X射線影像對比度細節體模的設計

鄢 鈴，林 滔

（中國測試技術研究院，四川 成都 610021）

0 引 言

近年，一種符合美國醫學物理師協會（AAPM）和IEC要求的對比度細節影像質量體模，被推薦用于對X射線攝影系統的影像質量的檢定檢測。隨著日益先進的數字攝影（CR）、數字成像（DR）及數字減影（DSA）等X射線攝影設備的發展，對其性能的監測也提出了更高的要求。在很多檢定規程等法規中加進了對設備的最終結果-影像質量的硬性要求，在強調保證設備安全的同時，也強調了設備的有效性。同X射線攝影設備與生俱來的性能檢測設備也是如影隨形地迅速發展，其中影像質量對比度細節檢驗體模就是一個突出的研究成果。除了安全，醫生最關心的就是圖像質量，圖像質量中最重要的指標就是對比度和分辨力。影像質量檢驗體模可以對這兩個指標進行精確的量化和評價。

它是由荷蘭Nijmegen大學醫院醫學物理科首先設計的[1-2]，一些知名的公司已在生產。我國王鵬程、趙嵩、宋少娟、劉瀾濤等[3-9]人在不同X射線攝影系統影像質量的比較研究、曝光技術參數的優化等方面成功使用了這種體模。衛生部、江蘇省等[10]也在CR/DR系統檢定規程中加進了使用對比度細節體模檢定影像質量的要求。對影像質量的定量要求已經引起了職能部門和醫生的高度重視，使用對比度細節體模對影像質量對比度和分辨力的檢定勢在必行。

該體模的設計和制作參考了AAPM和IEC的要求。文章對設計原理、體模材料、體模大小、指標要求及體模應用進行了敘述。

1 體模材料

體模材料采用聚甲基丙烯酸甲脂有機玻璃板。

診斷用X射線平均能量一般在40～100 kev范圍，在這個范圍內，人軟組織的X射線減弱系數在0.2340～0.1660，而有機玻璃在 0.2595～0.1687，兩者是很接近的，即對X射線的吸收減弱特性較為等效。前者密度為1.05，后者為1.18，兩者也很接近。有機玻璃材料易購易得，為穩定固體，結實均勻，而且便于加工。所以，在放射醫學的研究中，很多情況采用了有機玻璃代替人軟組織或體模材料。

2 對比度-細節的設計

影像質量最重要的指標是對比度和空間分辨力，兩者都由影像上的光密度差異來表示的。光密度差異是由透過患者的曝光劑量的差異產生的，透過的曝光劑量的差異又是由體層厚度的差異引起的。透過的曝光劑量的差異是隨體層厚度的增加呈指數形式變化。所以，影像上的光密度差異也隨體層厚度呈指數形式變化。

根據上面原理，體模參照物的厚度及大小，就本體模而言，就是有機玻璃板上的孔的深度及大小也當按指數形式變化。

在一塊厚度均勻的有機玻璃板上，用同一鉆頭鉆上深度不同的孔，得到不同厚度的孔底，就得到不同的對比度參照物；又對同一厚度，鉆成不同直徑的孔，就得到不同大小空間的參照物。為了在一塊大小適中使用方便的有機玻璃板上得到對比度和細節數值范圍較寬的不同的孔，通常也采用對比度細節孔的深度和大小以指數函數形式分布的辦法來設計。為了行文方便，以后就把深度叫成對比度，而把孔的大小叫成細節，兩者合起來就叫對比度細節。指數函數形式為

式中：Y——孔深度（對比度）值或孔直徑（細節）值，mm；

A——曲線系數；

B——指數系數；

X——橫或列的編號。

圖1 QC-CD1.0型對比度—細節體模孔的分布

該體摸采用266 mm×266 mm×10 mm的方形有機玻璃板。在上面設計了15列×15行225個方格，每個方格都鉆了孔。在上面3行的方格中，只在中心鉆一個孔。其他12行中除中心鉆孔外，還在四角隨機鉆了一個與中心相同的孔。一共有225種深度和直徑的孔（圖1），這些孔就代表了有225個對比度細節。

列和橫的編號都是等距離的，圖中大小不同的黑圓點就代表所鉆的孔，但是，孔的深度或孔的直徑隨編號呈指數函數分布（圖2）。

圖2 孔的直徑或深度隨其編號呈指數分布

對于孔的深度、大小、分布及加工可行性做如下考慮：

該體模把孔深度最大設計成8 mm，其孔底厚2 mm，同10mm相比有8mm的差異，在適當的孔徑下，這是很容易分辨出來的；把孔直徑也最大設計成8mm，在適當厚度下，也是很容易分辨出來的。為了在接近臨界分辨處精確地找到分辨識別的位置，在該處前后的孔深度值或孔徑值附近設計分布細密一點；容易分辨的范圍，孔分布稀疏一點，這樣，體模就可以做成便于使用的大小。將孔深度和孔直徑最小設計成0.3mm。于是曲線系數A=0.2465，指數系數 B=0.2323，式（1）就成為

根據上面的考慮和式（2）來計劃圓孔的深度和直徑：孔深度（mm）的范圍和分布設計為0.3，0.4，0.5，0.6，1.0，1.3，1.6，2.0，2.5，3.2，4.0，5.0，6.3 和 8.0。孔徑（mm）也設計為 0.3，0.4，0.5，0.6，1.0，1.3，1.6，2.0，2.5，3.2，4.0，5.0，6.3 和 8.0。

0.3 ～8.0mm范圍，其造成的光密度差異包含了診斷需要的范圍。

在圖1中，同一行，孔徑相同，深度不同；同一列深度相同，孔徑不同。12行以下的方格四角隨機打孔，且要求只辨認這些孔而不認中心孔，目的是為了避免憑印象認孔。

3 影像質量的量化表示

影像質量對比度及空間分辨力的量化表示有影像質量指數、影像質量指數倒數百分率和正確識別率3種方法。

3.1 影像質量指數（IQF）的定義

在放射學中，是成像鏈反映被成像體的物理特征的量化表示。具體到該體模而言，是最終的圖像顯示每列中最小細節（直徑）的孔的深度與直徑乘積的和，即

式中：i——1，2，3，…，15；

Ci——第i行看到的該閾值孔的深度，mm；

Dith——第i行看到的閾值孔的直徑，mm。下腳標th是英語閾值（threshold）的縮寫。

體模板上有15列，就有15個閾值孔，每一個孔有一個Ci·Dith的乘積，15個乘積相加即為IQF，也稱為閾值對比度。

用式（3）的計算值來敘述IQF與影像質量的關系時，IQF值越小，影像質量越高，兩者關系趨向相反。

3.2 影像質量指數倒數百分率

也有用它的倒數乘以100%的方法表示的，表示式為

這時，IQFinν值越高，影像質量也越高，兩者關系趨向一致。

3.3 正確識別率

正確識別率表示式為

在式（5）中，正確識別的小孔數，是指除了上面3行是識別方格的中心孔外，其他的只正確識別方格的非中心孔。該體模的方格總數為225個。上面3行方格的中心孔加上其他方格的非中心孔，也是225個，如果全部顯示且被正確識別，則正確識別率為100%。

用正確識別率來敘述影像質量時，識別率越高，影像質量越高。

不管用哪一種方法，都涉及到孔的深度和直徑，所以，都是病灶密度和大小的綜合定量表示。也是對常說的對比度和空間分辨率的綜合定量描述。

4 體模的應用

4.1 比較不同屏-片組合系統的圖像質量

不同屏片組合，圖像質量往往有很大差別，通過體模實驗可以選擇曝光劑量最低而影像質量最好的組合。

4.2 確定最佳的曝光技術參數

隨著生活水平的提高，保健意識的增強，X射線檢查的頻度也不斷增加。這就要求X射線攝影技術要以最低的曝光劑量，得到最高質量的影像圖片，減少公眾由于X射線檢查的頻度增加帶來的劑量增加。

目前日益先進的數字攝影（CR）、數字成像（DR）及數字減影（DSA）等X射線攝影技術，在精心策劃下，可以達到這個要求。

這種策劃，可以用對比度細節體模加以實現。實驗可以看到，當圖像清晰度達到一定水平后，再增加曝光劑量，圖像清晰度也不會再增加；反之，在保證等圖像清晰度情況下，可以盡量減低曝光劑量。

4.3 監測X射線系統是否老化

通過體模影像質量的檢查，可以監測X射線系統（例如X射線管）是否老化。如果已開始老化，要達到同樣水平的影像質量，就必須提高曝光劑量。體模可以代替人體做X射線系統超期服役實驗以最終決定是否更換設備。

4.4 比較不同體厚目標的圖像質量

為了模擬不同的患者體厚，通常添加不同厚度的有機玻璃板來實現。推薦把體模夾在中間，上下使用相同的數量的有機玻璃板。可以比較不同體厚圖像質量的差異；對同一體厚圖像質量，可以選擇一致的優化攝影參數。

4.5 檢驗不同厚度的過濾對圖像質量的影響

不同厚度的過濾對圖像質量有很大的影響。過濾太厚，透過劑量小，對比度細節不容易顯示；過濾太薄，散射影響大，圖像清晰度變差。用體模實驗可以優化過濾厚度與影像質量的關系。

4.6 檢驗不同觀察者對圖像質量的感知能力

在合格的觀片燈、合格的觀片環境下，不同觀察者因視力、精神狀態等不同原因，對圖像顯示的感知能力也不同。對CR/DR、DSA系統而言，即使把窗寬窗位調到最佳，不同觀察者的感知能力也有差異。用體模實驗，可以用量化辦法檢驗這種感知能力的差異程度。

4.7 為量化影像質量系數提供客觀標準

影像設備檢定部門用體模影像可以量化的特點，制定對影像設備的對比度指標的量化要求。

4.8 通過體模影像質量的檢查，可以監測X射線系統質量控制

醫院質監中心用體模影像可以量化的特點，對X射線攝影系統進行質量控制。

5 結束語

該體摸的設計原理清楚，指標設計合理，數學表達方式明確，對比度范圍包含了X射線影像診斷要求的范圍。應用范圍廣，它不但適合于CR/DR、DSA影像質量的評價，也適用于傳統的膠片影像及乳腺攝影影像的評估，為X射線攝影影像質量的客觀評價提供了很有價值的方法。

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