CT影像性能智能質(zhì)控實驗研究

鐘宇彤，李梅，劉師竺，張健，焦龍，于喜坤，劉景鑫

1. 長春理工大學 電子信息工程學院，吉林 長春 130028；2. 吉林省醫(yī)學影像工程技術(shù)研究中心，吉林 長春 130033；3. 長春市計量檢定測試技術(shù)研究院，吉林 長春 130012；4. 吉林大學中日聯(lián)誼醫(yī)院 放射線科，吉林 長春 130033

引言

質(zhì)量控制是確保CT影像設備具有最佳運行狀態(tài)、獲取最佳影像信息的技術(shù)手段[1-2]。為了減少人體放射性損傷的同時，用精準、客觀的數(shù)據(jù)來評價CT影像質(zhì)量，可以使用體模作為質(zhì)量評價檢測的主要工具和媒介來代替病患進行實驗[3]，通過體模掃描獲取的CT影像質(zhì)量，來對CT設備重要性能指標進行檢測分析，傳統(tǒng)的檢測法多是由工作人員采用CT機測量或目測法進行測評，工作量大，周期長，更由于人眼視覺范圍的差異性導致測評客觀性不足[4-5]。因此，本文提出了基于計算機軟件平臺對CT影像的質(zhì)控性能進行智能檢測的實驗研究，減少醫(yī)療質(zhì)控工作者的工作量，提高了質(zhì)控工作的效率，為未來醫(yī)療圖像的智能化識別與檢測提供科學依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 檢測設備

本文CT影像的實驗檢測模體為國產(chǎn)RGRMS2016（模體直徑d=20 cm），所用的檢測模塊，見圖1。

圖1 RGRMS2016模體各檢測模塊掃描圖

掃描時設定管電壓為120 kV，層厚為5 mm，掃描方式為螺旋，螺距:速度為0.938:1，掃描時間為1.0 s，360度掃描范圍為20 mm。選用常規(guī)算法，在不同管電流條件下，首先選用RGRMS2016模體水模段進行掃描采集，使用CT機測量與計算機軟件兩種方法分別對CT圖像的CT值（水）、均勻性、噪聲進行測量并對比；其次，使用RGRMS模體模塊（c）在傳統(tǒng)的目測法與計算機軟件檢測法下對空間分辨力進行測量并對比；最后，在嚴格一致的掃描條件下，由6名有經(jīng)驗的檢測人員對RGRMS模體模塊（b）使用傳統(tǒng)的目測法進行低對比分辨力的判定，同時，使用RGRMS模體水模段進行基于量化統(tǒng)計法的計算機軟件的低對比分辨力計算，并對兩組測量結(jié)果進行對比分析。

1.2 CT值、噪聲與均勻性檢測

（1）CT值：《醫(yī)用診斷螺旋計算機斷層攝影裝置（CT）X射線輻射源》(JJG1026-2007)中定義，CT值為像素物質(zhì)對X射線衰減的定量表現(xiàn)，其計算公式如式(1)，其中， μ為衰減系數(shù)[6-7]。

基于計算機軟件的CT值自動檢測步驟如下：首先對模體進行掃描，如圖1a所示，使用計算機軟件讀取圖像數(shù)據(jù)，并確定圖像中心區(qū)域的感興趣區(qū)（Region of Interest，ROI），計算ROI內(nèi)像素值均值；最后，利用DICOM文件Tag信息中的斜率（Rescale Slope）和截距（Region Interest）信息將計算結(jié)果轉(zhuǎn)換成CT值[8]，轉(zhuǎn)換公式如下：

（2）噪聲：CT圖像的噪聲是指均勻物質(zhì)在給定的區(qū)域中CT值對其平均值的變異[9]，CT機中的噪聲表達如式(3)，其中，C為系統(tǒng)的幾何相關(guān)常數(shù)；G為算法因子；S為物體吸收的有效劑量；D為X顯卡管的計量設置；h為層厚。

在智能質(zhì)控實驗中，對于CT圖像中心區(qū)域，用大于100像素的ROI測得的CT值及標準偏差（Standard Deviation，SD）來表示噪聲N[10]，如公式(4)所示：

（3）均勻性：CT圖像的均勻性是指整個掃描野中，均勻物質(zhì)CT值的一致性[9]。該性能的自動檢測原理是基于常規(guī)的均勻性檢測方法，即在圖像圓周相當于鐘表時針3、6、9、12點的方向，距模體影像邊沿約1 cm處，選取大小約500像素點的ROI，分別測量這四個ROI區(qū)域內(nèi)的CT均值，其中與圖像中心ROI均值的最大差值作為均勻性的測量值。

1.3 CT低對比分辨力檢測

1.3.1 低對比分辨力的傳統(tǒng)檢測方法

使用低對比分辨力檢測模塊，如圖1b，該模塊包含四個區(qū)域，設計的對比度分別為2%、1%、0.5%、0.3%，每個區(qū)域由不同孔徑的可分辨觀測圓，從大到小共9個：分別是7、6、5、4、3、2.5、2、1.5、1.0 mm。在模體低對比分辨力檢測模塊中心層面，見如圖1b，同時調(diào)節(jié)窗寬和窗位，確定四個區(qū)域中肉眼所能分辨的最小一級孔徑。

1.3.2 量化統(tǒng)計法檢測原理

量化統(tǒng)計法是指：在相同的條件下，隨機選取并測量多個低對比度物體及其背景上的ROI發(fā)現(xiàn)，它們的數(shù)值服從高斯分布，且具有相同的標準差。由于兩者為同一條件下一次掃描的結(jié)果，因此，它們具有差異很小的X射線衰減系數(shù)。將2個分布的中點設定為閾值，以此來區(qū)分低對比度物體及其背景。當兩個分布的平均值相離3.29σμ時，σμ為分布標準差[11]。

1.3.3 低對比分辨力量化統(tǒng)計測量方法

使用量化統(tǒng)計的低對比度分辨率檢測步驟如下：① 使用計算機軟件對目標圖像進行重建；② 重建圖像的中心區(qū)域被分成多個ROI；③ 計算每一個ROI區(qū)域內(nèi)所有CT值的均值；④ 計算所有ROI平均值的標準偏差σμ。

其中，P(i,j)為圖像的像素值，μ為每一個ROI內(nèi)像素的均值。基于量化統(tǒng)計法的CT低對比分辨力檢測原理，見圖2。

圖2 量化統(tǒng)計法檢測 CT低對比分辨力原理

基于統(tǒng)計學原理，要以95%的置信度從背景中分辨出這些低對比度物體，對比度需要為3.29，即物體的對比度等于被測量平均值標準偏差的3.29倍。

1.4 空間分辨力檢測

1.4.1 空間分辨力檢測模塊

空間分辨力是指在高對比條件下（相鄰物質(zhì)間CT值相差>100 HU），一臺成像設備分辨物體幾何結(jié)構(gòu)的能力，它可以定量的表示為能分辨的兩個細節(jié)特征的最小間距，是體現(xiàn)設備性能的重要指標[12]。RGRMS2016模體檢測中，空間分辨力檢測模塊如圖1c所示，圖像周圍由8檔15組不同尺寸的方孔組成。在傳統(tǒng)的視覺測評方法中，通過調(diào)節(jié)窗寬窗位，確定裸眼清晰可見的一組不粘連、不丟失的標稱孔尺寸，即為其空間分辨力。

1.4.2 空間分辨力自動檢測方法

調(diào)制傳輸函數(shù)（Modulation Transfer Function，MTF）是對線性影像系統(tǒng)空間頻率傳輸特性的定量描述。隨著數(shù)字醫(yī)療設備的飛速發(fā)展，MTF 已經(jīng)成為評價成像設備性能、測量高對比度分辨力的重要方法[13]。實際求解 MTF時，常采取以下幾種方法：點擴散函數(shù)（Point Spread Function，PSF)、線擴散函數(shù)（Line Spread Function，LSF）和邊緣擴展函數(shù)（Edge Spread Function，ESF）以及基于標準差的計算方法[14-16]。點擴散法一般通過獲取鎢珠的CT圖像，以鎢珠所在位置為中心，截取原圖像上包含點擴散區(qū)域的ROI，此時截取后的圖像表現(xiàn)為一個中心亮度集中、邊緣擴散的亮點，通過其亮度分布得到點擴散函數(shù)，邊緣擴散的程度反映系統(tǒng)分辨率的高低，最后對該函數(shù)進行快速傅里葉變換FFT即可得出CT系統(tǒng)的MTF曲線。

2 結(jié)果

我們使用RGRMS2016（直徑d=20 mm）質(zhì)控檢測模體中的均勻水模，在120 kV、300 mAs劑量下，選取一幅掃描圖像中不同位置的6個ROI區(qū)域，利用軟件計算得到6組相應CT值，并與相應區(qū)域的CT機檢測結(jié)果進行對比，實驗結(jié)果，見表1。

表1 不同ROI的CT值與噪聲檢測結(jié)果對比

由表1中各項指標下均有P>0.05可知，對于同一劑量下，CT圖像的不同ROI區(qū)域，CT值和噪聲在軟件測量與CT機測量方法下，結(jié)果并無顯著性差異，因此，兩種檢測方法具有一致性。

此外，我們另選取7組劑量對RGRMS水模段進行掃描，按劑量不同，對CT值、均勻性、噪聲和空間分辨力進行檢測，對于CT值、均勻性和噪聲進行CT機測量與軟件測量結(jié)果對比，實驗結(jié)果，見表2。對于空間分辨力進行傳統(tǒng)目測法和軟件測量結(jié)果對比，實驗結(jié)果，見表3。

表2 不同劑量下CT值、噪聲和均勻性檢測結(jié)果對比

其中，空間分辨率由MTF表示，函數(shù)曲線如圖3所示，則對應10%的MTF值7.509為肉眼可辯的線對卡分辨力，當管電流設定值為300 mA，實際值為79 mA時，由傳統(tǒng)目測法得到的高對比分辨力為7.58 LP/cm。

由表2、表3中各項指標下均有P>0.05可知，對于不同劑量條件下的CT值、均勻性和噪聲指標，CT機的測量值與軟件測量結(jié)果并無顯著性差異；對于空間分辨力指標，傳統(tǒng)的視覺測量與軟件測量結(jié)果并無顯著性差異，因此，兩種檢測方法具有一致性。

表3 不同劑量下空間分辨力檢測結(jié)果對比

圖3 MTF曲線

對于RGRMS2016（d=20 mm）模體，使用軟件檢測和傳統(tǒng)目測法對低分辨力對比度進行判定。其中，在傳統(tǒng)檢測過程中，請6名有經(jīng)驗的檢測人員按不同對比度下所能分辨的最小孔徑進行數(shù)據(jù)統(tǒng)計，實驗結(jié)果，見表4。同時對使用計軟件測量不同大小孔徑下計算得到的對比度進行統(tǒng)計，實驗結(jié)果，見表5。

表4 不同劑量下低對比分辨力目測法檢測結(jié)果（±s）

表4 不同劑量下低對比分辨力目測法檢測結(jié)果（±s）

毫安秒 (mAs) 可見直徑 (mm)0.5% 1% 2%300 3.5±0.71 1.9±0.22 1±0 200 4.3±1.64 2.5±0.61 1±0 150 4.2±0.84 2.4±0.55 1±0 100 4±1.41 2.7±0.27 1.1±0.22 70 5±1.41 3.3±0.97 1.2±0.27 60 6±1.41 3.2±0.76 1.7±0.67

表5 低對比分辨力軟件檢測結(jié)果（%）

對比表3可知，當毫安秒為300 mAs時，目測在2%對比度下所能分辨的最小孔徑為1 mm，同時對比表4可知，軟件測量孔徑為1 mm時對應的對比度為1.98%，與視覺測評結(jié)果基本一致。目測法與軟件測量結(jié)果對比曲線如圖4、圖5所示。

圖4 計算機軟件測量結(jié)果

圖5 目測法結(jié)果

實驗數(shù)據(jù)顯示，基于目測法的低對比分辨力檢測結(jié)果與計算機軟件判定結(jié)果的圖表走勢基本一致，在其他檢測條件固定的情況下，兩種判定結(jié)果具有相同的變化趨勢。

在通過CT質(zhì)控模體進行CT設備性能檢測實驗中，通過與常規(guī)判定方法對比，基于計算機軟件的判斷分析方法具有可行性。該方法便于對CT機性能的長期觀察，可保證設備良好的運行，提高設備成像質(zhì)量。因此，本檢測系統(tǒng)對于CT設備質(zhì)量控制檢測的進一步研究具有一定的價值和依據(jù)。

3 討論與結(jié)論

目前，90%的醫(yī)療數(shù)據(jù)來自醫(yī)學影像，醫(yī)學影像面臨著放射科醫(yī)生增長率遲緩，而龐大的醫(yī)學影像數(shù)據(jù)卻與日俱增的困境。一方面，導致放射科醫(yī)生工作量增大，容易受疲勞、情緒等因素影響，CT影像的傳統(tǒng)測評方法的精準性依賴于放射科醫(yī)生的經(jīng)驗與習慣，由于醫(yī)生自身的閱片水平差異，使測量結(jié)果受主觀因素影響較大；另一方面，許多醫(yī)院CT質(zhì)控技師或工程師資源不足甚至沒有，而基于計算機軟件的CT影像智能質(zhì)控系統(tǒng)可以極大減少醫(yī)生的工作量，提高工作效率，降低醫(yī)生誤診率，其優(yōu)異性表現(xiàn)在不受人為主觀因素影響，只依賴于圖像數(shù)據(jù)，使檢測結(jié)果更客觀準確。

CT影像的智能質(zhì)控實驗為大型醫(yī)療設備質(zhì)量控制管理提供智能化的實施方案，減少放射科醫(yī)生重復性工作，方便技術(shù)人員遠程操作，優(yōu)化醫(yī)療資源配置，為發(fā)展大型醫(yī)療設備遠程檢測，推動醫(yī)療行業(yè)應用場景的發(fā)展奠定了基礎(chǔ)。