寬體探測(cè)器CT性能模體的研制及實(shí)驗(yàn)研究

孫智勇 平佳陽(yáng) 李翔 周培

1 遼寧省醫(yī)療器械檢驗(yàn)檢測(cè)院 （遼寧 沈陽(yáng) 110171）

2 上海聯(lián)影醫(yī)療科技股份有限公司 （上海 201807）

內(nèi)容提要：隨著計(jì)算機(jī)斷層成像（CT）技術(shù)的發(fā)展，CT設(shè)備各項(xiàng)性能參數(shù)日益提升，具有較寬準(zhǔn)直寬度的320排CT逐漸進(jìn)入各大醫(yī)院。由于準(zhǔn)直寬度的增加，以往的CT圖像性能測(cè)試模體無(wú)法滿足現(xiàn)有測(cè)試需求。因此，從優(yōu)化掃描流程的角度，依據(jù)IEC 61223-3-5-2019《醫(yī)用成像部門的評(píng)價(jià)及例行試驗(yàn)第3-5部分：X射線計(jì)算機(jī)體層攝影設(shè)備成像性能驗(yàn)收試驗(yàn)和穩(wěn)定性試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)》與GB/T 19042.5-2006《醫(yī)用成像部門的評(píng)價(jià)及例行試驗(yàn)第3-5部分：X射線計(jì)算機(jī)體層攝影設(shè)備成像性能驗(yàn)收試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)》，研制出了更高效的、符合臨床及標(biāo)準(zhǔn)要求的320排CT設(shè)備成像性能檢測(cè)模體，并做了相關(guān)的實(shí)驗(yàn)性研究。

近年來(lái)CT設(shè)備在我國(guó)迅速普及，代表世界上最先進(jìn)影像檢查水平的320排CT，已被國(guó)內(nèi)各大醫(yī)院越來(lái)越多地使用。然而國(guó)內(nèi)目前缺乏相關(guān)的技術(shù)要求規(guī)范文件及檢驗(yàn)檢測(cè)方案、技術(shù)，新購(gòu)置和運(yùn)行中的320排CT設(shè)備成像質(zhì)量成為放射界關(guān)注的問(wèn)題。當(dāng)前國(guó)內(nèi)在型式檢測(cè)、驗(yàn)收試驗(yàn)中廣泛采用的是國(guó)際通用的美國(guó)模體實(shí)驗(yàn)室的Catphan系列模體，然而在Catphan系列模體中，用于測(cè)試XY平面空間分辨率的模塊寬度僅為4cm，無(wú)法一次滿足準(zhǔn)直寬度為16cm的320排CT的測(cè)試需求。為了提供符合我國(guó)國(guó)情的256排以上CT的圖像質(zhì)量性能評(píng)價(jià)模體，依據(jù)IEC 61223-3-5-2019標(biāo)準(zhǔn)與YY/T 1766系列標(biāo)準(zhǔn)，同時(shí)參考美國(guó)醫(yī)學(xué)物理協(xié)會(huì)1號(hào)報(bào)告，研制出了適用于320排CT圖像性能測(cè)試的模體。

為驗(yàn)證自研模體符合臨床需求與現(xiàn)有標(biāo)準(zhǔn)，選取了Catphan系列模體和QRM-SSP模體作為參考，分別在相同條件下測(cè)量空間分辨率及體層切片厚度，分析實(shí)驗(yàn)結(jié)果判定自研模體性能。

1.研制過(guò)程

目前國(guó)際上尚無(wú)CT檢測(cè)模體的標(biāo)準(zhǔn)，設(shè)計(jì)本模體時(shí)依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)IEC-61223-3-5，參考美國(guó)醫(yī)學(xué)物理協(xié)會(huì)1977年1號(hào)報(bào)告、1993年的39號(hào)報(bào)告。結(jié)合320排CT實(shí)際應(yīng)用場(chǎng)景，對(duì)業(yè)內(nèi)模體取長(zhǎng)補(bǔ)短，研制出符合市場(chǎng)需求及應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)的模體。在研究中主要解決了以下問(wèn)題。

1.1 模體尺寸的選擇

為滿足320排CT16cm準(zhǔn)直寬度的需求，自研模體采用了30cm的長(zhǎng)度。這一尺寸可使中間和邊緣層面的空間分辨率在一次測(cè)量中同時(shí)獲得。

1.2 空間分辨率模塊

空間分辨率通常分別在XY平面和Z軸上測(cè)量。通常通過(guò)調(diào)制傳遞函數(shù)（MTF）曲線來(lái)描述。MTF可通過(guò)計(jì)算系統(tǒng)的點(diǎn)擴(kuò)散函數(shù)（PSF）的傅里葉變換的幅值得到。點(diǎn)擴(kuò)散函數(shù)可視作系統(tǒng)的沖激響應(yīng)，通過(guò)引入一個(gè)空間上的沖擊信號(hào)作為輸入，測(cè)量系統(tǒng)輸出的頻率成分得到。對(duì)于CT掃描裝置，輸入的沖激信號(hào)可由一個(gè)在待測(cè)空間上尺寸足夠小、密度與背景差別足夠大的物體來(lái)提供。

常用來(lái)評(píng)價(jià)XY平面空間分辨率是Catphan系列模體，以Catphan700為例：它由多個(gè)不同材質(zhì)、不同功能的測(cè)試模塊組成。用于測(cè)量XY平面空間分辨率的模塊為CTP682，組成示意圖見(jiàn)圖1。

圖1.CTP682測(cè)試模塊組成圖示

在評(píng)價(jià)XY平面空間分辨率時(shí)，通過(guò)對(duì)CTP682模塊中直徑0.05mm鎢絲的掃描和重建來(lái)獲得點(diǎn)擴(kuò)散函數(shù)（Point Spread Function，PSF），并經(jīng)過(guò)傅里葉變換后得到調(diào)制傳遞函數(shù)[1]。

自研模體采用了和CTP682相同的原理。如圖2所示，自研模體采用了金屬鋼絲作為實(shí)驗(yàn)器件，其直徑為0.05mm。

圖2.自研模體空間分辨率模塊示意圖

QRM-SSP模體是常用來(lái)評(píng)價(jià)Z軸空間分辨率的商用模體。如圖3所示，QRM-SSP模體包含一個(gè)25μm厚的圓形金屬箔（Au），嵌在均勻的組織當(dāng)量塑料圓筒中[2]。

圖3.QRM模體尺寸

通過(guò)對(duì)圓形金屬箔的掃描可獲得Z方向一維的點(diǎn)擴(kuò)散函數(shù)，經(jīng)過(guò)傅里葉變換后可得到調(diào)制傳遞函數(shù)。

自研模體中插入了三片厚度為0.025mm，直徑為1mm的金屬鋼片，用以測(cè)量中心和邊緣層面的Z軸空間分辨率。

1.3 體層切片厚度模塊

體層切片厚度常用切片靈敏度曲線（SSP）的半高寬（FWHM）來(lái)表征[3]。在實(shí)際應(yīng)用中，SSP常借助于厚度顯著低于數(shù)據(jù)采集切片的物體來(lái)進(jìn)行測(cè)量[4]。

自研模體與QRM-SSP模體相似，選用了金屬薄片用于體層切片厚度的測(cè)量。如圖4所示，模體中間和兩側(cè)邊緣層面共插入三片金屬鋼片。

圖4.自研模體體層切片厚度模塊示意圖

2.實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證分為XY平面空間分辨率、Z軸空間分辨率和體層切片厚度。為了評(píng)價(jià)自研模體評(píng)價(jià)圖像性能的水平，將其與Catphan700模體及QRM-SSP模體進(jìn)行比較。采用相同的掃描和重建條件，分別測(cè)量空間分辨率及體層切片厚度的指標(biāo)，通過(guò)對(duì)比不同模體的測(cè)試結(jié)果，來(lái)對(duì)自研模體進(jìn)行評(píng)價(jià)。

2.1 空間分辨率

2.1.1 XY平面空間分辨率

XY平面空間分辨率詳細(xì)測(cè)試過(guò)程如下：將模體放置在機(jī)架中，使其平行于系統(tǒng)的Z軸并偏離中心（30±10）mm。記錄測(cè)試設(shè)備的位置后對(duì)其進(jìn)行掃描。重建后基于重建的DICOM圖像進(jìn)行分析：①以金屬絲為中心提取ROI得到二維PSF；②對(duì)二維PSF去除背景得到修正后的PSF；③對(duì)修正后的PSF進(jìn)行二維傅里葉變換，獲取幅值得到二維MTF；④將二維MTF以其頻率的零點(diǎn)為原點(diǎn)，進(jìn)行360°的極坐標(biāo)變換，沿角度方向取平均得到一維MTF；⑤將一維MTF按直流幅度進(jìn)行歸一化，得到歸一化的MTF曲線；⑥通過(guò)歸一化MTF曲線得到若干幅度對(duì)應(yīng)頻率值。

2.1.2 Z軸空間分辨率

Z軸空間分辨率詳細(xì)測(cè)試過(guò)程如下：掃描時(shí)將模體放置于掃描中心。重建后基于DICOM圖像進(jìn)行分析：①以圓形金屬薄片為中心提取ROI，獲取序列中每張圖像同坐標(biāo)區(qū)域ROI的像素均值，組合在一起得到Z軸一維PSF；②將一維PSF去除背景得到修正后的PSF；③將修正后的PSF進(jìn)行傅里葉變換，獲取幅值得到一維MTF，并按直流幅度進(jìn)行歸一化，得到歸一化的MTF曲線；④通過(guò)歸一化的MTF曲線可得到若干幅度對(duì)應(yīng)的頻率值[5]。

2.2 體層切片厚度

體層切片厚度詳細(xì)測(cè)試過(guò)程如下：掃描時(shí)將模體放置于掃描中心。重建后基于DICOM圖像進(jìn)行分析：①以圓形金屬薄片為中心提取ROI，獲取序列中每張圖像同坐標(biāo)區(qū)域ROI的像素均值，并擬合得到SSP曲線；②測(cè)量SSP曲線的半高寬（FWHM）來(lái)表征體層切片厚度[6,7]。

2.3 模體尺寸對(duì)測(cè)試流程的影響

320排CT在Z方向上的覆蓋范圍為160mm。故模體在Z方向上的長(zhǎng)度直接決定了需重復(fù)測(cè)試的次數(shù)。

Catphan700模體各模塊的相對(duì)位置如圖5所示，其中用于測(cè)量MTFxy的CTP682模塊（見(jiàn)圖6）在Z方向上的長(zhǎng)度為40mm，需重復(fù)測(cè)量四次才能得到160mm覆蓋范圍內(nèi)的有效數(shù)據(jù)。

圖5.Catphan700 模塊位置示意圖

圖6.自研模體（左）與CTP682(右)測(cè)試示意圖

而自研模體在Z方向上的長(zhǎng)度超過(guò)160mm，一次測(cè)量即可得到整個(gè)覆蓋范圍內(nèi)的有效數(shù)據(jù)。

同理，自研模體在體層切片厚度評(píng)價(jià)時(shí)也可以通過(guò)一次掃描同時(shí)獲得準(zhǔn)直中間和邊緣層面的切片厚度，而使用QRM-SSP模體時(shí)需要來(lái)回移動(dòng)多次掃描。

3.結(jié)果分析

3.1 XY平面空間分辨率結(jié)果及分析

影響MTF的因素有很多，其中起關(guān)鍵影響的參數(shù)包括球管焦點(diǎn)大小、前準(zhǔn)直寬度、重建卷積核、重建層厚、重建視野和重建矩陣等。測(cè)量XY平面空間分辨率所采用的關(guān)鍵參數(shù)見(jiàn)表1。

表1.MTFxy掃描參數(shù)

在表1所示條件下測(cè)得的XY平面空間分辨率見(jiàn)表2。

表2.MTFxy掃描結(jié)果

由圖7所示，Catphan700與自研模體在XY平面上的MTF 50%結(jié)果差異很?。ㄔ?%以內(nèi)），且均表現(xiàn)出中間層測(cè)試結(jié)果大于邊緣層的特性，符合寬準(zhǔn)直成像的技術(shù)特點(diǎn)。

圖7.MTF50%測(cè)試結(jié)果：Catphan 700 與 自研模體對(duì)比表格

3.2 Z軸空間分辨率

測(cè)量Z軸空間分辨率所采用的關(guān)鍵參數(shù)見(jiàn)表3，在表3所示條件下測(cè)得的Z軸空間分辨率如下表4所示。由表4可知，自研模體與QRM模體所測(cè)得的Z軸空間分辨率結(jié)果差異很?。ㄔ?%以內(nèi)）。

表3.MTFz掃描參數(shù)

表4.MTFz 掃描結(jié)果

3.3 體層切片厚度

體層切片厚度掃描結(jié)果見(jiàn)表5。由表5可知，自研模體與QRM-SSP模體所測(cè)得的體層切片厚度結(jié)果差異很?。ㄔ?%以內(nèi)）。

表5.體層切片厚度掃描結(jié)果

4.討論

根據(jù)以上結(jié)果，自研模體與對(duì)照模體測(cè)試結(jié)果差異很小，因此可認(rèn)為自研模體在評(píng)價(jià)空間分辨率及體層切片厚度方面的性能基本符合Catphan 700模體和QRM-SSP模體代表的臨床需求；在使用Catphan 700及QRM-SSP時(shí)所采用的來(lái)回移動(dòng)多次掃描方案對(duì)掃描結(jié)果沒(méi)有顯著影響。

得益于自研模體的尺寸，僅需一次掃描即可得到中間和邊緣層面上的XY平面空間分辨率及體層切片厚度的測(cè)量結(jié)果，避免重復(fù)操作，提高了測(cè)試效率。但更大的尺寸和更多的模塊也意味著更重的重量，這也給模體擺位及移動(dòng)帶來(lái)了一定的挑戰(zhàn)。