DoseLab软件检测CT图像噪声的程序改进及应用分析

时飞跃，王敏，秦伟，赵环宇，魏晓为

1.南京医科大学附属南京医院（南京市第一医院）肿瘤放疗中心，江苏南京210006；2.南京医科大学医学物理研究中心，江苏南京210029

前言

随着肿瘤精确放射治疗的发展，大孔径CT 模拟机在放疗工作中得到了越来越广泛的应用［1-3］。精确放射治疗对大孔径CT 模拟机的图像质量及稳定性提出了更高的要求。放疗CT 模拟机必须定期做质量保证（QA）和质量控制（QC）检验，以确保CT 模拟定位过程的安全，并为肿瘤靶区和危及器官的精确勾画及放疗计划的精确剂量计算提供清晰准确的图像［4-6］。CT 图像噪声（Image Noise），表征均匀物质的图像中某一区域内CT 值偏离平均值的程度。在CT图像成像质量评价体系中，图像噪声评价是其中一个重要内容［7-8］。DoseLab 质控分析软件，包含CT 图像质量的分析模块，可通过分析质控模体的CT 图像，得到物质的CT 值、图像均匀性、空间分辨率、对比度噪声比（Contrast Noise Ratio,CNR）、层厚等数据［9］。但是该软件没有直接分析CT 图像噪声的功能。本研究工作，根据CT 装置质控检测规范，通过公式数据计算对DoseLab软件做程序改进，添加自动分析CT 图像噪声的功能，并对获取的图像噪声数据进行测试和评价。

1 材料与方法

1.1 材料

Mobius 公司（现已被瓦里安收购）的DoseLab 质控分析软件（版本6.80），由DoseLab TG-142、FractionLab 和DoseLab Pro3 部分组成，包含了多种分析工具，可用于MV［（电子射野影像装置（Electronic Portal Imaging Device,EPID）］和kV［（CT和锥形束CT（cone beam CT,CBCT）］图像的分析。DoseLab TG-142 的CT/CBCT Imaging QA 工具，可用于分析CT 图像，得到不同物质的CT 值、图像均匀性、空间分辨率、CNR、层厚等参数［9-10］。

西门子SOMATOM Sensation Open CT 模拟机，机架孔径82 cm［11］。西门子厂家为该CT 模拟机配备了一套质控模体组，包含水模体、断层厚度模体、电线模体和准线模体共4 个模块。水模体（Model No.4806977）模块的外直径为20 cm，玻璃壁厚约0.5 cm。西门子Syngo 软件系统中有专门用于日常质量检测的程序Daily Quality Check（DQC）。DQC 程序，使用旋转扫描方式，有效层厚4.8 mm，每次旋转得到相邻的6 层图像，每次扫描时间0.5 s，重建视野为250 mm，卷积核为S80f［8］。调用DQC 程序，可获取标称管电压120和140 kV两种情形质控模体组的CT图像，并自动分析和保存数据结果（水的CT 值、图像噪声和管电压值）。

1.2 方法

1.2.1 程序改进对Catphan 504 模体，DoseLab 软件没有专门用于测量图像噪声的感兴趣区（ROI），因此本研究通过添加一个ROI 24（原来已有23 个ROI），用来测量图像噪声。具体操作方法如下：（1）双击快捷方式打开DoseLab 软件。（2）在主窗口的“Machine QA”区域点击“CT/CBCT”按钮，然后选择一套Catphan 504 模体的CT 图像序列，继续打开“CT Imaging QA”窗口，在打开的窗口上，Phantom 选择“Catphan 504”，Module 选择“CTP486”。（3）点击“Preferences”菜单栏选择“Module Preferences”菜单，打开“CT Imaging QA Module Preferences”窗口。（4）在新打开窗口上的“ROIs to analyze”区域，通过点击“Add...”按钮，增加了“24（S）”ROI 标记。（5）选中该标记，在“ROI coordinates（cm）”区域下，通过点击“Add...”按钮添加新ROI的X和Y坐标值。

在DoseLab 软件中不能添加圆形ROI，因此使用一个正三十二边形的ROI 代替圆形ROI。正三十二边形ROI顶点的坐标值由如下公式计算得到［12］：

对本研究，n=32。本研究中的水模体和Catphan 504 模体，圆柱形的直径均为20 cm。根据CT 设备质控检测规范［13］，检测CT 图像噪声应选择直径为40%×20=8 cm的圆形ROI，对应半径R=4 cm。

1.2.2 程序测试通过DoseLab 软件进行改进，改进后程序可用于分析Catphan 504 的CTP486 模块和No.4806977 水模体的CT 图像，并在导出的报告文件中给出ROI-24 的标准差SD 值（表征图像噪声）。注意，DoseLab可以自动找寻并分析导入的Catphan 504模体CT 图像序列中CTP486 模块的图像；但是对于水模体的CT 图像，需要在导入时选择好文件，并在导入后手动点击分析按钮。图1为CTP486模块和水模体的CT 图像中添加正三十二边形的示意图。除了正三十二边形，图中还有程序中原来设置的ROI 19～24 共5 个方形ROI 用于图像均匀性的计算［11］。图1a和图1b中，两个模体的外直径均为20 cm，视觉大小不同的原因在于视野（FOV）的不同，前者FOV 为220 mm，后者FOV为250 mm。

图1 在DoseLab软件中添加正三十二边形ROI的示意图Fig.1 Schematic diagram of adding a regular 32-sided polygon in DoseLab software

1.2.3 比较分析为了测试DoseLab 改进程序的效果及准确性，选取2018年1月～12月每月使用DQC 程序检测水模体得到的部分CT 图像，然后使用DoseLab 改进程序分析选取的CT 图像得到图像噪声数据，最后与DQC 程序得到的图像噪声数据进行比较分析。每次DQC 检测，DQC 程序自动分析得到两种管电压情形（120 和140 kV）、两个层面（S3 和S4层）共计4 个图像噪声数据［14］。DoseLab 改进程序和DQC 程序共计得到2×4×12=96 个图像噪声数据，每组12个数据。

2 结果

使用正三十二边形顶点位置公式，计算得到32个顶点的X和Y坐标值，结果见表1。

表1 正三十二边形ROI的顶点坐标Tab.1 Vertex coordinates of the region of interest of regular 32-sided polygon

使用DoseLab 改进程序和DQC 程序，获得S3 层的CT图像噪声值（图2）和S4层的CT图像噪声值（图3）。使用ΔN表示DoseLab 改进程序和DQC 程序得到的CT 图像噪声值的差异，公式为ΔN=N(DoseLab)-N(DQC)，其中N(DoseLab) 和N(DQC)分别表示DoseLab 改进程序和DQC 程序得到的CT 图像噪声值。对ΔN进行统计分析，得到每组数据的平均值、标准差、最大值、最小值和极差，结果见表2。

图2 使用DoseLab改进程序和DQC程序获得S3层CT图像噪声值比较Fig.2 Comparison of CT image noises of S3 obtained from improved DoseLab program and DQC program

图3 使用DoseLab改进程序和DQC程序获得S4层CT图像噪声值比较Fig.3 Comparison of CT image noises of S4 obtained from improved DoseLab program and DQC program

表2 DoseLab改进程序和DQC程序图像噪声值差异（HU）Tab.2 Differences in image noises between improved DoseLab program and DQC program(HU)

3 讨论

国家计量检定规程JJG 961-2017《医用诊断螺旋计算机断层摄影装置（CT）X 射线辐射源》和卫生行业标准WS 519-2019《X 射线计算机体层摄影装置质量控制检测规范》中，规范了有关于CT 设备的图像质量检测方法。美国医学物理学家协会AAPM TG66 号报告，有关于放疗CT 模拟机和CT 模拟程序的详细检测方法和规范。

CT设备的图像噪声是指均匀物质的CT图像中某一区域内CT值偏离平均值的程度。AAPM TG66号报告指出：“图像噪声决定了观察者（医师、剂量师等）可以区分的物体对比度下限。含有低对比度物体的背景越均匀，与背景的对比度越大。理论上，噪声最小的图像能增加正常结构和靶区体积的描绘精度。”图像噪声是CT模拟机图像质量的重要参数之一，需要定期进行质控检测。JJG 961-2017指出，噪声的大小用感兴趣区域（ROI）内均匀物质的CT值的标准偏差（SD）表示。JJG 961-2017和WS 519-2019分别规定了噪声水平（H）和噪声的测量值n的计算方法。本文为了分析方便，仅采用ROI内CT值的标准偏差来表示图像噪声。其实，只要根据公式做相应计算，就可以得到H和n的值。

使用检测规范和行业标准提供的方法，通过手工勾画ROI对CT图像进行分析，需要耗费较多时间，而且不能保证每次测试操作的一致性。因此，市场上出现了一些CT图像的自动分析软件，例如QAlite［15］。使用这些软件可以缩短分析时间，实现图像分析的一致性，提高检测工作效率。使用DoseLab质控分析软件，通过把相应模体的CT图像导入，可进行自动分析，给出物质的CT值、图像均匀性、空间分辨率、CNR等CT图像质量参数数据。笔者前期已经使用该软件分析了西门子CT模拟机CT值的长期稳定性、CT值线性的长期稳定性以及瓦里安OBI系统CBCT图像CT值的长期稳定性等［10,16］。此外，笔者还对DoseLab检测CT图像均匀性的程序进行了改进，使用正十六边形代替原程序中的正方形ROI［11］。

将表1中的三十二点坐标位置导入DoseLab软件，建立一个新的正三十二边形ROI（ROI-24）。经计算，该ROI 的面积为49.94 cm2，而R=4 cm 的圆的面积为50.27 cm2。DQC程序自动勾画了R=4 cm的圆形ROI用于检测图像噪声。由图2、图3和表2可见，DoseLab改进程序和DQC程序所得的图像噪声值差异较小，最大为0.24 HU，差异的平均值≤0.10 HU。可见，DoseLab改进程序可以有效检测CT设备的图像噪声。两种程序所得图像噪声的微小差异，应当来源于ROI的面积的不同。

综上所述，本工作通过计算正多边形的坐标位置，然后在DoseLab 中添加了一个正三十二边形的ROI，实现了该软件自动分析CT 图像噪声的功能。该DoseLab 改进程序可对水模体和Catphan 模体的CT图像进行自动分析，从而缩短CT图像噪声的分析时间，提高检测工作效率。

致谢：感谢生原医疗王辉、曹鹰、郁洋在DoseLab软件使用中提供的帮助和支持；感谢江苏省计量科学研究院邢立腾在计量检定规程方面的帮助。