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    超聲波影像設備質量控制檢測方法

    2011-11-16 09:36:12盧征峰
    中國醫(yī)療設備 2011年7期
    關鍵詞:體模醫(yī)用分辨率

    盧征峰

    哥倫比亞大學 醫(yī)學院影像科,美國紐約

    超聲波影像設備質量控制檢測方法

    盧征峰

    哥倫比亞大學 醫(yī)學院影像科,美國紐約

    本文討論了超聲波影像設備的質量控制與保證,描述了超聲波影像設備具體的質量控制方法和步驟。通過體模測試,本文對檢測參量作定量或定性的評估,就其體模材料也做了介紹。

    超聲波影像;質量控制;超聲波體模;醫(yī)學影像設備

    0 前言

    醫(yī)用影像質量保證和控制的首要目的是為患者提供最佳的醫(yī)療服務。盡管質量保證(Quality Assurance)與質量控制(Quality Control)常常被相提并論,但準確地說,質量保證比質量控制涵蓋的內容更多。因為質量保證既包括技術層面的諸多檢測,又包括管理層面的意義,如行政制度,檢測記錄的存檔與監(jiān)督、醫(yī)務工作人員的繼續(xù)教育查考等。質量控制則主要是指在設備安裝調試結束以后在日常的臨床使用期間所進行的定期規(guī)范檢查,使設備的諸多重要性能處于最優(yōu)化狀態(tài),及早發(fā)現(xiàn)細微的質量問題,及時修理維護,降低因質量問題影響醫(yī)療服務的可能性。這與設備的定期維修和預防性維護(Preventative Maintenance)不同。質量控制是在醫(yī)療影像設備廠家的安全檢查及定期保養(yǎng)之外的一系列規(guī)范的檢測,著重點在于臨床應用的最優(yōu)性。誠然,質量保證與質量控制能夠提高醫(yī)用影像設備的使用價值,增加經(jīng)濟效益,但最主要的目的是本著“患者第一”的原則,為患者提供最佳的醫(yī)療服務。

    與其他醫(yī)用影像設備(CT、X線成像)相比,關于超聲波醫(yī)用影像的質量控制,歷史上有過諸多爭執(zhí)。有學者認為,額外的質量控制檢測沒有必要,因為超聲波影像不使用放射線,所以沒有危害;也有學者認為,大多數(shù)的超聲波醫(yī)用影像質量問題在日常的臨床使用當中可以發(fā)現(xiàn),所以定期的質量控制檢測是多余的;還有的對目前所用的超聲波醫(yī)用影像質量控制檢測的有效性持懷疑的態(tài)度。然而,隨著超聲波醫(yī)用影像的技術越來越成熟,其應用范圍越來越廣泛,定期的質量控制檢測的必要性也就越來越明顯。雖然超聲波醫(yī)用影像不使用放射線,但是由于超聲波醫(yī)用影像被用于許多關鍵性的臨床診斷,萬一因影像的質量問題導致誤診,也會對患者造成危害。另外,現(xiàn)今的影像技術日臻復雜,有的質量問題在臨床使用中不容易被發(fā)現(xiàn),如超聲波探頭在臨床使用中并沒有明顯的缺陷,如圖1所示,但同一個探頭在圖2所現(xiàn)的均勻背景體模成像中就顯出了淺層區(qū)的黑線。進一步的檢查發(fā)現(xiàn),這些黑線是由于探頭纜線被超聲機輪子碾過造成的損傷。有的質量問題起初并不明顯,但隨著時間的變化日趨惡化,等到在臨床使用時被發(fā)現(xiàn)時,這樣的質量問題就已影響到對患者的醫(yī)療服務,如同一機器新、舊探頭所成的影像質量迥異,見圖3。若能對超聲機作定期的質量控制檢測, 這個舊探頭的質量問題就可以盡早查出,及時處理。因而,定期質量控制檢測的目的是為了在設備質量影響到臨床使用之前就發(fā)現(xiàn)問題,以便于能及時修理維護,為患者提供最佳的醫(yī)療服務。

    超聲波醫(yī)用影像技術在近20年發(fā)展迅速,關于超聲波醫(yī)用影像質量控制的方法也與時共進[1-4]。醫(yī)用超聲影像技術較常見的有兩大類:基于回波掃描的B超和基于多普勒原理的彩超。本文將著重介紹B超影像的質量控制方法。首先簡單介紹用于超聲波醫(yī)用影像質量控制檢測的體模,然后逐一詳細描述質量控制檢測的各個方法,見表1。

    1 醫(yī)用超聲波影像質量控制檢測所用的體模

    表1 比較兩類主要的超聲醫(yī)用影像質量控制檢測用的規(guī)范體模材料[14]

    在超聲醫(yī)用影像質量控制檢測中,使用規(guī)范的體模很有必要。1個性能穩(wěn)定的體模好比1個“理想患者”,可用于測出設備功用參量隨時間的衰退和波動。所以醫(yī)用超聲影像質量控制所用的體模必須能長期保存不變。另外,體模材料必須俱有與人體軟組織相近的聲學特征,包括聲速1540m/s,聲衰減系數(shù)接近0.5dB/cm/MHz或0.7dB/cm/MHz,聲散射系數(shù)接近人體肝組織的聲散射系數(shù)等。醫(yī)用超聲影像質量控制所用的體模材料有多種。一般市場上供應的材料主要分成兩類:一類是以水和瓊脂為本底的[5-6];另一類是以橡膠為本底的[7]。這兩類材料的詳細對比見表1。以水和瓊脂為本底的體模材料與人體軟組織有相似的聲學特征,這是其長處。但是這種材料對存儲的環(huán)境溫度有較嚴的要求,若在0°C以下或49°C以上,體模材料會被凍壞或熱壞。另外,這種材料的失水性也是一大損耗因素,使得體模的可用壽命一般只限3~5年。相比之下,以橡膠為本底的體模材料壽命長得多,其使用年份可達7~10年。但是,橡膠的聲速比人體軟組織的聲速約低6%。雖然用于標志距離的點標可以按聲速的落差調整以保證測量距離的準確,但是橡膠聲速的這一不足造成此類體模不適合用于評估超聲波探頭的橫向分辨率[8-9]。

    2 基本的超聲波醫(yī)用影像質量控制方法

    基本的醫(yī)用超聲波影像質量控制方法和步驟多種多樣[1-4]。以下介紹最基本、常用的B超影像的質量控制方法步驟。在新設備安裝調試完畢時,應立刻作這系列的質量控制檢測,其結果應詳細記錄存檔,作為基本標準(baseline),以便對照后來的定時質量控制檢測結果,這是找出設備功用參量隨時間衰退和波動的關鍵。鑒于超聲波醫(yī)用影像技術日臻成熟,機器參量的設置直接影響到影像質量控制檢測結果,因而在記錄檢測結果的同時,應記錄檢測時所用的機器參量設置,以保證后來的檢測也使用同樣的機器參量設置。

    2.1 視眼檢查

    視眼檢查包括定時用視眼檢查各個醫(yī)用超聲波影像機部件的外表狀況。對于超聲波探頭,檢查其纜線、接頭和探頭表面,必要時可以使用放大鏡,以便于更清楚仔細地檢查。一些細微的損傷,也應查明原因,留下記錄,以便于跟蹤防范更大的變化。圖4顯示1個被穿刺針頭跳破表面的探頭;圖5顯示探頭纜線外表剝落。這些問題能造成嚴重的影響,用簡單的視眼檢查即可及早發(fā)現(xiàn),及時處理。醫(yī)用超聲波影像機常常被挪來挪去,因而其輪子和輪上的閘需要定時檢查,同時檢查機器上的各附件是否鎖定,以防在挪移時掉下來摔壞。另外,視眼檢查也包括檢查顯示圖像的屏幕是否清潔沒有劃痕,換空氣的過濾窗是否通暢,鍵盤是否整齊,指示燈是否都工作等。

    圖1 此圖所用的超聲波探頭纜線被超聲機輪子碾過,造成5個單元線路的斷裂。但是所現(xiàn)的超聲波影像沒有明顯可見的缺陷。

    圖2 用圖1所用的同一個探頭照體模的均勻背景,5個斷裂單元線路引起的淺層區(qū)的黑線就分明可見。這樣的體模成像通過衡量圖像的均勻性可檢查超聲探頭的各單元。

    圖3 新、舊2個超聲波探頭用同一機器同一體模成像。比較之下,2個超聲波探頭質量迥異。若能對超聲機作定期的質量控制檢測, 這個舊探頭的質量問題就可以盡早查出,及時處理。

    圖4 探頭的表面被1個穿刺針頭刺破,這樣的問題用簡單的視眼檢查即可及早發(fā)現(xiàn)。

    圖5 探頭的纜線外表剝落。

    2.2 圖像顯示屏幕

    圖6 超聲波機器內現(xiàn)存的測試圖可用于檢測超聲波影像顯示屏幕。

    超聲波影像實時顯示在超聲波機器的屏幕上,這些影像也可能通過PACS傳到讀片室的計算機屏幕上顯示出來或者印成相片或打印在紙上。這些用于圖像顯示的設備各自獨立運行,因而每一件設備都需檢查,以確保其設置合適。這項檢測可以使用超聲波機器內現(xiàn)存的測試圖(SMPTE test patterns),借鑒檢測電視錄像機的方法[10]來檢測超聲波影像顯示屏幕,見圖6。如果超聲波機器內沒有現(xiàn)存的測試圖,則可以用超聲波影像圖旁的灰標(the Grayscale bar)。

    2.3 超聲波影像的均勻性

    圖7 探頭被摔,造成嚴重的影像不均。此探頭被立即更換。

    圖8 超聲波機上的1個深度信號擴大器(TGC)壞了,引起橫向的黑帶。這類嚴重的影像不均勻應立即處理。

    超聲波影像的不均勻性可能導致醫(yī)生讀片時錯過一些小的對比度較低的腫瘤,引起誤診。嚴重的影像不均勻應立即處理,見圖7和圖8;不太嚴重的影像不均勻,也應查明原因,予以處理,見圖9、10、11。超聲波影像的均勻性檢測方法步驟如下:選擇體模中均勻的背景部分,探頭掃描用實時圖像顯示,注意任何豎的或橫的不均勻線條。在不同的設置下重復此檢測方法,如單聚焦或多聚焦的設置,淺層或深層聚焦的設置。

    圖9 在淺層區(qū)有一條黑線,此探頭需作進一步檢查。

    圖10 在影像的左右邊都看到亮度減低,此成像模式需作進一步檢查。

    圖11 在淺層區(qū)有噪音信號,此探頭需作進一步檢查。

    2.4 超聲波探頭的靈敏度(最大可達深度)

    超聲波探頭的靈敏度決定影像中最大可達深度。最大可達深度是指可見的回聲信號于電噪聲信號相比較,回聲信號完全被電噪聲信號掩蓋的深度。此項檢測有主觀的成分,檢測人員需使用同樣的規(guī)范標準來界定最大可達深度。近年來,計算機自動質量控制檢測[11-12]用信噪比來決定最大可達深度,其結果有更佳的可重復性。

    假設所用的體模不變,這項檢測可用來監(jiān)督超聲波探頭的靈敏度隨時間的衰敗和波動。當最大可達深度減少1cm或更嚴重時,需對此探頭和機器作進一步的檢查處理。因為可達深度與探頭所發(fā)的聲波頻率有關,也與聲輸出強度、聲聚焦深度等有關,見圖12。這些參量的設置均需記錄下來,以保證每次的檢測都用同樣的參量設置,這樣其結果可以與第一次測得的基本標準作對比。一般情況下,設置影像深度剛剛大于最大可達深度,設置聲聚焦深度最接近影像深度,設置聲輸出強度在最強,設置信號擴大器即能看到回聲信號也能看到電噪聲信號。顯然,最大可達深度與體模的聲衰減系數(shù)有關。如果探頭掃描深度超過了體模本身的最大長度,這項檢測就失去了意義。因此,聲頻3.5MHz或更低的探頭最好使用聲衰減系數(shù)0.7dB/cm/HMz的體模。

    圖12 最大可達深度與聲輸出強度設置有關。左圖中最左邊的體模圖聲輸出強度設在100%,其相鄰的體模圖聲輸出強度減到5%,從而導致可達深度的減少。最大可達深度也與聲聚焦深度有關,聲聚焦深度設置越深,則可達深度越大。

    2.5 測量距離的精確度

    超聲波影像的臨床應用中,距離測量的誤差將導致誤診。因此,測量距離的精確度是質量控制中很重要的一步。有的甚至強調測量周邊的精確度也應納入質量控制中[13]。但因為這項測量體模的復雜性,目前測量周邊的精確度并不常見,所以測量距離的精確度是必須要做的。

    測量距離的精確度包括縱向和橫向2個方向,見圖13。體模中有已知距離(1cm或2cm)的點標,這些點標一般是用極細的尼龍繩做的。用探頭掃描時不要對體模表面施加太大的壓力,因為體模背景材料有彈性,太大的壓力會減小點標間的距離,影響測量距離的精確性。一般來說,超聲波影像機上測得的距離與已知距離之間的差距在橫向需在2.0mm之內或測量距離的2%之內(選兩者中較大的值作規(guī)范標準);在縱向需在1.5mm之內或測量距離的1.5%之內(選兩者中較大的值作規(guī)范標準)。若在此范圍之外,需對機器作進一步檢查,及時糾正。

    圖13 測量距離的精確度使用體模中有已知距離(1.0cm或2.0cm)的點標,包括縱向和橫向兩個方向。

    2.6 模擬腫瘤的可見度

    這項方法檢測超聲波影像機是否能探出大小不一的腫瘤。通常體模內模擬的腫瘤有比背景更亮的(有的惡性腫瘤),也有比背景暗的(有的良性腫瘤),或瘤內沒有回聲的(囊腫)。在掃描體模中的這些模擬腫瘤時,需一一記錄,并與起初測試時得到的結果比較,若有變化,應查出原因,予以處理,見圖14、15。

    圖14 此影像由3.5MHz的探頭掃描形成。其所用的體模中的模擬囊腫直徑為6mm、4mm和2mm。這項方法檢測超聲波影像機是否能探出大小不一的囊腫。

    圖15 此影像所用的體模中模擬的腫瘤對比度從-9dB、-6dB、-3dB、+3dB、+6dB到+9dB。

    2.7 高對比度下的分辨率:縱向分辨率和橫向分辨率

    高對比度下的分辨率指影像所能分辨的相鄰物體的最近距離。在超聲波影像中,對分辨率的檢測包括測量縱向分辨率和橫向分辨率??v向是指聲傳播方向,從影像上看,是深度的方向;橫向與縱向垂直,在掃描平面內,從影像上看,是水平的方向。這項檢測可使用體模中相鄰的點標。每組點標相鄰的距離從大到?。?0~0.5mm),從影像中找出能分辨的最近距離,即是該方向的分辨率,見圖16。另一種檢測分辨率的方法是從影像上量1個點標所顯現(xiàn)的模糊的寬度,如定義邊界亮度是最亮度的10%,量出兩邊界間的距離即是-20dB的模糊寬度(the full width at tenthmaximum)。顯然,這項檢測與聲頻有關,也與聚焦點深度的設置有關。一般情況下,如果聲頻在4HMz以上,縱向分辨率必須好過1mm;如果聲頻在4HMz以下,縱向分辨率必須好過2mm[1]。橫向分辨率與探頭的聲場分布和聚焦有關,因此要特別注意每次檢測使用同一的參量設置。一般情況下,橫向分辨率需滿足以下標準:

    其中,F(xiàn)是聚焦長度, f是聲頻, D是探頭換能器的寬度。如一個3HMz的探頭,聚焦長度為100mm,探頭換能器的寬度為50mm,那么橫向分辨率必須好過1.7mm, 即影像所能分辨的相鄰物體的最近距離必須小于1.7mm。

    無論是縱向還是橫向分辨率都不應該隨時間變化,若有衰退,應及時處理,以免影像臨床應用。

    圖16 高對比度下的分辨率指影像所能分辨的相鄰物體的最近距離。

    在超聲波影像中,對分辨率的檢測包括測量縱向分辨率和橫向分辨率。另一種檢測分辨率的方法是從影像上量1個點標所顯現(xiàn)的模糊的寬度,如定義邊界亮度是最亮度的10%,量出兩邊界間的距離即是-20dB的模糊寬度(the full width at tenth-maximum)。顯然,這項檢測與聲頻有關,也與聚焦點深度的設置有關。

    2.8 淺層可見度

    淺層可見度指超聲波影像能清楚顯現(xiàn)回聲信號的最淺距離。體模中距離表面1~8mm的點標可用于做此項檢測,見圖17。這項檢測評估超聲波影像在表面淺層成像的能力。對臨床中需要檢查淺層的應用(乳腺超聲影像)很重要。淺層可見度不應該隨時間變化,若有衰退,應及時處理,以免影像臨床應用。

    圖17 淺層可見度指超聲波影像能清楚顯現(xiàn)回聲信號的最淺距離。體模中距離表面1mm至8mm的點標可用于做此項檢測。

    2.9 偽影

    偽影是指成像過程中產(chǎn)生的與實體不符的信號。有的偽影不是由超聲波成像機的質量缺陷引起的,如腫瘤后面黑影或亮區(qū)反映出腫瘤的聲衰減系數(shù)高于或低于周圍的背景。這樣的偽影能幫助醫(yī)生了解所照人體組織的性能。有的偽影是由超聲波成像機的質量缺陷引起的,如圖18所顯示的點標雙影。進一步檢查發(fā)現(xiàn)這些雙影是由于此探頭的邊緣聲場分布不當引起的。

    圖18 有的偽影是由超聲波成像機的質量缺陷引起的,譬如此影像所顯現(xiàn)的點標雙影問題。進一步檢查發(fā)現(xiàn)這些雙影是由于此探頭的邊緣聲場分布不當引起的。

    4 結論

    本文描述了對超聲波影像設備的基本的質量控制方法和步驟,通過體模測試,對檢測參量作定量或定性的評估。由于超聲波影像技術的發(fā)展變化,這些方法的檢測結果并沒有統(tǒng)一的規(guī)范標準。但是,普遍公認的規(guī)范標準是對某一特定的超聲波影像機的檢測結果不應該隨時間變化。所以,在新設備安裝調試完畢時,應立刻進行這系列的質量控制檢測,其結果應詳細記錄存檔,作為baseline,以便對照后來的定時質量控制檢測結果,若有衰退,應及時處理,以免影響臨床應用。

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    Diagnostic Ultrasound System Quality Control Testing Methods

    LU Zheng-feng
    Department of Radiology, Columbia University, New York, USA

    This paper first discusses what is quality assurance (QA) and quality control (QC) and why we need ultrasound QA/QC. Then the paper focuses on describing the quality control testing procedures for diagnostic ultrasound imaging devices.General guidelines are discussed regarding tolerances for periodic quality control tests.A brief review of ultrasound phantoms used in ultrasound quality control testing is also included.

    diagnsotic ultrasound imaging; quality control testing; ultrasound phantoms; medical imaging equipment

    TH774

    A

    10.3969/j.issn.1674-1633.2011.07.003

    1674-1633(2011)07-0021-06

    2011-07-04

    作者郵箱:zfl1@columbia.edu

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