CT值均勻性評價方法研究

楊克檉

（第三軍醫大學生物醫學工程學院，重慶400038）

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CT值均勻性評價方法研究

楊克檉

（第三軍醫大學生物醫學工程學院，重慶400038）

摘要：針對CT值均勻性傳統定義只考慮圖像的中心和外圍部分而不能全面反映整個視野（FOV）內CT值變化的缺點，提出一種改進的評價方法，以適應CT新技術質量保證檢測的需要。采用直徑為20cm的圓柱形水模，在GE Discovery CT750 HD掃描儀上選擇常用頭部協議進行軸向掃描。在水模圖像的3，6，9，12點鐘方向上距離中心0，4.0，8.0cm處取面積為1cm2的圓形感興趣區，分別計算CT值均值和標準差。定義其中最大、最小均值之差為CT值均勻性指數，最大標準差為噪聲指數；單能圖像序列中CT值均勻性指數最大值定義為該序列的CT值均勻性指數，噪聲指數最大值為該序列噪聲指數。結果表明：從FOV中心向外CT值并非單調變化，CT值均勻性評價新方法更加全面、客觀地評價整個FOV的圖像質量，并能反映雙能CT的不同探測器陣列對應圖像之間以及不同能級圖像序列之間的質量差異。

關鍵詞：計算機體層攝影；雙能；CT值均勻性；質量保證

0　引言

隨著技術的不斷發展，多排CT在臨床應用中逐漸成為主流。近年出現的多排雙能CT（dual-energy CT，DECT）能回顧性地重建一定范圍的模擬單能量X射線掃描所得的單能圖像，可實現物質的定量分析，為臨床提供更多的診斷信息，代表了CT發展的新階段[1-2]。另一方面，錐形X線束決定了探測器內外陣列（排）的探測效率的差異，非線性的迭代重建算法大幅降低了圖像噪聲水平，這些軟硬件技術變化使得傳統的圖像質量評價方法不能滿足要求，亟需建立一套新的評價方法體系[3]。其中，對于CT值均勻性的檢測和評價，現行質量保證（quality assurance，QA）指南和標準[4-6]的基本原理可簡單描述如下：在等中心的圓形掃描野內，球管產生的具有一定能譜范圍的復合能量X射線束發生的硬化效應和實際參與作用的探測器數量均呈圓周對稱，因此，均勻水模圖像的CT值在徑向上單調變化并呈圓周對策，即杯形偽影。但是在新技術條件下，單能圖像理論上消除了射束硬化效應，均勻水模圖像的CT值在徑向上不一定呈單調變化趨勢。這樣，傳統的評價方法就失去了理論依據[7]。關于DECT單能圖像CT值均勻性的評價、不同探測器陣列對應的圖像之間以及不同能級圖像之間CT值均勻性的比較分析，目前未見文獻報道。本研究的目的就在于提出CT值均勻性的評價新方法，以適應CT技術發展。

1　材料與方法

均勻圓柱形體模的外殼為厚約5mm的聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA），內徑20cm，其內注滿純水。

在GE Discovery CT750 HD掃描儀上，擺放水模使中心線與掃描中心線重合，采用常用頭部協議（GSI-26）進行軸向掃描，具體參數為：掃描野大小中等，射束準直寬度20 mm，探測器準直寬度16×1.25 mm，管電壓80/140 kVp，管電流630 mA，層厚和間距為1.25 mm，機架旋轉周期0.7 s，CTDIvol計算值35.58 mGy，標準重建算法STND，GSI ASiR選擇40%。

在GE AW4.6圖像后處理工作站上，分別重建40，50，…，140keV共11組單能圖像序列。在每個序列中選擇連續的16幅并依次編號，分別對應于依次排列的16層探測器（2排合并為1層），但是二者的確切對應關系未知，假定1號圖像對應于第5層探測器，則2號圖象對應于第6層探測器，依次類推。

對每一幅圖像均做如下分析：采用Matlab編寫程序，自動搜索體模的質心為中心，在3，6，9，12點鐘方向且徑向距離為0（中心），4.0（內環），8.0 cm（外環）處取面積為1 cm2（大約500個像素）的圓形感興趣區（region of interest，ROI），分別計算像素值（CT值）的均值BZ_31_1318_1355_1350_1417和標準差s。由于均勻圓柱形物體圖像的主要噪聲源是探測器所探測的X射線光子數量的隨機漲落即量子噪聲，所以CT值x服從正態分布。把9個ROI的BZ_31_1318_1355_1350_1417的最大值和最小值分別記為BZ_31_1318_1355_1350_1417max和BZ_31_1318_1355_1350_1417min，相應的標準差分別為s1和s2，則對應的CT值之差Δx服從正態分布N（BZ_31_1318_1355_1350_1417max-BZ_31_1318_1355_1350_1417min，s12+s22）。定義：圖像的均勻性指數U=BZ_31_1318_1355_1350_1417max-BZ_31_1318_1355_1350_1417min；噪聲指數N=smax，即9個ROI的CT值標準差之最大者；不同能級圖像序列的均勻性指數UE為16幅圖像的U值之最大者，噪聲指數NE為N值之最大者，如70keV圖像序列的均勻性指數和噪聲指數分別記為U70和N70。

采用SigmaStat V3.5智能統計分析軟件，對單能圖像序列的連續16副圖像的Δx比較進行單因素方差分析，對按新、舊定義計算所得CT值均勻性指數進行配對t檢驗。

2　結果

均勻體模的斷層圖像上的不同位置的9個圓形ROI的面積相同，但所包含的像素數略有不同，其CT值均值和標準差的計算值互有差異，如圖1所示。70keV能級序列16幅圖像的實驗數據如表1所示，其中BZ_31_1318_1355_1350_1417min對應的ROI都在外環，BZ_31_1318_1355_1350_1417max對應的ROI有13個在中心、3個在內環；smax對應的ROI有3個在中心、13個在內環。這說明，在顯示野（field of view，FOV）的中心向外同樣尺寸的ROI的CT值均值和標準差并非單調遞變的，而是波動變化的。當出現中心和外環ROI的CT均值無差異而與內環ROI的CT均值有明顯差異時，新定義較之傳統定義更能反映整個FOV的圖像質量差異。另一方面，沒有出現極值同處于內環或外環的現象也說明CT值均勻性符合圓周對稱規律。

按新定義計算所得70keV序列圖像的CT值均勻性指數U和噪聲指數N如圖2所示。16個Δx間均無顯著差異（P＞0.05），說明軸向掃描方式下不同層探測器所采集圖像之間的CT值均勻性的差別不大，可忽略不計。噪聲指數N的波動范圍小且無明顯規律，說明探測器之間無顯著差別。

CT值均勻性指數UE和噪聲指數NE隨能級的變化如圖3所示，二者變化趨勢基本一致。U60值最小，說明60keV能級圖像的CT值均勻性最高；N70最小，說明70keV能級圖像的噪聲水平最低。

圖1　70keV序列第2號圖像的3，6，9，12點鐘方向徑向距離分別為0，4.0，8.0cm處面積1cm2的9個ROI

表1　70keV圖像序列不同位置ROI的CT值x和Δx1）

圖2　70keV圖像序列的CT值均勻性指數U和噪聲指數N

圖3　CT值均勻性指數UE和噪聲指數NE隨能級的變化

3　討論

CT值從中心向外并非單調變化的實驗結果表明，評價均勻性只考慮圖像的中心與外環是不夠的。按照現行QA檢測指南和標準，CT值均勻性指數測量值偏低，尤其是對于DECT的較高和較低能級圖像，可能導致“假陰性”判斷。比如，50keV圖像序列中，BZ_31_1318_1355_1350_1417max對應的的ROI中有15個在內環、1個在中心，BZ_31_1318_1355_1350_1417min對應的的ROI中有9個在中心、3個在內環、4個在外環，CT值均勻性按新、舊定義計算的結果如圖4所示，后者顯著低于前者（P＜0.001）。其中，與相鄰圖像比較，第8號圖像的CT值均勻性指數按新、舊定義在局部分別形成峰值和谷值，根本原因就在于CT值從FOV的中心向外并非單調變化。特殊情況下，即當中心與外環ROI的CT值均值相等時，按傳統定義的CT值均勻性指數將等于0，從而得出圖象完全均勻的結論，顯然是不符合實際的。類似地，現行QA檢測指南對圖像噪聲的定義實際上可理解為“均勻水模圖像中心位置的噪聲”，檢測結果同樣偏低。

圖4　50keV圖像序列按傳統定義和新定義計算的CT值均勻性比較

CT值均勻性定義距今已經20多年，適合當時主流的單排探測器CT技術[4]。探測器排數的增加有利于掃描速度提高，但是從中間向兩側X射線束與被掃描物體的中心線形成的夾角從90°逐漸減小，導致探測效率逐漸降低，對應的圖像質量下降，甚至出現幾何畸變，所以探測器排數并非越多越好[8]。圖2所示新評價方法直觀地反映了16層探測器對應圖像之間CT值均勻性和噪聲的細微差別，而現行QA指南和標準只是隨機地評價其中某一層圖像，檢測結果的意義并不明確，重復性低。值得注意的是，當選擇螺旋掃描方式時，重建圖像基于所有投影數據的插值運算，所以不能體現各層探測器之間的差別。

對于DECT單能圖像的CT值均勻性和噪聲隨能級變化趨勢（即能譜曲線）基本一致的現象，可作如下解釋：噪聲指數大，即圖像局部（即ROI）CT值隨機漲落幅度大，擴展至整個圖像造成CT值均勻性下降。從CT值能譜曲線（見圖5）也可以看出，中心、內環和外環3個ROI之間CT值均值的差別在大約55keV時最小，向兩側逐漸增大；誤差限在大約70 keV時最小，向兩側逐漸增大。進一步的實驗如果證實CT值均勻性指數能譜曲線與噪聲指數能譜曲線的一致性，在QA檢測中可省略前者。圖5同時也直觀地證明，CT值沿著徑向上的變化幅度大于圓周方向，近似呈圓周對稱。

不同CT生產廠家在質量控制程序中對ROI形狀和大小有不同的規定，比如西門子公司統一采用20mm×20mm的小方形[9]。有研究報道把圓形ROI的直徑設為FOV的1/5，也有研究選擇面積為1cm2的圓形ROI[10-11]。顯然，檢測結果會隨著ROI大小不同而不同，其面積越大則CT值均勻性指數越小。合理的選擇應考慮臨床應用中所能顯示的病灶尺寸，這有待進一步的研究。

實驗采用軟件編程實現ROI位置和尺寸的自動選擇，消除了主觀因素，有利于提高檢測結果的可靠性。

研究工作存在一些不足，需進一步優化。首先，實驗采用的掃描協議實際上只用了一半的探測器排數，如果選擇64×0.625mm則可比較所有探測器陣列之間的差異。其次，沒有分析ROI的位置和數量對檢測結果的影響，比如當圓周方位角從4變成8、徑向數量由3變成4時，則ROI總數由9變成25，CT值均勻性指數和噪聲指數的計算值是否有顯著變化。最后，受檢設備只有一臺，檢測和評價方法有待進一步的實驗驗證。

圖5　CT值能譜曲線

4　結束語

為適應CT技術發展，本文針對目前CT值均勻性檢測方法存在的問題提出了一種改進的評價方法，修正了定義，實驗證明能更全面、客觀地評價斷層圖像整個FOV內CT值的變化，并且能反映不同探測器陣列之間以及DECT不同能級圖像序列之間的質量差異。

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（編輯：李剛）

A modified evaluation method for CT value uniformity

YANG Kecheng
（School of Biomedical Engineering，Third Military Medical University，Chongqing 400038，China）

Abstract:In current quality assurance（QA）testing guidelines and standards，CT value uniformity （CTVU）is defined only based on image centers and peripheries; instead，the variation in CT value can not be fully reflected within the whole field of view. To solve this problem，a modified method was proposed to meet the QA testing needs of new CT scanners. A 20 cm-diameter water equivalent plastic cylindrical phantom filled with pure water was scanned in a step-and-shot way with a routine dual-energy head protocol（GSI-26）on a GE Discovery CT750 HD scanner. Images were analyzed with a customer designed MATLAB program. Nine circular ROIs（1 cm2）were selected at the spots that were 0 cm，4.0 cm and 8.0 cm away from the centroid at 3，6，9，12 o’clock positions to calculate the CT mean value and standard deviations. The differences between the maximum and minimum mean value were defined as CTVU indexes; the maximal SD was defined as noise figure; the maximal CTVU index and noise index in virtual monochromatic image sequence were defined as CTVU index and noise index respectively. Experimental results show that the modified evaluation method reflects not only the CT value variation within the whole field of view in a comprehensive and objective manner，but also the quality differences between different images scanned by different detector slices and virtual monochromatic image sequences of dual-energy CT.

Keywords:computed tomography（CT）；dual energy；CT value uniformity；quality assurance

作者簡介：楊克檉（1971-），男，福建閩清縣人，講師，博士，主要從事醫學物理學教學和科研工作。

基金項目：全軍醫學科技“十二五”重點課題（BWS11J015）

收稿日期：2015-05-02；收到修改稿日期：2015-07-20

doi：10.11857/j.issn.1674-5124.2016.01.002

文獻標志碼：A

文章編號：1674-5124（2016）01-0007-05