CT值均勻性評(píng)價(jià)方法研究

楊克檉

（第三軍醫(yī)大學(xué)生物醫(yī)學(xué)工程學(xué)院，重慶400038）

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CT值均勻性評(píng)價(jià)方法研究

楊克檉

（第三軍醫(yī)大學(xué)生物醫(yī)學(xué)工程學(xué)院，重慶400038）

摘要：針對(duì)CT值均勻性傳統(tǒng)定義只考慮圖像的中心和外圍部分而不能全面反映整個(gè)視野（FOV）內(nèi)CT值變化的缺點(diǎn)，提出一種改進(jìn)的評(píng)價(jià)方法，以適應(yīng)CT新技術(shù)質(zhì)量保證檢測(cè)的需要。采用直徑為20cm的圓柱形水模，在GE Discovery CT750 HD掃描儀上選擇常用頭部協(xié)議進(jìn)行軸向掃描。在水模圖像的3，6，9，12點(diǎn)鐘方向上距離中心0，4.0，8.0cm處取面積為1cm2的圓形感興趣區(qū)，分別計(jì)算CT值均值和標(biāo)準(zhǔn)差。定義其中最大、最小均值之差為CT值均勻性指數(shù)，最大標(biāo)準(zhǔn)差為噪聲指數(shù)；單能圖像序列中CT值均勻性指數(shù)最大值定義為該序列的CT值均勻性指數(shù)，噪聲指數(shù)最大值為該序列噪聲指數(shù)。結(jié)果表明：從FOV中心向外CT值并非單調(diào)變化，CT值均勻性評(píng)價(jià)新方法更加全面、客觀地評(píng)價(jià)整個(gè)FOV的圖像質(zhì)量，并能反映雙能CT的不同探測(cè)器陣列對(duì)應(yīng)圖像之間以及不同能級(jí)圖像序列之間的質(zhì)量差異。

關(guān)鍵詞：計(jì)算機(jī)體層攝影；雙能；CT值均勻性；質(zhì)量保證

0　引言

隨著技術(shù)的不斷發(fā)展，多排CT在臨床應(yīng)用中逐漸成為主流。近年出現(xiàn)的多排雙能CT（dual-energy CT，DECT）能回顧性地重建一定范圍的模擬單能量X射線掃描所得的單能圖像，可實(shí)現(xiàn)物質(zhì)的定量分析，為臨床提供更多的診斷信息，代表了CT發(fā)展的新階段[1-2]。另一方面，錐形X線束決定了探測(cè)器內(nèi)外陣列（排）的探測(cè)效率的差異，非線性的迭代重建算法大幅降低了圖像噪聲水平，這些軟硬件技術(shù)變化使得傳統(tǒng)的圖像質(zhì)量評(píng)價(jià)方法不能滿足要求，亟需建立一套新的評(píng)價(jià)方法體系[3]。其中，對(duì)于CT值均勻性的檢測(cè)和評(píng)價(jià)，現(xiàn)行質(zhì)量保證（quality assurance，QA）指南和標(biāo)準(zhǔn)[4-6]的基本原理可簡(jiǎn)單描述如下：在等中心的圓形掃描野內(nèi)，球管產(chǎn)生的具有一定能譜范圍的復(fù)合能量X射線束發(fā)生的硬化效應(yīng)和實(shí)際參與作用的探測(cè)器數(shù)量均呈圓周對(duì)稱，因此，均勻水模圖像的CT值在徑向上單調(diào)變化并呈圓周對(duì)策，即杯形偽影。但是在新技術(shù)條件下，單能圖像理論上消除了射束硬化效應(yīng)，均勻水模圖像的CT值在徑向上不一定呈單調(diào)變化趨勢(shì)。這樣，傳統(tǒng)的評(píng)價(jià)方法就失去了理論依據(jù)[7]。關(guān)于DECT單能圖像CT值均勻性的評(píng)價(jià)、不同探測(cè)器陣列對(duì)應(yīng)的圖像之間以及不同能級(jí)圖像之間CT值均勻性的比較分析，目前未見(jiàn)文獻(xiàn)報(bào)道。本研究的目的就在于提出CT值均勻性的評(píng)價(jià)新方法，以適應(yīng)CT技術(shù)發(fā)展。

1　材料與方法

均勻圓柱形體模的外殼為厚約5mm的聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA），內(nèi)徑20cm，其內(nèi)注滿純水。

在GE Discovery CT750 HD掃描儀上，擺放水模使中心線與掃描中心線重合，采用常用頭部協(xié)議（GSI-26）進(jìn)行軸向掃描，具體參數(shù)為：掃描野大小中等，射束準(zhǔn)直寬度20 mm，探測(cè)器準(zhǔn)直寬度16×1.25 mm，管電壓80/140 kVp，管電流630 mA，層厚和間距為1.25 mm，機(jī)架旋轉(zhuǎn)周期0.7 s，CTDIvol計(jì)算值35.58 mGy，標(biāo)準(zhǔn)重建算法STND，GSI ASiR選擇40%。

在GE AW4.6圖像后處理工作站上，分別重建40，50，…，140keV共11組單能圖像序列。在每個(gè)序列中選擇連續(xù)的16幅并依次編號(hào)，分別對(duì)應(yīng)于依次排列的16層探測(cè)器（2排合并為1層），但是二者的確切對(duì)應(yīng)關(guān)系未知，假定1號(hào)圖像對(duì)應(yīng)于第5層探測(cè)器，則2號(hào)圖象對(duì)應(yīng)于第6層探測(cè)器，依次類推。

對(duì)每一幅圖像均做如下分析：采用Matlab編寫(xiě)程序，自動(dòng)搜索體模的質(zhì)心為中心，在3，6，9，12點(diǎn)鐘方向且徑向距離為0（中心），4.0（內(nèi)環(huán)），8.0 cm（外環(huán)）處取面積為1 cm2（大約500個(gè)像素）的圓形感興趣區(qū)（region of interest，ROI），分別計(jì)算像素值（CT值）的均值BZ_31_1318_1355_1350_1417和標(biāo)準(zhǔn)差s。由于均勻圓柱形物體圖像的主要噪聲源是探測(cè)器所探測(cè)的X射線光子數(shù)量的隨機(jī)漲落即量子噪聲，所以CT值x服從正態(tài)分布。把9個(gè)ROI的BZ_31_1318_1355_1350_1417的最大值和最小值分別記為BZ_31_1318_1355_1350_1417max和BZ_31_1318_1355_1350_1417min，相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)差分別為s1和s2，則對(duì)應(yīng)的CT值之差Δx服從正態(tài)分布N（BZ_31_1318_1355_1350_1417max-BZ_31_1318_1355_1350_1417min，s12+s22）。定義：圖像的均勻性指數(shù)U=BZ_31_1318_1355_1350_1417max-BZ_31_1318_1355_1350_1417min；噪聲指數(shù)N=smax，即9個(gè)ROI的CT值標(biāo)準(zhǔn)差之最大者；不同能級(jí)圖像序列的均勻性指數(shù)UE為16幅圖像的U值之最大者，噪聲指數(shù)NE為N值之最大者，如70keV圖像序列的均勻性指數(shù)和噪聲指數(shù)分別記為U70和N70。

采用SigmaStat V3.5智能統(tǒng)計(jì)分析軟件，對(duì)單能圖像序列的連續(xù)16副圖像的Δx比較進(jìn)行單因素方差分析，對(duì)按新、舊定義計(jì)算所得CT值均勻性指數(shù)進(jìn)行配對(duì)t檢驗(yàn)。

2　結(jié)果

均勻體模的斷層圖像上的不同位置的9個(gè)圓形ROI的面積相同，但所包含的像素?cái)?shù)略有不同，其CT值均值和標(biāo)準(zhǔn)差的計(jì)算值互有差異，如圖1所示。70keV能級(jí)序列16幅圖像的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)如表1所示，其中BZ_31_1318_1355_1350_1417min對(duì)應(yīng)的ROI都在外環(huán)，BZ_31_1318_1355_1350_1417max對(duì)應(yīng)的ROI有13個(gè)在中心、3個(gè)在內(nèi)環(huán)；smax對(duì)應(yīng)的ROI有3個(gè)在中心、13個(gè)在內(nèi)環(huán)。這說(shuō)明，在顯示野（field of view，F(xiàn)OV）的中心向外同樣尺寸的ROI的CT值均值和標(biāo)準(zhǔn)差并非單調(diào)遞變的，而是波動(dòng)變化的。當(dāng)出現(xiàn)中心和外環(huán)ROI的CT均值無(wú)差異而與內(nèi)環(huán)ROI的CT均值有明顯差異時(shí)，新定義較之傳統(tǒng)定義更能反映整個(gè)FOV的圖像質(zhì)量差異。另一方面，沒(méi)有出現(xiàn)極值同處于內(nèi)環(huán)或外環(huán)的現(xiàn)象也說(shuō)明CT值均勻性符合圓周對(duì)稱規(guī)律。

按新定義計(jì)算所得70keV序列圖像的CT值均勻性指數(shù)U和噪聲指數(shù)N如圖2所示。16個(gè)Δx間均無(wú)顯著差異（P＞0.05），說(shuō)明軸向掃描方式下不同層探測(cè)器所采集圖像之間的CT值均勻性的差別不大，可忽略不計(jì)。噪聲指數(shù)N的波動(dòng)范圍小且無(wú)明顯規(guī)律，說(shuō)明探測(cè)器之間無(wú)顯著差別。

CT值均勻性指數(shù)UE和噪聲指數(shù)NE隨能級(jí)的變化如圖3所示，二者變化趨勢(shì)基本一致。U60值最小，說(shuō)明60keV能級(jí)圖像的CT值均勻性最高；N70最小，說(shuō)明70keV能級(jí)圖像的噪聲水平最低。

圖1　70keV序列第2號(hào)圖像的3，6，9，12點(diǎn)鐘方向徑向距離分別為0，4.0，8.0cm處面積1cm2的9個(gè)ROI

表1　70keV圖像序列不同位置ROI的CT值x和Δx1）

圖2　70keV圖像序列的CT值均勻性指數(shù)U和噪聲指數(shù)N

圖3　CT值均勻性指數(shù)UE和噪聲指數(shù)NE隨能級(jí)的變化

3　討論

CT值從中心向外并非單調(diào)變化的實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，評(píng)價(jià)均勻性只考慮圖像的中心與外環(huán)是不夠的。按照現(xiàn)行QA檢測(cè)指南和標(biāo)準(zhǔn)，CT值均勻性指數(shù)測(cè)量值偏低，尤其是對(duì)于DECT的較高和較低能級(jí)圖像，可能導(dǎo)致“假陰性”判斷。比如，50keV圖像序列中，BZ_31_1318_1355_1350_1417max對(duì)應(yīng)的的ROI中有15個(gè)在內(nèi)環(huán)、1個(gè)在中心，BZ_31_1318_1355_1350_1417min對(duì)應(yīng)的的ROI中有9個(gè)在中心、3個(gè)在內(nèi)環(huán)、4個(gè)在外環(huán)，CT值均勻性按新、舊定義計(jì)算的結(jié)果如圖4所示，后者顯著低于前者（P＜0.001）。其中，與相鄰圖像比較，第8號(hào)圖像的CT值均勻性指數(shù)按新、舊定義在局部分別形成峰值和谷值，根本原因就在于CT值從FOV的中心向外并非單調(diào)變化。特殊情況下，即當(dāng)中心與外環(huán)ROI的CT值均值相等時(shí)，按傳統(tǒng)定義的CT值均勻性指數(shù)將等于0，從而得出圖象完全均勻的結(jié)論，顯然是不符合實(shí)際的。類似地，現(xiàn)行QA檢測(cè)指南對(duì)圖像噪聲的定義實(shí)際上可理解為“均勻水模圖像中心位置的噪聲”，檢測(cè)結(jié)果同樣偏低。

圖4　50keV圖像序列按傳統(tǒng)定義和新定義計(jì)算的CT值均勻性比較

CT值均勻性定義距今已經(jīng)20多年，適合當(dāng)時(shí)主流的單排探測(cè)器CT技術(shù)[4]。探測(cè)器排數(shù)的增加有利于掃描速度提高，但是從中間向兩側(cè)X射線束與被掃描物體的中心線形成的夾角從90°逐漸減小，導(dǎo)致探測(cè)效率逐漸降低，對(duì)應(yīng)的圖像質(zhì)量下降，甚至出現(xiàn)幾何畸變，所以探測(cè)器排數(shù)并非越多越好[8]。圖2所示新評(píng)價(jià)方法直觀地反映了16層探測(cè)器對(duì)應(yīng)圖像之間CT值均勻性和噪聲的細(xì)微差別，而現(xiàn)行QA指南和標(biāo)準(zhǔn)只是隨機(jī)地評(píng)價(jià)其中某一層圖像，檢測(cè)結(jié)果的意義并不明確，重復(fù)性低。值得注意的是，當(dāng)選擇螺旋掃描方式時(shí)，重建圖像基于所有投影數(shù)據(jù)的插值運(yùn)算，所以不能體現(xiàn)各層探測(cè)器之間的差別。

對(duì)于DECT單能圖像的CT值均勻性和噪聲隨能級(jí)變化趨勢(shì)（即能譜曲線）基本一致的現(xiàn)象，可作如下解釋：噪聲指數(shù)大，即圖像局部（即ROI）CT值隨機(jī)漲落幅度大，擴(kuò)展至整個(gè)圖像造成CT值均勻性下降。從CT值能譜曲線（見(jiàn)圖5）也可以看出，中心、內(nèi)環(huán)和外環(huán)3個(gè)ROI之間CT值均值的差別在大約55keV時(shí)最小，向兩側(cè)逐漸增大；誤差限在大約70 keV時(shí)最小，向兩側(cè)逐漸增大。進(jìn)一步的實(shí)驗(yàn)如果證實(shí)CT值均勻性指數(shù)能譜曲線與噪聲指數(shù)能譜曲線的一致性，在QA檢測(cè)中可省略前者。圖5同時(shí)也直觀地證明，CT值沿著徑向上的變化幅度大于圓周方向，近似呈圓周對(duì)稱。

不同CT生產(chǎn)廠家在質(zhì)量控制程序中對(duì)ROI形狀和大小有不同的規(guī)定，比如西門(mén)子公司統(tǒng)一采用20mm×20mm的小方形[9]。有研究報(bào)道把圓形ROI的直徑設(shè)為FOV的1/5，也有研究選擇面積為1cm2的圓形ROI[10-11]。顯然，檢測(cè)結(jié)果會(huì)隨著ROI大小不同而不同，其面積越大則CT值均勻性指數(shù)越小。合理的選擇應(yīng)考慮臨床應(yīng)用中所能顯示的病灶尺寸，這有待進(jìn)一步的研究。

實(shí)驗(yàn)采用軟件編程實(shí)現(xiàn)ROI位置和尺寸的自動(dòng)選擇，消除了主觀因素，有利于提高檢測(cè)結(jié)果的可靠性。

研究工作存在一些不足，需進(jìn)一步優(yōu)化。首先，實(shí)驗(yàn)采用的掃描協(xié)議實(shí)際上只用了一半的探測(cè)器排數(shù)，如果選擇64×0.625mm則可比較所有探測(cè)器陣列之間的差異。其次，沒(méi)有分析ROI的位置和數(shù)量對(duì)檢測(cè)結(jié)果的影響，比如當(dāng)圓周方位角從4變成8、徑向數(shù)量由3變成4時(shí)，則ROI總數(shù)由9變成25，CT值均勻性指數(shù)和噪聲指數(shù)的計(jì)算值是否有顯著變化。最后，受檢設(shè)備只有一臺(tái)，檢測(cè)和評(píng)價(jià)方法有待進(jìn)一步的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。

圖5　CT值能譜曲線

4　結(jié)束語(yǔ)

為適應(yīng)CT技術(shù)發(fā)展，本文針對(duì)目前CT值均勻性檢測(cè)方法存在的問(wèn)題提出了一種改進(jìn)的評(píng)價(jià)方法，修正了定義，實(shí)驗(yàn)證明能更全面、客觀地評(píng)價(jià)斷層圖像整個(gè)FOV內(nèi)CT值的變化，并且能反映不同探測(cè)器陣列之間以及DECT不同能級(jí)圖像序列之間的質(zhì)量差異。

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（編輯：李剛）

A modified evaluation method for CT value uniformity

YANG Kecheng
（School of Biomedical Engineering，Third Military Medical University，Chongqing 400038，China）

Abstract:In current quality assurance（QA）testing guidelines and standards，CT value uniformity （CTVU）is defined only based on image centers and peripheries; instead，the variation in CT value can not be fully reflected within the whole field of view. To solve this problem，a modified method was proposed to meet the QA testing needs of new CT scanners. A 20 cm-diameter water equivalent plastic cylindrical phantom filled with pure water was scanned in a step-and-shot way with a routine dual-energy head protocol（GSI-26）on a GE Discovery CT750 HD scanner. Images were analyzed with a customer designed MATLAB program. Nine circular ROIs（1 cm2）were selected at the spots that were 0 cm，4.0 cm and 8.0 cm away from the centroid at 3，6，9，12 o’clock positions to calculate the CT mean value and standard deviations. The differences between the maximum and minimum mean value were defined as CTVU indexes; the maximal SD was defined as noise figure; the maximal CTVU index and noise index in virtual monochromatic image sequence were defined as CTVU index and noise index respectively. Experimental results show that the modified evaluation method reflects not only the CT value variation within the whole field of view in a comprehensive and objective manner，but also the quality differences between different images scanned by different detector slices and virtual monochromatic image sequences of dual-energy CT.

Keywords:computed tomography（CT）；dual energy；CT value uniformity；quality assurance

作者簡(jiǎn)介：楊克檉（1971-），男，福建閩清縣人，講師，博士，主要從事醫(yī)學(xué)物理學(xué)教學(xué)和科研工作。

基金項(xiàng)目：全軍醫(yī)學(xué)科技“十二五”重點(diǎn)課題（BWS11J015）

收稿日期：2015-05-02；收到修改稿日期：2015-07-20

doi：10.11857/j.issn.1674-5124.2016.01.002

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號(hào)：1674-5124（2016）01-0007-05