباید این موضوع را به شکل ساده به این صورت بیان کرد که:DQE  بالاتر همیشه به معنی دوز کمتر است.

میزان دوز و کیفیت تصویر به عوامل متعددی مانند پروتکل تابش، انرژی پرتو، هندسه تصویربرداری، نویز، MTF  و پردازش تصویر وابسته هستند.

چه عواملی بر DQE اثر می گذارند؟

عملکرد DQE تحت تأثیر عوامل مختلفی قرار دارد، از جمله:

• جنس ماده آشکارساز: ویژگی های ماده مورد استفاده برای آشکارسازی پرتو ایکس بر نحوه جذب و تبدیل انرژی فوتون ها به سیگنال اثر می گذارد.
• ضخامت لایه آشکارساز: ضخامت ماده آشکارساز می‌تواند بر میزان جذب فوتون های ورودی تأثیر داشته باشد.
• نویز الکترونیکی: نویز ایجادشده در بخش های الکترونیکی سامانه می تواند نسبت سیگنال به نویز را کاهش دهد و در نتیجه بر DQE اثر بگذارد.
• ساختار آشکارساز: ساختار پیکسل ها، لایه های تبدیل کننده و نحوه انتقال سیگنال می‌توانند عملکرد آشکارساز را تحت تأثیر قرار دهند.
• فرکانس فضایی:DQE در فرکانس های فضایی مختلف می‌تواند مقادیر متفاوتی داشته باشد.

DQE در کجا اهمیت دارد؟

بازده کوانتومی آشکارساز در ارزیابی و مقایسه عملکرد سامانه های مختلف تصویربرداری پرتو ایکس اهمیت دارد، از جمله:

• رادیوگرافی دیجیتال
• فلوروسکوپی
• ماموگرافی
• آشکارسازهای صفحه‌ای
• سامانه های تصویربرداری پزشکی
• سامانه های تصویربرداری صنعتی
• کنترل کیفیت تصویر
• ارزیابی عملکرد آشکارساز

در همه این موارد، DQE می‌تواند اطلاعات ارزشمندی درباره میزان کارایی آشکارساز در استفاده از اطلاعات پرتو ورودی ارائه کند.

۲۵. تابع انتقال مدولاسیون –  Modulation Transfer Function (MTF)

تابع انتقال مدولاسیون چیست؟

Modulation Transfer Function یا MTF یکی از شاخص های مهم برای ارزیابی عملکرد فضایی سیستم تصویربرداری است. MTF نشان می دهد یک سیستم تصویربرداری تا چه اندازه می‌تواند کنتراست جزئیات با اندازه های مختلف را از جسم به تصویر منتقل کند.

به زبان ساده:MTF  نشان می دهد سیستم تصویربرداری چقدر توانایی دارد جزئیات فضایی را بدون از دست دادن کنتراست بازتولید کند.

فرکانس فضایی چیست؟

برای درک MTF ابتدا باید با مفهوم فرکانس فضایی (Spatial Frequency) آشنا شویم. فرکانس فضایی نشان می دهد در یک فاصله مشخص، چند الگوی تکرارشونده وجود دارد.

واحد رایج آن:

فرکانس فضایی پایین معمولاً با جزئیات بزرگ‌تر و فرکانس فضایی بالا با جزئیات کوچک تر مرتبط است. بنابراین وقتی MTF را بررسی می کنیم، در واقع می‌خواهیم بدانیم سامانه در انتقال جزئیات با اندازه های مختلف چه عملکردی دارد.

MTF  چگونه تعریف می‌شود؟

MTF  نسبت مدولاسیون تصویر خروجی به مدولاسیون ورودی در یک فرکانس فضایی مشخص است.

فرمول اصلی:

که در آن:

• MTF(f)  =  تابع انتقال مدولاسیون در فرکانس فضایی f
•  =  مدولاسیون در تصویر خروجی
•  = مدولاسیون در ورودی

مدولاسیون را می توان به کمک بیشینه و کمینه شدت تصویر به صورت زیر تعریف کرد:

در این رابطه:

•  =  بیشترین مقدار شدت یا سیگنال
•  =  کمترین مقدار شدت یا سیگنال

MTF  چگونه تفسیر می شود؟

فرض کنید یک الگوی دارای جزئیات ریز وارد سیستم تصویربرداری شود. اگر سیستم بتواند کنتراست این الگو را به‌خوبی حفظ کند، MTF  در آن فرکانس بالا خواهد بود. اما اگر جزئیات ریز در تصویر محو شوند و تفاوت میان نواحی روشن و تاریک کاهش پیدا کند، MTF  پایین می آید.

به همین دلیل، منحنی MTF معمولاً در فرکانس های پایین مقدار بالاتری دارد و با حرکت به سمت فرکانس های بالاتر کاهش می یابد.

MTF  چگونه اندازه‌گیری می‌شود؟

روش های مختلفی برای اندازه گیری MTF وجود دارد. یکی از روش های شناخته شده، روش لبه (Edge Method) است. در این روش، تصویر یک لبه با کنتراست بالا ثبت می شود. ابتدا از تصویر لبه، تابع Edge Spread Function (ESF)  استخراج می شود. سپس با مشتق گیری از ESF، تابع Line Spread Function (LSF)  به دست می آید.

در مرحله بعد، تبدیل فوریه LSF برای استخراج پاسخ فرکانسی سیستم استفاده می شود.

به‌صورت خلاصه:

Edge → ESF → LSF → Fourier Transform → MTF

این روش یکی از روش های رایج برای ارزیابی عملکرد فضایی سامانه های تصویربرداری دیجیتال است.

چه عواملی بر MTF اثر می گذارند؟

MTF  نتیجه عملکرد کل زنجیره تصویربرداری است و عوامل مختلفی می توانند روی آن اثر بگذارند.

• اندازه پیکسل: اندازه پیکسل یکی از عوامل مؤثر بر توانایی سامانه در ثبت جزئیات فضایی است. البته وضوح فضایی صرفاً با تعداد پیکسل های تصویر تعیین نمی شود.
• نقطه کانونی: اندازه نقطه کانونی می تواند بر وضوح تصویر و میزان تاری هندسی اثر بگذارد.
• حرکت: حرکت جسم، بیمار یا اجزای سامانه هنگام تصویربرداری می‌تواند باعث ایجاد تاری حرکتی شود.
• ساختار آشکارساز: نوع ماده آشکارساز، ساختار پیکسل ها و نحوه انتقال سیگنال می توانند بر انتقال جزئیات فضایی اثرگذار باشند.
• پردازش تصویر: پردازش های نرم افزاری نیز می‌توانند ظاهر و پاسخ فضایی تصویر را تغییر دهند.

آیا MTF و DQE به تنهایی کیفیت تصویر را تعیین می کنند؟

خیر. کیفیت تصویر یک سیستم X-ray نتیجه تعامل چندین عامل است. از جمله:

• کنتراست
• نویز
• MTF
• DQE
• دز یا میزان تابش
• اندازه پیکسل
• هندسه تصویربرداری
• حرکت
• پردازش تصویر
• ویژگی های جسم مورد تصویربرداری

بنابراین بهتر است MTF و DQE را شاخص های مکمل عملکرد سیستم بدانیم، نه یک معیار واحد برای تمام جنبه های کیفیت تصویر.

جمع بندی نهایی

Detector Quantum Efficiency (DQE) – بازده کوانتومی آشکارساز و Modulation Transfer Function (MTF) – تابع انتقال مدولاسیون دو شاخص مهم در ارزیابی عملکرد سامانه های تصویربرداری پرتو ایکس هستند.

DQE  بیشتر بر کارایی آشکارساز در استفاده از اطلاعات فوتون های ورودی و نسبت سیگنال به نویز تمرکز دارد.

MTF  توانایی سامانه در انتقال کنتراست جزئیات با فرکانس های فضایی مختلف را توصیف می کند.

درک هم زمان این دو مفهوم کمک می‌کند عملکرد آشکارساز و کیفیت تصویر را دقیق تر بررسی کنیم و بدانیم که “کیفیت تصویر” تنها به وضوح یا تعداد پیکسل ها محدود نمی شود.

پرسش های پرتکرار

• آیا DQE بالاتر همیشه به معنی تصویر بهتر است؟

DQE  بالاتر نشان دهنده کارایی بهتر سیستم در استفاده از اطلاعات کوانتومی ورودی، با توجه به نسبت سیگنال به نویز، است. اما کیفیت نهایی تصویر فقط به DQE وابسته نیست و عواملی مانند MTF، کنتراست، پردازش و شرایط تصویربرداری نیز اهمیت دارند.

• آیا MTF بالاتر همیشه به معنی وضوح بیشتر است؟

MTF  بالاتر در یک فرکانس مشخص یعنی سیستم کنتراست جزئیات را در آن فرکانس بهتر منتقل می کند. برای قضاوت درباره عملکرد کلی سیستم، باید منحنی MTF در محدوده فرکانس موردنظر و در کنار سایر شاخص ها بررسی شود.

• تفاوت اصلی DQE و MTF چیست؟

MTF  بر انتقال جزئیات و کنتراست فضایی تمرکز دارد، در حالی که DQE بر کارایی استفاده از اطلاعات فوتون ها و حفظ نسبت سیگنال به نویز تمرکز می کند.

• ۴. چرا باید DQE و MTF را با هم بررسی کرد؟

زیرا این دو شاخص جنبه های متفاوتی از عملکرد سیستم را نشان می دهند. MTF اطلاعاتی درباره انتقال جزئیات فضایی ارائه می کند و DQE  نشان می دهد سیستم با چه کارایی از اطلاعات فوتون های ورودی برای تشکیل تصویر استفاده می کند.

منبع

The Essential Physics of Medical Imaging (Bushberg)
Foundations of Image Science (Barrett و Myers)