白玫

首都醫(yī)科大學宣武醫(yī)院 醫(yī)學工程科，北京 100053

CT系統(tǒng)目測分辨率與系統(tǒng)調(diào)制傳遞函數(shù)相關性分析

白玫

首都醫(yī)科大學宣武醫(yī)院 醫(yī)學工程科，北京 100053

目的對CT系統(tǒng)MTF（調(diào)制傳遞函數(shù)）和目測分辨率之間的關系進行研究。方法掃描CT測試體模中分辨率測試模塊，獲得系統(tǒng)MTF和目測空間分辨率。結果當MTF為10%時所對應的空間頻率與清晰分辨的線對卡分辨率一致，當MTF為2%～5%時對應的空間頻率與目測極限分辨率接近。結論通過CT系統(tǒng)MTF和目測分辨率相關關系研究，可以客觀反映系統(tǒng)對細節(jié)識別能力與人眼識別能力之間的對應關系，從而提高CT質(zhì)量控制水平。

調(diào)制傳遞函數(shù)；目測分辨率；體層攝影術；CT；CR

1 研究背景

CT空間分辨率是指在高對比度的情況下，CT系統(tǒng)對物體細節(jié)的分辨能力，它是評價CT設備成像性能的一個重要指標，國際標準化組織，如IEC（國際電工委員會），AAPM（美國醫(yī)學物理師聯(lián)合會），HPA（醫(yī)院物理師聯(lián)合會），JMHW（日本衛(wèi)生和福利省）在對CT性能的檢測要求中都將空間分辨率列為必須檢定的項目。

CT空間分辨率的評價可以采用目測方法確定極限分辨率，也可以采用客觀方法計算系統(tǒng)MTF（調(diào)制傳遞函數(shù)）[1-2]。對于CT系統(tǒng)MTF的計算方法不僅可以采用點擴散函數(shù)和線擴散函數(shù)計算[3-4]，也可以利用成像系統(tǒng)邊緣響應函數(shù)（Edge Response Function， ERF）[5]來計算MTF。我們也可以直接利用線對卡圖像計算出系統(tǒng)MTF[6]：

圖1 利用線對卡計算MTF

其中M測試卡（f）為每組線對卡調(diào)制度，可以用每組線對卡圖像內(nèi)像素的標準偏差來表示（如圖1所示）；N背景為線對卡背景圖像的平均噪聲；CT材料（f）和 CT背景分別為每組測試卡材料平均CT值和背景平均CT值。測量所用ROI（感趣區(qū)）大小與噪聲測量ROI大小相同，至少包含100個像素。

根據(jù)測量值可以計算出每組測試卡的MTF值，從而繪出不同空間頻率下的MTF曲線。

系統(tǒng)MTF可以客觀全面的反映不同頻率范圍內(nèi)空間信息的轉(zhuǎn)換能力，從圖2可以看出對于低頻成分成像系統(tǒng)可以全部傳遞，而當空間頻率較高時系統(tǒng)轉(zhuǎn)換能力逐漸接近于0。但是MTF的計算方法較為復雜，不能實時得到系統(tǒng)空間分辨率測試結果，在臨床實踐中可操作性較差。因此，目前常用的空間分辨率測試方法多采用成排圓孔模型或線對卡模型測量空間分辨率，由測試者在監(jiān)視器上用肉眼觀察圖像，雖然存在一定的主觀人為因素影響，但測試方法簡單、便捷、實用性強。

采用目測法測量系統(tǒng)空間分辨率，由于受到人眼分辨能力的限制和人為因素的影響，常不能準確地確定極限分辨率。如圖3所示，當圖中線對卡圖像不是很清晰時，則較難確定極限分辨率是7lp/cm還是8lp/cm（線對/cm）。因此有必要研究目測極限分辨率與MTF曲線的相關關系，有助于在實際工作中確定圖像極限分辨率，從而提高CT質(zhì)量控制和質(zhì)量保證工作的水平。

圖2 MTF可以全面客觀地反映不同頻率范圍內(nèi)系統(tǒng)對空間信息的轉(zhuǎn)換能力

圖3 當線對卡圖像不是很清晰時則較難確定目測極限分辨率

2 材料和方法

我們所用的測試體模是美國體模實驗室研制的Catphan500 CT性 能 測 試 體 模（The Phantom Laboratory，New York，USA），其中包含有一個插件，插件內(nèi)有高對比度分辨率測試模塊（線對卡），以及用于計算系統(tǒng)MTF的點源（如圖4所示）。線對卡分辨率大小從1～21 lp/cm，點源為一個直徑為0.28mm的鎢珠，該鎢珠嵌在均勻的材料內(nèi)，鎢珠和均勻背景之間CT值差別很大，這樣可以提供一個邊緣銳利的點源。該點源經(jīng)過CT掃描成像后就得到系統(tǒng)點擴散函數(shù)響應從而計算出系統(tǒng)的MTF[7]。

圖4 分辨率測試模塊，其中黑點為鎢珠

為了研究CT目測分辨率和MTF值的關系，我們選擇頭部標準掃描參數(shù)進行掃描，采用不同的重建條件對圖像進行重建，分別獲得不同重建條件下的圖像目測分辨率和MTF值。使用西門子64層螺旋CT（Somatom Sensation Cardiac 64, Forchheim, Germany），采用手動曝光模式掃描上述體模。選擇準直器寬度為32×0.6 mm、120 kV、380 有效mAs、螺距0.8、掃描野直徑為200mm。重建層厚分別為0.6mm、 0.75mm、 1.0mm、 1.5mm重建間隔為圖像象素大小。選擇不同的kernel值（CT卷積重建算法）重建圖像。對于頭部掃描常選用的kernel值為H20、 H40、 H70，H表示頭部掃描，值越大則圖像銳化程度越強，空間分辨率越高。

采用MATLAB語言（美國Mathworks公司）對點源圖像進行處理獲得系統(tǒng)MTF曲線并給出50%、10%、2%的MTF值。

3 實驗結果

在不同重建條件下對圖像進行重建，再分別采用目測法和MTF法評價和分析圖像空間分辨率，分析結果如表1所示。例如當kernel值為H20時，圖像目測分辨率在6～7lp/cm之間，即肉眼可以清晰分辨6lp/cm線對卡，而對于7lp/cm線對卡不能完全清晰分辨，如圖5所示。

圖5 H20kernel, 0.6mm層厚時目測空間分辨率

從表1可以看出，對于H20kernel，MTF為10%時所對應的空間分辨率為6.1lp/cm，而肉眼可以清晰分辨的線對卡的分辨率也為6lp/cm；MTF為5%和2%時所對應的空間分辨率分別為6.8 lp/cm和7.6lp/cm，而肉眼可以部分分辨的線對卡的分辨率為7lp/cm。對于H40kernel，MT為10%時所對應的空間分辨率為7.0lp/cm，其肉眼清晰分辨的線對卡的分辨率為7lp/cm；MTF為5%和2%時所對應的空間分辨率分別為7.9和8.8lp/cm，肉眼可以部分分辨的線對卡的分辨率為8lp/cm。對于H70kernel，MTF為10%時所對應的空間分辨率為11.1lp/cm，目測分辨率為11lp/cm；MTF為5%和2%時所對應的空間分辨率分別為11.6 lp/cm和12.4lp/cm，肉眼可識別的分辨率為12lp/cm。

表1 不同重建條件下圖像目測分辨率和MTF值。

4 討論

從圖像目測空間分辨率和MTF分析結果可以看出，對于不同的掃描和重建條件，10%MTF所對應的線對卡分辨率一般為圖像中肉眼可以清晰分辨的一組線對卡分辨率，而肉眼不能完全分辨的一組線對卡分辨率一般對應著2%～5%MTF之間的空間頻率。由于該組線對卡的對比度在2%～5%之間，所以其空間頻率已接近MTF曲線的截止頻率，因此我們可以把該組線對卡的分辨率作為CT系統(tǒng)目測極限分辨率。由此我們可以確定本次實驗中不同條件下的極限分辨率為：對于H20，極限分辨率為7lp/cm；對于H40，極限分辨率為8lp/cm；對于H70，極限分辨率為12lp/cm。

通過目測分辨率和MTF值相關性分析，我們找到了10%MTF、5%MTF和2%MTF與目測空間分辨率之間的對應關系，同時也為實際工作中確定目測極限分辨率提供了相應的理論基礎。該研究將評價系統(tǒng)成像性能的客觀分析手段（MTF值）和主觀評價方法高度統(tǒng)一，反映出系統(tǒng)對細節(jié)的識別能力與人眼識別能力之間的相關關系。采用該方法可以有效地避免主觀測試中人為因素的影響，在CT成像性能評價和成像質(zhì)量保證工作中極具應用和推廣價值。

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Correlation Analysis for Modulation Transfer Function and Visual Resolution of CT System

BAI Mei
Medical Engineering Department,Xuanwu Hospital of Capital Medical University, Beijing 100053, China

R814.42

A

10.3969/j.issn.1674-1633.2011.04.004

1674-1633(2011)04-0011-03

2008-05-15

2011-01-13

國家自然科學基金項目（30870751）；北京市衛(wèi)生系統(tǒng)高層次衛(wèi)生技術人才培養(yǎng)計劃項目（2009-3-57）。

本文作者：白玫，高級工程師，博士，碩士研究生導師。

作者郵箱：Jswei65@163.com

Abstract:ObjectiveTo evaluate the correlation between the visual resolution and the modulation transfer function (MTF) of CT system.Methodsscanned the resolution test module in CT test phantom, obtained the MTF and visual resolution of CT system.Resultsthe resolution which human eyes can clearly distinguish corresponds to spatial frequencies where MTF is 10%; the visual limited resolution corresponds roughly to spatial frequencies where MTF is between 5% and 2%.ConclusionThe correlation analysis for MTF and visual resolution of CT can effectively reflect relationship between the true detectability of CT system and human visual acuity and help to raise the level of our work.

Key words:modulation transfer function; visual resolution; tomography; CT; CR