CT系統(tǒng)目測分辨率與系統(tǒng)調(diào)制傳遞函數(shù)相關(guān)性分析

白玫

首都醫(yī)科大學(xué)宣武醫(yī)院 醫(yī)學(xué)工程科，北京 100053

CT系統(tǒng)目測分辨率與系統(tǒng)調(diào)制傳遞函數(shù)相關(guān)性分析

白玫

首都醫(yī)科大學(xué)宣武醫(yī)院 醫(yī)學(xué)工程科，北京 100053

目的對(duì)CT系統(tǒng)MTF（調(diào)制傳遞函數(shù)）和目測分辨率之間的關(guān)系進(jìn)行研究。方法掃描CT測試體模中分辨率測試模塊，獲得系統(tǒng)MTF和目測空間分辨率。結(jié)果當(dāng)MTF為10%時(shí)所對(duì)應(yīng)的空間頻率與清晰分辨的線對(duì)卡分辨率一致，當(dāng)MTF為2%～5%時(shí)對(duì)應(yīng)的空間頻率與目測極限分辨率接近。結(jié)論通過CT系統(tǒng)MTF和目測分辨率相關(guān)關(guān)系研究，可以客觀反映系統(tǒng)對(duì)細(xì)節(jié)識(shí)別能力與人眼識(shí)別能力之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系，從而提高CT質(zhì)量控制水平。

調(diào)制傳遞函數(shù)；目測分辨率；體層攝影術(shù)；CT；CR

1 研究背景

CT空間分辨率是指在高對(duì)比度的情況下，CT系統(tǒng)對(duì)物體細(xì)節(jié)的分辨能力，它是評(píng)價(jià)CT設(shè)備成像性能的一個(gè)重要指標(biāo)，國際標(biāo)準(zhǔn)化組織，如IEC（國際電工委員會(huì)），AAPM（美國醫(yī)學(xué)物理師聯(lián)合會(huì)），HPA（醫(yī)院物理師聯(lián)合會(huì)），JMHW（日本衛(wèi)生和福利?。┰趯?duì)CT性能的檢測要求中都將空間分辨率列為必須檢定的項(xiàng)目。

CT空間分辨率的評(píng)價(jià)可以采用目測方法確定極限分辨率，也可以采用客觀方法計(jì)算系統(tǒng)MTF（調(diào)制傳遞函數(shù)）[1-2]。對(duì)于CT系統(tǒng)MTF的計(jì)算方法不僅可以采用點(diǎn)擴(kuò)散函數(shù)和線擴(kuò)散函數(shù)計(jì)算[3-4]，也可以利用成像系統(tǒng)邊緣響應(yīng)函數(shù)（Edge Response Function， ERF）[5]來計(jì)算MTF。我們也可以直接利用線對(duì)卡圖像計(jì)算出系統(tǒng)MTF[6]：

圖1 利用線對(duì)卡計(jì)算MTF

其中M測試卡（f）為每組線對(duì)卡調(diào)制度，可以用每組線對(duì)卡圖像內(nèi)像素的標(biāo)準(zhǔn)偏差來表示（如圖1所示）；N背景為線對(duì)卡背景圖像的平均噪聲；CT材料（f）和 CT背景分別為每組測試卡材料平均CT值和背景平均CT值。測量所用ROI（感趣區(qū)）大小與噪聲測量ROI大小相同，至少包含100個(gè)像素。

根據(jù)測量值可以計(jì)算出每組測試卡的MTF值，從而繪出不同空間頻率下的MTF曲線。

系統(tǒng)MTF可以客觀全面的反映不同頻率范圍內(nèi)空間信息的轉(zhuǎn)換能力，從圖2可以看出對(duì)于低頻成分成像系統(tǒng)可以全部傳遞，而當(dāng)空間頻率較高時(shí)系統(tǒng)轉(zhuǎn)換能力逐漸接近于0。但是MTF的計(jì)算方法較為復(fù)雜，不能實(shí)時(shí)得到系統(tǒng)空間分辨率測試結(jié)果，在臨床實(shí)踐中可操作性較差。因此，目前常用的空間分辨率測試方法多采用成排圓孔模型或線對(duì)卡模型測量空間分辨率，由測試者在監(jiān)視器上用肉眼觀察圖像，雖然存在一定的主觀人為因素影響，但測試方法簡單、便捷、實(shí)用性強(qiáng)。

采用目測法測量系統(tǒng)空間分辨率，由于受到人眼分辨能力的限制和人為因素的影響，常不能準(zhǔn)確地確定極限分辨率。如圖3所示，當(dāng)圖中線對(duì)卡圖像不是很清晰時(shí)，則較難確定極限分辨率是7lp/cm還是8lp/cm（線對(duì)/cm）。因此有必要研究目測極限分辨率與MTF曲線的相關(guān)關(guān)系，有助于在實(shí)際工作中確定圖像極限分辨率，從而提高CT質(zhì)量控制和質(zhì)量保證工作的水平。

圖2 MTF可以全面客觀地反映不同頻率范圍內(nèi)系統(tǒng)對(duì)空間信息的轉(zhuǎn)換能力

圖3 當(dāng)線對(duì)卡圖像不是很清晰時(shí)則較難確定目測極限分辨率

2 材料和方法

我們所用的測試體模是美國體模實(shí)驗(yàn)室研制的Catphan500 CT性 能 測 試 體 模（The Phantom Laboratory，New York，USA），其中包含有一個(gè)插件，插件內(nèi)有高對(duì)比度分辨率測試模塊（線對(duì)卡），以及用于計(jì)算系統(tǒng)MTF的點(diǎn)源（如圖4所示）。線對(duì)卡分辨率大小從1～21 lp/cm，點(diǎn)源為一個(gè)直徑為0.28mm的鎢珠，該鎢珠嵌在均勻的材料內(nèi)，鎢珠和均勻背景之間CT值差別很大，這樣可以提供一個(gè)邊緣銳利的點(diǎn)源。該點(diǎn)源經(jīng)過CT掃描成像后就得到系統(tǒng)點(diǎn)擴(kuò)散函數(shù)響應(yīng)從而計(jì)算出系統(tǒng)的MTF[7]。

圖4 分辨率測試模塊，其中黑點(diǎn)為鎢珠

為了研究CT目測分辨率和MTF值的關(guān)系，我們選擇頭部標(biāo)準(zhǔn)掃描參數(shù)進(jìn)行掃描，采用不同的重建條件對(duì)圖像進(jìn)行重建，分別獲得不同重建條件下的圖像目測分辨率和MTF值。使用西門子64層螺旋CT（Somatom Sensation Cardiac 64, Forchheim, Germany），采用手動(dòng)曝光模式掃描上述體模。選擇準(zhǔn)直器寬度為32×0.6 mm、120 kV、380 有效mAs、螺距0.8、掃描野直徑為200mm。重建層厚分別為0.6mm、 0.75mm、 1.0mm、 1.5mm重建間隔為圖像象素大小。選擇不同的kernel值（CT卷積重建算法）重建圖像。對(duì)于頭部掃描常選用的kernel值為H20、 H40、 H70，H表示頭部掃描，值越大則圖像銳化程度越強(qiáng)，空間分辨率越高。

采用MATLAB語言（美國Mathworks公司）對(duì)點(diǎn)源圖像進(jìn)行處理獲得系統(tǒng)MTF曲線并給出50%、10%、2%的MTF值。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

在不同重建條件下對(duì)圖像進(jìn)行重建，再分別采用目測法和MTF法評(píng)價(jià)和分析圖像空間分辨率，分析結(jié)果如表1所示。例如當(dāng)kernel值為H20時(shí)，圖像目測分辨率在6～7lp/cm之間，即肉眼可以清晰分辨6lp/cm線對(duì)卡，而對(duì)于7lp/cm線對(duì)卡不能完全清晰分辨，如圖5所示。

圖5 H20kernel, 0.6mm層厚時(shí)目測空間分辨率

從表1可以看出，對(duì)于H20kernel，MTF為10%時(shí)所對(duì)應(yīng)的空間分辨率為6.1lp/cm，而肉眼可以清晰分辨的線對(duì)卡的分辨率也為6lp/cm；MTF為5%和2%時(shí)所對(duì)應(yīng)的空間分辨率分別為6.8 lp/cm和7.6lp/cm，而肉眼可以部分分辨的線對(duì)卡的分辨率為7lp/cm。對(duì)于H40kernel，MT為10%時(shí)所對(duì)應(yīng)的空間分辨率為7.0lp/cm，其肉眼清晰分辨的線對(duì)卡的分辨率為7lp/cm；MTF為5%和2%時(shí)所對(duì)應(yīng)的空間分辨率分別為7.9和8.8lp/cm，肉眼可以部分分辨的線對(duì)卡的分辨率為8lp/cm。對(duì)于H70kernel，MTF為10%時(shí)所對(duì)應(yīng)的空間分辨率為11.1lp/cm，目測分辨率為11lp/cm；MTF為5%和2%時(shí)所對(duì)應(yīng)的空間分辨率分別為11.6 lp/cm和12.4lp/cm，肉眼可識(shí)別的分辨率為12lp/cm。

表1 不同重建條件下圖像目測分辨率和MTF值。

4 討論

從圖像目測空間分辨率和MTF分析結(jié)果可以看出，對(duì)于不同的掃描和重建條件，10%MTF所對(duì)應(yīng)的線對(duì)卡分辨率一般為圖像中肉眼可以清晰分辨的一組線對(duì)卡分辨率，而肉眼不能完全分辨的一組線對(duì)卡分辨率一般對(duì)應(yīng)著2%～5%MTF之間的空間頻率。由于該組線對(duì)卡的對(duì)比度在2%～5%之間，所以其空間頻率已接近MTF曲線的截止頻率，因此我們可以把該組線對(duì)卡的分辨率作為CT系統(tǒng)目測極限分辨率。由此我們可以確定本次實(shí)驗(yàn)中不同條件下的極限分辨率為：對(duì)于H20，極限分辨率為7lp/cm；對(duì)于H40，極限分辨率為8lp/cm；對(duì)于H70，極限分辨率為12lp/cm。

通過目測分辨率和MTF值相關(guān)性分析，我們找到了10%MTF、5%MTF和2%MTF與目測空間分辨率之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系，同時(shí)也為實(shí)際工作中確定目測極限分辨率提供了相應(yīng)的理論基礎(chǔ)。該研究將評(píng)價(jià)系統(tǒng)成像性能的客觀分析手段（MTF值）和主觀評(píng)價(jià)方法高度統(tǒng)一，反映出系統(tǒng)對(duì)細(xì)節(jié)的識(shí)別能力與人眼識(shí)別能力之間的相關(guān)關(guān)系。采用該方法可以有效地避免主觀測試中人為因素的影響，在CT成像性能評(píng)價(jià)和成像質(zhì)量保證工作中極具應(yīng)用和推廣價(jià)值。

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Correlation Analysis for Modulation Transfer Function and Visual Resolution of CT System

BAI Mei
Medical Engineering Department,Xuanwu Hospital of Capital Medical University, Beijing 100053, China

R814.42

A

10.3969/j.issn.1674-1633.2011.04.004

1674-1633(2011)04-0011-03

2008-05-15

2011-01-13

國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（30870751）；北京市衛(wèi)生系統(tǒng)高層次衛(wèi)生技術(shù)人才培養(yǎng)計(jì)劃項(xiàng)目（2009-3-57）。

本文作者：白玫，高級(jí)工程師，博士，碩士研究生導(dǎo)師。

作者郵箱：Jswei65@163.com

Abstract:ObjectiveTo evaluate the correlation between the visual resolution and the modulation transfer function (MTF) of CT system.Methodsscanned the resolution test module in CT test phantom, obtained the MTF and visual resolution of CT system.Resultsthe resolution which human eyes can clearly distinguish corresponds to spatial frequencies where MTF is 10%; the visual limited resolution corresponds roughly to spatial frequencies where MTF is between 5% and 2%.ConclusionThe correlation analysis for MTF and visual resolution of CT can effectively reflect relationship between the true detectability of CT system and human visual acuity and help to raise the level of our work.

Key words:modulation transfer function; visual resolution; tomography; CT; CR