Bildgebung mit Röntgenstrahlen. Bildqualität

Transkript

1 Bildqualität

2 Scanogramm Röntgen- Quelle Detektor Entwicklung Verarbeitung Tomogramm

3 Einflussfaktoren Rauschen Kontrast Schärfe System- Rauschen (Verstärker) Strahlen- Dosis (Quantenrauschen) Objekt- Dicke Objekt- Dichte Strahlen- Qualität Kontrast des Detektors Schärfe des Detektors

4 Intensitätsprofile

5 Kontrast = Objektintensität - Hintergrundintensität Hintergrundintensität Kontrast = ( )/100 = 0,5

6 Objektintensität - Hintergrundintensität Modulation = Hintergrundintensität + Objektintensität Modulation [0,1] Modulation = ( )/( ) = 0,2

7 Qualitätskriterien - Verzerrungen - gleichmäßige Ausleuchtung - Konversionsfaktor (Leuchtdichte am Ausgang / Dosisleistung am Eingang) - Rauschen - räumliche Auflösung

8 sattelförmige Verzerrungen - Geräte-typischer Effekt - kein großer Einfluß bei Diagnostik - Vermessung mit quadrat. Gitter - digital korrigierbar

9 Vignetting - Geräte-typischer Effekt

10 Rauschen Zahl der nachgewiesenen Rö.-Quanten (x) pro Flächen- und Zeiteinheit folgt der Poisson-Verteilung: p(x) σ = 2 Poisson m x e x! = m m Poisson-Verteilung wird nur durch Mittelwert m beschrieben! (bei Gaussverteilung: Mittelwert und Standardabweichung) Je größer Zahl der Rö.-Quanten, desto größer Standardabweichung (desto kleiner prozentuale Streuung) m s s (%) 10 3,16 31, ,00 10, ,60 3,16 Quantenrauschen: Quantenanzahl Grauwert eines Bildes Bild ist verrauscht

11 Rauschen Bestimmung des Quantenrauschen (Maßeinheit)

12 Rauschen Bestimmung des Quantenrauschen (messtechnisch)

13 Rauschen Bestimmung des Quantenrauschen

14 Bestimmung des Quantenrauschen Kalibrierkurve Rauschen

15 Rauschen Bestimmung des Quantenrauschen Beispiel: mittlere Rö.-Energie: 80 kev Dosisleistung: 0,2 µgy/s Pixelgröße: 0,2 mm x 0,2 mm Belichtungszeit/Bild: 0,2 s 80 kev 3, Quanten/(mm µgy) Quantenrauschen (ankommende Rö.-Quanten): 54 Rö.-Quanten/Pixel; Standardabw.: 7,3; rel. Std.Abw.: 13,5 % (durch Poisson-Verteilung gegeben und nicht weiter optimierbar!!)

16 Rauschen Bestimmung des Quantenrauschen Beispiel (Fortsetzung) Einfluß der Meßkette (I) Absorption im Eingangsleuchtschirm: 10 % eff. Absorptionsgrad (CsJ (80keV)): 70 % nachgewiesene Quanten (Schirm): 34 ± 5,8 = 34 ± 17,1 % Verschlechterung des Signal/Rausch-Verhältnis im Eingangsleuchtschirm!!

17 Rauschen Bestimmung des Quantenrauschen Beispiel (Fortsetzung) Einfluß der Meßkette (II) Umwandlung Rö.Quant in Licht: 2600 Photonen / Quant 2600 x 34 = Photonen/Bild/Pixel Aber: Photonenerzeugung ebenfalls statistischer Prozess! (z.b.: 2600 ± 100) mit Fehlerfortpflanzungsgesetz: Zahl der erzeugten Photonen ± = ± 17,4 % nur geringfügige Änderung der Standardabweichung Signal/Rausch-Verhältnis ändert sich kaum!

18 Rauschen Das Signal/Rausch-Verhältnis am Ausgang ist kein gutes Maß für die Qualität eines abbildenden Systems. Wichtig ist, um welchen Faktor das Signal/Rausch-Verhältnis durch das System verschlechtert wird.

19 Rauschen wg. Poisson-Verteilung: σ 2 Ausgang/σ 2 Eingang = n Eingang /n Ausgang

20 Rauschen DQE einer Abbildungskette: DQE Kette = DQE 1. DQE DQE N (da Ausgang von Komponente 1 = Eingang in Komponente 2 etc.) (DQE für obiges Beispiel: DQE Eingangsschirm = 34/54 = 0,63 nach Photonen-Umwandlung: DQE Konv = (88400/15400) 2 / (34/5,8) 2 = 0,96

21 Rauschen Bildqualität bei der Röntgenbildgebung immer begrenzt wegen Balance zwischen Dosis- bzw. Dosisleistungsminimierung (Strahlenschutz) und Signalmaximierung (Detail-Erkennbarkeit)

22 Rauschen Detail-Erkennbarkeit 3000 Photonen Photonen Photonen Rose: Vision, Photonen 3,6 Mio. Photonen 28 Mio. Photonen

23 Räumliche Auflösung (Bildschärfe) Allgemeine Definition: Trennung zweier benachbarter Objekte (Rayleigh-Kriterium)

24 Räumliche Auflösung Spezielle Definition: Modulationsübertragungsfunktion MTF (Modulation Transfer Function) Beispiel: in x-richtung sinusförmig moduliertes Ausgangsbild

25 Def.: Ortsfrequenz (räumliche Frequenz) Ortsfrequenz = Anzahl periodisch wiederkehrender Hell-Dunkel- Schwankungen (sogenannter Linienpaare, Lp) bezogen auf eine Längeneinheit u = 1/x [mm -1 ]

26 Detailgröße - Ortsfrequenz

27 Modulationsübertragungsfunktion MTF Objekt Abbildendes System (Linienbildfunktion) Bild

28 Modulationsübertragungsfunktion MTF

29 Modulationsübertragungsfunktion MTF

30 Modulationsübertragungsfunktion MTF symmetrische LBF: L(x)=L(-x) mit und η abh. von räumlicher Frequenz des Originals η [-1,1] (wg. Normierung der LBF und wg. -1 < cos2πux < 1) η 1, falls λ=1/u >> L(x) (große λ werden unverfälscht übertragen) η 0, falls λ=1/u << L(x) (Verlust des Bildinhaltes)

31 MTF und Kontrast

32 MTF und Kontrast Für sinusoidale (!!) Signale gilt: [u]: Linienpaare lp/mm

33 Abbildung eines Sinus-Originals

34 MTF einer Abbildungskette: MTF Kette = MTF(u). 1 MTF(u) MTF(u) N (da Ausgang von Komponente 1 = Eingang in Komponente 2 etc.)

35 Messung der MTF Bleistrichraster

36 Messung der MTF Bleistrichraster

37 Messung der MTF Bleistrichraster

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39 Messung der MTF Bleistrichraster liefert nicht nur Informationen über die Grundfrequenz sondern auch über ungradzahlige höhere Harmonische folgt aus Fourierreihenentwicklung einer Rechteckfunktion:

40 Rauschen und räumliche Auflösung Erhöhung der DQE führt zu Verminderung der MTF und umgekehrt!

41 Rauschen