孫智勇 平佳陽 李翔 周培

1 遼寧省醫(yī)療器械檢驗檢測院 （遼寧 沈陽 110171）

2 上海聯(lián)影醫(yī)療科技股份有限公司 （上海 201807）

內(nèi)容提要：隨著計算機斷層成像（CT）技術(shù)的發(fā)展，CT設(shè)備各項性能參數(shù)日益提升，具有較寬準(zhǔn)直寬度的320排CT逐漸進入各大醫(yī)院。由于準(zhǔn)直寬度的增加，以往的CT圖像性能測試模體無法滿足現(xiàn)有測試需求。因此，從優(yōu)化掃描流程的角度，依據(jù)IEC 61223-3-5-2019《醫(yī)用成像部門的評價及例行試驗第3-5部分：X射線計算機體層攝影設(shè)備成像性能驗收試驗和穩(wěn)定性試驗標(biāo)準(zhǔn)》與GB/T 19042.5-2006《醫(yī)用成像部門的評價及例行試驗第3-5部分：X射線計算機體層攝影設(shè)備成像性能驗收試驗標(biāo)準(zhǔn)》，研制出了更高效的、符合臨床及標(biāo)準(zhǔn)要求的320排CT設(shè)備成像性能檢測模體，并做了相關(guān)的實驗性研究。

近年來CT設(shè)備在我國迅速普及，代表世界上最先進影像檢查水平的320排CT，已被國內(nèi)各大醫(yī)院越來越多地使用。然而國內(nèi)目前缺乏相關(guān)的技術(shù)要求規(guī)范文件及檢驗檢測方案、技術(shù)，新購置和運行中的320排CT設(shè)備成像質(zhì)量成為放射界關(guān)注的問題。當(dāng)前國內(nèi)在型式檢測、驗收試驗中廣泛采用的是國際通用的美國模體實驗室的Catphan系列模體，然而在Catphan系列模體中，用于測試XY平面空間分辨率的模塊寬度僅為4cm，無法一次滿足準(zhǔn)直寬度為16cm的320排CT的測試需求。為了提供符合我國國情的256排以上CT的圖像質(zhì)量性能評價模體，依據(jù)IEC 61223-3-5-2019標(biāo)準(zhǔn)與YY/T 1766系列標(biāo)準(zhǔn)，同時參考美國醫(yī)學(xué)物理協(xié)會1號報告，研制出了適用于320排CT圖像性能測試的模體。

為驗證自研模體符合臨床需求與現(xiàn)有標(biāo)準(zhǔn)，選取了Catphan系列模體和QRM-SSP模體作為參考，分別在相同條件下測量空間分辨率及體層切片厚度，分析實驗結(jié)果判定自研模體性能。

1.研制過程

目前國際上尚無CT檢測模體的標(biāo)準(zhǔn)，設(shè)計本模體時依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)IEC-61223-3-5，參考美國醫(yī)學(xué)物理協(xié)會1977年1號報告、1993年的39號報告。結(jié)合320排CT實際應(yīng)用場景，對業(yè)內(nèi)模體取長補短，研制出符合市場需求及應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)的模體。在研究中主要解決了以下問題。

1.1 模體尺寸的選擇

為滿足320排CT16cm準(zhǔn)直寬度的需求，自研模體采用了30cm的長度。這一尺寸可使中間和邊緣層面的空間分辨率在一次測量中同時獲得。

1.2 空間分辨率模塊

空間分辨率通常分別在XY平面和Z軸上測量。通常通過調(diào)制傳遞函數(shù)（MTF）曲線來描述。MTF可通過計算系統(tǒng)的點擴散函數(shù)（PSF）的傅里葉變換的幅值得到。點擴散函數(shù)可視作系統(tǒng)的沖激響應(yīng)，通過引入一個空間上的沖擊信號作為輸入，測量系統(tǒng)輸出的頻率成分得到。對于CT掃描裝置，輸入的沖激信號可由一個在待測空間上尺寸足夠小、密度與背景差別足夠大的物體來提供。

常用來評價XY平面空間分辨率是Catphan系列模體，以Catphan700為例：它由多個不同材質(zhì)、不同功能的測試模塊組成。用于測量XY平面空間分辨率的模塊為CTP682，組成示意圖見圖1。

圖1.CTP682測試模塊組成圖示

在評價XY平面空間分辨率時，通過對CTP682模塊中直徑0.05mm鎢絲的掃描和重建來獲得點擴散函數(shù)（Point Spread Function，PSF），并經(jīng)過傅里葉變換后得到調(diào)制傳遞函數(shù)[1]。

自研模體采用了和CTP682相同的原理。如圖2所示，自研模體采用了金屬鋼絲作為實驗器件，其直徑為0.05mm。

圖2.自研模體空間分辨率模塊示意圖

QRM-SSP模體是常用來評價Z軸空間分辨率的商用模體。如圖3所示，QRM-SSP模體包含一個25μm厚的圓形金屬箔（Au），嵌在均勻的組織當(dāng)量塑料圓筒中[2]。

圖3.QRM模體尺寸

通過對圓形金屬箔的掃描可獲得Z方向一維的點擴散函數(shù)，經(jīng)過傅里葉變換后可得到調(diào)制傳遞函數(shù)。

自研模體中插入了三片厚度為0.025mm，直徑為1mm的金屬鋼片，用以測量中心和邊緣層面的Z軸空間分辨率。

1.3 體層切片厚度模塊

體層切片厚度常用切片靈敏度曲線（SSP）的半高寬（FWHM）來表征[3]。在實際應(yīng)用中，SSP常借助于厚度顯著低于數(shù)據(jù)采集切片的物體來進行測量[4]。

自研模體與QRM-SSP模體相似，選用了金屬薄片用于體層切片厚度的測量。如圖4所示，模體中間和兩側(cè)邊緣層面共插入三片金屬鋼片。

圖4.自研模體體層切片厚度模塊示意圖

2.實驗驗證

實驗驗證分為XY平面空間分辨率、Z軸空間分辨率和體層切片厚度。為了評價自研模體評價圖像性能的水平，將其與Catphan700模體及QRM-SSP模體進行比較。采用相同的掃描和重建條件，分別測量空間分辨率及體層切片厚度的指標(biāo)，通過對比不同模體的測試結(jié)果，來對自研模體進行評價。

2.1 空間分辨率

2.1.1 XY平面空間分辨率

XY平面空間分辨率詳細測試過程如下：將模體放置在機架中，使其平行于系統(tǒng)的Z軸并偏離中心（30±10）mm。記錄測試設(shè)備的位置后對其進行掃描。重建后基于重建的DICOM圖像進行分析：①以金屬絲為中心提取ROI得到二維PSF；②對二維PSF去除背景得到修正后的PSF；③對修正后的PSF進行二維傅里葉變換，獲取幅值得到二維MTF；④將二維MTF以其頻率的零點為原點，進行360°的極坐標(biāo)變換，沿角度方向取平均得到一維MTF；⑤將一維MTF按直流幅度進行歸一化，得到歸一化的MTF曲線；⑥通過歸一化MTF曲線得到若干幅度對應(yīng)頻率值。

2.1.2 Z軸空間分辨率

Z軸空間分辨率詳細測試過程如下：掃描時將模體放置于掃描中心。重建后基于DICOM圖像進行分析：①以圓形金屬薄片為中心提取ROI，獲取序列中每張圖像同坐標(biāo)區(qū)域ROI的像素均值，組合在一起得到Z軸一維PSF；②將一維PSF去除背景得到修正后的PSF；③將修正后的PSF進行傅里葉變換，獲取幅值得到一維MTF，并按直流幅度進行歸一化，得到歸一化的MTF曲線；④通過歸一化的MTF曲線可得到若干幅度對應(yīng)的頻率值[5]。

2.2 體層切片厚度

體層切片厚度詳細測試過程如下：掃描時將模體放置于掃描中心。重建后基于DICOM圖像進行分析：①以圓形金屬薄片為中心提取ROI，獲取序列中每張圖像同坐標(biāo)區(qū)域ROI的像素均值，并擬合得到SSP曲線；②測量SSP曲線的半高寬（FWHM）來表征體層切片厚度[6,7]。

2.3 模體尺寸對測試流程的影響

320排CT在Z方向上的覆蓋范圍為160mm。故模體在Z方向上的長度直接決定了需重復(fù)測試的次數(shù)。

Catphan700模體各模塊的相對位置如圖5所示，其中用于測量MTFxy的CTP682模塊（見圖6）在Z方向上的長度為40mm，需重復(fù)測量四次才能得到160mm覆蓋范圍內(nèi)的有效數(shù)據(jù)。

圖5.Catphan700 模塊位置示意圖

圖6.自研模體（左）與CTP682(右)測試示意圖

而自研模體在Z方向上的長度超過160mm，一次測量即可得到整個覆蓋范圍內(nèi)的有效數(shù)據(jù)。

同理，自研模體在體層切片厚度評價時也可以通過一次掃描同時獲得準(zhǔn)直中間和邊緣層面的切片厚度，而使用QRM-SSP模體時需要來回移動多次掃描。

3.結(jié)果分析

3.1 XY平面空間分辨率結(jié)果及分析

影響MTF的因素有很多，其中起關(guān)鍵影響的參數(shù)包括球管焦點大小、前準(zhǔn)直寬度、重建卷積核、重建層厚、重建視野和重建矩陣等。測量XY平面空間分辨率所采用的關(guān)鍵參數(shù)見表1。

表1.MTFxy掃描參數(shù)

在表1所示條件下測得的XY平面空間分辨率見表2。

表2.MTFxy掃描結(jié)果

由圖7所示，Catphan700與自研模體在XY平面上的MTF 50%結(jié)果差異很?。ㄔ?%以內(nèi)），且均表現(xiàn)出中間層測試結(jié)果大于邊緣層的特性，符合寬準(zhǔn)直成像的技術(shù)特點。

圖7.MTF50%測試結(jié)果：Catphan 700 與 自研模體對比表格

3.2 Z軸空間分辨率

測量Z軸空間分辨率所采用的關(guān)鍵參數(shù)見表3，在表3所示條件下測得的Z軸空間分辨率如下表4所示。由表4可知，自研模體與QRM模體所測得的Z軸空間分辨率結(jié)果差異很?。ㄔ?%以內(nèi)）。

表3.MTFz掃描參數(shù)

表4.MTFz 掃描結(jié)果

3.3 體層切片厚度

體層切片厚度掃描結(jié)果見表5。由表5可知，自研模體與QRM-SSP模體所測得的體層切片厚度結(jié)果差異很小（在4%以內(nèi)）。

表5.體層切片厚度掃描結(jié)果

4.討論

根據(jù)以上結(jié)果，自研模體與對照模體測試結(jié)果差異很小，因此可認為自研模體在評價空間分辨率及體層切片厚度方面的性能基本符合Catphan 700模體和QRM-SSP模體代表的臨床需求；在使用Catphan 700及QRM-SSP時所采用的來回移動多次掃描方案對掃描結(jié)果沒有顯著影響。

得益于自研模體的尺寸，僅需一次掃描即可得到中間和邊緣層面上的XY平面空間分辨率及體層切片厚度的測量結(jié)果，避免重復(fù)操作，提高了測試效率。但更大的尺寸和更多的模塊也意味著更重的重量，這也給模體擺位及移動帶來了一定的挑戰(zhàn)。