口腔錐形束CT關(guān)鍵參數(shù)檢測方法的研究

黃錦鋒，陳曉朝，王 宏

(1.東北大學 機械工程與自動化學院，遼寧 沈陽 110819；2.沈陽計量測試院，遼寧 沈陽 110179；3.沈陽藥科大學，遼寧 沈陽 110016)

1 引 言

傳統(tǒng)CT的投影數(shù)據(jù)是一維的，重建后的圖像數(shù)據(jù)是二維的，重組的三維圖像由連續(xù)多個二維切片堆積而成[1,2]。口腔頜面錐形束CT(cone beam computed tomography,CBCT)采用面狀探測器，它的投影數(shù)據(jù)是二維的，重建后直接得到三維圖像。CBCT的錐束X射線掃描可以顯著提高X射線的利用率，只需旋轉(zhuǎn)360 °即可獲取重建所需的全部原始數(shù)據(jù)；CBCT所具有的另一個優(yōu)勢就是具有很高的各向同性空間分辨力。成像方式的不同導(dǎo)致原有的CT檢測方法不適用于CBCT，本文對劑量面積乘積、空間分辨力、對比度噪聲比指數(shù)、均勻性這幾個關(guān)鍵參數(shù)的檢測方法進行了相關(guān)研究，探討CBCT的檢測方法，并給出了相應(yīng)的計量性能指標。

劑量采用RTI公司的DOSEGUARD100劑量面積乘積儀進行測量，圖像質(zhì)量檢測采用QUART公司的DVT_AP模體對CBCT的空間分辨力、對比度噪聲比、均勻性3個主要指標進行檢測，并且描述了如何對掃描得到的DICOM圖像進行分析處理。

2 劑量面積乘積

采用劑量面積乘積儀(KAP)進行測量涵蓋了可能的所有準直設(shè)置，KAP測量對標稱準直(視場大小)的差異不敏感，這也是限制采用CT劑量指數(shù)(CTDI)進行測量的一個因素。此外，當涉及離軸曝光以及在成像期間X射線管進行旋轉(zhuǎn)時，KAP測量的魯棒性也是很好。

將DOSEGUARD100劑量面積乘積儀緊貼于CBCT射束出線口，射線口位于電離室中心。采用常規(guī)成人條件掃描，掃描區(qū)域不應(yīng)有影響線束的物質(zhì)，按式(1)計算劑量面積乘積DKAP，并對結(jié)果進行溫度、氣壓、校準因子的修正[3]，結(jié)果見表1。

表1 劑量面積乘積值檢測結(jié)果Tab.1 Dose area results of different CBCT

DKAP=M×NK×KTP

(1)

式中：DKAP為劑量面積乘積，mGy·cm2；M為劑量面積乘積儀測量示值，mGy·cm2；NK為劑量面積乘積儀刻度因子[4]；KTP為電離室型探測器溫度、氣壓的密度修正[5]，其計算公式為：

(2)

式中：t為檢測時室內(nèi)溫度，℃；p為檢測時大氣壓，kPa。

將所獲得DKAP按照文獻[6]中推薦的方法歸一化至視野16 cm2(即視野為4 cm×4 cm)，其計算公式為：

(3)

式中：D為歸一化后的劑量面積乘積，mGy·cm2；A為掃描視野面積，cm2。

3 空間分辨力

本文采用調(diào)制傳遞函數(shù)(MTF)曲線上10%處的測量值作為空間分辨力指標[7]。用MTF法進行空間分辨力測試的優(yōu)點是能夠提供所有空間頻率的詳細信息，避免了測試過程中人眼觀察等主觀因素帶來的影響，而且包含了更多的信息。

將DVT_AP模體放置在射線照射野中心，用常規(guī)成人條件掃描模體，其周圍不應(yīng)有影響射線束的物質(zhì)，在所得到的空間分辨力模塊的重建軸向切片中選取矩形感興趣區(qū)域(ROI)，如圖1所示。

圖1 確定調(diào)制傳遞行為的ROI的定位和邊界的示例Fig.1 Example of location and boundary of ROI used to determine modulation transfer behavior

該ROI的4邊應(yīng)與像素行(列)平行，且僅包含模體中的PVC和空氣區(qū)域，PVC和空氣之間的過渡邊緣應(yīng)平行于ROI的上下2邊，通過重新定位模體并重復(fù)采集圖像，可以優(yōu)化邊緣的平行度。ROI上下2邊寬度對應(yīng)于模體中的寬度為5 mm(公差為1個像素)，位于PVC與空氣區(qū)域里的垂直邊每段至少為3 mm[8]。

空間分辨力用調(diào)制傳遞函數(shù)MTF曲線上10%處的空間頻率值來表征，其計算步驟為：

(1) 數(shù)據(jù)采集

計算平行于邊緣且包含在ROI內(nèi)的所有行像素平均值(M1，M2，M3，…，Mn)。

(2) 差分

相鄰行的像素平均值相減得到一階差分值(D1，D2，D3，…，Dn-1)，如式(4)所示。

Dm=Mm+1-Mm

(4)

式中：Dm為行像素平均值的一階差分值；Mm和Mm+1分別為第m和第m+1行的像素平均值。

(3) 限定邊界值

取D1，D2，D3，…，Dn-1中的最大值為Dk，從該值開始，重新定義對稱相鄰數(shù)據(jù)帶為Dk-l，Dk-l+1，…，Dk，…，Dk+l-1，Dk+l。

(4) 傅里葉變換

(5) 平均

(6) 繪圖表示

在以vp為橫坐標，F(xiàn)p為縱坐標的坐標系中將(Fp；vp)繪制出，并用直線相連。測量調(diào)制傳遞函數(shù)MTF曲線上10%處的值，實驗結(jié)果見表2。

表2 計量參數(shù)實驗結(jié)果Tab.2 The test results of measurement parameters

4 對比度噪聲比指數(shù)

對比度噪聲比在醫(yī)學成像中，通常將絕對對比度除以背景噪聲以獲得對比度噪聲比。對比度噪聲比用于量化當信號值類似于背景值時，將信號與其背景區(qū)分開的能力。傳統(tǒng)的評估低對比度分辨率的方法是在嘈雜背景中檢測微弱信號，不同的觀察者甚至在不同場合的同一觀察者對同一圖像可以給出不同的結(jié)果，為消除主觀評價者間的主觀差異，量化的評價方法還是很有必要的。本文采用對比度噪聲比指數(shù)來衡量像素值行的平均值的變異。

對比度噪聲比指數(shù)的計算采用文獻[8]中所推薦的方法，按式(5)計算：

(5)

式中：CNI為對比度噪聲比指數(shù)；Pmmax為行像素平均值的最大值；Pmmin為行像素平均值的最小值；Smmax為Pmmax所在行的像素值的標準偏差；Smmin為Pmmin所在行的像素值的標準偏差。

采用圖1中所得到的軸向切片選取矩形感興趣區(qū)域(ROI)，如圖2所示。該ROI的4邊應(yīng)與像素行(列)平行，且僅包含模體中的PVC和PMMA區(qū)域，PVC和PMMA之間的過渡邊緣應(yīng)平行于ROI的上下2邊，通過重新定位模體并重復(fù)采集圖像，可以優(yōu)化邊緣的平行度。ROI上下2邊寬度對應(yīng)于模體中的寬度取10 mm(公差為1個像素)，位于PVC與PMMA區(qū)域里的垂直邊每段至少應(yīng)為3 mm。

圖2 確定CNI的ROI的定位和邊界的示例Fig.2 Example of location and boundary for determining ROI of CNI

CNI計算步驟為[9]：

(6)

(7)

5 均勻性

均勻性是CBCT掃描裝置對均勻物質(zhì)成像能力的度量[10]，其像素平均值不依賴于像素的位置。1幅醫(yī)學圖像要求不應(yīng)扭曲被測物斷面的任何幾何特征，這就要求均勻的物質(zhì)在圖像上應(yīng)有很好的均勻度。

將裝有等效組織的、直徑為16 cm的模體置于射線照射野中心，用常規(guī)成人條件掃描模體，其周圍不應(yīng)有影響射線束的物質(zhì)[11]。在所掃描的圖像里選取5個感興趣區(qū)域，其中1個從中心區(qū)域選擇，其他4個從中心區(qū)域等距離選擇[12]，每個感興趣區(qū)域面積約為圖像面積的2%～3%，感興趣區(qū)域的選取如圖3所示。

圖3 感興趣區(qū)域的選擇Fig.3 Selection of ROI

均勻性指標的計算采用文獻[8]中所推薦的方法，按式(8)計算。

(8)

式中：Hz為中心區(qū)域像素平均值；Ho為上部區(qū)域像素平均值；Hl為左側(cè)區(qū)域像素平均值；Hr為右側(cè)區(qū)域像素平均值；Hu為下部區(qū)域像素平均值；HM為Hz、Ho、Hl、Hr、Hu的平均值。

6 結(jié) 論

依據(jù)本文的方法計算劑量面積乘積、空間分辨力、對比度噪聲比指數(shù)、均勻性。所得結(jié)果應(yīng)符合的性能指標為：1) 將測得的劑量面積乘積值歸一化至視野16 cm2(即視野為4 cm×4 cm)下的劑量面積乘積值應(yīng)不大于250 mGy·cm2；2) 調(diào)制傳遞函數(shù)(MTF)曲線上10%處的測量值應(yīng)不小于1 LP/mm；3) CNI應(yīng)小于20%；4) 均勻性指標應(yīng)大于5。

對全國10家口腔醫(yī)院(診所)的口腔CBCT做了檢測實驗。除了Newtom VG帶自動曝光條件,本文的設(shè)備劑量面積乘積方法不適用外；其它設(shè)備檢測結(jié)果均符合要求。