eficiencia cuántica del detective

La eficiencia cuántica de detección (a menudo abreviada como DQE ) es una medida de los efectos combinados de la señal (relacionada con el contraste de la imagen) y el rendimiento del ruido de un sistema de imagen, generalmente expresada como una función de la frecuencia espacial . Este valor se utiliza principalmente para describir los detectores de imagen en imagen óptica y radiografía médica .

En radiografía médica , el DQE describe la eficacia con la que un sistema de imágenes de rayos X puede producir una imagen con una alta relación señal-ruido ( SNR ) en comparación con un detector ideal. A veces se considera una medida indirecta de la eficiencia de la dosis de radiación de un detector, ya que la exposición a la radiación requerida para un paciente (y, por lo tanto, el riesgo biológico derivado de dicha exposición) disminuye a medida que aumenta el DQE para la misma SNR de imagen y las mismas condiciones de exposición.

El DQE también es una consideración importante para los CCD , especialmente aquellos utilizados para imágenes de bajo nivel en microscopía óptica y electrónica , ya que afecta la relación señal-ruido (SNR) de las imágenes. Es similar al factor de ruido utilizado para describir algunos dispositivos electrónicos. El concepto se ha extendido a los sensores químicos, ^{[ 1 ]} en cuyo caso el término alternativo detectividad ^{[ 2 ]} es más apropiado.

A partir de la década de 1940, hubo un gran interés científico en clasificar el rendimiento de señal y ruido de varios detectores ópticos, como cámaras de televisión y dispositivos fotoconductores. Se demostró, por ejemplo, que la calidad de la imagen está limitada por la cantidad de cuantos utilizados para producirla. La eficiencia cuántica de un detector es una métrica principal de rendimiento porque describe la fracción de cuantos incidentes que interactúan y, por lo tanto, afectan la calidad de la imagen. Sin embargo, otros procesos físicos también pueden degradar la calidad de la imagen, y en 1946, Albert Rose ^{[ 3 ]} propuso el concepto de eficiencia cuántica útil o eficiencia cuántica equivalente para describir el rendimiento de esos sistemas, que ahora llamamos eficiencia cuántica de detección . Zweig ^{[ 4 ]} y Jones ^{[ 5 ]} realizaron las primeras revisiones de la importancia y aplicación de la DQE.

El DQE fue introducido a la comunidad de imágenes médicas por Shaw ^{[ 6 ] [ 7 ]} para la descripción de sistemas de película-pantalla de rayos X. Demostró cómo la calidad de imagen con estos sistemas (en términos de la relación señal-ruido) podía expresarse en términos de cuantos equivalentes de ruido (NEQ). El NEQ describe la cantidad mínima de cuantos de rayos X necesarios para producir una SNR específica . Por lo tanto, el NEQ es una medida de la calidad de la imagen y, en un sentido muy fundamental, describe cuántos cuantos de rayos X vale una imagen . También tiene un significado físico importante, ya que describe qué tan bien puede detectarse una estructura de bajo contraste en una imagen uniforme limitada por ruido por el observador ideal , lo que es una indicación de lo que puede visualizar un observador humano bajo condiciones específicas. ^{[ 8 ] [ 9 ]} Si también conocemos cuántos cuantos de rayos X se utilizaron para producir la imagen (el número de cuantos de rayos X incidentes en un detector), q, conocemos el costo de la imagen en términos de un número de cuantos de rayos X. El DQE es la relación entre el valor de una imagen y su costo en términos de números de cuantos distribuidos según una distribución de Poisson :

${\displaystyle \mathrm {DQE} ={\frac {\mathrm {NEQ} }{q}}}$.

En este sentido, el DQE describe la eficacia con la que un sistema de imagen captura la información contenida en una imagen de rayos X en comparación con un detector ideal. Esto es fundamental en la imagen médica radiológica , ya que indica que la exposición a la radiación de los pacientes solo puede mantenerse lo más baja posible si el DQE se aproxima lo máximo posible a la unidad. Por este motivo, el DQE es ampliamente aceptado en los ámbitos regulatorio, comercial, científico y médico como una medida fundamental del rendimiento de los detectores.

El DQE generalmente se expresa en términos de frecuencias espaciales basadas en Fourier como: ^{[ 10 ]}

${\displaystyle \mathrm {DQE} (u)={\frac {\mathrm {NEQ} (u)}{q}}={\frac {qG^{2}\mathrm {T^{2}} (u)}{\mathrm {W} (u)}}}$

donde u es la variable de frecuencia espacial en ciclos por milímetro, q es la densidad de cuantos de rayos X incidentes en cuantos por milímetro cuadrado, G es la ganancia del sistema que relaciona q con la señal de salida para un detector lineal y con corrección de desplazamiento, T(u) es la función de transferencia de modulación del sistema y W(u) es el espectro de potencia del ruido de Wiener de la imagen correspondiente a q. Como este es un método de análisis basado en Fourier, es válido solo para sistemas de imágenes lineales e invariantes a la traslación (análogos a la teoría de sistemas lineales e invariantes en el tiempo, pero reemplazando la invariancia temporal por la invariancia espacial a la traslación) que involucran procesos de ruido estacionarios en sentido amplio o cicloestacionarios en sentido amplio . El DQE a menudo se puede modelar teóricamente para sistemas de imágenes particulares utilizando la teoría de sistemas lineales en cascada. ^{[ 11 ]}

El DQE se expresa a menudo en formas alternativas que son equivalentes si se tiene cuidado al interpretar correctamente los términos. Por ejemplo, la relación señal/ruido al cuadrado de una distribución de Poisson incidente de q cuantos por milímetro cuadrado viene dada por

${\displaystyle \mathrm {SNR} _{\text{in}}^{2}(u)=q}$

y la de una imagen correspondiente a esta entrada viene dada por

${\displaystyle \mathrm {SNR} _{\text{out}}^{2}(u)={\frac {q^{2}G^{2}\mathrm {T} ^{2}(u)}{\mathrm {W} (u)}}}$

lo que dio como resultado la interpretación popularizada de que el DQE es igual a la relación entre el cuadrado de la relación señal/ruido de salida y el cuadrado de la relación señal/ruido de entrada:

${\displaystyle \mathrm {DQE} (u)={\frac {\mathrm {SNR} _{\text{out}}^{2}(u)}{\mathrm {SNR} _{\text{in}}^{2}(u)}}.}$

Esta relación solo es válida cuando la entrada es una distribución de Poisson uniforme de cuantos de imagen y la señal y el ruido están definidos correctamente.

Un informe de la Comisión Electrotécnica Internacional (IEC 62220-1) ^{[ 12 ]} se elaboró ​​con el fin de estandarizar los métodos y algoritmos necesarios para medir la DQE de los sistemas de imágenes de rayos X digitales.

Su combinación de ruido muy bajo y un rendimiento de contraste ventajoso permitió que algunos sistemas de rayos X digitales ofrecieran mejoras significativas en la detectabilidad de objetos de bajo contraste, una cualidad que se cuantifica mejor mediante el DQE. El DQE también se ha considerado el referente de facto en la comparación de las tecnologías de detectores de rayos X existentes y emergentes . ^{[ 13 ]}

La DQE afecta especialmente a la capacidad de visualizar objetos pequeños y de bajo contraste. De hecho, en muchas situaciones de imagen, es más importante detectar objetos pequeños que limitar la resolución espacial (LSR), el parámetro tradicionalmente utilizado para determinar el tamaño mínimo de un objeto que se puede visualizar. Incluso si un sistema digital tiene una LSR muy alta, no puede aprovechar la resolución si tiene una DQE baja, lo que impide la detección de objetos muy pequeños.

Un estudio que compara la imagen en película/pantalla con la imagen digital demuestra que un sistema digital con un alto DQE puede mejorar la capacidad de detectar objetos pequeños y de bajo contraste, incluso si el sistema digital tiene una resolución espacial límite (LSR) sustancialmente menor que la película.

La reducción de la dosis de radiación es otra ventaja potencial de la tecnología de rayos X digitales; y una alta eficiencia cuántica de detección (DQE) debería contribuir significativamente a ello. En comparación con la imagen en película/pantalla, un detector digital con alta DQE tiene el potencial de ofrecer mejoras significativas en la detectabilidad de objetos con una dosis equivalente , o de permitir una detectabilidad comparable a la de la película con una dosis reducida.

Un alto DQE proporciona la base necesaria para aplicaciones digitales avanzadas, como imágenes de doble energía, tomosíntesis y fluoroscopia de baja dosis. Combinado con algoritmos avanzados de procesamiento de imágenes y una rápida capacidad de adquisición y lectura, un alto DQE es indispensable para aplicaciones como las aquí mencionadas.

• ¿Qué es la Eficiencia Cuántica Detective?
• Eficiencia cuántica del detective
• DQE: Una visión simplificada