口腔锥形束CT关键参数检测方法的研究

黄锦锋，陈晓朝，王 宏

(1.东北大学 机械工程与自动化学院，辽宁 沈阳 110819；2.沈阳计量测试院，辽宁 沈阳 110179；3.沈阳药科大学，辽宁 沈阳 110016)

1 引 言

传统CT的投影数据是一维的，重建后的图像数据是二维的，重组的三维图像由连续多个二维切片堆积而成[1,2]。口腔颌面锥形束CT(cone beam computed tomography,CBCT)采用面状探测器，它的投影数据是二维的，重建后直接得到三维图像。CBCT的锥束X射线扫描可以显著提高X射线的利用率，只需旋转360 °即可获取重建所需的全部原始数据；CBCT所具有的另一个优势就是具有很高的各向同性空间分辨力。成像方式的不同导致原有的CT检测方法不适用于CBCT，本文对剂量面积乘积、空间分辨力、对比度噪声比指数、均匀性这几个关键参数的检测方法进行了相关研究，探讨CBCT的检测方法，并给出了相应的计量性能指标。

剂量采用RTI公司的DOSEGUARD100剂量面积乘积仪进行测量，图像质量检测采用QUART公司的DVT_AP模体对CBCT的空间分辨力、对比度噪声比、均匀性3个主要指标进行检测，并且描述了如何对扫描得到的DICOM图像进行分析处理。

2 剂量面积乘积

采用剂量面积乘积仪(KAP)进行测量涵盖了可能的所有准直设置，KAP测量对标称准直(视场大小)的差异不敏感，这也是限制采用CT剂量指数(CTDI)进行测量的一个因素。此外，当涉及离轴曝光以及在成像期间X射线管进行旋转时，KAP测量的鲁棒性也是很好。

将DOSEGUARD100剂量面积乘积仪紧贴于CBCT射束出线口，射线口位于电离室中心。采用常规成人条件扫描，扫描区域不应有影响线束的物质，按式(1)计算剂量面积乘积DKAP，并对结果进行温度、气压、校准因子的修正[3]，结果见表1。

表1 剂量面积乘积值检测结果Tab.1 Dose area results of different CBCT

DKAP=M×NK×KTP

(1)

式中：DKAP为剂量面积乘积，mGy·cm2；M为剂量面积乘积仪测量示值，mGy·cm2；NK为剂量面积乘积仪刻度因子[4]；KTP为电离室型探测器温度、气压的密度修正[5]，其计算公式为：

(2)

式中：t为检测时室内温度，℃；p为检测时大气压，kPa。

将所获得DKAP按照文献[6]中推荐的方法归一化至视野16 cm2(即视野为4 cm×4 cm)，其计算公式为：

(3)

式中：D为归一化后的剂量面积乘积，mGy·cm2；A为扫描视野面积，cm2。

3 空间分辨力

本文采用调制传递函数(MTF)曲线上10%处的测量值作为空间分辨力指标[7]。用MTF法进行空间分辨力测试的优点是能够提供所有空间频率的详细信息，避免了测试过程中人眼观察等主观因素带来的影响，而且包含了更多的信息。

将DVT_AP模体放置在射线照射野中心，用常规成人条件扫描模体，其周围不应有影响射线束的物质，在所得到的空间分辨力模块的重建轴向切片中选取矩形感兴趣区域(ROI)，如图1所示。

图1 确定调制传递行为的ROI的定位和边界的示例Fig.1 Example of location and boundary of ROI used to determine modulation transfer behavior

该ROI的4边应与像素行(列)平行，且仅包含模体中的PVC和空气区域，PVC和空气之间的过渡边缘应平行于ROI的上下2边，通过重新定位模体并重复采集图像，可以优化边缘的平行度。ROI上下2边宽度对应于模体中的宽度为5 mm(公差为1个像素)，位于PVC与空气区域里的垂直边每段至少为3 mm[8]。

空间分辨力用调制传递函数MTF曲线上10%处的空间频率值来表征，其计算步骤为：

(1) 数据采集

计算平行于边缘且包含在ROI内的所有行像素平均值(M1，M2，M3，…，Mn)。

(2) 差分

相邻行的像素平均值相减得到一阶差分值(D1，D2，D3，…，Dn-1)，如式(4)所示。

Dm=Mm+1-Mm

(4)

式中：Dm为行像素平均值的一阶差分值；Mm和Mm+1分别为第m和第m+1行的像素平均值。

(3) 限定边界值

取D1，D2，D3，…，Dn-1中的最大值为Dk，从该值开始，重新定义对称相邻数据带为Dk-l，Dk-l+1，…，Dk，…，Dk+l-1，Dk+l。

(4) 傅里叶变换

(5) 平均

(6) 绘图表示

在以vp为横坐标，Fp为纵坐标的坐标系中将(Fp；vp)绘制出，并用直线相连。测量调制传递函数MTF曲线上10%处的值，实验结果见表2。

表2 计量参数实验结果Tab.2 The test results of measurement parameters

4 对比度噪声比指数

对比度噪声比在医学成像中，通常将绝对对比度除以背景噪声以获得对比度噪声比。对比度噪声比用于量化当信号值类似于背景值时，将信号与其背景区分开的能力。传统的评估低对比度分辨率的方法是在嘈杂背景中检测微弱信号，不同的观察者甚至在不同场合的同一观察者对同一图像可以给出不同的结果，为消除主观评价者间的主观差异，量化的评价方法还是很有必要的。本文采用对比度噪声比指数来衡量像素值行的平均值的变异。

对比度噪声比指数的计算采用文献[8]中所推荐的方法，按式(5)计算：

(5)

式中：CNI为对比度噪声比指数；Pmmax为行像素平均值的最大值；Pmmin为行像素平均值的最小值；Smmax为Pmmax所在行的像素值的标准偏差；Smmin为Pmmin所在行的像素值的标准偏差。

采用图1中所得到的轴向切片选取矩形感兴趣区域(ROI)，如图2所示。该ROI的4边应与像素行(列)平行，且仅包含模体中的PVC和PMMA区域，PVC和PMMA之间的过渡边缘应平行于ROI的上下2边，通过重新定位模体并重复采集图像，可以优化边缘的平行度。ROI上下2边宽度对应于模体中的宽度取10 mm(公差为1个像素)，位于PVC与PMMA区域里的垂直边每段至少应为3 mm。

图2 确定CNI的ROI的定位和边界的示例Fig.2 Example of location and boundary for determining ROI of CNI

CNI计算步骤为[9]：

(6)

(7)

5 均匀性

均匀性是CBCT扫描装置对均匀物质成像能力的度量[10]，其像素平均值不依赖于像素的位置。1幅医学图像要求不应扭曲被测物断面的任何几何特征，这就要求均匀的物质在图像上应有很好的均匀度。

将装有等效组织的、直径为16 cm的模体置于射线照射野中心，用常规成人条件扫描模体，其周围不应有影响射线束的物质[11]。在所扫描的图像里选取5个感兴趣区域，其中1个从中心区域选择，其他4个从中心区域等距离选择[12]，每个感兴趣区域面积约为图像面积的2%～3%，感兴趣区域的选取如图3所示。

图3 感兴趣区域的选择Fig.3 Selection of ROI

均匀性指标的计算采用文献[8]中所推荐的方法，按式(8)计算。

(8)

式中：Hz为中心区域像素平均值；Ho为上部区域像素平均值；Hl为左侧区域像素平均值；Hr为右侧区域像素平均值；Hu为下部区域像素平均值；HM为Hz、Ho、Hl、Hr、Hu的平均值。

6 结 论

依据本文的方法计算剂量面积乘积、空间分辨力、对比度噪声比指数、均匀性。所得结果应符合的性能指标为：1) 将测得的剂量面积乘积值归一化至视野16 cm2(即视野为4 cm×4 cm)下的剂量面积乘积值应不大于250 mGy·cm2；2) 调制传递函数(MTF)曲线上10%处的测量值应不小于1 LP/mm；3) CNI应小于20%；4) 均匀性指标应大于5。

对全国10家口腔医院(诊所)的口腔CBCT做了检测实验。除了Newtom VG带自动曝光条件,本文的设备剂量面积乘积方法不适用外；其它设备检测结果均符合要求。