鐘宇彤，李梅，劉師竺，張健，焦龍，于喜坤，劉景鑫

1. 長(zhǎng)春理工大學(xué) 電子信息工程學(xué)院，吉林 長(zhǎng)春 130028；2. 吉林省醫(yī)學(xué)影像工程技術(shù)研究中心，吉林 長(zhǎng)春 130033；3. 長(zhǎng)春市計(jì)量檢定測(cè)試技術(shù)研究院，吉林 長(zhǎng)春 130012；4. 吉林大學(xué)中日聯(lián)誼醫(yī)院 放射線(xiàn)科，吉林 長(zhǎng)春 130033

引言

質(zhì)量控制是確保CT影像設(shè)備具有最佳運(yùn)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(shí)，用精準(zhǔn)、客觀(guān)的數(shù)據(jù)來(lái)評(píng)價(jià)CT影像質(zhì)量，可以使用體模作為質(zhì)量評(píng)價(jià)檢測(cè)的主要工具和媒介來(lái)代替病患進(jìn)行實(shí)驗(yàn)[3]，通過(guò)體模掃描獲取的CT影像質(zhì)量，來(lái)對(duì)CT設(shè)備重要性能指標(biāo)進(jìn)行檢測(cè)分析，傳統(tǒng)的檢測(cè)法多是由工作人員采用CT機(jī)測(cè)量或目測(cè)法進(jìn)行測(cè)評(píng)，工作量大，周期長(zhǎng)，更由于人眼視覺(jué)范圍的差異性導(dǎo)致測(cè)評(píng)客觀(guān)性不足[4-5]。因此，本文提出了基于計(jì)算機(jī)軟件平臺(tái)對(duì)CT影像的質(zhì)控性能進(jìn)行智能檢測(cè)的實(shí)驗(yàn)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(lái)醫(yī)療圖像的智能化識(shí)別與檢測(cè)提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 檢測(cè)設(shè)備

本文CT影像的實(shí)驗(yàn)檢測(cè)模體為國(guó)產(chǎn)RGRMS2016（模體直徑d=20 cm），所用的檢測(cè)模塊，見(jiàn)圖1。

圖1 RGRMS2016模體各檢測(cè)模塊掃描圖

掃描時(shí)設(shè)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(shí)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(jìn)行掃描采集，使用CT機(jī)測(cè)量與計(jì)算機(jī)軟件兩種方法分別對(duì)CT圖像的CT值（水）、均勻性、噪聲進(jìn)行測(cè)量并對(duì)比；其次，使用RGRMS模體模塊（c）在傳統(tǒng)的目測(cè)法與計(jì)算機(jī)軟件檢測(cè)法下對(duì)空間分辨力進(jìn)行測(cè)量并對(duì)比；最后，在嚴(yán)格一致的掃描條件下，由6名有經(jīng)驗(yàn)的檢測(cè)人員對(duì)RGRMS模體模塊（b）使用傳統(tǒng)的目測(cè)法進(jìn)行低對(duì)比分辨力的判定，同時(shí)，使用RGRMS模體水模段進(jìn)行基于量化統(tǒng)計(jì)法的計(jì)算機(jī)軟件的低對(duì)比分辨力計(jì)算，并對(duì)兩組測(cè)量結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析。

1.2 CT值、噪聲與均勻性檢測(cè)

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

基于計(jì)算機(jī)軟件的CT值自動(dòng)檢測(cè)步驟如下：首先對(duì)模體進(jìn)行掃描，如圖1a所示，使用計(jì)算機(jī)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(jì)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(jì)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(duì)其平均值的變異[9]，CT機(jī)中的噪聲表達(dá)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(jì)量設(shè)置；h為層厚。

在智能質(zhì)控實(shí)驗(yàn)中，對(duì)于CT圖像中心區(qū)域，用大于100像素的ROI測(cè)得的CT值及標(biāo)準(zhǔn)偏差（Standard Deviation，SD）來(lái)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(gè)掃描野中，均勻物質(zhì)CT值的一致性[9]。該性能的自動(dòng)檢測(cè)原理是基于常規(guī)的均勻性檢測(cè)方法，即在圖像圓周相當(dāng)于鐘表時(shí)針3、6、9、12點(diǎn)的方向，距模體影像邊沿約1 cm處，選取大小約500像素點(diǎn)的ROI，分別測(cè)量這四個(gè)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(cè)量值。

1.3 CT低對(duì)比分辨力檢測(cè)

1.3.1 低對(duì)比分辨力的傳統(tǒng)檢測(cè)方法

使用低對(duì)比分辨力檢測(cè)模塊，如圖1b，該模塊包含四個(gè)區(qū)域，設(shè)計(jì)的對(duì)比度分別為2%、1%、0.5%、0.3%，每個(gè)區(qū)域由不同孔徑的可分辨觀(guān)測(cè)圓，從大到小共9個(gè)：分別是7、6、5、4、3、2.5、2、1.5、1.0 mm。在模體低對(duì)比分辨力檢測(cè)模塊中心層面，見(jiàn)如圖1b，同時(shí)調(diào)節(jié)窗寬和窗位，確定四個(gè)區(qū)域中肉眼所能分辨的最小一級(jí)孔徑。

1.3.2 量化統(tǒng)計(jì)法檢測(cè)原理

量化統(tǒng)計(jì)法是指：在相同的條件下，隨機(jī)選取并測(cè)量多個(gè)低對(duì)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(biāo)準(zhǔn)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(xiàn)衰減系數(shù)。將2個(gè)分布的中點(diǎn)設(shè)定為閾值，以此來(lái)區(qū)分低對(duì)比度物體及其背景。當(dāng)兩個(gè)分布的平均值相離3.29σμ時(shí)，σμ為分布標(biāo)準(zhǔn)差[11]。

1.3.3 低對(duì)比分辨力量化統(tǒng)計(jì)測(cè)量方法

使用量化統(tǒng)計(jì)的低對(duì)比度分辨率檢測(cè)步驟如下：① 使用計(jì)算機(jī)軟件對(duì)目標(biāo)圖像進(jìn)行重建；② 重建圖像的中心區(qū)域被分成多個(gè)ROI；③ 計(jì)算每一個(gè)ROI區(qū)域內(nèi)所有CT值的均值；④ 計(jì)算所有ROI平均值的標(biāo)準(zhǔn)偏差σμ。

其中，P(i,j)為圖像的像素值，μ為每一個(gè)ROI內(nèi)像素的均值?；诹炕y(tǒng)計(jì)法的CT低對(duì)比分辨力檢測(cè)原理，見(jiàn)圖2。

圖2 量化統(tǒng)計(jì)法檢測(cè) CT低對(duì)比分辨力原理

基于統(tǒng)計(jì)學(xué)原理，要以95%的置信度從背景中分辨出這些低對(duì)比度物體，對(duì)比度需要為3.29，即物體的對(duì)比度等于被測(cè)量平均值標(biāo)準(zhǔn)偏差的3.29倍。

1.4 空間分辨力檢測(cè)

1.4.1 空間分辨力檢測(cè)模塊

空間分辨力是指在高對(duì)比條件下（相鄰物質(zhì)間CT值相差>100 HU），一臺(tái)成像設(shè)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(gè)細(xì)節(jié)特征的最小間距，是體現(xiàn)設(shè)備性能的重要指標(biāo)[12]。RGRMS2016模體檢測(cè)中，空間分辨力檢測(cè)模塊如圖1c所示，圖像周?chē)?檔15組不同尺寸的方孔組成。在傳統(tǒng)的視覺(jué)測(cè)評(píng)方法中，通過(guò)調(diào)節(jié)窗寬窗位，確定裸眼清晰可見(jiàn)的一組不粘連、不丟失的標(biāo)稱(chēng)孔尺寸，即為其空間分辨力。

1.4.2 空間分辨力自動(dòng)檢測(cè)方法

調(diào)制傳輸函數(shù)（Modulation Transfer Function，MTF）是對(duì)線(xiàn)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(shè)備的飛速發(fā)展，MTF 已經(jīng)成為評(píng)價(jià)成像設(shè)備性能、測(cè)量高對(duì)比度分辨力的重要方法[13]。實(shí)際求解 MTF時(shí)，常采取以下幾種方法：點(diǎn)擴(kuò)散函數(shù)（Point Spread Function，PSF)、線(xiàn)擴(kuò)散函數(shù)（Line Spread Function，LSF）和邊緣擴(kuò)展函數(shù)（Edge Spread Function，ESF）以及基于標(biāo)準(zhǔn)差的計(jì)算方法[14-16]。點(diǎn)擴(kuò)散法一般通過(guò)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(diǎn)擴(kuò)散區(qū)域的ROI，此時(shí)截取后的圖像表現(xiàn)為一個(gè)中心亮度集中、邊緣擴(kuò)散的亮點(diǎn)，通過(guò)其亮度分布得到點(diǎn)擴(kuò)散函數(shù)，邊緣擴(kuò)散的程度反映系統(tǒng)分辨率的高低，最后對(duì)該函數(shù)進(jìn)行快速傅里葉變換FFT即可得出CT系統(tǒng)的MTF曲線(xiàn)。

2 結(jié)果

我們使用RGRMS2016（直徑d=20 mm）質(zhì)控檢測(cè)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(gè)ROI區(qū)域，利用軟件計(jì)算得到6組相應(yīng)CT值，并與相應(yīng)區(qū)域的CT機(jī)檢測(cè)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，實(shí)驗(yàn)結(jié)果，見(jiàn)表1。

表1 不同ROI的CT值與噪聲檢測(cè)結(jié)果對(duì)比

由表1中各項(xiàng)指標(biāo)下均有P>0.05可知，對(duì)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(cè)量與CT機(jī)測(cè)量方法下，結(jié)果并無(wú)顯著性差異，因此，兩種檢測(cè)方法具有一致性。

此外，我們另選取7組劑量對(duì)RGRMS水模段進(jìn)行掃描，按劑量不同，對(duì)CT值、均勻性、噪聲和空間分辨力進(jìn)行檢測(cè)，對(duì)于CT值、均勻性和噪聲進(jìn)行CT機(jī)測(cè)量與軟件測(cè)量結(jié)果對(duì)比，實(shí)驗(yàn)結(jié)果，見(jiàn)表2。對(duì)于空間分辨力進(jìn)行傳統(tǒng)目測(cè)法和軟件測(cè)量結(jié)果對(duì)比，實(shí)驗(yàn)結(jié)果，見(jiàn)表3。

表2 不同劑量下CT值、噪聲和均勻性檢測(cè)結(jié)果對(duì)比

其中，空間分辨率由MTF表示，函數(shù)曲線(xiàn)如圖3所示，則對(duì)應(yīng)10%的MTF值7.509為肉眼可辯的線(xiàn)對(duì)卡分辨力，當(dāng)管電流設(shè)定值為300 mA，實(shí)際值為79 mA時(shí)，由傳統(tǒng)目測(cè)法得到的高對(duì)比分辨力為7.58 LP/cm。

由表2、表3中各項(xiàng)指標(biāo)下均有P>0.05可知，對(duì)于不同劑量條件下的CT值、均勻性和噪聲指標(biāo)，CT機(jī)的測(cè)量值與軟件測(cè)量結(jié)果并無(wú)顯著性差異；對(duì)于空間分辨力指標(biāo)，傳統(tǒng)的視覺(jué)測(cè)量與軟件測(cè)量結(jié)果并無(wú)顯著性差異，因此，兩種檢測(cè)方法具有一致性。

表3 不同劑量下空間分辨力檢測(cè)結(jié)果對(duì)比

圖3 MTF曲線(xiàn)

對(duì)于RGRMS2016（d=20 mm）模體，使用軟件檢測(cè)和傳統(tǒng)目測(cè)法對(duì)低分辨力對(duì)比度進(jìn)行判定。其中，在傳統(tǒng)檢測(cè)過(guò)程中，請(qǐng)6名有經(jīng)驗(yàn)的檢測(cè)人員按不同對(duì)比度下所能分辨的最小孔徑進(jìn)行數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果，見(jiàn)表4。同時(shí)對(duì)使用計(jì)軟件測(cè)量不同大小孔徑下計(jì)算得到的對(duì)比度進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果，見(jiàn)表5。

表4 不同劑量下低對(duì)比分辨力目測(cè)法檢測(cè)結(jié)果（±s）

表4 不同劑量下低對(duì)比分辨力目測(cè)法檢測(cè)結(jié)果（±s）

毫安秒 (mAs) 可見(jiàn)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(duì)比分辨力軟件檢測(cè)結(jié)果（%）

對(duì)比表3可知，當(dāng)毫安秒為300 mAs時(shí)，目測(cè)在2%對(duì)比度下所能分辨的最小孔徑為1 mm，同時(shí)對(duì)比表4可知，軟件測(cè)量孔徑為1 mm時(shí)對(duì)應(yīng)的對(duì)比度為1.98%，與視覺(jué)測(cè)評(píng)結(jié)果基本一致。目測(cè)法與軟件測(cè)量結(jié)果對(duì)比曲線(xiàn)如圖4、圖5所示。

圖4 計(jì)算機(jī)軟件測(cè)量結(jié)果

圖5 目測(cè)法結(jié)果

實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)顯示，基于目測(cè)法的低對(duì)比分辨力檢測(cè)結(jié)果與計(jì)算機(jī)軟件判定結(jié)果的圖表走勢(shì)基本一致，在其他檢測(cè)條件固定的情況下，兩種判定結(jié)果具有相同的變化趨勢(shì)。

在通過(guò)CT質(zhì)控模體進(jìn)行CT設(shè)備性能檢測(cè)實(shí)驗(yàn)中，通過(guò)與常規(guī)判定方法對(duì)比，基于計(jì)算機(jī)軟件的判斷分析方法具有可行性。該方法便于對(duì)CT機(jī)性能的長(zhǎng)期觀(guān)察，可保證設(shè)備良好的運(yùn)行，提高設(shè)備成像質(zhì)量。因此，本檢測(cè)系統(tǒng)對(duì)于CT設(shè)備質(zhì)量控制檢測(cè)的進(jìn)一步研究具有一定的價(jià)值和依據(jù)。

3 討論與結(jié)論

目前，90%的醫(yī)療數(shù)據(jù)來(lái)自醫(yī)學(xué)影像，醫(yī)學(xué)影像面臨著放射科醫(yī)生增長(zhǎng)率遲緩，而龐大的醫(yī)學(xué)影像數(shù)據(jù)卻與日俱增的困境。一方面，導(dǎo)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(cè)評(píng)方法的精準(zhǔn)性依賴(lài)于放射科醫(yī)生的經(jīng)驗(yàn)與習(xí)慣，由于醫(yī)生自身的閱片水平差異，使測(cè)量結(jié)果受主觀(guān)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(méi)有，而基于計(jì)算機(jī)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(guān)因素影響，只依賴(lài)于圖像數(shù)據(jù)，使檢測(cè)結(jié)果更客觀(guān)準(zhǔn)確。

CT影像的智能質(zhì)控實(shí)驗(yàn)為大型醫(yī)療設(shè)備質(zhì)量控制管理提供智能化的實(shí)施方案，減少放射科醫(yī)生重復(fù)性工作，方便技術(shù)人員遠(yuǎn)程操作，優(yōu)化醫(yī)療資源配置，為發(fā)展大型醫(yī)療設(shè)備遠(yuǎn)程檢測(cè)，推動(dòng)醫(yī)療行業(yè)應(yīng)用場(chǎng)景的發(fā)展奠定了基礎(chǔ)。