CT系統(tǒng)高級掃描方式的圖像質(zhì)量測量方法*

周錫明 王禹鑫 張 弛 任 燁 蔡 彪

醫(yī)用X射線計算機斷層掃描(X-ray computed tomography,CT)系統(tǒng)從20世紀(jì)70年代發(fā)明至今,經(jīng)歷了多個快速發(fā)展的階段,從單排步進式頭部專用CT進化為多排螺旋全身CT,掃描時間從數(shù)分鐘進化到數(shù)秒鐘[1].CT的硬件包括球管、探測器、動力系統(tǒng)、控制系統(tǒng)、數(shù)據(jù)傳輸和重建等均有了巨大的技術(shù)進步,其算法和軟件也在不停的發(fā)展之中.重建算法經(jīng)歷了代數(shù)重建技術(shù)(algebraic reconstruction technique,ART)、濾波反投影(filter back projection,FBP)算法和迭代重建(iterative reconstruction,IR)算法,到目前的人工智能(artificial intelligence,AI)重建算法[2-4].掃描方式上也有多種創(chuàng)新發(fā)明,從最初的單排步進軸掃方式,發(fā)展到現(xiàn)在的大錐束螺旋、心臟門控掃描及雙能掃描等[5].在數(shù)據(jù)處理的算法上,也針對不同的圖像偽影的成因,發(fā)展了各種偽影消除算法,包括骨偽影、散射偽影、金屬偽影以及低信號偽影校正算法等等[6-7].然而,CT圖像質(zhì)量和系統(tǒng)性能的評定標(biāo)準(zhǔn)卻相對更新緩慢.

目前,國家標(biāo)準(zhǔn)"X射線計算機體層攝影設(shè)備通用技術(shù)條件"(YY/T 0310-2015)[8]中的圖像質(zhì)量測定方法只是針對CT掃描系統(tǒng)的基本圖像參數(shù)進行了定義,并未針對CT掃描中的高級功能進行圖像質(zhì)量的評估.在國家標(biāo)準(zhǔn)"X射線計算機體層攝影設(shè)備通用技術(shù)條件"中,對圖像質(zhì)量檢測部分中推薦的模體,包括業(yè)界廣泛使用的Catphan模體均為圓柱體,無法用于評估CT掃描系統(tǒng)中自動曝光控制(automatic exposure control,AEC)的有效性.對于低劑量掃描,目前的研究多集中在對圖像質(zhì)量評價的方法上,而使用的模體大都屬于小型模體[9].在CT的輻射劑量低到一定程度后,圖像中會出現(xiàn)光子不足偽影,因此小型模體并不能模擬CT系統(tǒng)在低劑量下掃描患者的真實情況.為此,本研究針對AEC、低劑量和雙能掃描的3個高級掃描方式設(shè)計一種橢圓模體,為CT用戶和監(jiān)管部門對CT系統(tǒng)的高級掃描方式的性能評估提供參考.

1 CT系統(tǒng)高級掃描技術(shù)

1.1 CT掃描系統(tǒng)AEC

AEC是針對患者的體型,在掃描過程中動態(tài)改變曝光電流的一種技術(shù).如果被掃描部位是類似于橢圓形狀,如肩膀或者胯部,在最終的圖像噪聲中,來自于長軸方向的掃描數(shù)據(jù)中的噪聲將會成為主要來源.被掃描物體在病床移動方向上(Z軸方向)具有較大的尺寸變化,當(dāng)頭頸部或胸腹部連續(xù)掃描時,如果球管的曝光電流保持恒定,則在Z軸方向上圖像的噪聲將出現(xiàn)較大的不均勻性.AEC是根據(jù)被掃描物體形狀(一般通過定位像來估計)來計算出在各個方向上的衰減長度,然后根據(jù)長度來決定對應(yīng)方向上的電流強度.在衰減長度大的方向增加電流強度;相反再衰減長度小的方向降低電流強度.

1.2 低劑量掃描

CT等醫(yī)療放射成像設(shè)備目前已經(jīng)成為公眾受到的輻射的主要來源,約有50%的輻射劑量來自于醫(yī)療成像設(shè)備,并且有逐年上升的趨勢[10].醫(yī)療成像設(shè)備對于臨床診斷具有其他設(shè)備無法替代的意義,因此在醫(yī)院診療中,尤其在兒科中,影像設(shè)備中盡可能的低劑量原則(as low as reasonably achievable,ALARA)的概念也越來越受到重視[11].隨著新的圖像重建技術(shù)的出現(xiàn),包括AI在醫(yī)療診斷上的進展,在肺部篩查等特殊的應(yīng)用領(lǐng)域中超低劑量的掃描方式開始出現(xiàn)[12-14].這些掃描方式不僅僅是單純地把掃描協(xié)議中的劑量降低,而是與高級的預(yù)處理、圖像重建以及圖像識別的算法相結(jié)合,在給患者盡可能低的輻射劑量的前提下,針對特定的應(yīng)用提供有用的診斷信息.

1.3 雙能掃描

雙能CT掃描的概念在CT被發(fā)明后不久被提出[15].雙能CT利用不同物質(zhì)對不同能量的X射線的吸收系數(shù)有差別原理,對同一掃描物體進行不同X射線能量下的掃描,從而能達到區(qū)分被掃描物體中不同物質(zhì)目的.目前,各主要品牌的雙能掃描實現(xiàn)方式有很多種,包括西門子的雙源雙探測器方式、GE的快速切換方式和飛利浦的雙層探測器方式等[16-18].各品牌的雙能掃描方式各有優(yōu)缺點,雙能CT掃描的最終圖像一般都會重建為單能圖,物質(zhì)分解圖,或者原子序數(shù)圖等表現(xiàn)形式.這些雙能圖像的準(zhǔn)確性目前并無統(tǒng)一的國家標(biāo)準(zhǔn)來進行評估.雖然有些模體的供應(yīng)商提供一些已知化學(xué)成分的模體,如Catphan700中的CTP682就提供了水、有機玻璃、骨、特氟龍等材料,但是這些物質(zhì)的化學(xué)成分和一般雙能重建使用的基物質(zhì)對(水和碘)相差較大,導(dǎo)致理論值的計算與產(chǎn)品中采用的掃描技術(shù)相關(guān).針對雙能掃描,提出一種簡單易行的辦法對其物質(zhì)分解的準(zhǔn)確性進行評估.

2 橢圓模體設(shè)計

2.1 橢圓模體結(jié)構(gòu)

根據(jù)自動曝光控制和低劑量掃描方式的特點,設(shè)計橢圓形的模體.模體的長軸為35 cm,短軸為25 cm,材料為有機玻璃聚甲基丙烯酸甲酯(polymethyl methacrylate,PMMA).橢圓模體的中心為20 cm空心圓柱,便于放置廠商自帶的質(zhì)量保證(quality assurance,QA)模體或Catphan模體進行圖像質(zhì)量指標(biāo)的測量.在長軸的兩端,各設(shè)置2 cm直徑的圓孔,放置各種自定義材料做成的圓棒,如鋁棒、鐵棒及特氟龍棒等,以方便放入裝有各種溶液的試管.圖像質(zhì)量指標(biāo)的測量由Catphan500模體完成.橢圓模體設(shè)計見圖1.

圖1 橢圓模體設(shè)計示意圖

2.2 橢圓模體性能

模體設(shè)計成橢圓形狀,其目的是為了使AEC在掃描中起作用,且橢圓模體更符合臨床上患者的體型特征,能更好地模擬低劑量掃描下對圖像質(zhì)量的實際影響.

對于雙能掃描的測試,通過使用配制的1%、2%、4%和10%的4種不同質(zhì)量濃度的碘化鉀溶液進來行測量,而不是臨床上的CT增強劑溶液,其原因是:①CT增強劑雖然主要成分的分子式是已知的,但是溶液中其他物質(zhì)的成分往往生產(chǎn)廠商并不提供;②商業(yè)化CT增強劑產(chǎn)品中,有效成分的濃度一般都有誤差,有的多達10%.使用CT增強劑溶液研究雙能CT掃描的準(zhǔn)確性時,無法準(zhǔn)確計算理論值.而碘化鉀并非管制化學(xué)品,易溶于水,純度一般都在99%以上,且碘化鉀溶液的密度和溫度的關(guān)系也容易計算[19].使用碘化鉀來配置含碘溶液,其誤差來源很少.若使用一次配制的碘化鉀溶液>100 ml,很容易將碘化鉀溶液的精度控制在<0.001 g/ml.計算4種溶液在溫度t(℃)下的質(zhì)量密度ρ(g/cm3)為公式1:

式中m為每單位重量水中的物質(zhì)摩爾濃度,單位為mol/kg.

在以水和碘這兩種物質(zhì)為基物質(zhì)的4種濃度溶液,通過物質(zhì)分解得到的理論密度見表1.

表1 不同質(zhì)量濃度下碘化鉀水溶液25 ℃下的質(zhì)量密度和水基碘基物質(zhì)分解密度(mg/cm3)

2.3 橢圓模體測試方法

選擇3個不同品牌的CT產(chǎn)品(品牌A、B、C)進行圖像質(zhì)量測試,分析在AEC、低劑量和雙能掃描3種高級掃描模式下橢圓模體對圖像質(zhì)量的影響.3個不同品牌CT分別覆蓋高中低端的CT產(chǎn)品,品牌A為高端256排的CT,品牌B為中端32排CT,品牌C為低端16排CT.其中,品牌A和B的CT產(chǎn)品中有雙能功能,品牌C的16排CT不具備雙能.

測試的圖像質(zhì)量指標(biāo)選用國家標(biāo)準(zhǔn)"X射線計算機體層攝影設(shè)備通用技術(shù)條件"(YY/T 0310-2015)中規(guī)定的CT值的準(zhǔn)確性、均勻性以及層厚,測試方法均遵守標(biāo)準(zhǔn)中的規(guī)定:①水的CT值均勻性≤±4 HU;②空氣的準(zhǔn)確性為(-1000±10)HU,水的準(zhǔn)確性為(0±4)HU;③切片層厚>2 mm時為1.0 mm,1~2 mm時為±50%,<1 mm時為±0.5 mm.對于雙能掃描,使用碘化鉀溶液來測試品牌A和B的雙能掃描中經(jīng)過物質(zhì)分解以后的水基和碘基圖的密度值,并與理論值進行比較.

3 橢圓模體測試結(jié)果

3.1 AEC測試

自動曝光測試采用常規(guī)的胸部掃描協(xié)議,管電壓120 kV,管電流130 mA,轉(zhuǎn)速0.75 s/360°,螺距1.0.每臺CT測試4次并取平均值.在測量過程中空氣的測量選取遠離模體的感興趣區(qū)域(region of interest,ROI),水模的中心和3、6、9、12點位置的ROI的選取遵循國家標(biāo)準(zhǔn)(YY/T 0310-2015)中的規(guī)定,即在距離模體邊緣大約1 cm處,選取一個直徑大約是2 cm的圓形ROI進行測量,中心ROI與周圍4個ROI的CT值之差的最大值為均勻性結(jié)果(見圖2、圖3和圖4).

實驗結(jié)果顯示,在AEC打開并使用橢圓模體的情況下,各品牌的CT值準(zhǔn)確性、均勻性和切片層厚均在國家標(biāo)準(zhǔn)[8]的規(guī)定范圍內(nèi).需要指出的是雖然品牌C的水CT值在3、6、9點位置超出了4 HU的規(guī)定范圍,但是水的CT值準(zhǔn)確性是在圖像中心測量的,因此品牌C的結(jié)果同樣符合標(biāo)準(zhǔn).

圖2 各ROI選取的位置示意圖

圖3 不同品牌的CT系統(tǒng)在AEC打開時的CT值準(zhǔn)確性和均勻性測試結(jié)果

圖4 不同品牌的CT系統(tǒng)在AEC打開時的層厚測試結(jié)果

3.2 低劑量測試

低劑量圖像質(zhì)量測試中使用了肺部篩查協(xié)議中常用的掃描協(xié)議:管電壓120 kV,管電流30 mA,轉(zhuǎn)速0.8 s/360°,螺距1.35[13];同樣每臺CT測試4次并取平均數(shù)據(jù).

在低劑量打開并使用橢圓模體的情況下,各品牌產(chǎn)品的CT值準(zhǔn)確性、均勻性和切片層厚均在國家標(biāo)準(zhǔn)[8]的規(guī)定范圍內(nèi).因此,可以表明橢圓模體在低劑量掃描模式下,對圖像質(zhì)量研究的影響不大,見圖5和圖6.

圖5 不同品牌的CT產(chǎn)品在低劑量掃描時的CT值準(zhǔn)確性和均勻性測試結(jié)果

圖6 不同品牌的CT產(chǎn)品在低劑量掃描時的層厚測試結(jié)果

3.3 雙能測試結(jié)果

雙能掃描協(xié)議選取了品牌A和B提供的頭部協(xié)議,同樣每臺CT測試4次并取平均.在使用橢圓模體時,兩個品牌的雙能掃描仍然能滿足圖像準(zhǔn)確性、均勻性和層厚的要求.

在兩個品牌的CT產(chǎn)品上分別測量的碘化鉀溶液的物質(zhì)分解密度值.兩個CT產(chǎn)品的水/碘密度和理論值都存在一定程度的偏差,品牌A的結(jié)果在低濃度時碘密度過高,而在高濃度時水密度過高,表明其物質(zhì)分解和碘化鉀濃度相關(guān);品牌C的結(jié)果與理論值更吻合,但是碘密度總體偏高,存在一個系統(tǒng)偏差.測試結(jié)果證明,不同品牌的CT產(chǎn)品之間的物質(zhì)分解結(jié)果存在差異,應(yīng)該與硬件掃描方式和算法有關(guān)系.品牌A和品牌C的物質(zhì)分解結(jié)果和理論值的誤差均在±20%以內(nèi)(見圖7、圖8和圖9).

圖7 不同品牌的CT產(chǎn)品在雙能掃描時的CT值準(zhǔn)確性和均勻性測試結(jié)果

圖8 不同品牌的CT產(chǎn)品在雙能掃描時的層厚測試結(jié)果

圖9 品牌A和品牌C對不同質(zhì)量密度的碘化鉀物質(zhì)分解結(jié)果

4 討論

本研究測試結(jié)果顯示,在標(biāo)準(zhǔn)測試模體的基礎(chǔ)上添加橢圓形模體,CT值的準(zhǔn)確性、均勻性及層厚的3項指標(biāo),在AEC、低劑量或者雙能掃描下3個不同品牌的CT產(chǎn)品仍能滿足國家標(biāo)準(zhǔn).使用低劑量時,3個CT產(chǎn)品的層厚指標(biāo)都有不同程度的下降,表明在低劑量掃描時各產(chǎn)品的數(shù)據(jù)處理算法中均涉及探測器Z方向(沿病床的方向)的低通濾波,可能是為了降低低劑量掃描時的噪聲和偽影.

以雙能掃描物質(zhì)分解準(zhǔn)確度測量為例,本研究設(shè)計的橢圓體?？梢蕴峁Ω呒墥呙韫δ艿男阅苤笜?biāo)在不同CT產(chǎn)品之間的橫向比較提供一個標(biāo)尺.利用橢圓體?？梢苑謩e測量在關(guān)閉和打開AEC時,達到相同的圖像質(zhì)量(相同的信噪比)時需要的輻射劑量,從而在不同的品牌和不同的產(chǎn)品間提供固定的參考依據(jù).

5 結(jié)論

本研究設(shè)計的一種新橢圓模體作為目前CT系統(tǒng)圖像質(zhì)量測試模體的補充,以方便研究CT系統(tǒng)在AEC、低劑量或者雙能掃描中的圖像質(zhì)量.在不同掃描技術(shù)下的實驗驗證了該橢圓模體并不會造成CT圖像質(zhì)量指標(biāo)超出國家硬性規(guī)定的標(biāo)準(zhǔn)范圍.簡單易行的雙能CT物質(zhì)分解準(zhǔn)確性的測量辦法通過實驗進行了驗證.

對于各產(chǎn)品中廠商自行規(guī)定的噪聲,高低對比度分辨率其他圖像質(zhì)量指標(biāo)有待進一步研究,這些指標(biāo)會隨著掃描方式的變化而改變.本研究設(shè)計的橢圓模體,可以通過與Catphan等模體的配合應(yīng)用于對各種高級掃描功能中的各種圖像質(zhì)量參數(shù)測量.