殷旭君 李富華 王 新 侯 娟 劉中凱

[文章編號] 1672-8270(2017)05-0014-05 [中圖分類號] R812 [文獻(xiàn)標(biāo)識碼] A

大孔徑CT圖像質(zhì)量保證的自動化方法研究

殷旭君①李富華②王 新①侯 娟①劉中凱①

[文章編號] 1672-8270(2017)05-0014-05 [中圖分類號] R812 [文獻(xiàn)標(biāo)識碼] A

目的：對Philips大孔徑CT由系統(tǒng)模體自動化掃描的圖像質(zhì)量數(shù)據(jù)與Catphan 504模體手動掃描的數(shù)據(jù)進(jìn)行對比分析，探討圖像質(zhì)量保證自動化實現(xiàn)的可行性。方法：對2種模體以Philips內(nèi)置條件掃描，并對Catphan 504模體增加一組標(biāo)準(zhǔn)條件掃描，分析圖像的CT值、均勻性、噪聲、高分辨率、低分辨率以及層厚等數(shù)據(jù)之間的差異，并比較時間效率。結(jié)果：以內(nèi)置條件掃描2個模體的CT值為1.53 HU和17.00 HU；均勻性為-0.7 HU和-1.7 HU；噪聲為0.61%和0.55%；高分辨率為5.4 lp/cm和6.0 lp/cm；低分辨率(0.3%)為4.6 mm和5.0 mm；層厚(1.5 mm)為1.74 mm和1.45 mm。標(biāo)準(zhǔn)掃描條件下Catphan 504的CT值為16.30 HU，均勻性為-1.3 HU，噪聲為0.33%，高分辨率為6 lp/cm，低分辨率(1%)為2.0 mm，層厚(9.0 mm)為8.63 mm。除CT值有較大差異外，其他結(jié)果均滿足廠商驗收標(biāo)準(zhǔn)或國家標(biāo)準(zhǔn)。兩種模體掃描分析所需時間分別為9 min和45 min。結(jié)論：Philips CT自動掃描分析結(jié)果能夠滿足臨床對CT圖像質(zhì)量保證的要求，并極大縮短掃描數(shù)據(jù)分析所需時間，為臨床物理師提供方便快捷的質(zhì)量控制和質(zhì)量保證工具。

CT模擬機(jī)；大孔徑CT；質(zhì)量保證；質(zhì)量控制

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

CT模擬機(jī)是腫瘤精確放射治療過程中必不可少的設(shè)備之一，其圖像質(zhì)量的好壞對醫(yī)生確定腫瘤靶區(qū)(gross target volume，GTV)位置有著重要的意義。放射治療物理師根據(jù)獲取的CT圖像在治療計劃系統(tǒng)(treatment planning system，TPS)中為患者設(shè)計治療方案，而治療方案的劑量準(zhǔn)確性又與圖像質(zhì)量息息相關(guān)。祁振宇等[1]通過研究發(fā)現(xiàn)，圖像CT值的差異會直接影響治療計劃的準(zhǔn)確性，從而最終影響放射治療質(zhì)量。CT模擬定位是腫瘤放射治療的第一步，也是重要的一步，在臨床工作中對CT模擬機(jī)進(jìn)行質(zhì)量控制(quality control，QC)和質(zhì)量保證(quality assurance，QA)就顯得很重要[2]。

由于CT模擬機(jī)的圖像質(zhì)量保證需要用到專業(yè)的第三方模體，對掃描數(shù)據(jù)的分析需要大量的手工計算處理，同時還需要有經(jīng)驗的物理師對結(jié)果進(jìn)行主觀評價，并且要求物理師對相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要非常熟悉，所以實際實施起來比較費時費力?；诖耍狙芯繎?yīng)用Philips廠商自帶系統(tǒng)模體(System phantom)及內(nèi)置自動化掃描程序，探討一種能夠滿足臨床QA要求的快速便捷的檢測方法。

1 材料與方法

1.1 儀器設(shè)備

采用PhilipsBig-bore系列16排大孔徑CT(荷蘭飛利浦)，其孔徑為85 cm，有效掃描孔徑為60 cm。Philips廠商隨機(jī)自帶檢測模體(System phantom)。該模體分為頭部和體部模塊，直徑分別為25 cm和30 cm，內(nèi)部含注入的蒸餾水。其中頭部模塊中分別有5種CT密度值的插件，高分辨率檢查插件，低對比度檢查插件以及層厚檢查插件；體部模塊中含有3種不同CT密度值的插件。

Catphan 504模體由4組模塊組成，分別為CTP528模塊，用于檢測高對比度參數(shù)；CTP404模塊，用于檢測CT密度值線性及層厚參數(shù)；CTP515模塊，用于檢測低對比度參數(shù)；CTP486模塊，用于檢測圖像平均CT值，均勻性及噪聲等參數(shù)。

1.2 檢測方法

1.2.1 模體固定

分別將Philips系統(tǒng)模體和Catphan 504模體固定在CT床面上，水平尺找平并用CT內(nèi)置激光燈將模體移動至掃描中心，如圖1、圖2所示。

圖1 Philips系統(tǒng)模體

圖2 Catphan 504模體

1.2.2 掃描條件

Philips系統(tǒng)模體由自帶程序執(zhí)行自動掃描和自動進(jìn)床；Catphan 504模體則需要手動輸入掃描條件，并分別進(jìn)床掃描CTP528模塊、CTP404模塊、CTP515模塊以及CTP486模塊。內(nèi)置掃描條件由系統(tǒng)自帶，不同圖像質(zhì)量參數(shù)的掃描條件不同。具體掃描參數(shù)設(shè)置見表1。

表1 CT掃描參數(shù)設(shè)置

1.2.3 CT值測試

在獲取的圖像中心選取相當(dāng)于10%模體直徑大小的感興趣區(qū)(region of interest，ROI)，測量該ROI的平均CT值，如圖3所示。

圖3 CT值測量示圖

1.2.4 圖像均勻性測試

在獲取圖像的中心區(qū)域，上下、左右距離模體邊緣10 mm的4個區(qū)域，選取相當(dāng)于10%模體直徑大小的ROI分別測量其平均CT值，如圖4所示。將圖像中心ROI的平均CTC值與周圍4個ROI的平均CTP值的最大差作為圖像均勻性(U)的評價指標(biāo)，其計算為公式1：

式中CTC為為模體中心區(qū)域的平均CT值；CTP為模體四周區(qū)域的平均CT值。

圖4 圖像均勻性測量示圖

1.2.5 圖像噪聲測試

在獲取圖像的中心區(qū)域選取相當(dāng)于40%模體直徑大小的ROI，測量CT值的標(biāo)準(zhǔn)差(standard deviation，SD)，如圖5所示。噪聲水平(H)計算為公式2：

1.2.6 高分辨率測試

(1)直接觀察法。將圖像的窗寬調(diào)至最小，然后調(diào)節(jié)窗位使得圖像中的線隊能顯示到最高級別，如圖6所示。

(2)調(diào)制傳遞函數(shù)(modulation transfer function，MTF)法。Philips系統(tǒng)模體中測量高分辨率是通過掃描模體中0.18 mm的銅絲得到MTF曲線，然后獲取曲線上50%和10%處的值作為高分辨率評價指標(biāo)。

1.2.7 低分辨率測試

(1)直接觀察法。在獲取圖像中，分別在低分辨率插件和背景中各選一個ROI，測得插件平均值(CTM)和標(biāo)準(zhǔn)差，以及背景平均值(CTB)和標(biāo)準(zhǔn)差。選出所測得標(biāo)準(zhǔn)差中的最大值SDmax，最佳窗位(WL)計算為公式3：

最佳窗寬(WW)計算為公式4：

調(diào)節(jié)至最佳窗寬窗位后，觀察記錄肉眼可見的最小插件孔徑(如圖7所示)。

圖7 圖像低分辨率測量示圖

(2)統(tǒng)計分析法。Philips系統(tǒng)模體中，測量低分辨率是通過掃描均勻水模體，然后用統(tǒng)計學(xué)的方法計算得出。

1.2.8 層厚測試

在獲取圖像中將窗寬調(diào)至最小，慢慢改變窗位大小直至層厚插件剛好消失，記錄此時的CTmax值，然后測量層厚插件周圍的背景CTB值，則測量層厚的窗位值(WLmeasure)，其計算為公式5：最終層厚(SW)計算為公式6：

在該窗位下分別測量插件的長度并取平均值(L)，如圖8所示。

圖8 圖像層厚測量示圖

1.2.9 完成時間

從擺位模體開始計時，掃描并得到所有圖像質(zhì)量分析結(jié)果后計時結(jié)束，統(tǒng)計整個過程所需要的時間。

2 結(jié)果

2.1 掃描相關(guān)評價指標(biāo)

在Philips系統(tǒng)內(nèi)置條件下掃描System phantom和Catphan 504的CT值分別為1.53 HU和17 HU；均勻性分別為-0.7 HU和-1.7 HU；噪聲分別為0.61%和0.55%；高分辨率分別為5.4 lp/cm和5 lp/cm；低分辨率為4.6 mm和5 mm；層厚分別為1.74 mm和1.45 mm。除了CT值因模體材料不同有明顯差別，其他參數(shù)均有很好的一致性，符合Philips廠商驗收標(biāo)準(zhǔn)。其中在均勻性、低分辨率System phantom的掃描結(jié)果要稍優(yōu)于Catphan 504的掃描結(jié)果；而在噪聲、高分辨率及層厚方面Catphan 504掃描結(jié)果要稍優(yōu)于System phantom的掃描結(jié)果。

表2 標(biāo)準(zhǔn)掃描條件和內(nèi)置掃描條件下CT圖像質(zhì)量的測量結(jié)果

在標(biāo)準(zhǔn)掃描條件下，Catphan 504模體的CT值為16.3 HU，均勻性為-1.3 HU，噪聲為0.33%，高分辨率為6 lp/cm，低分辨率為2 mm，層厚為8.63 mm。CT值在模體廠商給出的標(biāo)準(zhǔn)范圍值內(nèi)，其他掃描結(jié)果均滿足國際標(biāo)準(zhǔn)的要求。所有掃描結(jié)果及相關(guān)評價指標(biāo)見表2。

2.2 掃描時間

從模體擺位開始計時，用System phantom自動掃描分析所花費的總時間約9 min，用Catphan 504掃描分析所花費的總時間在45 min左右。

3 討論

目前，對于CT模擬機(jī)的質(zhì)量保證和質(zhì)量控制的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)主要參考診斷用CT的標(biāo)準(zhǔn)，如國家標(biāo)準(zhǔn)GB17589-2011[3]和GB19042.5-2006[4]以及劑量檢定規(guī)程JJG1026-2007[5]。美國醫(yī)學(xué)物理師協(xié)會(american association of physicist in medicine，AAPM)第83號報告[6]給出了較為詳細(xì)的CT模擬機(jī)的質(zhì)量保證和質(zhì)量控制規(guī)范。夏勛榮[7]總結(jié)研究了CT模擬機(jī)的質(zhì)量控制方法，并詳細(xì)的測試了管電壓、管電流、層厚及圖像過濾方法等因素對于圖像質(zhì)量的影響，指出在不同掃描條件下圖像質(zhì)量評價的指標(biāo)是不同的。Gulliksrud等[8]用相同掃描條件對不同批次的同型號模體進(jìn)行掃描，指出由于模體內(nèi)物質(zhì)差異，即使相同型號的模體在評價CT值和低對比度這2項指標(biāo)時也存在不同，對1臺CT長期進(jìn)行質(zhì)量控制和質(zhì)量保證時應(yīng)該指明掃描條件，指定檢測的模體。

本研究中CT值檢測這一項，在相同掃描條件下由于模體物質(zhì)的差異，CT值出現(xiàn)了較大不同，如Catphan 504掃描的CT值就必須按照模體手冊給出的參考范圍去評價，平均CT值≤20 HU，標(biāo)準(zhǔn)條件下典型CT值應(yīng)該為5～18 HU。在噪聲檢測這一項，由于層厚的設(shè)置不同在其他掃描條件相同的情況下Catphan 504掃描結(jié)果也有很大的差異，層厚越大噪聲越小。對于高分辨率和低分辨率的檢測，Philips自帶的程序分別使用了調(diào)制傳遞函數(shù)MTF法和統(tǒng)計學(xué)方法去評估，這2種方法是一種比較客觀的定量的分析方法，最大限度排出了人為主觀因素造成的誤差，其結(jié)果更可靠，重復(fù)性也更好[9-16]。然而，Philips自動掃描分析的方法也有不足，如在均勻性、低分辨率及圖像層厚的掃描條件中，使用了臨床不常用的管電流和過濾算法，不能直觀的反應(yīng)CT模擬機(jī)臨床實際的表現(xiàn)情況。但本研究認(rèn)為，從CT模擬機(jī)圖像質(zhì)量保證的實際意義出發(fā)，周期性監(jiān)測設(shè)備各項參數(shù)的穩(wěn)定性才是關(guān)注的重點，醫(yī)院應(yīng)根據(jù)自身情況建立適用于設(shè)備的基線值。

4 結(jié)語

在科室不需要額外配置專業(yè)的第三方模體的情況下，利用Philips自帶系統(tǒng)模體及自動掃描程序，一般初級物理師就能夠簡單、快速、準(zhǔn)確及客觀的對CT模擬機(jī)圖像質(zhì)量進(jìn)行檢測分析，可滿足臨床對圖像質(zhì)量保證的需求。該過程所需的時間僅為Catphan 504模體掃描分析所花時間的五分之一。在完成自動掃描后系統(tǒng)立即給出分析報告并存檔，物理師能夠即時了解到設(shè)備圖像質(zhì)量的穩(wěn)定性情況，同時存檔的數(shù)據(jù)也為監(jiān)測設(shè)備長期的穩(wěn)定性提供了很好的依據(jù)。

[1]祁振宇，黃劭敏，鄧小武.放療計劃CT值的校準(zhǔn)檢測及其影響因素分析[J].癌癥，2006，25(1)：110-114.

[2]鄧小武，黃劭敏，祁振宇.CT模擬機(jī)的質(zhì)量控制和質(zhì)量保證檢驗[J].中國腫瘤，2004，13(9)：546-550.

[3]中華人民共和國國家質(zhì)量監(jiān)督檢查檢疫總局，中國國家標(biāo)準(zhǔn)化管理委員會.GB/T 19042.5-2006醫(yī)用成像部門的評價及例行試驗第3-5部分：X射線計算機(jī)體層攝影設(shè)備成像性能驗收測試[S].北京：中國國家標(biāo)準(zhǔn)化管理委員會，2006.

[4]中華人民共和國衛(wèi)生部，中國國家標(biāo)準(zhǔn)化管理委員會.GB 17589-2011X射線計算機(jī)斷層攝影裝置質(zhì)量保證檢測規(guī)范[S].北京：中國國家標(biāo)準(zhǔn)化管理委員會，2011.

[5]國家質(zhì)量監(jiān)督檢驗檢疫總局.JJG1026-2007醫(yī)用診斷螺旋計算機(jī)斷層攝影裝置X射線輻射源檢定規(guī)程[S].北京：全國電離輻射計量技術(shù)委員會，2007.

[6]Mutic S，Palta JR，Butker EK，et al.Quality assurance for computed-tomography simulators and the computed-tomography-simulation process：report of the AAPM Radiation Therapy Committee Task Group No.66[J].Med Phys，2003，30(10)：2762-2792.

[7]夏勛榮.CT模擬機(jī)的質(zhì)量控制方法研究[D].北京：清華大學(xué)，2012.

[8]Gulliksrud K，Stokke C，Martinsen AC.How to measure CT image quality：Variations in CT-numbers，uniformity and low contrast resolution for a CT quality assurance phantom[J].Phys Med，2014，30(4)：521-526.

[9]余曉鍔，占杰，李萍，等.統(tǒng)計學(xué)方法在CT低對比度分辨力自動檢測中的應(yīng)用[J].第四軍醫(yī)大學(xué)學(xué)報，2006，27(11)：978-979.

[10]Villa R，Spadavecchia C，Radice A，et al.B.Low contrast detectability assessment through a statistical method：Homemade software anddedicated phantom[J].Phys Med，2016，32：96.

[11]余曉鍔，王致遠(yuǎn)，洪德明.多層面CT機(jī)的性能自動測試及評估[J].中國醫(yī)學(xué)影像技術(shù)，2002，18(1)：87-89.

[12]楊克檉，林木炎，林意群，等.CT低對比度分辨力性能檢測體模分析[J].中國醫(yī)學(xué)物理學(xué)雜志，2002，19(1)：24-25.

[13]張婷婷，白玫，吳天棋，等.量化統(tǒng)計法在CT圖像低分辨率測量中的應(yīng)用[J].中國醫(yī)學(xué)裝備，2016，13(2)：1-4.

[14]Verdun FR，Racine D，Ott JG，et al.Image quality in CT：From physical measurements to model observers[J].Phys Med，2015，31(8)：823-843.

[15]Mansour Z，Mokhtar A，Sarhan A，et al.Quality control of CT image using American College of Radiology(ACR)phantom[J].The Egyptian Journal of Radiology and Nuclear Medicine，2016，47(4)：1665-1671.

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- ),本科學(xué)歷，技師。北京大學(xué)人民醫(yī)院放療科，從事放射物理工作。

2016-12-01

10.3969/J.ISSN.1672-8270.2017.05.005

①北京大學(xué)人民醫(yī)院放療科 北京 100044

②香河縣人民醫(yī)院放射科 河北 廊坊 065400