介紹和概述
通常希望圖像亮度（或膜密度）是均勻的，除非它改變以形成圖像。然而，有些因素即使在不存在圖像細節時也傾向於產生所顯示圖像的亮度的變化。這種變化通常是隨機的，沒有特定的模式。在許多情況下，它降低了圖像質量，並且當被成像的物體很小並且具有相對低的對比度時尤其顯着。圖像亮度的這種隨機變化被指定爲 噪聲。
所有醫學圖像都包含一些視覺噪音。噪聲的存在使圖像具有斑駁，顆粒狀，紋理或雪花的外觀。下圖比較了兩種具有不同噪聲水平的圖像。我們很快就會發現，圖像噪音來自各種各樣的來源。沒有成像方法沒有噪聲，但是噪聲在某些類型的成像過程中比在其他類型中更普遍。
右側圖像 （B）比左側圖像噪聲更大（A）
核圖像通常是最嘈雜的。噪聲在MRI，CT和超聲成像中也很重要。與這些相比，射線照相產生噪聲最小的圖像。由於後面解釋的原因，熒光透視圖像比放射線圖像稍微更嘈雜。傳統攝影產生相對無噪聲的圖像，除非膠片的顆粒變得可見。
在本章中，我們將考慮圖像噪聲的一些一般特徵，以及影響噪聲量的射線照相和熒光透視中的特定因素。
對可見性的影響
儘管噪聲給圖像帶來了通常不希望的外觀，但最重要的因素是噪聲可以覆蓋並降低圖像內某些特徵的可見性。對於低對比度物體，能見度的損失尤爲重要。噪聲對物體可見度的一般影響在第一章（圖像特徵和質量）中有所描述， 並在標題爲“噪聲對物體可見性的影響”的章節中的圖中進行了說明。可見度閾值，尤其是低對比度物體，與噪聲有很大關係。原則上，當我們減少圖像噪聲時，“窗簾”會稍微升高，並且身體內的更多低對比度物體變得可見。
需要考慮的問題：如果可以針對特定成像過程調整噪聲水平，那麼爲什麼不將其降低到可能的最低水平以獲得最大可見度？
雖然我們通常可以通過改變成像因子來降低噪音，但我們必須始終妥協。在X射線成像中，主要的妥協是患者暴露和劑量; 在MRI和核成像中，主要的妥協是成像時間。噪聲和其他圖像特徵（例如對比度和模糊）之間也存在折衷。原則上，每種成像方法的用戶必須確定特定程序的可接受噪聲水平，然後選擇將以最小曝光，成像時間或對其他圖像質量特性的影響來實現它的成像因子。
量子噪聲
X射線光子以隨機圖案照射在諸如圖像接收器的表面上。沒有力可以使它們均勻地分佈在表面上。受體表面的一個區域可能比另一個區域接收更多的光子，即使兩者都暴露於相同的平均X射線強度。
在使用x射線或伽馬光子的所有成像過程中，大多數圖像噪聲是通過光子在圖像內分佈的隨機方式產生的。這通常被稱爲 量子噪聲。回想一下，每個光子都是量子（特定量）的能量。正是X射線束的量子結構產生了量子噪聲。
讓我們使用下面的插圖來更新我們的輻射量子特性的概念，看看它是如何產生圖像噪聲的。在這裏，我們看到X射線束的一部分形成了圖像中一個小區域的曝光。請記住，X射線束是一個單獨的光子陣列。因爲光子是獨立的，所以它們隨機分佈在圖像區域內，有點像落在地面上的前幾滴雨。在某些點上可能存在多個光子（液滴）的簇，以及僅收集少量光子的區域。這種不均勻的光子分佈在圖像中顯示爲噪聲。的 噪聲的量是由所確定的 在光子濃度變化由點到一個小的圖像區域內指向。
量子噪聲的概念
幸運的是，我們可以在某種程度上控制光子波動和產生的圖像噪聲。上圖顯示了兩個1毫米的方形圖像區域，細分爲九個較小的方形區域。兩個區域之間的差異是落在該區域內的光子濃度（輻射暴露）。第一個平均每個小方塊有100個光子，第二個平均每個小方塊有1000個光子。對於典型的診斷X射線束，這相當於分別約3.6μR和36μR的受體暴露。請注意，在第一個大區域中，沒有一個較小的區域恰好有100個光子。在這種情況下，每個區域的光子數範圍從低89光子到高114光子。但是，我們不會 使用這兩個極值來衡量光子波動。因爲大多數小區域的光子濃度更接近平均值，所以更適合用標準偏差表示光子變化。標準偏差是統計分析中常用的數量（參見標題爲“統計”）表示數量之間的差異或變化量。標準偏差的值有點像小區域中的“平均”偏差量或變化量。光子分佈的特徵之一是波動量（標準偏差值）與平均光子濃度或曝光水平有關。每個區域的平均光子數的平方根提供了對標準偏差值的近似估計。在該示例中，標準偏差具有每面積10個光子的值。由於這是平均值的10％，因此該曝光下的量子噪聲（光子波動）具有10％的值。
現在讓我們考慮右邊的圖像區域，每個區域平均接收1000個光子。在這個例子中，我們還發現沒有一個小區域正好接收到1000個光子。在這種情況下，光子濃度範圍從每個區域964個光子到1,046個光子。取平均光子濃度的平方根（1,000）得到33.3光子的標準偏差值。看起來我們的光子波動或噪聲比其他區域更高。然而，當我們將標準偏差表示爲平均光子濃度的百分比時，我們發現噪聲水平實際上已降至3.3％。
我們剛剛觀察到量子噪聲可能是最重要的特徵; 可以通過增加用於形成圖像的光子濃度（即曝光）來減少它。更具體地，量子噪聲與暴露於受體的平方根成反比。
圖像噪聲和所需曝光之間的關係是設置特定X射線程序的人必須考慮的問題之一。在大多數情況下，患者暴露可以減少，但代價是增加的量子噪聲，並且可能降低可見度。在大多數情況下，還可以降低圖像噪聲，但是需要更高的曝光。大多數X射線程序是在這兩個非常重要因素之間的合理折衷點進行的。
受體靈敏度
形成圖像所需的光子濃度或曝光由受體的靈敏度決定 。X射線投影成像（放射攝影和熒光透視）中使用的受體的靈敏度在相當大的範圍內變化，如下圖所示。此圖表顯示了用於特定成像應用的近似值。
X射線成像中使用的受體靈敏度值
屏幕 - 電影射線照相術
射線照相接收器（盒式磁帶）的靈敏度取決於屏幕和膠片的特性以及它們的匹配方式。影響受體靈敏度的因素不一定會改變受體的量子噪聲特性。影響射線照相受體靈敏度的主要因素是薄膜敏感性，屏幕轉換效率和屏幕吸收效率。量子噪聲水平由受體實際吸收的光子濃度決定 ，而不是傳遞給它的光子濃度。通過改變減少實際吸收的光子數量的任何因子來增加受體靈敏度 將增加量子噪聲。
形成圖像所需的受體暴露（受體敏感性）可以通過修改幾個因素來改變，如下圖所示。圖中右側所示的薄膜靈敏度決定了產生所需薄膜密度所需的光量。如果增加膠片的靈敏度以減少所需的光量，反過來，這將減少必須在屏幕中吸收的X射線光子的數量。結果將是具有增加的量子噪聲的圖像。回想一下，特定膠片和屏幕組合的有效靈敏度取決於膠片的光譜靈敏度特性與屏幕產生的光的光譜特性的匹配。當兩個特徵緊密匹配時，產生最大靈敏度和最大量子噪聲。在射線照相術中，改變膠片的靈敏度（即改變膠片的類型）是調節圖像中量子噪聲水平的最直接方法。量子噪聲通常是限制在射線照相中使用高靈敏度薄膜的因素。
強化屏 - 膜受體內輻射量的關係
轉換效率是增強屏幕的特徵，實際上是實際轉換成光的吸收的X射線能量的分數。特定屏幕的轉換效率值由其組成和設計決定。它不能被用戶更改。原則上，高轉換效率可提高受體靈敏度並減少患者暴露。不幸的是，轉換效率的提高降低了必須在屏幕中吸收的x輻射量，這反過來又增加了量子噪聲。因此，高轉換效率並不總是增強屏幕的理想特性。製造商應將其調整到能夠在受體靈敏度和量子噪聲之間產生適當平衡的值。
在不增加量子噪聲的情況下增加射線照相受體靈敏度的唯一方法是 提高吸收效率。吸收效率的提高不會改變產生圖像所必須吸收的輻射量。然而，它確實減少了所需的入射暴露，因爲更大比例的輻射被吸收。
回想一下，有幾個因素決定了吸收效率：即屏幕組成，屏幕厚度和光子能譜。射線照相受體靈敏度和量子噪聲之間的關係可總結如下。適當曝光圖像中的量子噪聲量與增強屏幕中實際吸收的X射線能量的量直接相關。影響吸收效率的變化因素，例如屏幕材料的類型，屏幕厚度和KVp（光子能量譜）將改變與量子噪聲水平相關的整體受體靈敏度。另一方面，改變薄膜靈敏度，光譜匹配和增感屏的轉換效率通常會改變量子噪聲和受體靈敏度。
具有相同靈敏度的兩種屏幕 - 膠片組合如下所示。一種系統使用相對較厚的高速屏幕和具有傳統靈敏度的薄膜。另一個系統使用更細的細節速度屏幕和更敏感的電影。這兩個系統產生的圖像在兩個方面有所不同。與使用更敏感的膠片的系統相比，使用更厚屏幕的系統具有更多模糊但更少的量子噪聲。噪音的 減少來自 吸收效率的提高和 模糊的增加。
兩種絲網膜組合的圖像質量比較
強化射線照相術
由於通常較高的受體靈敏度值（即較低的受體暴露），使用熒光透視系統（視頻和點膠片）進行的強化放射攝影中的量子噪聲有時比屏幕膠片放射攝影更爲顯着。通過使用如熒光透視章節中所述的圖像增強管可以獲得更高的靈敏度。利用這樣的系統，量子噪聲水平可以由工程師調整。
數字射線照相術
在量子噪聲方面，膠片屏和數字射線照相接收器之間存在明顯差異。正如我們剛纔所見，膠片放射線照相中的噪聲水平主要取決於受體的靈敏度（或速度）。這取決於增強屏和所用薄膜的設計特性。
使用膠片屏幕接收器時，必須將曝光設置爲與接收器的靈敏度相匹配，否則結果將是曝光不足（光膜）或曝光過度（暗膜）圖像。因此，從曝光和對比度的角度來看，所有可接受的膠片都將通過受體暴露產生，受體暴露由受體的靈敏度特徵決定。只能通過改變接收器來改變噪聲水平，通常是通過將膠片更換爲具有不同靈敏度（速度）的膠片。
數字射線照相受體不像膠片屏幕受體那樣具有固定的靈敏度。數字受體的一個有價值的特徵是寬曝光動態範圍 ，如下所示。這意味着可以在很寬的曝光值範圍內產生具有良好對比度特性的圖像。它不像在膠片上記錄的射線照片，其中任何偏離正確或最佳曝光的結果導致曝光膠片下方或上方。
這種寬動態曝光範圍具有明顯的優勢。曝光錯誤不會導致圖像像膠片一樣失去對比度。另一個優點是能夠捕獲來自患者身體的全方位暴露，其中身體密度和穿透的變化很大，例如在胸部。當捕獲完整曝光範圍時，可以使用數字處理來增強和優化對比度。這是數字放射成像中的常規程序。
過量的量子噪聲是數字放射成像中的潛在問題，因爲就對比度而言，可以產生具有低曝光的圖像，其仍然看起來很好。下面通過曝光動態範圍下端附近左側的圖像說明該條件。對比度仍然很好，但噪音是兩個高。
原則上，數字射線照相系統在曝光後設置其靈敏度（速度），以便校正實際曝光。
在數字放射成像中，重要的是對每個程序使用適當的曝光和技術因素。最佳（正確）曝光是產生具有可接受的噪聲水平的圖像而沒有不必要或過度暴露於患者的圖像。
數字射線照相系統與圖像一起顯示，以及用於形成圖像的曝光量的指示。各種製造商使用不同的因素來顯示曝光信息。下面說明了一個製造商使用的“S”因子。與圖像一起顯示的“S”值表示系統對該特定圖像使用的效果靈敏度（速度）。
高S因子（如1000）表明圖像是以低曝光形成的，並且預計會產生過多的噪聲。低S因子（如50）表示使用了不必要的高曝光。由於噪音低，圖像質量良好，但患者遭受不必要的曝光。
在數字射線照相受體的寬動態範圍內產生不同曝光的圖像。
透視
常規熒光鏡的受體靈敏度通常在每個圖像幀的1μR至10μR的範圍內。這種相對低的曝光產生具有相當大量子噪聲的圖像 然而，在正常的熒光透視觀察中，我們一次看不到一個圖像幀而是幾個幀的平均值，如下所述。
一些熒光透視系統可以切換到低噪聲模式，這將提高低對比度細節的可見性。在低噪聲模式中，受體靈敏度降低，並且形成圖像需要更多曝光。這通常稱爲HLC或高級控制。
一世有可能開發出具有更高靈敏度的受體系統，並且與目前在X射線成像中使用的那些相比需要更少的曝光。但是，沒有已知的方法可以克服量子噪聲的基本限制。受體必須吸收足夠濃度的X射線光子，以將噪聲降低到可接受的水平。
穀物和結構噪音
雖然X射線束的量子結構是大多數X射線成像應用中最重要的噪聲源，但是膠片，增強屏，增強管屏或數字接收器的結構會將噪聲引入圖像中。
記錄在膠片上的圖像由許多不透明的鹵化銀晶體或顆粒組成。射線照相膠片中的顆粒非常小，並且當以常規方式觀察膠片時通常不可見。當記錄在膠片上的圖像被光學放大時，有時會看到顆粒狀結構，就像投影到屏幕上時一樣。每當可見時，膠片顆粒就是一種圖像噪聲。
膠片顆粒噪聲通常是攝影中比放射線照相更嚴重的問題，尤其是在具有相對高靈敏度（速度）的膠片上記錄的圖像的放大中。
圖像增強屏幕和增強管屏幕實際上是小晶體層。通過在每個晶體內產生光（熒光）來形成圖像。屏幕的晶體結構引入了圖像內點到點的光產生的輕微變化。在大多數射線照相應用中，這種結構噪聲相對不顯着。
電子噪聲
視頻圖像通常包含來自各種電子源的噪聲。視頻（電視）圖像噪聲通常被稱爲雪。構成視頻系統的一些電子元件可能是電子噪聲的來源。噪聲是隨機電流的形式，通常由器件內的熱活動產生。其他電子設備，例如電機和熒光燈，甚至大氣中的自然現象都會產生可由視頻系統拾取的電噪聲。
當圖像信號較弱時，視頻系統中噪聲的存在變得特別明顯。大多數視頻接收器具有自動增益（放大）電路，其在存在弱信號時增加放大量。這會放大噪聲並使其在圖像中變得非常明顯。通過將TV（視頻）接收器調諧到空閒信道或具有弱信號的信道，可以容易地觀察到這種效果。由於系統故障或失調，在透視圖像中存在過量電子噪聲通常是視頻信號弱的結果。
對比度對噪聲的影響
如果成像系統的整體對比度傳遞增加，則圖像中的噪聲變得更加明顯。當使用具有可調節對比度的圖像顯示器時，必須考慮這一點，例如熒光透視中使用的一些視頻監視器，以及CT，MRI和其他形式的數字圖像中的觀察窗。高對比度薄膜增加了噪音的可見度。
模糊對噪聲的影響
圖像噪聲的可見性通常可以通過模糊來減少，因爲噪聲具有相當精細的結構。圖像的模糊傾向於將每個圖像點與其周圍區域混合; 其效果是消除噪聲的隨機結構並使其不太明顯。
使用圖像模糊來降低噪聲的可見性通常涉及折衷，因爲模糊會降低有用圖像細節的可見性。高靈敏度（速度）增強屏幕通常產生的圖像顯示出比細節屏幕更少的量子噪聲，因爲它們產生更多的圖像模糊。問題是沒有屏幕可以同時提供最大的噪音抑制和細節可見性。
有時會在數字圖像處理中使用模糊處理來降低圖像噪聲，如下一節所述。
圖像集成
整合是在一段時間內平均一系列圖像的過程。由於大多數類型的圖像噪聲具有相對於時間的隨機分佈，因此圖像的集成在平滑圖像和減少其噪聲內容方面非常有效。原則上，整合使圖像相對於時間模糊，而不是相對於空間或區域。使用該過程的基本限制是在該時間間隔期間患者運動的影響。
集成需要能夠存儲或記住一系列圖像，至少在短時間內。幾種裝置用於醫學成像中的圖像集成。
人類視覺
人眼（視網膜）在約0.2秒的時間內響應平均光強度。在觀看熒光透視圖像時，這種積分或平均特別有用。
傳統的熒光透視顯示器是一系列單獨的視頻圖像。每個圖像顯示三十分之一秒。因爲使用相對低的受體曝光（小於5μR）來形成每個單獨的圖像，所以圖像相對有噪聲。然而，由於眼睛不“看到”每個單獨的圖像，而是幾個圖像的平均值，所以降低了噪聲的可見性。實際上，眼睛在任何特定時間對大約六個視頻圖像進行積分或平均。人眼實際可見的噪聲不是由各個熒光透視圖像的受體曝光決定的，而是由一系列整合圖像的總曝光決定的。
攝像機管
在熒光透視中使用的某些類型的攝像機管對圖像的變化具有固有的滯後或緩慢的響應。這種滯後在攝像機管中尤爲重要。滯後的影響是平均或整合噪聲波動併產生更平滑的圖像。使用這種類型的管進行熒光檢查的主要缺點是移動物體往往在圖像中留下臨時痕跡。
數字處理
當獲取一系列圖像並將其存儲在數字存儲器中時，可以對圖像進行平均以減少噪聲內容。該過程經常用於DSA和MRI。
圖像減法
有幾種應用，其中一個圖像從另一個圖像中減去。一個具體的例子是DSA。任何圖像相減過程的基本問題是所得圖像中的噪聲水平高於兩個原始圖像中的任何一個。這是因爲每個圖像內的噪聲隨機分佈。
相對較高的曝光用於在DSA中創建原始圖像。這部分地補償了減法過程產生的噪聲的增加。
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