大孔径CT图像质量保证的自动化方法研究

殷旭君 李富华 王 新 侯 娟 刘中凯

[文章编号] 1672-8270(2017)05-0014-05 [中图分类号] R812 [文献标识码] A

大孔径CT图像质量保证的自动化方法研究

殷旭君①李富华②王 新①侯 娟①刘中凯①

[文章编号] 1672-8270(2017)05-0014-05 [中图分类号] R812 [文献标识码] A

目的：对Philips大孔径CT由系统模体自动化扫描的图像质量数据与Catphan 504模体手动扫描的数据进行对比分析，探讨图像质量保证自动化实现的可行性。方法：对2种模体以Philips内置条件扫描，并对Catphan 504模体增加一组标准条件扫描，分析图像的CT值、均匀性、噪声、高分辨率、低分辨率以及层厚等数据之间的差异，并比较时间效率。结果：以内置条件扫描2个模体的CT值为1.53 HU和17.00 HU；均匀性为-0.7 HU和-1.7 HU；噪声为0.61%和0.55%；高分辨率为5.4 lp/cm和6.0 lp/cm；低分辨率(0.3%)为4.6 mm和5.0 mm；层厚(1.5 mm)为1.74 mm和1.45 mm。标准扫描条件下Catphan 504的CT值为16.30 HU，均匀性为-1.3 HU，噪声为0.33%，高分辨率为6 lp/cm，低分辨率(1%)为2.0 mm，层厚(9.0 mm)为8.63 mm。除CT值有较大差异外，其他结果均满足厂商验收标准或国家标准。两种模体扫描分析所需时间分别为9 min和45 min。结论：Philips CT自动扫描分析结果能够满足临床对CT图像质量保证的要求，并极大缩短扫描数据分析所需时间，为临床物理师提供方便快捷的质量控制和质量保证工具。

CT模拟机；大孔径CT；质量保证；质量控制

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

CT模拟机是肿瘤精确放射治疗过程中必不可少的设备之一，其图像质量的好坏对医生确定肿瘤靶区(gross target volume，GTV)位置有着重要的意义。放射治疗物理师根据获取的CT图像在治疗计划系统(treatment planning system，TPS)中为患者设计治疗方案，而治疗方案的剂量准确性又与图像质量息息相关。祁振宇等[1]通过研究发现，图像CT值的差异会直接影响治疗计划的准确性，从而最终影响放射治疗质量。CT模拟定位是肿瘤放射治疗的第一步，也是重要的一步，在临床工作中对CT模拟机进行质量控制(quality control，QC)和质量保证(quality assurance，QA)就显得很重要[2]。

由于CT模拟机的图像质量保证需要用到专业的第三方模体，对扫描数据的分析需要大量的手工计算处理，同时还需要有经验的物理师对结果进行主观评价，并且要求物理师对相关标准要非常熟悉，所以实际实施起来比较费时费力。基于此，本研究应用Philips厂商自带系统模体(System phantom)及内置自动化扫描程序，探讨一种能够满足临床QA要求的快速便捷的检测方法。

1 材料与方法

1.1 仪器设备

采用PhilipsBig-bore系列16排大孔径CT(荷兰飞利浦)，其孔径为85 cm，有效扫描孔径为60 cm。Philips厂商随机自带检测模体(System phantom)。该模体分为头部和体部模块，直径分别为25 cm和30 cm，内部含注入的蒸馏水。其中头部模块中分别有5种CT密度值的插件，高分辨率检查插件，低对比度检查插件以及层厚检查插件；体部模块中含有3种不同CT密度值的插件。

Catphan 504模体由4组模块组成，分别为CTP528模块，用于检测高对比度参数；CTP404模块，用于检测CT密度值线性及层厚参数；CTP515模块，用于检测低对比度参数；CTP486模块，用于检测图像平均CT值，均匀性及噪声等参数。

1.2 检测方法

1.2.1 模体固定

分别将Philips系统模体和Catphan 504模体固定在CT床面上，水平尺找平并用CT内置激光灯将模体移动至扫描中心，如图1、图2所示。

图1 Philips系统模体

图2 Catphan 504模体

1.2.2 扫描条件

Philips系统模体由自带程序执行自动扫描和自动进床；Catphan 504模体则需要手动输入扫描条件，并分别进床扫描CTP528模块、CTP404模块、CTP515模块以及CTP486模块。内置扫描条件由系统自带，不同图像质量参数的扫描条件不同。具体扫描参数设置见表1。

表1 CT扫描参数设置

1.2.3 CT值测试

在获取的图像中心选取相当于10%模体直径大小的感兴趣区(region of interest，ROI)，测量该ROI的平均CT值，如图3所示。

图3 CT值测量示图

1.2.4 图像均匀性测试

在获取图像的中心区域，上下、左右距离模体边缘10 mm的4个区域，选取相当于10%模体直径大小的ROI分别测量其平均CT值，如图4所示。将图像中心ROI的平均CTC值与周围4个ROI的平均CTP值的最大差作为图像均匀性(U)的评价指标，其计算为公式1：

式中CTC为为模体中心区域的平均CT值；CTP为模体四周区域的平均CT值。

图4 图像均匀性测量示图

1.2.5 图像噪声测试

在获取图像的中心区域选取相当于40%模体直径大小的ROI，测量CT值的标准差(standard deviation，SD)，如图5所示。噪声水平(H)计算为公式2：

1.2.6 高分辨率测试

(1)直接观察法。将图像的窗宽调至最小，然后调节窗位使得图像中的线队能显示到最高级别，如图6所示。

(2)调制传递函数(modulation transfer function，MTF)法。Philips系统模体中测量高分辨率是通过扫描模体中0.18 mm的铜丝得到MTF曲线，然后获取曲线上50%和10%处的值作为高分辨率评价指标。

1.2.7 低分辨率测试

(1)直接观察法。在获取图像中，分别在低分辨率插件和背景中各选一个ROI，测得插件平均值(CTM)和标准差，以及背景平均值(CTB)和标准差。选出所测得标准差中的最大值SDmax，最佳窗位(WL)计算为公式3：

最佳窗宽(WW)计算为公式4：

调节至最佳窗宽窗位后，观察记录肉眼可见的最小插件孔径(如图7所示)。

图7 图像低分辨率测量示图

(2)统计分析法。Philips系统模体中，测量低分辨率是通过扫描均匀水模体，然后用统计学的方法计算得出。

1.2.8 层厚测试

在获取图像中将窗宽调至最小，慢慢改变窗位大小直至层厚插件刚好消失，记录此时的CTmax值，然后测量层厚插件周围的背景CTB值，则测量层厚的窗位值(WLmeasure)，其计算为公式5：最终层厚(SW)计算为公式6：

在该窗位下分别测量插件的长度并取平均值(L)，如图8所示。

图8 图像层厚测量示图

1.2.9 完成时间

从摆位模体开始计时，扫描并得到所有图像质量分析结果后计时结束，统计整个过程所需要的时间。

2 结果

2.1 扫描相关评价指标

在Philips系统内置条件下扫描System phantom和Catphan 504的CT值分别为1.53 HU和17 HU；均匀性分别为-0.7 HU和-1.7 HU；噪声分别为0.61%和0.55%；高分辨率分别为5.4 lp/cm和5 lp/cm；低分辨率为4.6 mm和5 mm；层厚分别为1.74 mm和1.45 mm。除了CT值因模体材料不同有明显差别，其他参数均有很好的一致性，符合Philips厂商验收标准。其中在均匀性、低分辨率System phantom的扫描结果要稍优于Catphan 504的扫描结果；而在噪声、高分辨率及层厚方面Catphan 504扫描结果要稍优于System phantom的扫描结果。

表2 标准扫描条件和内置扫描条件下CT图像质量的测量结果

在标准扫描条件下，Catphan 504模体的CT值为16.3 HU，均匀性为-1.3 HU，噪声为0.33%，高分辨率为6 lp/cm，低分辨率为2 mm，层厚为8.63 mm。CT值在模体厂商给出的标准范围值内，其他扫描结果均满足国际标准的要求。所有扫描结果及相关评价指标见表2。

2.2 扫描时间

从模体摆位开始计时，用System phantom自动扫描分析所花费的总时间约9 min，用Catphan 504扫描分析所花费的总时间在45 min左右。

3 讨论

目前，对于CT模拟机的质量保证和质量控制的相关标准主要参考诊断用CT的标准，如国家标准GB17589-2011[3]和GB19042.5-2006[4]以及剂量检定规程JJG1026-2007[5]。美国医学物理师协会(american association of physicist in medicine，AAPM)第83号报告[6]给出了较为详细的CT模拟机的质量保证和质量控制规范。夏勋荣[7]总结研究了CT模拟机的质量控制方法，并详细的测试了管电压、管电流、层厚及图像过滤方法等因素对于图像质量的影响，指出在不同扫描条件下图像质量评价的指标是不同的。Gulliksrud等[8]用相同扫描条件对不同批次的同型号模体进行扫描，指出由于模体内物质差异，即使相同型号的模体在评价CT值和低对比度这2项指标时也存在不同，对1台CT长期进行质量控制和质量保证时应该指明扫描条件，指定检测的模体。

本研究中CT值检测这一项，在相同扫描条件下由于模体物质的差异，CT值出现了较大不同，如Catphan 504扫描的CT值就必须按照模体手册给出的参考范围去评价，平均CT值≤20 HU，标准条件下典型CT值应该为5～18 HU。在噪声检测这一项，由于层厚的设置不同在其他扫描条件相同的情况下Catphan 504扫描结果也有很大的差异，层厚越大噪声越小。对于高分辨率和低分辨率的检测，Philips自带的程序分别使用了调制传递函数MTF法和统计学方法去评估，这2种方法是一种比较客观的定量的分析方法，最大限度排出了人为主观因素造成的误差，其结果更可靠，重复性也更好[9-16]。然而，Philips自动扫描分析的方法也有不足，如在均匀性、低分辨率及图像层厚的扫描条件中，使用了临床不常用的管电流和过滤算法，不能直观的反应CT模拟机临床实际的表现情况。但本研究认为，从CT模拟机图像质量保证的实际意义出发，周期性监测设备各项参数的稳定性才是关注的重点，医院应根据自身情况建立适用于设备的基线值。

4 结语

在科室不需要额外配置专业的第三方模体的情况下，利用Philips自带系统模体及自动扫描程序，一般初级物理师就能够简单、快速、准确及客观的对CT模拟机图像质量进行检测分析，可满足临床对图像质量保证的需求。该过程所需的时间仅为Catphan 504模体扫描分析所花时间的五分之一。在完成自动扫描后系统立即给出分析报告并存档，物理师能够即时了解到设备图像质量的稳定性情况，同时存档的数据也为监测设备长期的稳定性提供了很好的依据。

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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- ),本科学历，技师。北京大学人民医院放疗科，从事放射物理工作。

2016-12-01

10.3969/J.ISSN.1672-8270.2017.05.005

①北京大学人民医院放疗科 北京 100044

②香河县人民医院放射科 河北 廊坊 065400