大孔徑CT圖像質(zhì)量保證的自動(dòng)化方法研究

殷旭君 李富華 王 新 侯 娟 劉中凱

[文章編號(hào)] 1672-8270(2017)05-0014-05 [中圖分類(lèi)號(hào)] R812 [文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼] A

大孔徑CT圖像質(zhì)量保證的自動(dòng)化方法研究

殷旭君①李富華②王 新①侯 娟①劉中凱①

[文章編號(hào)] 1672-8270(2017)05-0014-05 [中圖分類(lèi)號(hào)] R812 [文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼] A

目的：對(duì)Philips大孔徑CT由系統(tǒng)模體自動(dòng)化掃描的圖像質(zhì)量數(shù)據(jù)與Catphan 504模體手動(dòng)掃描的數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比分析，探討圖像質(zhì)量保證自動(dòng)化實(shí)現(xiàn)的可行性。方法：對(duì)2種模體以Philips內(nèi)置條件掃描，并對(duì)Catphan 504模體增加一組標(biāo)準(zhǔn)條件掃描，分析圖像的CT值、均勻性、噪聲、高分辨率、低分辨率以及層厚等數(shù)據(jù)之間的差異，并比較時(shí)間效率。結(jié)果：以內(nèi)置條件掃描2個(gè)模體的CT值為1.53 HU和17.00 HU；均勻性為-0.7 HU和-1.7 HU；噪聲為0.61%和0.55%；高分辨率為5.4 lp/cm和6.0 lp/cm；低分辨率(0.3%)為4.6 mm和5.0 mm；層厚(1.5 mm)為1.74 mm和1.45 mm。標(biāo)準(zhǔn)掃描條件下Catphan 504的CT值為16.30 HU，均勻性為-1.3 HU，噪聲為0.33%，高分辨率為6 lp/cm，低分辨率(1%)為2.0 mm，層厚(9.0 mm)為8.63 mm。除CT值有較大差異外，其他結(jié)果均滿足廠商驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)或國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)。兩種模體掃描分析所需時(shí)間分別為9 min和45 min。結(jié)論：Philips CT自動(dòng)掃描分析結(jié)果能夠滿足臨床對(duì)CT圖像質(zhì)量保證的要求，并極大縮短掃描數(shù)據(jù)分析所需時(shí)間，為臨床物理師提供方便快捷的質(zhì)量控制和質(zhì)量保證工具。

CT模擬機(jī)；大孔徑CT；質(zhì)量保證；質(zhì)量控制

[First-author’s address]Department of Radiotherapy, Peking University People's Hospital, Beijing 100044, China.

CT模擬機(jī)是腫瘤精確放射治療過(guò)程中必不可少的設(shè)備之一，其圖像質(zhì)量的好壞對(duì)醫(yī)生確定腫瘤靶區(qū)(gross target volume，GTV)位置有著重要的意義。放射治療物理師根據(jù)獲取的CT圖像在治療計(jì)劃系統(tǒng)(treatment planning system，TPS)中為患者設(shè)計(jì)治療方案，而治療方案的劑量準(zhǔn)確性又與圖像質(zhì)量息息相關(guān)。祁振宇等[1]通過(guò)研究發(fā)現(xiàn)，圖像CT值的差異會(huì)直接影響治療計(jì)劃的準(zhǔn)確性，從而最終影響放射治療質(zhì)量。CT模擬定位是腫瘤放射治療的第一步，也是重要的一步，在臨床工作中對(duì)CT模擬機(jī)進(jìn)行質(zhì)量控制(quality control，QC)和質(zhì)量保證(quality assurance，QA)就顯得很重要[2]。

由于CT模擬機(jī)的圖像質(zhì)量保證需要用到專(zhuān)業(yè)的第三方模體，對(duì)掃描數(shù)據(jù)的分析需要大量的手工計(jì)算處理，同時(shí)還需要有經(jīng)驗(yàn)的物理師對(duì)結(jié)果進(jìn)行主觀評(píng)價(jià)，并且要求物理師對(duì)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要非常熟悉，所以實(shí)際實(shí)施起來(lái)比較費(fèi)時(shí)費(fèi)力?；诖?，本研究應(yīng)用Philips廠商自帶系統(tǒng)模體(System phantom)及內(nèi)置自動(dòng)化掃描程序，探討一種能夠滿足臨床QA要求的快速便捷的檢測(cè)方法。

1 材料與方法

1.1 儀器設(shè)備

采用PhilipsBig-bore系列16排大孔徑CT(荷蘭飛利浦)，其孔徑為85 cm，有效掃描孔徑為60 cm。Philips廠商隨機(jī)自帶檢測(cè)模體(System phantom)。該模體分為頭部和體部模塊，直徑分別為25 cm和30 cm，內(nèi)部含注入的蒸餾水。其中頭部模塊中分別有5種CT密度值的插件，高分辨率檢查插件，低對(duì)比度檢查插件以及層厚檢查插件；體部模塊中含有3種不同CT密度值的插件。

Catphan 504模體由4組模塊組成，分別為CTP528模塊，用于檢測(cè)高對(duì)比度參數(shù)；CTP404模塊，用于檢測(cè)CT密度值線性及層厚參數(shù)；CTP515模塊，用于檢測(cè)低對(duì)比度參數(shù)；CTP486模塊，用于檢測(cè)圖像平均CT值，均勻性及噪聲等參數(shù)。

1.2 檢測(cè)方法

1.2.1 模體固定

分別將Philips系統(tǒng)模體和Catphan 504模體固定在CT床面上，水平尺找平并用CT內(nèi)置激光燈將模體移動(dòng)至掃描中心，如圖1、圖2所示。

圖1 Philips系統(tǒng)模體

圖2 Catphan 504模體

1.2.2 掃描條件

Philips系統(tǒng)模體由自帶程序執(zhí)行自動(dòng)掃描和自動(dòng)進(jìn)床；Catphan 504模體則需要手動(dòng)輸入掃描條件，并分別進(jìn)床掃描CTP528模塊、CTP404模塊、CTP515模塊以及CTP486模塊。內(nèi)置掃描條件由系統(tǒng)自帶，不同圖像質(zhì)量參數(shù)的掃描條件不同。具體掃描參數(shù)設(shè)置見(jiàn)表1。

表1 CT掃描參數(shù)設(shè)置

1.2.3 CT值測(cè)試

在獲取的圖像中心選取相當(dāng)于10%模體直徑大小的感興趣區(qū)(region of interest，ROI)，測(cè)量該ROI的平均CT值，如圖3所示。

圖3 CT值測(cè)量示圖

1.2.4 圖像均勻性測(cè)試

在獲取圖像的中心區(qū)域，上下、左右距離模體邊緣10 mm的4個(gè)區(qū)域，選取相當(dāng)于10%模體直徑大小的ROI分別測(cè)量其平均CT值，如圖4所示。將圖像中心ROI的平均CTC值與周?chē)?個(gè)ROI的平均CTP值的最大差作為圖像均勻性(U)的評(píng)價(jià)指標(biāo)，其計(jì)算為公式1：

式中CTC為為模體中心區(qū)域的平均CT值；CTP為模體四周區(qū)域的平均CT值。

圖4 圖像均勻性測(cè)量示圖

1.2.5 圖像噪聲測(cè)試

在獲取圖像的中心區(qū)域選取相當(dāng)于40%模體直徑大小的ROI，測(cè)量CT值的標(biāo)準(zhǔn)差(standard deviation，SD)，如圖5所示。噪聲水平(H)計(jì)算為公式2：

1.2.6 高分辨率測(cè)試

(1)直接觀察法。將圖像的窗寬調(diào)至最小，然后調(diào)節(jié)窗位使得圖像中的線隊(duì)能顯示到最高級(jí)別，如圖6所示。

(2)調(diào)制傳遞函數(shù)(modulation transfer function，MTF)法。Philips系統(tǒng)模體中測(cè)量高分辨率是通過(guò)掃描模體中0.18 mm的銅絲得到MTF曲線，然后獲取曲線上50%和10%處的值作為高分辨率評(píng)價(jià)指標(biāo)。

1.2.7 低分辨率測(cè)試

(1)直接觀察法。在獲取圖像中，分別在低分辨率插件和背景中各選一個(gè)ROI，測(cè)得插件平均值(CTM)和標(biāo)準(zhǔn)差，以及背景平均值(CTB)和標(biāo)準(zhǔn)差。選出所測(cè)得標(biāo)準(zhǔn)差中的最大值SDmax，最佳窗位(WL)計(jì)算為公式3：

最佳窗寬(WW)計(jì)算為公式4：

調(diào)節(jié)至最佳窗寬窗位后，觀察記錄肉眼可見(jiàn)的最小插件孔徑(如圖7所示)。

圖7 圖像低分辨率測(cè)量示圖

(2)統(tǒng)計(jì)分析法。Philips系統(tǒng)模體中，測(cè)量低分辨率是通過(guò)掃描均勻水模體，然后用統(tǒng)計(jì)學(xué)的方法計(jì)算得出。

1.2.8 層厚測(cè)試

在獲取圖像中將窗寬調(diào)至最小，慢慢改變窗位大小直至層厚插件剛好消失，記錄此時(shí)的CTmax值，然后測(cè)量層厚插件周?chē)谋尘癈TB值，則測(cè)量層厚的窗位值(WLmeasure)，其計(jì)算為公式5：最終層厚(SW)計(jì)算為公式6：

在該窗位下分別測(cè)量插件的長(zhǎng)度并取平均值(L)，如圖8所示。

圖8 圖像層厚測(cè)量示圖

1.2.9 完成時(shí)間

從擺位模體開(kāi)始計(jì)時(shí)，掃描并得到所有圖像質(zhì)量分析結(jié)果后計(jì)時(shí)結(jié)束，統(tǒng)計(jì)整個(gè)過(guò)程所需要的時(shí)間。

2 結(jié)果

2.1 掃描相關(guān)評(píng)價(jià)指標(biāo)

在Philips系統(tǒng)內(nèi)置條件下掃描System phantom和Catphan 504的CT值分別為1.53 HU和17 HU；均勻性分別為-0.7 HU和-1.7 HU；噪聲分別為0.61%和0.55%；高分辨率分別為5.4 lp/cm和5 lp/cm；低分辨率為4.6 mm和5 mm；層厚分別為1.74 mm和1.45 mm。除了CT值因模體材料不同有明顯差別，其他參數(shù)均有很好的一致性，符合Philips廠商驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)。其中在均勻性、低分辨率System phantom的掃描結(jié)果要稍優(yōu)于Catphan 504的掃描結(jié)果；而在噪聲、高分辨率及層厚方面Catphan 504掃描結(jié)果要稍優(yōu)于System phantom的掃描結(jié)果。

表2 標(biāo)準(zhǔn)掃描條件和內(nèi)置掃描條件下CT圖像質(zhì)量的測(cè)量結(jié)果

在標(biāo)準(zhǔn)掃描條件下，Catphan 504模體的CT值為16.3 HU，均勻性為-1.3 HU，噪聲為0.33%，高分辨率為6 lp/cm，低分辨率為2 mm，層厚為8.63 mm。CT值在模體廠商給出的標(biāo)準(zhǔn)范圍值內(nèi)，其他掃描結(jié)果均滿足國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)的要求。所有掃描結(jié)果及相關(guān)評(píng)價(jià)指標(biāo)見(jiàn)表2。

2.2 掃描時(shí)間

從模體擺位開(kāi)始計(jì)時(shí)，用System phantom自動(dòng)掃描分析所花費(fèi)的總時(shí)間約9 min，用Catphan 504掃描分析所花費(fèi)的總時(shí)間在45 min左右。

3 討論

目前，對(duì)于CT模擬機(jī)的質(zhì)量保證和質(zhì)量控制的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)主要參考診斷用CT的標(biāo)準(zhǔn)，如國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB17589-2011[3]和GB19042.5-2006[4]以及劑量檢定規(guī)程JJG1026-2007[5]。美國(guó)醫(yī)學(xué)物理師協(xié)會(huì)(american association of physicist in medicine，AAPM)第83號(hào)報(bào)告[6]給出了較為詳細(xì)的CT模擬機(jī)的質(zhì)量保證和質(zhì)量控制規(guī)范。夏勛榮[7]總結(jié)研究了CT模擬機(jī)的質(zhì)量控制方法，并詳細(xì)的測(cè)試了管電壓、管電流、層厚及圖像過(guò)濾方法等因素對(duì)于圖像質(zhì)量的影響，指出在不同掃描條件下圖像質(zhì)量評(píng)價(jià)的指標(biāo)是不同的。Gulliksrud等[8]用相同掃描條件對(duì)不同批次的同型號(hào)模體進(jìn)行掃描，指出由于模體內(nèi)物質(zhì)差異，即使相同型號(hào)的模體在評(píng)價(jià)CT值和低對(duì)比度這2項(xiàng)指標(biāo)時(shí)也存在不同，對(duì)1臺(tái)CT長(zhǎng)期進(jìn)行質(zhì)量控制和質(zhì)量保證時(shí)應(yīng)該指明掃描條件，指定檢測(cè)的模體。

本研究中CT值檢測(cè)這一項(xiàng)，在相同掃描條件下由于模體物質(zhì)的差異，CT值出現(xiàn)了較大不同，如Catphan 504掃描的CT值就必須按照模體手冊(cè)給出的參考范圍去評(píng)價(jià)，平均CT值≤20 HU，標(biāo)準(zhǔn)條件下典型CT值應(yīng)該為5～18 HU。在噪聲檢測(cè)這一項(xiàng)，由于層厚的設(shè)置不同在其他掃描條件相同的情況下Catphan 504掃描結(jié)果也有很大的差異，層厚越大噪聲越小。對(duì)于高分辨率和低分辨率的檢測(cè)，Philips自帶的程序分別使用了調(diào)制傳遞函數(shù)MTF法和統(tǒng)計(jì)學(xué)方法去評(píng)估，這2種方法是一種比較客觀的定量的分析方法，最大限度排出了人為主觀因素造成的誤差，其結(jié)果更可靠，重復(fù)性也更好[9-16]。然而，Philips自動(dòng)掃描分析的方法也有不足，如在均勻性、低分辨率及圖像層厚的掃描條件中，使用了臨床不常用的管電流和過(guò)濾算法，不能直觀的反應(yīng)CT模擬機(jī)臨床實(shí)際的表現(xiàn)情況。但本研究認(rèn)為，從CT模擬機(jī)圖像質(zhì)量保證的實(shí)際意義出發(fā)，周期性監(jiān)測(cè)設(shè)備各項(xiàng)參數(shù)的穩(wěn)定性才是關(guān)注的重點(diǎn)，醫(yī)院應(yīng)根據(jù)自身情況建立適用于設(shè)備的基線值。

4 結(jié)語(yǔ)

在科室不需要額外配置專(zhuān)業(yè)的第三方模體的情況下，利用Philips自帶系統(tǒng)模體及自動(dòng)掃描程序，一般初級(jí)物理師就能夠簡(jiǎn)單、快速、準(zhǔn)確及客觀的對(duì)CT模擬機(jī)圖像質(zhì)量進(jìn)行檢測(cè)分析，可滿足臨床對(duì)圖像質(zhì)量保證的需求。該過(guò)程所需的時(shí)間僅為Catphan 504模體掃描分析所花時(shí)間的五分之一。在完成自動(dòng)掃描后系統(tǒng)立即給出分析報(bào)告并存檔，物理師能夠即時(shí)了解到設(shè)備圖像質(zhì)量的穩(wěn)定性情況，同時(shí)存檔的數(shù)據(jù)也為監(jiān)測(cè)設(shè)備長(zhǎng)期的穩(wěn)定性提供了很好的依據(jù)。

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Study on the automation procedure of quality assurance for big-bore CT imagine/YIN Xu-jun, LI Fu-hua, WANG Xin, et al//China Medical Equipment,2017,14(5):14-18.

Objective:To compare and analyze the difference of the Philips big-bore CT between the image quality data which was automatically scanned by built-in programs of Philips system phantom and the data which was manually scanned by Catphan 504, and to discuss the feasibility of achieving automatic quality assurance for image.Methods:The two phantoms were scanned by using built-in scanning parameters of Philips, in addition, a group of standard condition scan was applied on Catphan 504. The differences of CT value, uniformity, noise, high resolution, low resolution and slice thickness about imagine between the two methods were analyzed, and the time efficiency was compared.Results:Through built-in parameters to scan the two phantoms, the results of the series of indicators, respectively, were that CT values were 1.53 HU and 17.00 HU, uniformities were -0.7 HU and -1.7 HU, noises were 0.61% and 0.55%, high resolutions were 5.4 lp/cm and 6.0 lp/cm, low resolutions were 4.6 mm and 5.0 mm, and slice thickness (default 1.5 mm)were 1.74 mm and 1.45 mm. Under the standard scan condition, the scanning results of Catphan 504 were that CT value was 16.3 HU, uniformity was -1.3 HU, noise was 0.33%, high resolution was 6 lp/cm, low resolution (1%) was 2 mm, slice thickness (default 9 mm) was 8.63 mm. Excepted the CT value was obvious different, other results were fine and could achieve the acceptance standard of manufacturer or national standard. The scan and analysis time of the two different phantoms were, respectively, 9 minutes and 45 minutes.Conclusion:The analysis result of autonomic scan of Philips CT are enough to satisfy the clinical demand for CT image quality assurance and its work time is extremely shortened. It’s a very convenient quality assurance and quality control tools for clinical medical physicist.

CT simulator; Big-bore CT; Quality assurance; Quality control

殷旭君,男,(1987- ),本科學(xué)歷，技師。北京大學(xué)人民醫(yī)院放療科，從事放射物理工作。

2016-12-01

10.3969/J.ISSN.1672-8270.2017.05.005

①北京大學(xué)人民醫(yī)院放療科 北京 100044

②香河縣人民醫(yī)院放射科 河北 廊坊 065400