基于Matlab CT密度分辨力自動(dòng)檢測(cè)的研究*

李 濤 李怡勇 米永巍 郭 赤

X射線電子計(jì)算機(jī)斷層成像(tomography，X-ray computed，CT)裝置是目前臨床使用最為廣泛的影像診斷裝置之一。自1973年CT誕生以來，其突出的臨床診斷價(jià)值和市場(chǎng)價(jià)值成為醫(yī)院重要的大型醫(yī)療設(shè)備，其臨床應(yīng)用的質(zhì)量直接關(guān)系到醫(yī)院的醫(yī)療水平。CT機(jī)臨床應(yīng)用質(zhì)量控制不足將會(huì)導(dǎo)致漏診和誤診，從而必將引發(fā)不必要的醫(yī)患糾紛，因此對(duì)CT機(jī)等大型醫(yī)療設(shè)備的質(zhì)量控制十分必要。

目前，我國對(duì)CT機(jī)的應(yīng)用質(zhì)量控制具有良好的基礎(chǔ)，相應(yīng)的法律法規(guī)陸續(xù)出臺(tái)。1995年國家衛(wèi)生部第43號(hào)令發(fā)布“大型醫(yī)用設(shè)備配置與應(yīng)用管理暫行辦法”，規(guī)定了大型醫(yī)用設(shè)備使用前應(yīng)進(jìn)行省一級(jí)應(yīng)用技術(shù)評(píng)審，評(píng)審合格后發(fā)放“大型醫(yī)用設(shè)備應(yīng)用質(zhì)量合格證”。同時(shí)，復(fù)審工作2～3年進(jìn)行1次[1]；1998年衛(wèi)生部發(fā)布第18號(hào)文件“X射線計(jì)算機(jī)斷層攝影裝置(CT機(jī))應(yīng)用質(zhì)量檢測(cè)與評(píng)審規(guī)范”；同年國家質(zhì)量技術(shù)監(jiān)督局和衛(wèi)生部發(fā)布國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T17589-1998“X射線計(jì)算機(jī)斷層攝影裝置影像質(zhì)量保證檢測(cè)規(guī)范”，規(guī)定了CT機(jī)驗(yàn)收檢測(cè)和運(yùn)行狀態(tài)檢測(cè)[2]；1988年軍隊(duì)開展CT和MRI的應(yīng)用質(zhì)量檢測(cè)工作，并每2年進(jìn)行1次巡檢；2003年總后衛(wèi)生部發(fā)布“X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”，國家技術(shù)監(jiān)督局分別發(fā)布JJG961-2001“醫(yī)用診斷計(jì)算機(jī)斷層攝影裝置(CT機(jī))X射線輻射源檢定規(guī)程”[3]和JJG1026-2007“醫(yī)用診斷螺旋計(jì)算機(jī)斷層攝影裝置(CT機(jī))X射線輻射源檢定規(guī)程”[4]；2011年軍隊(duì)發(fā)布了“軍隊(duì)醫(yī)療設(shè)備臨床應(yīng)用質(zhì)量檢測(cè)技術(shù)規(guī)范”，其中對(duì)X射線電子計(jì)算機(jī)斷層掃描裝置日檢、周檢、月檢、年檢的項(xiàng)目有明確的規(guī)定。上述標(biāo)準(zhǔn)給CT機(jī)應(yīng)用質(zhì)量檢測(cè)工作提供了依據(jù)。目前，CT機(jī)應(yīng)用質(zhì)量檢測(cè)項(xiàng)目為層厚、噪聲、場(chǎng)均勻性、水的CT值、空間分辨力、密度分辨力、CT值線性、定位光精度、床運(yùn)動(dòng)精度、劑量指數(shù)、環(huán)境溫度、大氣壓強(qiáng)以及環(huán)境濕度等[5-9]。本研究為了簡化檢測(cè)流程，使檢測(cè)項(xiàng)目符合數(shù)字化和遠(yuǎn)程傳輸?shù)囊?，以CT的密度分辨力為主要研究內(nèi)容，采用基于統(tǒng)計(jì)學(xué)的方法進(jìn)行自動(dòng)檢測(cè)，并與目測(cè)法的結(jié)果進(jìn)行相關(guān)性研究。

1 材料與方法

1.1 實(shí)驗(yàn)設(shè)備和體模

本研究根據(jù)醫(yī)院大型醫(yī)療設(shè)備配置情況，采用3臺(tái)CT作為實(shí)驗(yàn)對(duì)象。

(1)實(shí)驗(yàn)設(shè)備為東芝生產(chǎn)的Aquilion-16型CT(設(shè)備1)、Aquilion one型CT(設(shè)備2)和飛利浦生產(chǎn)的MX-4000 dual型CT(設(shè)備3)。

(2)測(cè)試體模為美國體模實(shí)驗(yàn)室研制的CT性能測(cè)試體模，Catphan 500，其中低對(duì)比度分辨力模塊CTP515用于目測(cè)法(如圖1所示)；場(chǎng)均勻性和噪聲模塊CTP486用于基于統(tǒng)計(jì)學(xué)的自動(dòng)檢測(cè)方法(如圖2所示)。

圖1 低對(duì)比度分辨力模塊

圖2 場(chǎng)均勻性和噪聲模塊

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

每臺(tái)設(shè)備采用兩種掃描條件進(jìn)行掃描以獲取不同的低對(duì)比度分辨力的結(jié)果，按此3臺(tái)設(shè)備對(duì)兩層體模模塊進(jìn)行掃描，共獲得6幅低對(duì)比度分辨力圖像(用于目測(cè)法)和6幅場(chǎng)均勻性和噪聲圖像(用于基于統(tǒng)計(jì)學(xué)的自動(dòng)檢測(cè)方法)。3臺(tái)設(shè)備的掃描條件見表1。

表1 3臺(tái)設(shè)備的實(shí)驗(yàn)掃描條件

2 CT密度分辨力自動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)

隨著信息化水平的不斷提高，傳統(tǒng)的低對(duì)比度分辨率(low contrast resolution，LCR)測(cè)量方法由于其主觀性強(qiáng)，易造成人為誤差、測(cè)量結(jié)果不連續(xù)以及不易于自動(dòng)檢測(cè)和遠(yuǎn)程傳輸?shù)炔蛔?，難以滿足遠(yuǎn)程應(yīng)用質(zhì)量控制的需要，為了提高檢測(cè)結(jié)果的準(zhǔn)確、客觀和不可逆，提高CT應(yīng)用質(zhì)量控制工作的工作效率，本研究利用Matlab語言編寫基于統(tǒng)計(jì)學(xué)的密度分辨力的自動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)。

2.1 CT密度分辨力自動(dòng)檢測(cè)原理

CT密度分辨力自動(dòng)檢測(cè)基于的原理是在同樣的條件下測(cè)量數(shù)個(gè)同樣大小的低對(duì)比度物體的值(如2～6 mm)，其值的隨機(jī)變化應(yīng)符合高斯分布。同樣，數(shù)個(gè)與低對(duì)比度物體同樣大小的感興趣區(qū)域(region of interest，ROI)的背景值均符合高斯分布；由于低對(duì)比度物體和背景的掃描條件相同，其方差也應(yīng)相同；在一次掃描中，他們之間的衰減系數(shù)的差異非常小，這兩個(gè)分布之間唯一的不同只是其均值不同，如果采用假設(shè)檢驗(yàn)的方法，以95%的概率區(qū)分兩者的條件只需要兩個(gè)分布的均值差異為3.29σ(σ為分布的方差)。

鑒于上述原理，低對(duì)比度密度分辨力的自動(dòng)檢測(cè)是通過在相同條件下掃描場(chǎng)均勻性和噪聲模塊的圖像得到。在計(jì)算時(shí)，將重建圖像的中心區(qū)域分為許多個(gè)小格子，格子的大小與感興趣的低分物體的大小相同，計(jì)算每個(gè)格子的CT均值，然后計(jì)算出這些格子的標(biāo)準(zhǔn)差σ，本文低對(duì)比度密度分辨力以3.29σ作為評(píng)判值。這種分析方法可以重復(fù)檢測(cè)不同大小物體的低對(duì)比度下密度分辨力的水平。

2.2 CT密度分辨力測(cè)量流程

CT密度分辨力測(cè)量流程如下：①檢測(cè)人員將catphan 500體模放置于診視床，按照掃描條件進(jìn)行掃描；②通過影像數(shù)據(jù)傳輸及儲(chǔ)存系統(tǒng)(picture archiving and communication systems，PACS)獲取dicom格式掃描圖像并保存于本地工作站；③對(duì)低對(duì)比度分辨力模塊的掃描圖像采用目測(cè)法，同時(shí)利用CT密度分辨力自動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)處理場(chǎng)均勻性和噪聲模塊的掃描圖像，獲取低對(duì)比度密度分辨力的評(píng)判值；④將檢測(cè)值導(dǎo)入到基于“軍衛(wèi)1號(hào)2號(hào)”工程的遠(yuǎn)程網(wǎng)絡(luò)檢測(cè)系統(tǒng)中，方便數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)、分析和傳輸，完成一次CT密度分辨力的檢測(cè)。

目測(cè)法的檢測(cè)方法為首先獲取低分模塊CTP515的掃描圖像，取測(cè)量窗寬＝CT目標(biāo)－CT背景＋5SDMAX，其中SDMAX為目標(biāo)和背景CT值中的最大SD；窗位＝(CT目標(biāo)＋CT背景)/2；調(diào)整窗寬、窗位為測(cè)量窗寬和測(cè)量窗位，觀察圖像確定所能分辨最小一級(jí)低信號(hào)目標(biāo)并將結(jié)果進(jìn)行記錄；基于統(tǒng)計(jì)學(xué)的自動(dòng)測(cè)量方法為首先獲取場(chǎng)均勻性和噪聲模塊CTP486的掃描圖像，分別取直徑為2～6 mm不同大小的ROI，然后利用matlab按照統(tǒng)計(jì)學(xué)方法進(jìn)行計(jì)算，獲得低對(duì)比度下的密度分辨力的評(píng)判值。

3 結(jié)果

本研究利用目測(cè)法檢測(cè)CT密度分辨力，其結(jié)果見表2。其中一定對(duì)比度下所能分辨的最小目標(biāo)尺寸的單位為mm，從表中可發(fā)現(xiàn)密度分辨力的檢測(cè)值與噪聲密切關(guān)系，劑量越高，層厚越厚，相應(yīng)的噪聲越少，所能分辨的最小目標(biāo)尺寸越小，即密度分辨力的能力越好[10-11]。

表2 目測(cè)法檢測(cè)CT密度分辨力結(jié)果

本研究采用CT密度分辨力自動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)檢測(cè)CT密度分辨力，其結(jié)果見表3。其中結(jié)果為要分辨目標(biāo)和背景所需要的CT值差異，一般將結(jié)果乘以1‰與目測(cè)法進(jìn)行比較，即第一幅圖像中，直徑為2 mm的目標(biāo)物質(zhì)需要0.58682%以上的對(duì)比度方能分辨。

表3 CT密度分辨力自動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)檢測(cè)的結(jié)果

4 討論

為了研究自動(dòng)檢測(cè)方法的評(píng)判值與目測(cè)法結(jié)果的相關(guān)性，采用Catphan 500體模說明書中低對(duì)比度下密度分辨力的換算公式，將自動(dòng)檢測(cè)方法中2～6 mm所計(jì)算評(píng)判值換算成1%和0.5%低對(duì)比度下密度分辨力的測(cè)量值并求平均，最后將其結(jié)果與目測(cè)法進(jìn)行pearson相關(guān)分析。換算公式為公式1：

即：測(cè)量的對(duì)比度乘以最小可分辨直徑約等于一個(gè)常數(shù)。例：5 mm diameter×0.3%≌3 mm diameter×0.5%。

采用pearson系數(shù)對(duì)1%和0.5%對(duì)比度下的兩種方法進(jìn)行相關(guān)分析，計(jì)算得到相關(guān)系數(shù)分別為r＝0.977和r＝0.980(P＜0.01)。由此可見，基于統(tǒng)計(jì)學(xué)的自動(dòng)檢測(cè)方法與目測(cè)法具有很強(qiáng)的一致性，該方法完全可以作為CT應(yīng)用質(zhì)量控制中密度分辨力的檢測(cè)方法且適用于多種類型的CT機(jī)，自動(dòng)檢測(cè)方法的換算值和目測(cè)法的結(jié)果見表4。

表4 自動(dòng)檢測(cè)方法的換算值和目測(cè)法的相關(guān)性結(jié)果

5 結(jié)語

CT密度分辨力自動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)的研究與實(shí)踐表明了CT應(yīng)用質(zhì)量控制數(shù)字化方案的可行性，借助信息化手段可方便、高效地完成CT類醫(yī)療設(shè)備應(yīng)用質(zhì)量控制，提高大型醫(yī)療設(shè)備應(yīng)用質(zhì)量控制工作的效率[12-15]。該檢測(cè)系統(tǒng)簡單快捷，避免紙質(zhì)記錄，減少人為誤差，確保檢測(cè)結(jié)果準(zhǔn)確、客觀和不可逆。檢測(cè)人員可同時(shí)進(jìn)行圖像掃描和數(shù)據(jù)測(cè)量，無需過多占用CT機(jī)的掃描時(shí)間，測(cè)量結(jié)果具有客觀性且定量嚴(yán)格并與目測(cè)法結(jié)果相關(guān)性強(qiáng)。該系統(tǒng)的檢測(cè)值完全符合LCR的定義，可用于CT應(yīng)用質(zhì)量檢測(cè)中。本系統(tǒng)驗(yàn)證了大型醫(yī)療設(shè)備數(shù)字化檢測(cè)方法準(zhǔn)確可靠，結(jié)合“軍衛(wèi)1號(hào)2號(hào)”工程的網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)，為大型醫(yī)療設(shè)備遠(yuǎn)程檢測(cè)的實(shí)施進(jìn)行了預(yù)研。

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