時(shí)飛躍，王敏，秦偉，趙環(huán)宇，魏曉為

1.南京醫(yī)科大學(xué)附屬南京醫(yī)院（南京市第一醫(yī)院）腫瘤放療中心，江蘇南京210006；2.南京醫(yī)科大學(xué)醫(yī)學(xué)物理研究中心，江蘇南京210029

前言

隨著腫瘤精確放射治療的發(fā)展，大孔徑CT 模擬機(jī)在放療工作中得到了越來越廣泛的應(yīng)用［1-3］。精確放射治療對(duì)大孔徑CT 模擬機(jī)的圖像質(zhì)量及穩(wěn)定性提出了更高的要求。放療CT 模擬機(jī)必須定期做質(zhì)量保證（QA）和質(zhì)量控制（QC）檢驗(yàn)，以確保CT 模擬定位過程的安全，并為腫瘤靶區(qū)和危及器官的精確勾畫及放療計(jì)劃的精確劑量計(jì)算提供清晰準(zhǔn)確的圖像［4-6］。CT 圖像噪聲（Image Noise），表征均勻物質(zhì)的圖像中某一區(qū)域內(nèi)CT 值偏離平均值的程度。在CT圖像成像質(zhì)量評(píng)價(jià)體系中，圖像噪聲評(píng)價(jià)是其中一個(gè)重要內(nèi)容［7-8］。DoseLab 質(zhì)控分析軟件，包含CT 圖像質(zhì)量的分析模塊，可通過分析質(zhì)控模體的CT 圖像，得到物質(zhì)的CT 值、圖像均勻性、空間分辨率、對(duì)比度噪聲比（Contrast Noise Ratio,CNR）、層厚等數(shù)據(jù)［9］。但是該軟件沒有直接分析CT 圖像噪聲的功能。本研究工作，根據(jù)CT 裝置質(zhì)控檢測規(guī)范，通過公式數(shù)據(jù)計(jì)算對(duì)DoseLab軟件做程序改進(jìn)，添加自動(dòng)分析CT 圖像噪聲的功能，并對(duì)獲取的圖像噪聲數(shù)據(jù)進(jìn)行測試和評(píng)價(jià)。

1 材料與方法

1.1 材料

Mobius 公司（現(xiàn)已被瓦里安收購）的DoseLab 質(zhì)控分析軟件（版本6.80），由DoseLab TG-142、FractionLab 和DoseLab Pro3 部分組成，包含了多種分析工具，可用于MV［（電子射野影像裝置（Electronic Portal Imaging Device,EPID）］和kV［（CT和錐形束CT（cone beam CT,CBCT）］圖像的分析。DoseLab TG-142 的CT/CBCT Imaging QA 工具，可用于分析CT 圖像，得到不同物質(zhì)的CT 值、圖像均勻性、空間分辨率、CNR、層厚等參數(shù)［9-10］。

西門子SOMATOM Sensation Open CT 模擬機(jī)，機(jī)架孔徑82 cm［11］。西門子廠家為該CT 模擬機(jī)配備了一套質(zhì)控模體組，包含水模體、斷層厚度模體、電線模體和準(zhǔn)線模體共4 個(gè)模塊。水模體（Model No.4806977）模塊的外直徑為20 cm，玻璃壁厚約0.5 cm。西門子Syngo 軟件系統(tǒng)中有專門用于日常質(zhì)量檢測的程序Daily Quality Check（DQC）。DQC 程序，使用旋轉(zhuǎn)掃描方式，有效層厚4.8 mm，每次旋轉(zhuǎn)得到相鄰的6 層圖像，每次掃描時(shí)間0.5 s，重建視野為250 mm，卷積核為S80f［8］。調(diào)用DQC 程序，可獲取標(biāo)稱管電壓120和140 kV兩種情形質(zhì)控模體組的CT圖像，并自動(dòng)分析和保存數(shù)據(jù)結(jié)果（水的CT 值、圖像噪聲和管電壓值）。

1.2 方法

1.2.1 程序改進(jìn)對(duì)Catphan 504 模體，DoseLab 軟件沒有專門用于測量圖像噪聲的感興趣區(qū)（ROI），因此本研究通過添加一個(gè)ROI 24（原來已有23 個(gè)ROI），用來測量圖像噪聲。具體操作方法如下：（1）雙擊快捷方式打開DoseLab 軟件。（2）在主窗口的“Machine QA”區(qū)域點(diǎn)擊“CT/CBCT”按鈕，然后選擇一套Catphan 504 模體的CT 圖像序列，繼續(xù)打開“CT Imaging QA”窗口，在打開的窗口上，Phantom 選擇“Catphan 504”，Module 選擇“CTP486”。（3）點(diǎn)擊“Preferences”菜單欄選擇“Module Preferences”菜單，打開“CT Imaging QA Module Preferences”窗口。（4）在新打開窗口上的“ROIs to analyze”區(qū)域，通過點(diǎn)擊“Add...”按鈕，增加了“24（S）”ROI 標(biāo)記。（5）選中該標(biāo)記，在“ROI coordinates（cm）”區(qū)域下，通過點(diǎn)擊“Add...”按鈕添加新ROI的X和Y坐標(biāo)值。

在DoseLab 軟件中不能添加圓形ROI，因此使用一個(gè)正三十二邊形的ROI 代替圓形ROI。正三十二邊形ROI頂點(diǎn)的坐標(biāo)值由如下公式計(jì)算得到［12］：

對(duì)本研究，n=32。本研究中的水模體和Catphan 504 模體，圓柱形的直徑均為20 cm。根據(jù)CT 設(shè)備質(zhì)控檢測規(guī)范［13］，檢測CT 圖像噪聲應(yīng)選擇直徑為40%×20=8 cm的圓形ROI，對(duì)應(yīng)半徑R=4 cm。

1.2.2 程序測試通過DoseLab 軟件進(jìn)行改進(jìn)，改進(jìn)后程序可用于分析Catphan 504 的CTP486 模塊和No.4806977 水模體的CT 圖像，并在導(dǎo)出的報(bào)告文件中給出ROI-24 的標(biāo)準(zhǔn)差SD 值（表征圖像噪聲）。注意，DoseLab可以自動(dòng)找尋并分析導(dǎo)入的Catphan 504模體CT 圖像序列中CTP486 模塊的圖像；但是對(duì)于水模體的CT 圖像，需要在導(dǎo)入時(shí)選擇好文件，并在導(dǎo)入后手動(dòng)點(diǎn)擊分析按鈕。圖1為CTP486模塊和水模體的CT 圖像中添加正三十二邊形的示意圖。除了正三十二邊形，圖中還有程序中原來設(shè)置的ROI 19～24 共5 個(gè)方形ROI 用于圖像均勻性的計(jì)算［11］。圖1a和圖1b中，兩個(gè)模體的外直徑均為20 cm，視覺大小不同的原因在于視野（FOV）的不同，前者FOV 為220 mm，后者FOV為250 mm。

圖1 在DoseLab軟件中添加正三十二邊形ROI的示意圖Fig.1 Schematic diagram of adding a regular 32-sided polygon in DoseLab software

1.2.3 比較分析為了測試DoseLab 改進(jìn)程序的效果及準(zhǔn)確性，選取2018年1月～12月每月使用DQC 程序檢測水模體得到的部分CT 圖像，然后使用DoseLab 改進(jìn)程序分析選取的CT 圖像得到圖像噪聲數(shù)據(jù)，最后與DQC 程序得到的圖像噪聲數(shù)據(jù)進(jìn)行比較分析。每次DQC 檢測，DQC 程序自動(dòng)分析得到兩種管電壓情形（120 和140 kV）、兩個(gè)層面（S3 和S4層）共計(jì)4 個(gè)圖像噪聲數(shù)據(jù)［14］。DoseLab 改進(jìn)程序和DQC 程序共計(jì)得到2×4×12=96 個(gè)圖像噪聲數(shù)據(jù)，每組12個(gè)數(shù)據(jù)。

2 結(jié)果

使用正三十二邊形頂點(diǎn)位置公式，計(jì)算得到32個(gè)頂點(diǎn)的X和Y坐標(biāo)值，結(jié)果見表1。

表1 正三十二邊形ROI的頂點(diǎn)坐標(biāo)Tab.1 Vertex coordinates of the region of interest of regular 32-sided polygon

使用DoseLab 改進(jìn)程序和DQC 程序，獲得S3 層的CT圖像噪聲值（圖2）和S4層的CT圖像噪聲值（圖3）。使用ΔN表示DoseLab 改進(jìn)程序和DQC 程序得到的CT 圖像噪聲值的差異，公式為ΔN=N(DoseLab)-N(DQC)，其中N(DoseLab) 和N(DQC)分別表示DoseLab 改進(jìn)程序和DQC 程序得到的CT 圖像噪聲值。對(duì)ΔN進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，得到每組數(shù)據(jù)的平均值、標(biāo)準(zhǔn)差、最大值、最小值和極差，結(jié)果見表2。

圖2 使用DoseLab改進(jìn)程序和DQC程序獲得S3層CT圖像噪聲值比較Fig.2 Comparison of CT image noises of S3 obtained from improved DoseLab program and DQC program

圖3 使用DoseLab改進(jìn)程序和DQC程序獲得S4層CT圖像噪聲值比較Fig.3 Comparison of CT image noises of S4 obtained from improved DoseLab program and DQC program

表2 DoseLab改進(jìn)程序和DQC程序圖像噪聲值差異（HU）Tab.2 Differences in image noises between improved DoseLab program and DQC program(HU)

3 討論

國家計(jì)量檢定規(guī)程JJG 961-2017《醫(yī)用診斷螺旋計(jì)算機(jī)斷層攝影裝置（CT）X 射線輻射源》和衛(wèi)生行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)WS 519-2019《X 射線計(jì)算機(jī)體層攝影裝置質(zhì)量控制檢測規(guī)范》中，規(guī)范了有關(guān)于CT 設(shè)備的圖像質(zhì)量檢測方法。美國醫(yī)學(xué)物理學(xué)家協(xié)會(huì)AAPM TG66 號(hào)報(bào)告，有關(guān)于放療CT 模擬機(jī)和CT 模擬程序的詳細(xì)檢測方法和規(guī)范。

CT設(shè)備的圖像噪聲是指均勻物質(zhì)的CT圖像中某一區(qū)域內(nèi)CT值偏離平均值的程度。AAPM TG66號(hào)報(bào)告指出：“圖像噪聲決定了觀察者（醫(yī)師、劑量師等）可以區(qū)分的物體對(duì)比度下限。含有低對(duì)比度物體的背景越均勻，與背景的對(duì)比度越大。理論上，噪聲最小的圖像能增加正常結(jié)構(gòu)和靶區(qū)體積的描繪精度?！眻D像噪聲是CT模擬機(jī)圖像質(zhì)量的重要參數(shù)之一，需要定期進(jìn)行質(zhì)控檢測。JJG 961-2017指出，噪聲的大小用感興趣區(qū)域（ROI）內(nèi)均勻物質(zhì)的CT值的標(biāo)準(zhǔn)偏差（SD）表示。JJG 961-2017和WS 519-2019分別規(guī)定了噪聲水平（H）和噪聲的測量值n的計(jì)算方法。本文為了分析方便，僅采用ROI內(nèi)CT值的標(biāo)準(zhǔn)偏差來表示圖像噪聲。其實(shí)，只要根據(jù)公式做相應(yīng)計(jì)算，就可以得到H和n的值。

使用檢測規(guī)范和行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)提供的方法，通過手工勾畫ROI對(duì)CT圖像進(jìn)行分析，需要耗費(fèi)較多時(shí)間，而且不能保證每次測試操作的一致性。因此，市場上出現(xiàn)了一些CT圖像的自動(dòng)分析軟件，例如QAlite［15］。使用這些軟件可以縮短分析時(shí)間，實(shí)現(xiàn)圖像分析的一致性，提高檢測工作效率。使用DoseLab質(zhì)控分析軟件，通過把相應(yīng)模體的CT圖像導(dǎo)入，可進(jìn)行自動(dòng)分析，給出物質(zhì)的CT值、圖像均勻性、空間分辨率、CNR等CT圖像質(zhì)量參數(shù)數(shù)據(jù)。筆者前期已經(jīng)使用該軟件分析了西門子CT模擬機(jī)CT值的長期穩(wěn)定性、CT值線性的長期穩(wěn)定性以及瓦里安OBI系統(tǒng)CBCT圖像CT值的長期穩(wěn)定性等［10,16］。此外，筆者還對(duì)DoseLab檢測CT圖像均勻性的程序進(jìn)行了改進(jìn)，使用正十六邊形代替原程序中的正方形ROI［11］。

將表1中的三十二點(diǎn)坐標(biāo)位置導(dǎo)入DoseLab軟件，建立一個(gè)新的正三十二邊形ROI（ROI-24）。經(jīng)計(jì)算，該ROI 的面積為49.94 cm2，而R=4 cm 的圓的面積為50.27 cm2。DQC程序自動(dòng)勾畫了R=4 cm的圓形ROI用于檢測圖像噪聲。由圖2、圖3和表2可見，DoseLab改進(jìn)程序和DQC程序所得的圖像噪聲值差異較小，最大為0.24 HU，差異的平均值≤0.10 HU?？梢?，DoseLab改進(jìn)程序可以有效檢測CT設(shè)備的圖像噪聲。兩種程序所得圖像噪聲的微小差異，應(yīng)當(dāng)來源于ROI的面積的不同。

綜上所述，本工作通過計(jì)算正多邊形的坐標(biāo)位置，然后在DoseLab 中添加了一個(gè)正三十二邊形的ROI，實(shí)現(xiàn)了該軟件自動(dòng)分析CT 圖像噪聲的功能。該DoseLab 改進(jìn)程序可對(duì)水模體和Catphan 模體的CT圖像進(jìn)行自動(dòng)分析，從而縮短CT圖像噪聲的分析時(shí)間，提高檢測工作效率。

致謝：感謝生原醫(yī)療王輝、曹鷹、郁洋在DoseLab軟件使用中提供的幫助和支持；感謝江蘇省計(jì)量科學(xué)研究院邢立騰在計(jì)量檢定規(guī)程方面的幫助。