計算機X射線影像（CR）圖像質(zhì)量原理和測試方法

孫愷欣，陳 欣，丁國清，顏國正

（上海交通大學(xué) 上海 200240）

評價圖像質(zhì)量是醫(yī)學(xué)放射影像學(xué)中一個重要的課題。有時候我們需要評價不同類型機器產(chǎn)生的圖像之間圖像質(zhì)量比較，如CR和DR圖像的比較，有時候需要評價同一種類型的不同廠商生產(chǎn)的機型或者用不同技術(shù)實現(xiàn)的機器的圖像的比較，如Fuji的CR和Agfa的CR的比較等等。如何對X-ray圖像做客觀、統(tǒng)一的圖像質(zhì)量評價就顯得非常重要。到目前為止還沒有對X-ray醫(yī)學(xué)圖像有完全統(tǒng)一的評價標(biāo)準(zhǔn)，每個廠商都有自己的評價體系。目前比較常用的X-ray醫(yī)學(xué)圖像質(zhì)量參數(shù)有空間分辨率、對比度分辨率、MTF、DQE等。其中部分參數(shù)每個廠商測量的方法和定義略有不同，因此不同廠商提供的參數(shù)不一定能直接比較。

根據(jù)對CR圖像質(zhì)量的分析和研究，制定了一套針對某新型CR掃描儀的圖像質(zhì)量測試過程和標(biāo)準(zhǔn)，并做了實際測試。

本文介紹的圖像質(zhì)量部分內(nèi)容也適用于直接數(shù)字化X射線影像（DR）。

1 空間分辨率

1.1 空間分辨率介紹

空間分辨率指對于物體空間大小（幾何尺寸）的鑒別能力，代表成像系統(tǒng)區(qū)分或分辨互相靠近物體的能力，通常用一毫米內(nèi)能顯示的線對數(shù)（LP/mm）表示空間分辨率。將相鄰的一條黑線和一條白色底線稱為一個線對，單位距離內(nèi)能分辨線對數(shù)越多則空間分辨率越高。

影響空間分辨率有很多因素，總的說可以歸因于信號的調(diào)制和損失。這些因素例如有，

1）IP板的成分和厚度。

2）激光光斑大小

3）IP板上光的散射

4）PSL 信號延遲

5）信號收集效率

X-ray高吸收率和高空間分辨率往往不能兼得。通常CR熒光材料如BaFBr厚度約在100 mg/cm2。更厚的熒光層能吸收更多的X-ray粒子并鎖定更多電子，但另一方面激光擊中熒光材料會發(fā)生散射，熒光越厚度造成散射越厲害，圖像因此會模糊?？臻g分辨率可以通過減薄IP板的熒光層厚度，但代價是DQE降低，可能會要增加劑量。大多數(shù)CR系統(tǒng)現(xiàn)在都使用標(biāo)準(zhǔn)分辨率的IP板，而不是高分辨率低劑量效率的高分辨率IP板。而最新的IP板技術(shù)采用了結(jié)構(gòu)化的熒光材料[1]在一定程度上克服了這個矛盾。

IP板熒光殘留特性會將前面一點的信號殘留疊加到下一個點上導(dǎo)致圖像模糊、空間分辨率降低。

1.2 分辨率測量方法

1）將分辨率卡放在IP中心位置，用10mR劑量拍攝，X-ray源前放置Cu濾板和Al濾板。

2）曝光后IP板放置5分鐘。

3）CR設(shè)置為標(biāo)準(zhǔn)分辨率掃描，打開圖像，調(diào)節(jié)Window/Level，判讀分辨率卡上最大無斷裂分辨率。

通常用一種專用的分辨率測試卡來評價X－ray圖像的空間分辨率指標(biāo)。如（Fig．1）圖的這張分辨率卡，設(shè)計了從0．6LPs/mm～5．0LPs/mm 一共 20 級分辨率，每一級分辨率由兩根實線（黑線）和三根空白條（白線）組成。

為了更準(zhǔn)確地反映真實分辨率水平，分辨率卡放置時并不是絕對的水平或豎直，而是帶有5°左右的傾角（減小摩爾紋[2]）。也有一些測試方法建議將分辨率卡傾斜45°放置[3]。

1.3 測量標(biāo)準(zhǔn)

對于醫(yī)學(xué)放射影像，對空間分辨率大致有低分辨率，高分辨率和乳腺片（Mammo）分辨率幾種區(qū)別，如表1所示。

表1 分辨率分類Tab.1 Class of spatial resolution

1.4 測試結(jié)果

圖1為某CR掃描儀高分辨率（5 LPs/mm）的測試圖像。

圖1 5LPs/mm分辨率圖像Fig．1 5LPs/mm resolution image

在橫向上的分辨率達到了4．0～4．3，在縱向上的分辨率達到 4．3～4．6。 此圖像符合高分辨率標(biāo)準(zhǔn)。

2 對比度分辨率

2.1 對比度分辨率介紹

對比度分辨率指有效信號（非噪聲）最小差異值[4]。對比度分辨率依賴于數(shù)字圖像的可用數(shù)值個數(shù)（量化水平）以及相對背景的放大率。對于大多數(shù)CR系統(tǒng)，數(shù)字圖像的數(shù)值隨著熒光大小的對數(shù)或者平方根變化，或者等于X－ray劑量的對數(shù)。

CR的對比度敏感度依賴的因素有，表達每個像素使用的位數(shù)（bits），系統(tǒng)的增益（如每個X－ray粒子對應(yīng)的電子數(shù)或者每個ADC單位對應(yīng)的X－ray粒子數(shù)），以及整體的噪聲水平。數(shù)字圖像后處理過程可以極大增強對比度，只要噪聲水平允許。影響最終圖像的噪聲源有，IP吸收的有限的X－ray粒子（量子斑點），在讀出過程中被激發(fā)熒光的變化，AD轉(zhuǎn)換過程中的量化誤差（取決于AD轉(zhuǎn)換的位數(shù)，現(xiàn)代CR通常使用10bits～12bits），以及電子噪聲等。

實際測試中主要使用低對比度分辨率卡模板。

2.2 低對比度分辨率測試方法

1）使用低對比度測試卡，10mR下拍攝，X－ray源前放置Cu濾板和Al濾板。

2）曝光后IP板放置5分鐘。

3）CR設(shè)置為標(biāo)準(zhǔn)分辨率掃描，打開圖像，調(diào)節(jié)Window/Level，判讀等級。

2.3 測試結(jié)果分析

圖2為低對比度測試模板圖。圓盤對比度模板上材質(zhì)為厚20 mm的鋁金屬塊，上有均勻分布不同深度的小圓孔，每個小孔對X射線的吸收率都不同，對CR掃描儀的對比度分辨率要求很高。

圖2 低對比度測試卡測試Fig．2 Contrast pattern test

由實驗數(shù)據(jù)可見，可以讀出10級對比度，證明此CR的低對比度分辨率達到了要求。

3 空間精度·空間線性度

空間精度和線性度指空間距離的精度，或者說幾何變形的程度。CR掃描通常有飛點掃描法或者線掃描法，在X方向上有轉(zhuǎn)鏡轉(zhuǎn)動的不均勻性和光學(xué)畸變，或者是線陣器件的不均勻性，在Y方向上有機械傳動的不均勻性和受外界震動等干擾帶來的畸變。驗證空間精度的一個簡便方式就是掃描一個網(wǎng)格模板的圖像。網(wǎng)格可能需要非對稱的放置在IP板上（防止摩爾效應(yīng)，Moiré Effect）。如果X和Y方向速度不匹配的話，原來正方網(wǎng)格就會在圖像上呈現(xiàn)長寬比失真。

空間精度和空間線性度可以通過特定Patten測試取得，如TQT測試，參見節(jié)8。

4 圖像噪聲

圖像噪聲主要由X－ray劑量、探測效率和圖像算法決定。為測試CR系統(tǒng)的圖像噪聲，在70kVp下，分別用0．1mR，1mR和10mR拍攝3張指定Phantom圖像并掃描，拍片時還需要加上1mm銅濾板。在圖像上的固定的幾個小范圍上計算均方差（PVSD）來得到系統(tǒng)的噪聲值。噪聲的對數(shù)值和劑量（E）的對數(shù)值呈線性關(guān)系：log（PVSD） =a+b·log（E） （相關(guān)系數(shù) >0．95） （1）圖像噪聲可以通過特定模板測試取得，如Kodak TQT模板測試。

5 SNR

SNR指線性化后的信號強度平均值與噪聲均方差之比。線性化后的信號強度就是指數(shù)字圖像的像素數(shù)值（MPV），這個值和射線劑量成比例關(guān)系。SNR對所有的圖像獲取設(shè)備都是十分重要的參數(shù)。SNR越高圖像質(zhì)量就越高。根據(jù)歐洲標(biāo)準(zhǔn)， 將 0．2 mm厚，10×10 mm2大小的鋁箔放在 20 cm厚PMMA Phantom上面，在AEC模式下曝光。用不同的PMMA Phantom厚度（從2～20 mm不等）分別曝光。在獲取的數(shù)字圖像中取整幅1/3大小的ROI，計算MPV和SD的比值。

6 CNR

一幅圖像的SNR即使很高，如果CNR不夠高的話仍然不能區(qū)分不同的組織和類型。根據(jù)歐洲的標(biāo)準(zhǔn)指導(dǎo)，CNR的測量方式為，將0．2 mm鋁箔疊加不同厚度的PMMA模板并曝光，在圖像中取約0．25 cm2大小的ROI，在Phantom區(qū)測得PVph和SDph，在鋁箔處測得PVAl和SDAl。CNR計算式：

7 DQE

用于描述醫(yī)學(xué)X射線設(shè)備的性能參數(shù)有很多，分辨率，對比度，MTF，SNR等等，而量子探測效率（DQE）則被普遍認為是描述X射線成像設(shè)備成像性能最合適的參數(shù)。DQE描述成像器件從輻射野到輸出數(shù)字影像數(shù)據(jù)的信噪比的能力。由于在X射線成像中，輻射野中的噪聲與空氣比是動能水平緊密相關(guān)，因此DQE也被認為描述數(shù)字X－ray成像設(shè)備的劑量效率。（盡管DQE被廣泛用于描述X－ray成像設(shè)備性能，但此參數(shù)與人主觀判斷性能之間的關(guān)系還尚未完全解釋清楚。）

制造商已廣泛地用DQE描述X－ray成像設(shè)備性能，一些管理機構(gòu)（如FDA）也將DQE的規(guī)范作為認可程序。但現(xiàn)在業(yè)界還沒有對DQE標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范測量條件或測量程序，導(dǎo)致不同廠商之間的DQE數(shù)據(jù)還不具備可比性。

國際標(biāo)準(zhǔn)IEC 62220－1:2007和中國的相應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)中國醫(yī)藥行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)YY/T 0590－2010推薦了DQE的測量方法和程序，期望能規(guī)范測量程序和數(shù)字X射線成像設(shè)備的量子探測效率符合性聲明的格式。

IEC 62220－1標(biāo)準(zhǔn)適用于通用放射影像的2D探測設(shè)備，如 CR、DR等。

DQE通常被定義為：

其中，f是空間頻率 （LPs/mm），G是探測器增益，Φ是在探測器輸入端單位面積上的X－ray量子，MTF是調(diào)制傳遞函數(shù)，NPS是噪聲功率譜。第二個函數(shù)式（S是探測器信號）僅適用于探測器響應(yīng)是線性的而且截距為0。

DQE一般可通過特定模板方式測得，如Kodak TQT方法，參見小節(jié)8。

8 TQT Phantom Pattern測試

8.1 Carestream （Kodak） TQT Phantom[5]介紹

對于X－ray數(shù)字醫(yī)學(xué)圖像，有很多參數(shù)可以評價系統(tǒng)的圖像質(zhì)量，如空間分辨率、噪聲、探測器效率、曝光相應(yīng)、按圖像信號水平以及偽影等。

原Kodak（現(xiàn)Carestream醫(yī)療）發(fā)明了一種可快速自動分析X－ray圖像質(zhì)量的模式，Phantom模式。Phantom模板有兩層基板，每層基板都設(shè)計了不同式樣的金屬箔，這些精心設(shè)計的金屬箔吸收一定劑量X－ray，經(jīng)過CR掃描或者DR拍攝獲得的圖像，通過這些圖像由特定工具就可以自動計算出系統(tǒng)的性能特性，包括MTF，曝光響應(yīng)（精確度和線性度），幾何畸變，噪聲。對于CR還能獲得像素尺寸、像素高寬比、掃描傾斜角，掃描線性度和精度。

8.2 Carestream （Kodak）TQT Phantom測試方法

1）10mR下拍攝 TQT Phantom模板，X－ray源前放置 Cu濾板和Al濾板。

2）曝光后IP板放置5分鐘。

3）由CR掃描儀掃描圖像后通過Carestream TQT軟件分析。

8.3 Kodak TQT Phantom測試結(jié)果

圖3為Phantom模板測試圖像和分析結(jié)果。通過TQT分析可以得到以下信息：

像素大小：X方向94 μm，Y方向95 μm。符合高分辨率要求。

像素長寬比偏差：～1%。在允許范圍內(nèi)。

X方向上像素比Y方向上略小，說明Polygon轉(zhuǎn)速過慢或者步進電機速度過快?？梢哉{(diào)節(jié)其中任一參數(shù)改善。

X方向非線性度：0．39%<0．5%，在允許范圍內(nèi)。如果X方向超標(biāo)，就需要調(diào)整采樣點的時序或者修改光學(xué)設(shè)計。

曝光響應(yīng)，曝光范圍線性度：通過。

曝光響應(yīng)，在中心點附近3個不同吸收程度的噪聲都比較低，符合要求。

圖3 Phantom測試結(jié)果圖Fig．3 Phantom test

9 結(jié) 論

本文從系統(tǒng)設(shè)計角度較全面闡述了CR掃描儀的圖像質(zhì)量原理、測試方法以及評價標(biāo)準(zhǔn)。本文介紹的圖像質(zhì)量原理和測試方法應(yīng)用在某CR掃描儀的研發(fā)過程中，對研發(fā)產(chǎn)生了非常積極的作用，不僅能檢驗設(shè)計的有效性，同時也能幫助分析設(shè)計的問題。同時在將來制造CR的過程中，本文介紹的方法也將被應(yīng)用于制造過程的質(zhì)量控制。

針對CR圖像還有其他一些常用圖像質(zhì)量指標(biāo)，如擦除率[3]、偽影[6]等，限于篇幅這里不再詳細介紹。

[1]Leblans P，Vandenbroucke D，Willems P.Storage Phosphors for Medical Imaging[J].Materials，2011，4（6）:1034-1086.

[2]AAPM Diagnostic X-ray Imaging Committee.Quality Control in Diagnostic Radiology[R].AAPM Report No.74，2002.

[3]Lyra M E，Kordolaimi S D，Aikaterini-Lampro N.Salvara.Presentation of Digital Radiographic Systems and the Quality Control Procedures that Currently Followed by Various Organizations Worldwide [J].Recent Patents on Medical Imaging，2010（2）：5-21.

[4]J.Anthony Seibert，Computed Radiography Technology 2004[M].University of California， California， USA，2004.

[5]Xiaohui Wang，David H.Foos.Digital Image Processing in Radiography [R].Health Group Research Laboratory，Eastman Kodak Company，2005.

[6]Rowlands J A.The physics of computed radiography[J].Phys.Med.Biol，2002，47（23）:66-123.