CT系統高級掃描方式的圖像質量測量方法*

周錫明 王禹鑫 張 弛 任 燁 蔡 彪

醫用X射線計算機斷層掃描(X-ray computed tomography,CT)系統從20世紀70年代發明至今,經歷了多個快速發展的階段,從單排步進式頭部專用CT進化為多排螺旋全身CT,掃描時間從數分鐘進化到數秒鐘[1].CT的硬件包括球管、探測器、動力系統、控制系統、數據傳輸和重建等均有了巨大的技術進步,其算法和軟件也在不停的發展之中.重建算法經歷了代數重建技術(algebraic reconstruction technique,ART)、濾波反投影(filter back projection,FBP)算法和迭代重建(iterative reconstruction,IR)算法,到目前的人工智能(artificial intelligence,AI)重建算法[2-4].掃描方式上也有多種創新發明,從最初的單排步進軸掃方式,發展到現在的大錐束螺旋、心臟門控掃描及雙能掃描等[5].在數據處理的算法上,也針對不同的圖像偽影的成因,發展了各種偽影消除算法,包括骨偽影、散射偽影、金屬偽影以及低信號偽影校正算法等等[6-7].然而,CT圖像質量和系統性能的評定標準卻相對更新緩慢.

目前,國家標準"X射線計算機體層攝影設備通用技術條件"(YY/T 0310-2015)[8]中的圖像質量測定方法只是針對CT掃描系統的基本圖像參數進行了定義,并未針對CT掃描中的高級功能進行圖像質量的評估.在國家標準"X射線計算機體層攝影設備通用技術條件"中,對圖像質量檢測部分中推薦的模體,包括業界廣泛使用的Catphan模體均為圓柱體,無法用于評估CT掃描系統中自動曝光控制(automatic exposure control,AEC)的有效性.對于低劑量掃描,目前的研究多集中在對圖像質量評價的方法上,而使用的模體大都屬于小型模體[9].在CT的輻射劑量低到一定程度后,圖像中會出現光子不足偽影,因此小型模體并不能模擬CT系統在低劑量下掃描患者的真實情況.為此,本研究針對AEC、低劑量和雙能掃描的3個高級掃描方式設計一種橢圓模體,為CT用戶和監管部門對CT系統的高級掃描方式的性能評估提供參考.

1 CT系統高級掃描技術

1.1 CT掃描系統AEC

AEC是針對患者的體型,在掃描過程中動態改變曝光電流的一種技術.如果被掃描部位是類似于橢圓形狀,如肩膀或者胯部,在最終的圖像噪聲中,來自于長軸方向的掃描數據中的噪聲將會成為主要來源.被掃描物體在病床移動方向上(Z軸方向)具有較大的尺寸變化,當頭頸部或胸腹部連續掃描時,如果球管的曝光電流保持恒定,則在Z軸方向上圖像的噪聲將出現較大的不均勻性.AEC是根據被掃描物體形狀(一般通過定位像來估計)來計算出在各個方向上的衰減長度,然后根據長度來決定對應方向上的電流強度.在衰減長度大的方向增加電流強度;相反再衰減長度小的方向降低電流強度.

1.2 低劑量掃描

CT等醫療放射成像設備目前已經成為公眾受到的輻射的主要來源,約有50%的輻射劑量來自于醫療成像設備,并且有逐年上升的趨勢[10].醫療成像設備對于臨床診斷具有其他設備無法替代的意義,因此在醫院診療中,尤其在兒科中,影像設備中盡可能的低劑量原則(as low as reasonably achievable,ALARA)的概念也越來越受到重視[11].隨著新的圖像重建技術的出現,包括AI在醫療診斷上的進展,在肺部篩查等特殊的應用領域中超低劑量的掃描方式開始出現[12-14].這些掃描方式不僅僅是單純地把掃描協議中的劑量降低,而是與高級的預處理、圖像重建以及圖像識別的算法相結合,在給患者盡可能低的輻射劑量的前提下,針對特定的應用提供有用的診斷信息.

1.3 雙能掃描

雙能CT掃描的概念在CT被發明后不久被提出[15].雙能CT利用不同物質對不同能量的X射線的吸收系數有差別原理,對同一掃描物體進行不同X射線能量下的掃描,從而能達到區分被掃描物體中不同物質目的.目前,各主要品牌的雙能掃描實現方式有很多種,包括西門子的雙源雙探測器方式、GE的快速切換方式和飛利浦的雙層探測器方式等[16-18].各品牌的雙能掃描方式各有優缺點,雙能CT掃描的最終圖像一般都會重建為單能圖,物質分解圖,或者原子序數圖等表現形式.這些雙能圖像的準確性目前并無統一的國家標準來進行評估.雖然有些模體的供應商提供一些已知化學成分的模體,如Catphan700中的CTP682就提供了水、有機玻璃、骨、特氟龍等材料,但是這些物質的化學成分和一般雙能重建使用的基物質對(水和碘)相差較大,導致理論值的計算與產品中采用的掃描技術相關.針對雙能掃描,提出一種簡單易行的辦法對其物質分解的準確性進行評估.

2 橢圓模體設計

2.1 橢圓模體結構

根據自動曝光控制和低劑量掃描方式的特點,設計橢圓形的模體.模體的長軸為35 cm,短軸為25 cm,材料為有機玻璃聚甲基丙烯酸甲酯(polymethyl methacrylate,PMMA).橢圓模體的中心為20 cm空心圓柱,便于放置廠商自帶的質量保證(quality assurance,QA)模體或Catphan模體進行圖像質量指標的測量.在長軸的兩端,各設置2 cm直徑的圓孔,放置各種自定義材料做成的圓棒,如鋁棒、鐵棒及特氟龍棒等,以方便放入裝有各種溶液的試管.圖像質量指標的測量由Catphan500模體完成.橢圓模體設計見圖1.

圖1 橢圓模體設計示意圖

2.2 橢圓模體性能

模體設計成橢圓形狀,其目的是為了使AEC在掃描中起作用,且橢圓模體更符合臨床上患者的體型特征,能更好地模擬低劑量掃描下對圖像質量的實際影響.

對于雙能掃描的測試,通過使用配制的1%、2%、4%和10%的4種不同質量濃度的碘化鉀溶液進來行測量,而不是臨床上的CT增強劑溶液,其原因是:①CT增強劑雖然主要成分的分子式是已知的,但是溶液中其他物質的成分往往生產廠商并不提供;②商業化CT增強劑產品中,有效成分的濃度一般都有誤差,有的多達10%.使用CT增強劑溶液研究雙能CT掃描的準確性時,無法準確計算理論值.而碘化鉀并非管制化學品,易溶于水,純度一般都在99%以上,且碘化鉀溶液的密度和溫度的關系也容易計算[19].使用碘化鉀來配置含碘溶液,其誤差來源很少.若使用一次配制的碘化鉀溶液>100 ml,很容易將碘化鉀溶液的精度控制在<0.001 g/ml.計算4種溶液在溫度t(℃)下的質量密度ρ(g/cm3)為公式1:

式中m為每單位重量水中的物質摩爾濃度,單位為mol/kg.

在以水和碘這兩種物質為基物質的4種濃度溶液,通過物質分解得到的理論密度見表1.

表1 不同質量濃度下碘化鉀水溶液25 ℃下的質量密度和水基碘基物質分解密度(mg/cm3)

2.3 橢圓模體測試方法

選擇3個不同品牌的CT產品(品牌A、B、C)進行圖像質量測試,分析在AEC、低劑量和雙能掃描3種高級掃描模式下橢圓模體對圖像質量的影響.3個不同品牌CT分別覆蓋高中低端的CT產品,品牌A為高端256排的CT,品牌B為中端32排CT,品牌C為低端16排CT.其中,品牌A和B的CT產品中有雙能功能,品牌C的16排CT不具備雙能.

測試的圖像質量指標選用國家標準"X射線計算機體層攝影設備通用技術條件"(YY/T 0310-2015)中規定的CT值的準確性、均勻性以及層厚,測試方法均遵守標準中的規定:①水的CT值均勻性≤±4 HU;②空氣的準確性為(-1000±10)HU,水的準確性為(0±4)HU;③切片層厚>2 mm時為1.0 mm,1~2 mm時為±50%,<1 mm時為±0.5 mm.對于雙能掃描,使用碘化鉀溶液來測試品牌A和B的雙能掃描中經過物質分解以后的水基和碘基圖的密度值,并與理論值進行比較.

3 橢圓模體測試結果

3.1 AEC測試

自動曝光測試采用常規的胸部掃描協議,管電壓120 kV,管電流130 mA,轉速0.75 s/360°,螺距1.0.每臺CT測試4次并取平均值.在測量過程中空氣的測量選取遠離模體的感興趣區域(region of interest,ROI),水模的中心和3、6、9、12點位置的ROI的選取遵循國家標準(YY/T 0310-2015)中的規定,即在距離模體邊緣大約1 cm處,選取一個直徑大約是2 cm的圓形ROI進行測量,中心ROI與周圍4個ROI的CT值之差的最大值為均勻性結果(見圖2、圖3和圖4).

實驗結果顯示,在AEC打開并使用橢圓模體的情況下,各品牌的CT值準確性、均勻性和切片層厚均在國家標準[8]的規定范圍內.需要指出的是雖然品牌C的水CT值在3、6、9點位置超出了4 HU的規定范圍,但是水的CT值準確性是在圖像中心測量的,因此品牌C的結果同樣符合標準.

圖2 各ROI選取的位置示意圖

圖3 不同品牌的CT系統在AEC打開時的CT值準確性和均勻性測試結果

圖4 不同品牌的CT系統在AEC打開時的層厚測試結果

3.2 低劑量測試

低劑量圖像質量測試中使用了肺部篩查協議中常用的掃描協議:管電壓120 kV,管電流30 mA,轉速0.8 s/360°,螺距1.35[13];同樣每臺CT測試4次并取平均數據.

在低劑量打開并使用橢圓模體的情況下,各品牌產品的CT值準確性、均勻性和切片層厚均在國家標準[8]的規定范圍內.因此,可以表明橢圓模體在低劑量掃描模式下,對圖像質量研究的影響不大,見圖5和圖6.

圖5 不同品牌的CT產品在低劑量掃描時的CT值準確性和均勻性測試結果

圖6 不同品牌的CT產品在低劑量掃描時的層厚測試結果

3.3 雙能測試結果

雙能掃描協議選取了品牌A和B提供的頭部協議,同樣每臺CT測試4次并取平均.在使用橢圓模體時,兩個品牌的雙能掃描仍然能滿足圖像準確性、均勻性和層厚的要求.

在兩個品牌的CT產品上分別測量的碘化鉀溶液的物質分解密度值.兩個CT產品的水/碘密度和理論值都存在一定程度的偏差,品牌A的結果在低濃度時碘密度過高,而在高濃度時水密度過高,表明其物質分解和碘化鉀濃度相關;品牌C的結果與理論值更吻合,但是碘密度總體偏高,存在一個系統偏差.測試結果證明,不同品牌的CT產品之間的物質分解結果存在差異,應該與硬件掃描方式和算法有關系.品牌A和品牌C的物質分解結果和理論值的誤差均在±20%以內(見圖7、圖8和圖9).

圖7 不同品牌的CT產品在雙能掃描時的CT值準確性和均勻性測試結果

圖8 不同品牌的CT產品在雙能掃描時的層厚測試結果

圖9 品牌A和品牌C對不同質量密度的碘化鉀物質分解結果

4 討論

本研究測試結果顯示,在標準測試模體的基礎上添加橢圓形模體,CT值的準確性、均勻性及層厚的3項指標,在AEC、低劑量或者雙能掃描下3個不同品牌的CT產品仍能滿足國家標準.使用低劑量時,3個CT產品的層厚指標都有不同程度的下降,表明在低劑量掃描時各產品的數據處理算法中均涉及探測器Z方向(沿病床的方向)的低通濾波,可能是為了降低低劑量掃描時的噪聲和偽影.

以雙能掃描物質分解準確度測量為例,本研究設計的橢圓體模可以提供對高級掃描功能的性能指標在不同CT產品之間的橫向比較提供一個標尺.利用橢圓體模可以分別測量在關閉和打開AEC時,達到相同的圖像質量(相同的信噪比)時需要的輻射劑量,從而在不同的品牌和不同的產品間提供固定的參考依據.

5 結論

本研究設計的一種新橢圓模體作為目前CT系統圖像質量測試模體的補充,以方便研究CT系統在AEC、低劑量或者雙能掃描中的圖像質量.在不同掃描技術下的實驗驗證了該橢圓模體并不會造成CT圖像質量指標超出國家硬性規定的標準范圍.簡單易行的雙能CT物質分解準確性的測量辦法通過實驗進行了驗證.

對于各產品中廠商自行規定的噪聲,高低對比度分辨率其他圖像質量指標有待進一步研究,這些指標會隨著掃描方式的變化而改變.本研究設計的橢圓模體,可以通過與Catphan等模體的配合應用于對各種高級掃描功能中的各種圖像質量參數測量.