基于Matlab實(shí)現(xiàn)CT值線性與對(duì)比度標(biāo)度自動(dòng)測(cè)量的研究*

孟 奧 趙慶軍 徐 桓 毛 巖

為滿足臨床應(yīng)用需求，各醫(yī)院不斷引進(jìn)先進(jìn)大型醫(yī)療設(shè)備，醫(yī)療質(zhì)量得到了很大的提升。但在大型醫(yī)療設(shè)備為臨床診斷帶來便利的同時(shí)，其質(zhì)量問題也應(yīng)得到更多重視，不合格設(shè)備的使用時(shí)刻影響著醫(yī)療安全[1-2]。目前，我國(guó)已有較完善的檢測(cè)規(guī)范、成熟的檢測(cè)方法以及先進(jìn)的檢測(cè)設(shè)備，可以保證大部分X射線計(jì)算機(jī)斷層成像(computed tomography，CT)設(shè)備的應(yīng)用質(zhì)量[3]。在CT應(yīng)用質(zhì)量檢測(cè)工作中，由于其數(shù)量多、分布廣，且檢測(cè)流程采取“掃描體模—測(cè)量圖像”的方式對(duì)設(shè)備各性能參數(shù)進(jìn)行人工測(cè)量，導(dǎo)致檢測(cè)耗時(shí)長(zhǎng)、客觀性差，不能及時(shí)反饋設(shè)備的應(yīng)用質(zhì)量檢測(cè)結(jié)果[4-5]。基于此，本研究針對(duì)CT應(yīng)用質(zhì)量檢測(cè)工作現(xiàn)狀，將常規(guī)人工測(cè)量轉(zhuǎn)換為計(jì)算機(jī)自動(dòng)測(cè)量，旨在保證CT檢測(cè)結(jié)果的客觀公正性，最大限度克服常規(guī)檢測(cè)中不可避免的人為誤差，保證檢測(cè)結(jié)果的權(quán)威性和準(zhǔn)確性，提高檢測(cè)效率[6-7]。

1 CT值定義與受檢設(shè)備測(cè)試

1.1 CT值定義

CT值，在《醫(yī)用診斷螺旋計(jì)算機(jī)斷層攝影裝置(CT)X射線輻射源》(JJG1026-2007)中的標(biāo)準(zhǔn)定義為：像素物質(zhì)對(duì)X射線衰減的定量表現(xiàn)[8]。物質(zhì)CT值計(jì)算為公式1：

式中μ為衰減系數(shù)。

由公式1可知，衰減系數(shù)大的組織，CT值也大；衰減系數(shù)小的組織，CT值也小。組織衰減系數(shù)與CT值之間的關(guān)系又稱為CT值線性[9]。對(duì)比度標(biāo)度是在66 keV下的衰減系數(shù)，即標(biāo)準(zhǔn)衰減系數(shù)計(jì)算得到的用來定量評(píng)判CT值線性的指標(biāo)[10]。

1.2 受檢設(shè)備

受檢設(shè)備為CT設(shè)備共5臺(tái)，其中4臺(tái)型號(hào)分別為Optima CT660、Light Speed VCT、Light Speed VCT及Discovery CT750(美國(guó)GE公司)；1臺(tái)型號(hào)為Brilliance Big Bore的CT設(shè)備(荷蘭飛利浦)。

1.3 測(cè)試體模

選用Catphan 500型(美國(guó)體膜實(shí)驗(yàn)室Phantom Laboratory)性能體模CTP401模塊。

1.4 檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)

檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)為：①X射線計(jì)算機(jī)體層攝影設(shè)備通用技術(shù)條件(YY/T0310-2015)[11]；②醫(yī)用診斷螺旋計(jì)算機(jī)斷層攝影裝備(CT)X射線輻射源(JJG1026-2007)[12]；③X射線計(jì)算機(jī)斷層掃描系統(tǒng)應(yīng)用質(zhì)量檢測(cè)與評(píng)審規(guī)范；④對(duì)比度檢測(cè)要求：(1.9±0.1)×10-4×1/cm·HU。

2 檢測(cè)方法

2.1 常規(guī)檢測(cè)

掃描體模CTP401模塊并獲取圖像，在4種目標(biāo)物質(zhì)特氟龍(Teflon)、空氣(Air)、低密度聚乙烯(LDPE)及丙烯酸(Acrylic)所在的位置選取感興趣區(qū)域(region of interest，ROI)，測(cè)量各目標(biāo)物質(zhì)的CT均值，并將相應(yīng)結(jié)果帶入公式2中計(jì)算出對(duì)比度標(biāo)度。

對(duì)比度=1/(SLOPE({Teflon，Air，LDPE，Acryl ic}，{0.374，0，0.177，0.219})) (2)式中Teflon、Air、LDPE以及Acrylic為各目標(biāo)物質(zhì)的CT均值。

2.2 自動(dòng)檢測(cè)

2.2.1 檢測(cè)原理

自動(dòng)測(cè)量原理依托于原有常規(guī)測(cè)量方法，借助Matlab系統(tǒng)，大致確定各目標(biāo)物質(zhì)的圓心后以合適的半徑在目標(biāo)物質(zhì)處圈定ROI，并借助圓域測(cè)量的方法測(cè)量目標(biāo)物質(zhì)的CT值，根據(jù)計(jì)算公式自動(dòng)計(jì)算并顯示結(jié)果。基于上述思想編寫CT值線性與對(duì)比度標(biāo)度自動(dòng)測(cè)量程序，克服了ROI大小和位置不定量的困難，從而實(shí)現(xiàn)自動(dòng)測(cè)量。

2.2.2 檢測(cè)算法具體步驟

(1)確認(rèn)掃描圖像中無明顯的類似于雪花狀和條紋狀的偽影，是一幅合格圖像。

(2)選取調(diào)用Catphan 500型體模CTP401模塊掃描圖像，編寫迭代法計(jì)算閾值對(duì)圖像進(jìn)行圖像二值化，執(zhí)行形態(tài)操作得到圖像區(qū)域邊緣后細(xì)化后計(jì)算圓心坐標(biāo)[13-14]。

(3)4種目標(biāo)物質(zhì)分別位于圖像的上、下、左、右位置，已知圓心坐標(biāo)，則可大致判斷出目標(biāo)物質(zhì)距離圓心的距離。

(4)已知圖像圓心坐標(biāo)，且目標(biāo)物質(zhì)分別位于圖像的12點(diǎn)、3點(diǎn)、6點(diǎn)及9點(diǎn)方向，所以可得到目標(biāo)物質(zhì)的大致圓心位置，并以6像素為半徑確定ROI圓域。

(5)求取圓域中所有像素的灰度均值，醫(yī)學(xué)數(shù)字成像及通信(digital imaging and communication of medicine， DICOM)圖像信息中Rescale Slope和Rescale Intercept可實(shí)現(xiàn)像素灰度值與CT值之間的轉(zhuǎn)換，Hu=pixel×Rescale Slope+Rescale Intercept，得到各目標(biāo)物質(zhì)的CT均值。

(6)將結(jié)果帶入公式2中計(jì)算并顯示對(duì)比度標(biāo)度。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

(1)體模CT掃描參數(shù)為：矩陣512×512；視野(field of view，F(xiàn)OV)25 cm，層厚10 mm；自動(dòng)測(cè)量ROI位置，如圖1所示；獲得自動(dòng)測(cè)量結(jié)果界面，如圖2所示。

圖1 CT掃描體模圖像

圖2 自動(dòng)檢測(cè)結(jié)果顯示界面圖

(2)將常規(guī)檢測(cè)和自動(dòng)檢測(cè)兩種測(cè)量方式進(jìn)行數(shù)據(jù)匯總，對(duì)獲得的兩組數(shù)據(jù)進(jìn)行相關(guān)性分析，計(jì)算得到在顯著水平＜0.01情況下的Pearson相關(guān)系數(shù)為0.991，表明兩組數(shù)據(jù)有顯著相關(guān)關(guān)系，自動(dòng)測(cè)量法可完全取代常規(guī)測(cè)量法[15-16]。根據(jù)對(duì)比測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)，設(shè)備2手動(dòng)方法得到的結(jié)果為不合格，而自動(dòng)測(cè)量方法得到的結(jié)果也不合格，與常規(guī)測(cè)量法結(jié)果一致，間接表明了自動(dòng)測(cè)量法的可行性。然而，兩種方法也存在細(xì)微差異，原因可能為手動(dòng)測(cè)量的ROI大小和位置均具有不確定性，存在不可避免的誤差，而自動(dòng)測(cè)量ROI大小和位置均是固定的，在一定范圍內(nèi)減少了操作帶來的誤差，其結(jié)果見表1。

表1 CT值線性與對(duì)比度標(biāo)度常規(guī)及自動(dòng)測(cè)量結(jié)果

(3)CT值線性與對(duì)比度標(biāo)度是CT機(jī)質(zhì)量測(cè)量中一個(gè)十分重要的性能評(píng)價(jià)指標(biāo)，但目前常規(guī)測(cè)量方法存在的主要問題為：①ROI位置是根據(jù)測(cè)量人員主觀意愿決定；②ROI面積無規(guī)范確定，面積過大過小會(huì)導(dǎo)致細(xì)節(jié)被忽略或噪聲偏大，影響最后的結(jié)果。

4 結(jié)語

自動(dòng)測(cè)量的創(chuàng)新之處在于確定了ROI的位置，確保每個(gè)ROI有相同的大小，省去手動(dòng)測(cè)量復(fù)雜的計(jì)算和巨大的數(shù)據(jù)量，提高了測(cè)量效率。總之，自動(dòng)測(cè)量方法完全行得通，可以應(yīng)用于CT質(zhì)量檢測(cè)中。