第三节 X线影像质量控制的基本因素
一、影像的光学密度与灰度
（一）影像的光学密度
X线影像的密度是指影像的暗度或不透明程度，也称黑化度。可以说X线影像是由不同的黑化度构成。X线影像之所以能被人眼识别观察，正是因为其具有足够的密度和对比度。对X线照片的观察必须通过透射光进行，光线透过具有不同密度的照片后必然造成透过光强的强弱变化。透过照片光强的多少即进入人眼光强的多少，是由照片的阻光能力决定的，这种光透过量的变化可用照片的透光率T和阻光率O来表示。设入射光强度为I0，透过照片的光强度为I，则透光率为T = I/I0；阻光率O为透光率的倒数，即O = I0/I。人眼对光强度差别的生理反应符合常用对数级关系。所以，将照片阻光率的常用对数值称为照片的光学密度，用D表示：
X线照片影像的密度可以用光密度计在照片上直接测出，并以密度值的形式进行数字式读取或用密度曲线进行表达。影像密度应处于人眼观察的可视范围，一般而言，适合人眼观察的X线影像密度范围在0.25～2.0之间。
（二）影像的灰度
灰度指在照片或显示器上，黑白图像上各点表现出的不同程度的灰色。把白色到黑色之间分成若干级，称为“灰度等级”。表现出的灰度信号的等级差别，称为灰阶。为适应人视觉的最大等级范围，灰阶一般只有16个刻度。但是，灰阶的每一刻度内又有4级连续变化的灰度，故共有64个连续的不同灰度的过渡等级。
二、影像对比度与锐利度
（一）对比度的概念
X线照片影像的形成包含5种对比度的基本概念，即物体对比度、X线对比度、胶片对比度、影像对比度和人工对比度，5种对比度在成像过程中相互关联。对比度转化的过程也反映出X线影像形成原理。
1.物体对比度
人体的不同组织结构在物理特性（密度ρ、厚度）或化学特性（原子序数Z）等方面的固有差异称为物体对比度。正是因为被照体具有这种固有差异，才会使得其对X线的吸收程度不同，所以，物体对比度是人体组织结构在X线影像上可见的前提条件。人体组织结构可用气体、脂肪、肌肉和骨等四种主要物质来表示。这四种物质对X线的吸收程度亦不相同。
2.X线对比度
强度均匀的X线束透过人体时，X线被部分吸收和散射，高吸收区域透过的X线与低吸收区域透过的X线形成强度分布的差别，这种透过人体组织后形成的X线强度分布上的差异称为X线对比度（KX）。KX是对人体不同组织结构的真实反映，说明此时X线束已载有人体影像信息。X线对比度的形成是由被照体的物体对比度和X线束的穿透特性决定的，其中，物体对比度是KX产生的根本原因，X线穿透特性则决定所形成的KX的大小。
3.胶片对比度
X线胶片对X线对比度的放大能力称为胶片对比度。它取决于胶片的最大斜率（γ）或平均斜率（G）。由于KX所代表X线强度差异较小，这种差异如果按原始比例（1：1）通过照片转换为光密度，远不能满足人眼分辨人体组织间差异的要求。屏-片系统作为X线接收器，将采集到的不同强度的X线转换为荧光形式，再通过胶片特性曲线，在X线照片能容纳的范围内进行对比度放大。屏-片系统的重要特点之一是大幅度提升X线对比度。
4.人工对比度
由于人体的心、肝、脾、肾、肌肉等软组织器官的物体对比度几乎相等，所以，在X线摄影时产生的X线对比度也几乎相等。为了克服软组织器官间物体对比度差的不利因素，可利用其他高原子序数的物质（碘、钡等）或低原子序数物质（空气）作为造影剂，作用于被检体外或被检体腔内，人为地制造出一种反差，以获得良好的影像对比度，这种对比度称为人工对比度。
（二）影像对比度
X线照片上相邻组织影像的密度差，称为影像对比度。之所以会产生影像对比度，原因在于被照体不同组织间对X线吸收程度不同。就影像对比度而言，影像可分为高对比度影像和低对比度影像。
1.高对比度影像
当影像上相邻组织的密度差大时称为高对比度影像。比如在X线影像上将骨骼与软组织之间形成高反差，这种影像就是高对比度影像，有利于对骨折的影像诊断。高对比度影像存在的问题是，在可视密度范围内可分辨的灰阶较少，图像层次少，不易显示出人体组织间密度的微小差别。
2.低对比度影像
影像密度差较小的X线影像称为低对比度影像。低对比度影像的层次更丰富，在影像上能显示出更多的密度，能更有效地反映出人体组织结构的细微变化。低对比度影像存在的问题是，影像组织间密度差异小，兴趣区的密度异常现象表现不如高对比度影像显著。
（三）影像锐利度
锐利度指相邻组织影像界限的清晰程度。若密度值为D1和D2的两个影像相邻，密度差为K，从密度D1移行到密度D2通过的距离为H，那么锐利度S为：
由一种密度过渡到另一密度时，其密度变化的转变程度越慢，密度变化的距离H就越长，影像锐利度就小；相邻两部分密度转变过程越明确，即H越短，影像锐利度就大。
影像模糊会导致影像边缘不锐利，即影像失锐。造成X线影像模糊，锐利度下降的三个基本因素是X线源（焦点）、接收系统以及运动。
1.焦点的几何模糊
X线管有效焦点是有一定面积的面光源。有效焦点面积越大，图像上的半影越大，图像越模糊。
2.感光材料模糊
增感屏和影像增强器输入端荧光层中的荧光晶体颗粒受到X线照射后，每个颗粒都成为一个独立发光源向外散射荧光，这一现象称为荧光涣散。荧光涣散面积越大，X线影像清晰度越差。荧光涣散形成的模糊主要与乳剂层厚度、荧光晶体类型、大小、发光率有关。
3.运动模糊
X线曝光的瞬间，X线管、被照体及X线接收系统三者均应保持静止，即三者的相互几何投影关系保持不变。如果其中一个因素在摄影过程中发生移动，影像必然出现模糊，称为运动模糊。
X线影像的总模糊是上述三种不同类型模糊的复合效应。
三、空间分辨力与密度分辨力
（一）空间分辨力
空间分辨力又称高对比分辨力，是指对于物体空间大小（几何尺寸）的鉴别能力。空间分辨力通常用每厘米内的线对数（LP/cm）来表示，或用可辨别最小物体的直径来表示。
数字图像的空间分辨力由像素尺寸决定。如果构成图像矩阵的像素数量多，像素尺寸小，图像的空间分辨力就高。反之，像素数量少，图像空间分辨力就低。
矩阵与像素的关系，可由下式表示：
像素尺寸=视野大小/矩阵大小
由上式可知：①当视野大小一定时，矩阵越大像素尺寸越小；②矩阵不变，视野增大像素尺寸随之增大；③一幅图像的像素量是由每个像素大小和整个图像尺寸决定的；④像素数量与像素尺寸的乘积决定视野大小。
从理论上将，像素尺寸减小，像素数量就会增加，图像的空间分辨力就会提高。但是，像素尺寸不能无限制减小，因为像素数量增加就意味着图像数据量增加，这势必会占用计算机更多的内存空间，减缓数字影像重建速度。
（二）密度分辨力
密度分辨力又称低对比度分辨力，指在低对比情况下分辨物体密度微小差别的能力。密度分辨力以百分数表示。如某设备的密度分辨力为0.35%，即表示该设备能将密度差大于0.35%的两种物质分辨出来。决定密度分辨力的主要因素是位深。
数字图像的密度值由计算机二进制数表示。模/数转换器是将原始连续的图像密度转换为一系列离散的灰阶水平，此过程就是数字化。将所有的密度值转化为相应的灰阶，黑白之间灰阶值有许多级，这些灰阶等级或灰阶水平由2N决定。N是二进制的位数，常称为位深。从信息量分析，位深又可称为比特（bit）。比特值越大，表示信息量越大，量化的精度越高；比特值越小，量化精度越低。所以说，比特值决定着图像的密度分辨力。比如，X线照片的密度范围规定Dmax为3.0，Dmin为0.2以下，那么照片的密度范围为2.8。假如用8bit量化，即N = 8，则28 = 256，也就是说从白到黑之间有256个灰阶等级，其中每一等级所代表的密度值是2.8 ÷ 256 ≈ 0.01，也就是相邻两灰阶等级间密度相差0.01。若改用4bit量化，即N = 4，则24 = 16，即从白到黑之间有16个灰阶等级，此时每个灰阶等级所代表的密度值为2.8 ÷ 16 ≈ 0.18，意味着相邻两灰阶等级间密度相差0.18。
由此看来，比特值越大，量化精度越高，图像密度分辨力越好。目前，常见成像设备的位深多为8、12或16。
四、噪声和伪影
（一）噪声
噪声是影响图像质量的不利因素，其在X线照片上表现为斑点。这些斑点的实质是X线量子的统计涨落在照片上的反映。X线量子冲击到某种介质的受光面时，会像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。假若X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线量子数很少，则单位面积里的量子数就会因体位不同而不同，这种量子密度的波动（涨落）遵循统计学规律，故称之为X线量子的“统计涨落”。所以，可以采用增加曝光量的方式，使图像中密度的随机波动减小，降低噪声量。
其实，噪声无处不在，不能完全消除。噪声的主要来源有量子噪声、电子元件形成的噪声以及图像重建形成的噪声。除增加曝光量外，也可通过调整滤过板或提高影像接收器的灵敏度，来达到降噪的目的。在图像处理过程中，有时为了提高空间分辨力，采用锐利算法重建图像，此时，损失了一些影像信息，增加了噪声量，换取了边缘增强的效果。
（二）伪影
伪影是指在成像过程中产生的错误图像特征。伪影并不是对被照体特征的真实反映。伪影产生的原因可分为两类：一类是受检者因素，如受检者体表的异物在图像上形成的异物伪影以及受检者在曝光过程中运动在图像上形成的运动伪影。另一类是设备因素，如设备缩光器或探测器表面污渍在图像上形成的伪影以及图像采集方式所产生的伪影。
五、符合医学影像学的诊断要求
X线照片符合医学影像学的诊断要求是医师作出准确可靠诊断的先决条件。如果X线照片质量很差，那么，无论医师的诊断水平多么高超，也难以作出正确诊断。符合医学影像学诊断要求的优质X线照片应具有适当的密度、明显的对比度和良好的锐利度等要素。
（一）适当的密度
X线照片上不同的密度实质是被照体内部结构信息的呈现，不论X线照片密度过高还是过低都会给影像诊断带来极大困难，甚至是无法诊断。只有在适当的密度下被照体的内部结构信息才能充分准确地显示。
（二）明显的对比度
当X线照片上肢体内部组织与异常变化处存在密度差时方能引起医师眼睛的感觉，进而提出疑问，考虑病变性质。因此，被照体正常组织与病灶间具有明显的对比度是医师作出正确诊断的重要依据，也是优质X线照片的必备要素之一。
（三）良好的锐利度
被照体组织器官运动或影像设备不佳等原因都会使X线照片影像产生模糊，使相邻组织影像边界不清楚，即影像失锐。影像失锐会降低X线影像清晰度，损失影像细节，不利于医师对X线影像作出正确诊断。所以，良好的锐利度是优质X线照片的必备要素之一。它体现在独立的两种组织或器官相邻存在时，其X线的影像界限必须清楚地显示出来，以满足医学影像学的诊断要求。
符合医学影像学诊断要求是对X线照片的综合评价，其实质应是照片清晰，即不论是正常组织还是病灶都应在照片上显示清楚。