盧征峰

哥倫比亞大學(xué) 醫(yī)學(xué)院影像科，美國紐約

超聲波影像設(shè)備質(zhì)量控制檢測方法

盧征峰

哥倫比亞大學(xué) 醫(yī)學(xué)院影像科，美國紐約

本文討論了超聲波影像設(shè)備的質(zhì)量控制與保證，描述了超聲波影像設(shè)備具體的質(zhì)量控制方法和步驟。通過體模測試，本文對(duì)檢測參量作定量或定性的評(píng)估，就其體模材料也做了介紹。

超聲波影像；質(zhì)量控制；超聲波體模；醫(yī)學(xué)影像設(shè)備

0 前言

醫(yī)用影像質(zhì)量保證和控制的首要目的是為患者提供最佳的醫(yī)療服務(wù)。盡管質(zhì)量保證（Quality Assurance）與質(zhì)量控制（Quality Control）常常被相提并論，但準(zhǔn)確地說，質(zhì)量保證比質(zhì)量控制涵蓋的內(nèi)容更多。因?yàn)橘|(zhì)量保證既包括技術(shù)層面的諸多檢測，又包括管理層面的意義，如行政制度，檢測記錄的存檔與監(jiān)督、醫(yī)務(wù)工作人員的繼續(xù)教育查考等。質(zhì)量控制則主要是指在設(shè)備安裝調(diào)試結(jié)束以后在日常的臨床使用期間所進(jìn)行的定期規(guī)范檢查，使設(shè)備的諸多重要性能處于最優(yōu)化狀態(tài)，及早發(fā)現(xiàn)細(xì)微的質(zhì)量問題，及時(shí)修理維護(hù)，降低因質(zhì)量問題影響醫(yī)療服務(wù)的可能性。這與設(shè)備的定期維修和預(yù)防性維護(hù)（Preventative Maintenance）不同。質(zhì)量控制是在醫(yī)療影像設(shè)備廠家的安全檢查及定期保養(yǎng)之外的一系列規(guī)范的檢測，著重點(diǎn)在于臨床應(yīng)用的最優(yōu)性。誠然，質(zhì)量保證與質(zhì)量控制能夠提高醫(yī)用影像設(shè)備的使用價(jià)值，增加經(jīng)濟(jì)效益，但最主要的目的是本著“患者第一”的原則，為患者提供最佳的醫(yī)療服務(wù)。

與其他醫(yī)用影像設(shè)備（CT、X線成像）相比，關(guān)于超聲波醫(yī)用影像的質(zhì)量控制，歷史上有過諸多爭執(zhí)。有學(xué)者認(rèn)為，額外的質(zhì)量控制檢測沒有必要，因?yàn)槌暡ㄓ跋癫皇褂梅派渚€，所以沒有危害；也有學(xué)者認(rèn)為，大多數(shù)的超聲波醫(yī)用影像質(zhì)量問題在日常的臨床使用當(dāng)中可以發(fā)現(xiàn)，所以定期的質(zhì)量控制檢測是多余的；還有的對(duì)目前所用的超聲波醫(yī)用影像質(zhì)量控制檢測的有效性持懷疑的態(tài)度。然而，隨著超聲波醫(yī)用影像的技術(shù)越來越成熟，其應(yīng)用范圍越來越廣泛，定期的質(zhì)量控制檢測的必要性也就越來越明顯。雖然超聲波醫(yī)用影像不使用放射線，但是由于超聲波醫(yī)用影像被用于許多關(guān)鍵性的臨床診斷，萬一因影像的質(zhì)量問題導(dǎo)致誤診，也會(huì)對(duì)患者造成危害。另外，現(xiàn)今的影像技術(shù)日臻復(fù)雜，有的質(zhì)量問題在臨床使用中不容易被發(fā)現(xiàn)，如超聲波探頭在臨床使用中并沒有明顯的缺陷，如圖1所示，但同一個(gè)探頭在圖2所現(xiàn)的均勻背景體模成像中就顯出了淺層區(qū)的黑線。進(jìn)一步的檢查發(fā)現(xiàn)，這些黑線是由于探頭纜線被超聲機(jī)輪子碾過造成的損傷。有的質(zhì)量問題起初并不明顯，但隨著時(shí)間的變化日趨惡化，等到在臨床使用時(shí)被發(fā)現(xiàn)時(shí)，這樣的質(zhì)量問題就已影響到對(duì)患者的醫(yī)療服務(wù)，如同一機(jī)器新、舊探頭所成的影像質(zhì)量迥異，見圖3。若能對(duì)超聲機(jī)作定期的質(zhì)量控制檢測, 這個(gè)舊探頭的質(zhì)量問題就可以盡早查出，及時(shí)處理。因而，定期質(zhì)量控制檢測的目的是為了在設(shè)備質(zhì)量影響到臨床使用之前就發(fā)現(xiàn)問題，以便于能及時(shí)修理維護(hù)，為患者提供最佳的醫(yī)療服務(wù)。

超聲波醫(yī)用影像技術(shù)在近20年發(fā)展迅速，關(guān)于超聲波醫(yī)用影像質(zhì)量控制的方法也與時(shí)共進(jìn)[1-4]。醫(yī)用超聲影像技術(shù)較常見的有兩大類：基于回波掃描的B超和基于多普勒原理的彩超。本文將著重介紹B超影像的質(zhì)量控制方法。首先簡單介紹用于超聲波醫(yī)用影像質(zhì)量控制檢測的體模，然后逐一詳細(xì)描述質(zhì)量控制檢測的各個(gè)方法，見表1。

1 醫(yī)用超聲波影像質(zhì)量控制檢測所用的體模

表1 比較兩類主要的超聲醫(yī)用影像質(zhì)量控制檢測用的規(guī)范體模材料[14]

在超聲醫(yī)用影像質(zhì)量控制檢測中，使用規(guī)范的體模很有必要。1個(gè)性能穩(wěn)定的體模好比1個(gè)“理想患者”，可用于測出設(shè)備功用參量隨時(shí)間的衰退和波動(dòng)。所以醫(yī)用超聲影像質(zhì)量控制所用的體模必須能長期保存不變。另外，體模材料必須俱有與人體軟組織相近的聲學(xué)特征，包括聲速1540m/s，聲衰減系數(shù)接近0.5dB/cm/MHz或0.7dB/cm/MHz，聲散射系數(shù)接近人體肝組織的聲散射系數(shù)等。醫(yī)用超聲影像質(zhì)量控制所用的體模材料有多種。一般市場上供應(yīng)的材料主要分成兩類：一類是以水和瓊脂為本底的[5-6]；另一類是以橡膠為本底的[7]。這兩類材料的詳細(xì)對(duì)比見表1。以水和瓊脂為本底的體模材料與人體軟組織有相似的聲學(xué)特征，這是其長處。但是這種材料對(duì)存儲(chǔ)的環(huán)境溫度有較嚴(yán)的要求，若在0°C以下或49°C以上，體模材料會(huì)被凍壞或熱壞。另外，這種材料的失水性也是一大損耗因素，使得體模的可用壽命一般只限3～5年。相比之下，以橡膠為本底的體模材料壽命長得多，其使用年份可達(dá)7～10年。但是，橡膠的聲速比人體軟組織的聲速約低6%。雖然用于標(biāo)志距離的點(diǎn)標(biāo)可以按聲速的落差調(diào)整以保證測量距離的準(zhǔn)確，但是橡膠聲速的這一不足造成此類體模不適合用于評(píng)估超聲波探頭的橫向分辨率[8-9]。

2 基本的超聲波醫(yī)用影像質(zhì)量控制方法

基本的醫(yī)用超聲波影像質(zhì)量控制方法和步驟多種多樣[1-4]。以下介紹最基本、常用的B超影像的質(zhì)量控制方法步驟。在新設(shè)備安裝調(diào)試完畢時(shí)，應(yīng)立刻作這系列的質(zhì)量控制檢測，其結(jié)果應(yīng)詳細(xì)記錄存檔，作為基本標(biāo)準(zhǔn)（baseline），以便對(duì)照后來的定時(shí)質(zhì)量控制檢測結(jié)果，這是找出設(shè)備功用參量隨時(shí)間衰退和波動(dòng)的關(guān)鍵。鑒于超聲波醫(yī)用影像技術(shù)日臻成熟，機(jī)器參量的設(shè)置直接影響到影像質(zhì)量控制檢測結(jié)果，因而在記錄檢測結(jié)果的同時(shí)，應(yīng)記錄檢測時(shí)所用的機(jī)器參量設(shè)置，以保證后來的檢測也使用同樣的機(jī)器參量設(shè)置。

2.1 視眼檢查

視眼檢查包括定時(shí)用視眼檢查各個(gè)醫(yī)用超聲波影像機(jī)部件的外表狀況。對(duì)于超聲波探頭，檢查其纜線、接頭和探頭表面，必要時(shí)可以使用放大鏡，以便于更清楚仔細(xì)地檢查。一些細(xì)微的損傷，也應(yīng)查明原因，留下記錄，以便于跟蹤防范更大的變化。圖4顯示1個(gè)被穿刺針頭跳破表面的探頭；圖5顯示探頭纜線外表剝落。這些問題能造成嚴(yán)重的影響，用簡單的視眼檢查即可及早發(fā)現(xiàn)，及時(shí)處理。醫(yī)用超聲波影像機(jī)常常被挪來挪去，因而其輪子和輪上的閘需要定時(shí)檢查，同時(shí)檢查機(jī)器上的各附件是否鎖定，以防在挪移時(shí)掉下來摔壞。另外，視眼檢查也包括檢查顯示圖像的屏幕是否清潔沒有劃痕，換空氣的過濾窗是否通暢，鍵盤是否整齊，指示燈是否都工作等。

圖1 此圖所用的超聲波探頭纜線被超聲機(jī)輪子碾過，造成5個(gè)單元線路的斷裂。但是所現(xiàn)的超聲波影像沒有明顯可見的缺陷。

圖2 用圖1所用的同一個(gè)探頭照體模的均勻背景，5個(gè)斷裂單元線路引起的淺層區(qū)的黑線就分明可見。這樣的體模成像通過衡量圖像的均勻性可檢查超聲探頭的各單元。

圖3 新、舊2個(gè)超聲波探頭用同一機(jī)器同一體模成像。比較之下，2個(gè)超聲波探頭質(zhì)量迥異。若能對(duì)超聲機(jī)作定期的質(zhì)量控制檢測, 這個(gè)舊探頭的質(zhì)量問題就可以盡早查出，及時(shí)處理。

圖4 探頭的表面被1個(gè)穿刺針頭刺破，這樣的問題用簡單的視眼檢查即可及早發(fā)現(xiàn)。

圖5 探頭的纜線外表剝落。

2.2 圖像顯示屏幕

圖6 超聲波機(jī)器內(nèi)現(xiàn)存的測試圖可用于檢測超聲波影像顯示屏幕。

超聲波影像實(shí)時(shí)顯示在超聲波機(jī)器的屏幕上，這些影像也可能通過PACS傳到讀片室的計(jì)算機(jī)屏幕上顯示出來或者印成相片或打印在紙上。這些用于圖像顯示的設(shè)備各自獨(dú)立運(yùn)行，因而每一件設(shè)備都需檢查，以確保其設(shè)置合適。這項(xiàng)檢測可以使用超聲波機(jī)器內(nèi)現(xiàn)存的測試圖（SMPTE test patterns），借鑒檢測電視錄像機(jī)的方法[10]來檢測超聲波影像顯示屏幕，見圖6。如果超聲波機(jī)器內(nèi)沒有現(xiàn)存的測試圖，則可以用超聲波影像圖旁的灰標(biāo)（the Grayscale bar）。

2.3 超聲波影像的均勻性

圖7 探頭被摔，造成嚴(yán)重的影像不均。此探頭被立即更換。

圖8 超聲波機(jī)上的1個(gè)深度信號(hào)擴(kuò)大器（TGC）壞了，引起橫向的黑帶。這類嚴(yán)重的影像不均勻應(yīng)立即處理。

超聲波影像的不均勻性可能導(dǎo)致醫(yī)生讀片時(shí)錯(cuò)過一些小的對(duì)比度較低的腫瘤，引起誤診。嚴(yán)重的影像不均勻應(yīng)立即處理，見圖7和圖8；不太嚴(yán)重的影像不均勻，也應(yīng)查明原因，予以處理，見圖9、10、11。超聲波影像的均勻性檢測方法步驟如下：選擇體模中均勻的背景部分，探頭掃描用實(shí)時(shí)圖像顯示，注意任何豎的或橫的不均勻線條。在不同的設(shè)置下重復(fù)此檢測方法，如單聚焦或多聚焦的設(shè)置，淺層或深層聚焦的設(shè)置。

圖9 在淺層區(qū)有一條黑線，此探頭需作進(jìn)一步檢查。

圖10 在影像的左右邊都看到亮度減低，此成像模式需作進(jìn)一步檢查。

圖11 在淺層區(qū)有噪音信號(hào)，此探頭需作進(jìn)一步檢查。

2.4 超聲波探頭的靈敏度（最大可達(dá)深度）

超聲波探頭的靈敏度決定影像中最大可達(dá)深度。最大可達(dá)深度是指可見的回聲信號(hào)于電噪聲信號(hào)相比較，回聲信號(hào)完全被電噪聲信號(hào)掩蓋的深度。此項(xiàng)檢測有主觀的成分，檢測人員需使用同樣的規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)來界定最大可達(dá)深度。近年來，計(jì)算機(jī)自動(dòng)質(zhì)量控制檢測[11-12]用信噪比來決定最大可達(dá)深度，其結(jié)果有更佳的可重復(fù)性。

假設(shè)所用的體模不變，這項(xiàng)檢測可用來監(jiān)督超聲波探頭的靈敏度隨時(shí)間的衰敗和波動(dòng)。當(dāng)最大可達(dá)深度減少1cm或更嚴(yán)重時(shí)，需對(duì)此探頭和機(jī)器作進(jìn)一步的檢查處理。因?yàn)榭蛇_(dá)深度與探頭所發(fā)的聲波頻率有關(guān)，也與聲輸出強(qiáng)度、聲聚焦深度等有關(guān)，見圖12。這些參量的設(shè)置均需記錄下來，以保證每次的檢測都用同樣的參量設(shè)置，這樣其結(jié)果可以與第一次測得的基本標(biāo)準(zhǔn)作對(duì)比。一般情況下，設(shè)置影像深度剛剛大于最大可達(dá)深度，設(shè)置聲聚焦深度最接近影像深度，設(shè)置聲輸出強(qiáng)度在最強(qiáng)，設(shè)置信號(hào)擴(kuò)大器即能看到回聲信號(hào)也能看到電噪聲信號(hào)。顯然，最大可達(dá)深度與體模的聲衰減系數(shù)有關(guān)。如果探頭掃描深度超過了體模本身的最大長度，這項(xiàng)檢測就失去了意義。因此，聲頻3.5MHz或更低的探頭最好使用聲衰減系數(shù)0.7dB/cm/HMz的體模。

圖12 最大可達(dá)深度與聲輸出強(qiáng)度設(shè)置有關(guān)。左圖中最左邊的體模圖聲輸出強(qiáng)度設(shè)在100%，其相鄰的體模圖聲輸出強(qiáng)度減到5%，從而導(dǎo)致可達(dá)深度的減少。最大可達(dá)深度也與聲聚焦深度有關(guān)，聲聚焦深度設(shè)置越深，則可達(dá)深度越大。

2.5 測量距離的精確度

超聲波影像的臨床應(yīng)用中，距離測量的誤差將導(dǎo)致誤診。因此，測量距離的精確度是質(zhì)量控制中很重要的一步。有的甚至強(qiáng)調(diào)測量周邊的精確度也應(yīng)納入質(zhì)量控制中[13]。但因?yàn)檫@項(xiàng)測量體模的復(fù)雜性，目前測量周邊的精確度并不常見，所以測量距離的精確度是必須要做的。

測量距離的精確度包括縱向和橫向2個(gè)方向，見圖13。體模中有已知距離（1cm或2cm）的點(diǎn)標(biāo)，這些點(diǎn)標(biāo)一般是用極細(xì)的尼龍繩做的。用探頭掃描時(shí)不要對(duì)體模表面施加太大的壓力，因?yàn)轶w模背景材料有彈性，太大的壓力會(huì)減小點(diǎn)標(biāo)間的距離，影響測量距離的精確性。一般來說，超聲波影像機(jī)上測得的距離與已知距離之間的差距在橫向需在2.0mm之內(nèi)或測量距離的2%之內(nèi)（選兩者中較大的值作規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)）；在縱向需在1.5mm之內(nèi)或測量距離的1.5%之內(nèi)（選兩者中較大的值作規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)）。若在此范圍之外，需對(duì)機(jī)器作進(jìn)一步檢查，及時(shí)糾正。

圖13 測量距離的精確度使用體模中有已知距離（1.0cm或2.0cm）的點(diǎn)標(biāo)，包括縱向和橫向兩個(gè)方向。

2.6 模擬腫瘤的可見度

這項(xiàng)方法檢測超聲波影像機(jī)是否能探出大小不一的腫瘤。通常體模內(nèi)模擬的腫瘤有比背景更亮的（有的惡性腫瘤），也有比背景暗的（有的良性腫瘤），或瘤內(nèi)沒有回聲的（囊腫）。在掃描體模中的這些模擬腫瘤時(shí)，需一一記錄，并與起初測試時(shí)得到的結(jié)果比較，若有變化，應(yīng)查出原因，予以處理，見圖14、15。

圖14 此影像由3.5MHz的探頭掃描形成。其所用的體模中的模擬囊腫直徑為6mm、4mm和2mm。這項(xiàng)方法檢測超聲波影像機(jī)是否能探出大小不一的囊腫。

圖15 此影像所用的體模中模擬的腫瘤對(duì)比度從-9dB、-6dB、-3dB、+3dB、+6dB到+9dB。

2.7 高對(duì)比度下的分辨率：縱向分辨率和橫向分辨率

高對(duì)比度下的分辨率指影像所能分辨的相鄰物體的最近距離。在超聲波影像中，對(duì)分辨率的檢測包括測量縱向分辨率和橫向分辨率?？v向是指聲傳播方向，從影像上看，是深度的方向；橫向與縱向垂直，在掃描平面內(nèi)，從影像上看，是水平的方向。這項(xiàng)檢測可使用體模中相鄰的點(diǎn)標(biāo)。每組點(diǎn)標(biāo)相鄰的距離從大到?。?0～0.5mm），從影像中找出能分辨的最近距離，即是該方向的分辨率，見圖16。另一種檢測分辨率的方法是從影像上量1個(gè)點(diǎn)標(biāo)所顯現(xiàn)的模糊的寬度，如定義邊界亮度是最亮度的10%，量出兩邊界間的距離即是-20dB的模糊寬度（the full width at tenthmaximum）。顯然，這項(xiàng)檢測與聲頻有關(guān)，也與聚焦點(diǎn)深度的設(shè)置有關(guān)。一般情況下，如果聲頻在4HMz以上，縱向分辨率必須好過1mm；如果聲頻在4HMz以下，縱向分辨率必須好過2mm[1]。橫向分辨率與探頭的聲場分布和聚焦有關(guān)，因此要特別注意每次檢測使用同一的參量設(shè)置。一般情況下，橫向分辨率需滿足以下標(biāo)準(zhǔn)：

其中，F(xiàn)是聚焦長度， f是聲頻， D是探頭換能器的寬度。如一個(gè)3HMz的探頭，聚焦長度為100mm，探頭換能器的寬度為50mm，那么橫向分辨率必須好過1.7mm， 即影像所能分辨的相鄰物體的最近距離必須小于1.7mm。

無論是縱向還是橫向分辨率都不應(yīng)該隨時(shí)間變化，若有衰退，應(yīng)及時(shí)處理，以免影像臨床應(yīng)用。

圖16 高對(duì)比度下的分辨率指影像所能分辨的相鄰物體的最近距離。

在超聲波影像中，對(duì)分辨率的檢測包括測量縱向分辨率和橫向分辨率。另一種檢測分辨率的方法是從影像上量1個(gè)點(diǎn)標(biāo)所顯現(xiàn)的模糊的寬度，如定義邊界亮度是最亮度的10%，量出兩邊界間的距離即是-20dB的模糊寬度（the full width at tenth-maximum）。顯然，這項(xiàng)檢測與聲頻有關(guān)，也與聚焦點(diǎn)深度的設(shè)置有關(guān)。

2.8 淺層可見度

淺層可見度指超聲波影像能清楚顯現(xiàn)回聲信號(hào)的最淺距離。體模中距離表面1～8mm的點(diǎn)標(biāo)可用于做此項(xiàng)檢測，見圖17。這項(xiàng)檢測評(píng)估超聲波影像在表面淺層成像的能力。對(duì)臨床中需要檢查淺層的應(yīng)用（乳腺超聲影像）很重要。淺層可見度不應(yīng)該隨時(shí)間變化，若有衰退，應(yīng)及時(shí)處理，以免影像臨床應(yīng)用。

圖17 淺層可見度指超聲波影像能清楚顯現(xiàn)回聲信號(hào)的最淺距離。體模中距離表面1mm至8mm的點(diǎn)標(biāo)可用于做此項(xiàng)檢測。

2.9 偽影

偽影是指成像過程中產(chǎn)生的與實(shí)體不符的信號(hào)。有的偽影不是由超聲波成像機(jī)的質(zhì)量缺陷引起的，如腫瘤后面黑影或亮區(qū)反映出腫瘤的聲衰減系數(shù)高于或低于周圍的背景。這樣的偽影能幫助醫(yī)生了解所照人體組織的性能。有的偽影是由超聲波成像機(jī)的質(zhì)量缺陷引起的，如圖18所顯示的點(diǎn)標(biāo)雙影。進(jìn)一步檢查發(fā)現(xiàn)這些雙影是由于此探頭的邊緣聲場分布不當(dāng)引起的。

圖18 有的偽影是由超聲波成像機(jī)的質(zhì)量缺陷引起的，譬如此影像所顯現(xiàn)的點(diǎn)標(biāo)雙影問題。進(jìn)一步檢查發(fā)現(xiàn)這些雙影是由于此探頭的邊緣聲場分布不當(dāng)引起的。

4 結(jié)論

本文描述了對(duì)超聲波影像設(shè)備的基本的質(zhì)量控制方法和步驟，通過體模測試，對(duì)檢測參量作定量或定性的評(píng)估。由于超聲波影像技術(shù)的發(fā)展變化，這些方法的檢測結(jié)果并沒有統(tǒng)一的規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)。但是，普遍公認(rèn)的規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)是對(duì)某一特定的超聲波影像機(jī)的檢測結(jié)果不應(yīng)該隨時(shí)間變化。所以，在新設(shè)備安裝調(diào)試完畢時(shí)，應(yīng)立刻進(jìn)行這系列的質(zhì)量控制檢測，其結(jié)果應(yīng)詳細(xì)記錄存檔，作為baseline，以便對(duì)照后來的定時(shí)質(zhì)量控制檢測結(jié)果，若有衰退，應(yīng)及時(shí)處理，以免影響臨床應(yīng)用。

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Diagnostic Ultrasound System Quality Control Testing Methods

LU Zheng-feng
Department of Radiology, Columbia University, New York, USA

This paper first discusses what is quality assurance (QA) and quality control (QC) and why we need ultrasound QA/QC. Then the paper focuses on describing the quality control testing procedures for diagnostic ultrasound imaging devices.General guidelines are discussed regarding tolerances for periodic quality control tests.A brief review of ultrasound phantoms used in ultrasound quality control testing is also included.

diagnsotic ultrasound imaging; quality control testing; ultrasound phantoms; medical imaging equipment

TH774

A

10.3969/j.issn.1674-1633.2011.07.003

1674-1633(2011)07-0021-06

2011-07-04

作者郵箱：zfl1@columbia.edu