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于産生所顯示圖像的亮度的變化。這種變化通常是随機的，沒有特定的模式。在許多情況下，它降低了圖像品質，并且當被成像的物體很小并且具有相對低的對比度時尤其顯着。圖像亮度的這種随機變化被指定為 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準的圖像。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，射線照相産生噪聲最小的圖像。由于後面解釋的原因，熒光透視圖像比放射線圖像稍微更嘈雜。傳統攝影産生相對無噪聲的圖像，除非膠片的顆粒變得可見。
在本章中，我們将考慮圖像噪聲的一些一般特征，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
盡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寫并降低圖像内某些特征的可見性。對于低對比度物體，能見度的損失尤為重要。噪聲對物體可見度的一般影響在第一章（圖像特征和品質）中有所描述， 并在标題為“噪聲對物體可見性的影響”的章節中的圖中進行了說明。可見度門檻值，尤其是低對比度物體，與噪聲有很大關系。原則上，當我們減少圖像噪聲時，“窗簾”會稍微升高，并且身體内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準，那麼為什麼不将其降低到可能的最低水準以獲得最大可見度？
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。噪聲和其他圖像特征（例如對比度和模糊）之間也存在折衷。原則上，每種成像方法的使用者必須确定特定程式的可接受噪聲水準，然後選擇将以最小曝光，成像時間或對其他圖像品質特性的影響來實作它的成像因子。
量子噪聲
X射線光子以随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布在表面上。受體表面的一個區域可能比另一個區域接收更多的光子，即使兩者都暴露于相同的平均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内分布的随機方式産生的。這通常被稱為 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射線束的量子結構産生了量子噪聲。
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，看看它是如何産生圖像噪聲的。在這裡，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。因為光子是獨立的，是以它們随機分布在圖像區域内，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布在圖像中顯示為噪聲。的 噪聲的量是由所确定的 在光子濃度變化由點到一個小的圖像區域内指向。
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産生的圖像噪聲。上圖顯示了兩個1毫米的方形圖像區域，細分為九個較小的方形區域。兩個區域之間的差異是落在該區域内的光子濃度（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。對于典型的診斷X射線束，這相當于分别約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。因為大多數小區域的光子濃度更接近平均值，是以更适合用标準偏差表示光子變化。标準偏差是統計分析中常用的數量（參見标題為“統計”）表示數量之間的差異或變化量。标準偏差的值有點像小區域中的“平均”偏差量或變化量。光子分布的特征之一是波動量（标準偏內插補點）與平均光子濃度或曝光水準有關。每個區域的平均光子數的平方根提供了對标準偏內插補點的近似估計。在該示例中，标準偏差具有每面積10個光子的值。由于這是平均值的10％，是以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光子的标準偏內插補點。看起來我們的光子波動或噪聲比其他區域更高。然而，當我們将标準偏差表示為平均光子濃度的百分比時，我們發現噪聲水準實際上已降至3.3％。
我們剛剛觀察到量子噪聲可能是最重要的特征; 可以通過增加用于形成圖像的光子濃度（即曝光）來減少它。更具體地，量子噪聲與暴露于受體的平方根成反比。
圖像噪聲和所需曝光之間的關系是設定特定X射線程式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，并且可能降低可見度。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射線程式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内變化，如下圖所示。此圖表顯示了用于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
螢幕 - 電影射線照相術
射線照相接收器（盒式錄音帶）的靈敏度取決于螢幕和膠片的特性以及它們的比對方式。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，螢幕轉換效率和螢幕吸收效率。量子噪聲水準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 将增加量子噪聲。
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産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，這将減少必須在螢幕中吸收的X射線光子的數量。結果将是具有增加的量子噪聲的圖像。回想一下，特定膠片和螢幕組合的有效靈敏度取決于膠片的光譜靈敏度特性與螢幕産生的光的光譜特性的比對。當兩個特征緊密比對時，産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準的最直接方法。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 - 膜受體内輻射量的關系
轉換效率是增強螢幕的特征，實際上是實際轉換成光的吸收的X射線能量的分數。特定螢幕的轉換效率值由其組成和設計決定。它不能被使用者更改。原則上，高轉換效率可提高受體靈敏度并減少患者暴露。不幸的是，轉換效率的提高降低了必須在螢幕中吸收的x輻射量，這反過來又增加了量子噪聲。是以，高轉換效率并不總是增強螢幕的理想特性。制造商應将其調整到能夠在受體靈敏度和量子噪聲之間産生适當平衡的值。
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産生圖像所必須吸收的輻射量。然而，它确實減少了所需的入射暴露，因為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：即螢幕組成，螢幕厚度和光子能譜。射線照相受體靈敏度和量子噪聲之間的關系可總結如下。适當曝光圖像中的量子噪聲量與增強螢幕中實際吸收的X射線能量的量直接相關。影響吸收效率的變化因素，例如螢幕材料的類型，螢幕厚度和KVp（光子能量譜）将改變與量子噪聲水準相關的整體受體靈敏度。另一方面，改變薄膜靈敏度，光譜比對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螢幕 - 膠片組合如下所示。一種系統使用相對較厚的高速螢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螢幕和更敏感的電影。這兩個系統産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，使用更厚螢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品質比較
強化射線照相術
由于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（視訊和點膠片）進行的強化放射攝影中的量子噪聲有時比螢幕膠片放射攝影更為顯着。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，量子噪聲水準可以由工程師調整。
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。正如我們剛才所見，膠片放射線照相中的噪聲水準主要取決于受體的靈敏度（或速度）。這取決于增強屏和所用薄膜的設計特性。
使用膠片螢幕接收器時，必須将曝光設定為與接收器的靈敏度相比對，否則結果将是曝光不足（光膜）或曝光過度（暗膜）圖像。是以，從曝光和對比度的角度來看，所有可接受的膠片都将通過受體暴露産生，受體暴露由受體的靈敏度特征決定。隻能通過改變接收器來改變噪聲水準，通常是通過将膠片更換為具有不同靈敏度（速度）的膠片。
數字射線照相受體不像膠片螢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征是寬曝光動态範圍 ，如下所示。這意味着可以在很寬的曝光值範圍内産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，其中任何偏離正确或最佳曝光的結果導緻曝光膠片下方或上方。
這種寬動态曝光範圍具有明顯的優勢。曝光錯誤不會導緻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正常程式。
過量的量子噪聲是數字放射成像中的潛在問題，因為就對比度而言，可以産生具有低曝光的圖像，其仍然看起來很好。下面通過曝光動态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定其靈敏度（速度），以便校正實際曝光。
在數字放射成像中，重要的是對每個程式使用适當的曝光和技術因素。最佳（正确）曝光是産生具有可接受的噪聲水準的圖像而沒有不必要或過度暴露于患者的圖像。
數字射線照相系統與圖像一起顯示，以及用于形成圖像的曝光量的訓示。各種制造商使用不同的因素來顯示曝光資訊。下面說明了一個制造商使用的“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，并且預計會産生過多的噪聲。低S因子（如50）表示使用了不必要的高曝光。由于噪音低，圖像品質良好，但患者遭受不必要的曝光。
在數字射線照相受體的寬動态範圍内産生不同曝光的圖像。
透視
正常熒光鏡的受體靈敏度通常在每個圖像幀的1μR至10μR的範圍内。這種相對低的曝光産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，這将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，并且形成圖像需要更多曝光。這通常稱為HLC或進階控制。
一世有可能開發出具有更高靈敏度的受體系統，并且與目前在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，以将噪聲降低到可接受的水準。
谷物和結構噪音
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将噪聲引入圖像中。
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，并且當以正常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，就像投影到螢幕上時一樣。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。
圖像增強螢幕和增強管螢幕實際上是小晶體層。通過在每個晶體内産生光（熒光）來形成圖像。螢幕的晶體結構引入了圖像内點到點的光産生的輕微變化。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
視訊圖像通常包含來自各種電子源的噪聲。視訊（電視）圖像噪聲通常被稱為雪。構成視訊系統的一些電子元件可能是電子噪聲的來源。噪聲是随機電流的形式，通常由器件内的熱活動産生。其他電子裝置，例如電機和熒光燈，甚至大氣中的自然現象都會産生可由視訊系統拾取的電噪聲。
當圖像信号較弱時，視訊系統中噪聲的存在變得特别明顯。大多數視訊接收器具有自動增益（放大）電路，其在存在弱信号時增加放大量。這會放大噪聲并使其在圖像中變得非常明顯。通過将TV（視訊）接收器調諧到空閑信道或具有弱信号的信道，可以容易地觀察到這種效果。由于系統故障或失調，在透視圖像中存在過量電子噪聲通常是視訊信号弱的結果。
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訊螢幕，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，因為噪聲具有相當精細的結構。圖像的模糊傾向于将每個圖像點與其周圍區域混合; 其效果是消除噪聲的随機結構并使其不太明顯。
使用圖像模糊來降低噪聲的可見性通常涉及折衷，因為模糊會降低有用圖像細節的可見性。高靈敏度（速度）增強螢幕通常産生的圖像顯示出比細節螢幕更少的量子噪聲，因為它們産生更多的圖像模糊。問題是沒有螢幕可以同時提供最大的噪音抑制和細節可見性。
有時會在數字圖像進行中使用模糊處理來降低圖像噪聲，如下一節所述。
圖像內建
整合是在一段時間内平均一系列圖像的過程。由于大多數類型的圖像噪聲具有相對于時間的随機分布，是以圖像的內建在平滑圖像和減少其噪聲内容方面非常有效。原則上，整合使圖像相對于時間模糊，而不是相對于空間或區域。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。
內建需要能夠存儲或記住一系列圖像，至少在短時間内。幾種裝置用于醫學成像中的圖像內建。
人類視覺
人眼（視網膜）在約0.2秒的時間内響應平均光強度。在觀看熒光透視圖像時，這種積分或平均特别有用。
傳統的熒光透視顯示器是一系列單獨的視訊圖像。每個圖像顯示三十分之一秒。因為使用相對低的受體曝光（小于5μR）來形成每個單獨的圖像，是以圖像相對有噪聲。然而，由于眼睛不“看到”每個單獨的圖像，而是幾個圖像的平均值，是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訊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。
錄影機管
在熒光透視中使用的某些類型的錄影機管對圖像的變化具有固有的滞後或緩慢的響應。這種滞後在錄影機管中尤為重要。滞後的影響是平均或整合噪聲波動并産生更平滑的圖像。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迹。
數字處理
當擷取一系列圖像并将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内容。該過程經常用于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準高于兩個原始圖像中的任何一個。這是因為每個圖像内的噪聲随機分布。
相對較高的曝光用于在DSA中建立原始圖像。這部分地補償了減法過程産生的噪聲的增加。
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