秦永春，徐小三

（江蘇省疾病預(yù)防控制中心，南京 210009）

0 引言

X 射線計(jì)算機(jī)斷層攝影（CT）作為影像診斷的重要手段，在疾病的早期診斷、分期分級、治療指導(dǎo)、療效評價(jià)及動態(tài)觀察中具有重要的應(yīng)用價(jià)值。為了能在CT 影像上區(qū)分出CT 值相近的人體組織，對CT裝置的重要性能指標(biāo)——不同物質(zhì)間CT 值的正確標(biāo)定顯得尤為重要。

不同物質(zhì)的CT 值與X 射線衰減系數(shù)呈正比例關(guān)系，將此種關(guān)系定義為CT 值線性[1]。理想的CT 系統(tǒng)，物質(zhì)的CT 值與其對應(yīng)的線性衰減系數(shù)μ 應(yīng)呈線性關(guān)系[2]。CT 值線性受多種因素影響，張連宇等[3]和鄭慶增等[4]的研究表明不同密度值的組織插件的CT 值隨著管電壓升降呈現(xiàn)不同的變化趨勢。任軍等[5]的研究表明同一臺設(shè)備即使在相同的檢測條件下，CT 圖像上采樣區(qū)域的平均CT 值也會隨取樣的大小有輕微的影響。目前，在CT 質(zhì)控檢測中，對CT 值的線性采樣都為人工采樣模式，存在同一臺設(shè)備即使在相同的檢測條件下，由于人工采樣的隨機(jī)性，所選取感興趣區(qū)（region of interest，ROI）的位置和大小的不同導(dǎo)致最終結(jié)果有所不同。為此，本文以一臺SOMATOM go.Now 型號的CT 機(jī)為研究對象，按照檢測標(biāo)準(zhǔn)[6]要求對其CT 值線性進(jìn)行檢測，借助MATLAB 軟件編寫程序?qū)χ亟ê蟮腄ICOM 文件進(jìn)行自動分析，并對人工分析結(jié)果和自動分析結(jié)果進(jìn)行比較，對比2 種方法的優(yōu)缺點(diǎn)。

1 材料與方法

1.1 研究對象

某醫(yī)院新購置的1 臺CT 機(jī)，型號為SOMATOM go.Now，該型CT 額定最大管電壓為130 kV，最大管電流為240 mA。

1.2 儀器設(shè)備

檢測儀器為美國Phantom Lab 生產(chǎn)的Catphan500型檢測模體，該模體包括CTP401、CTP528、CTP515 和CTP486 4 個檢測模塊，本研究僅使用CTP401 模塊。

1.3 研究過程

將裝有檢測模體的木質(zhì)箱放置在檢查床上，Catphan500 型檢測模體懸掛在箱子外沿，并伸出檢查床面外，避免檢查床材料對最終結(jié)果產(chǎn)生影響。調(diào)整模體姿態(tài)，保證模體在前后、左右2 個方向水平，并利用CT 機(jī)上的激光線調(diào)節(jié)模體位置，使CT 模體中心線與CT 掃描架中心線重合。

模體位置設(shè)置好后，先進(jìn)行定位像掃描。將定位線設(shè)置在CTP401 模塊中央處，并設(shè)置軸掃條件為：管電壓130 kV，管電流160 mA，掃描時(shí)間1 s，層厚10 mm。該掃描條件下的加權(quán)CT 劑量指數(shù)CTDIW為41.12 mGy，滿足標(biāo)準(zhǔn)中CTDIW不大于50 mGy 的要求。

1.4 檢測圖像處理

1.4.1 人工分析

對CTP401 模塊軸掃完成后，在圖像瀏覽中調(diào)取重建后的圖像，利用計(jì)算機(jī)自帶的分析軟件測量3 點(diǎn)、6 點(diǎn)、9 點(diǎn)和12 點(diǎn)處不同材質(zhì)模體的CT 值。3點(diǎn)、6 點(diǎn)、9 點(diǎn)和12 點(diǎn)處的材質(zhì)分別為LDPE（低密度聚乙烯）、Acrylic（丙烯酸）、Air（空氣）和Teflon（特氟?。?，在66 keV 時(shí)，上述4 種材質(zhì)的X 射線的線性衰減系數(shù)μ 分別為0.177、0.219、0 和0.374 cm-1，相應(yīng)的標(biāo)稱CT 值分別為-100、120、-1 000 和950 HU[7]。CT 線性模體示意圖如圖1 所示。

圖1 CTP401 模塊中的CT線性模體示意圖

在圖像四周3 點(diǎn)、6 點(diǎn)、9 點(diǎn)和12 點(diǎn)的方向不同模體中心處選取直徑約為檢測模體圖像直徑80%的ROI，測量其平均CT 值，分別記作CT3、CT6、CT9和CT12，則CT值線性由下式可得：

式中，i 為材質(zhì)所處點(diǎn)位，i 為3、6、9、12；CT標(biāo)i為對應(yīng)位置處的不同材質(zhì)模體的標(biāo)稱CT 值。

1.4.2 自動分析

（1）思路設(shè)計(jì)。

為了實(shí)現(xiàn)檢測指標(biāo)的自動分析功能，本研究要實(shí)現(xiàn)CTP401 模塊中4 種不同材質(zhì)模體的位置的自動定位和直徑的測量，從而避免因ROI 的位置和大小等人為因素導(dǎo)致的誤差。CTP401 模塊中4 種不同材質(zhì)模體分別位于3 點(diǎn)、6 點(diǎn)、9 點(diǎn)和12 點(diǎn)位置，在Catphan500 型檢測模體擺放絕對水平和掃描重建后的圖像沒有形變的假設(shè)下，在CT 影像中上述4 種材質(zhì)模體中心相對于CTP401 模塊中心點(diǎn)分別為90°、180°、270°和360°?；谏鲜黾僭O(shè)，借助MATLAB 軟件分別確定CTP401 模塊和Teflon 模體的中心位置，然后將Teflon 模體中心相對于CTP401 模塊中心分別旋轉(zhuǎn)90°、180°和270°，并定位其余3 種模體的中心位置，同時(shí)利用MATLAB 軟件自帶的統(tǒng)計(jì)函數(shù)計(jì)算模體區(qū)域像素的平均值。

（2）分析過程。

借助于其他媒介將DICOM 文件轉(zhuǎn)移出CT 主機(jī)，CTP401 模塊掃描重建后的原圖如圖2 所示。

圖2 CTP401 模塊掃描重建后的原圖

CTP401 模塊掃描原圖中包括3 種顏色：黑色為CT值小于0 的區(qū)域（包括模體四周的空氣、空氣模體和LDPE模體），灰色為模體外圍承載膠體，白色為CTP401 模塊主體和模體四周金屬定位線，圖像區(qū)域較多，而且CTP401模塊中空氣模體與模體四周的空氣的CT 值相同，LDPE模體與模體外周承載膠體的CT 值接近，在模塊重建后的原圖上難以確定CT 線性測量模體的位置，需要通過以下步驟才能進(jìn)行自動測量。

①灰度值與CT 值之間的轉(zhuǎn)化。

掃描重建后的DICOM 文件一般為512 像素×512 像素的灰度圖像，為了自動測量出圖像中各模體的CT 值，需要將DICOM 文件的灰度值轉(zhuǎn)化為CT值。DICOM 圖像中的Rescale Slope（重新調(diào)節(jié)斜率）和Rescale Intercept（重新調(diào)節(jié)截距）可以實(shí)現(xiàn)像素灰度值與CT 值之間的轉(zhuǎn)化，計(jì)算公式如下：

②CTP401 模塊中心坐標(biāo)提取。

利用Otsu 算法[8-9]計(jì)算圖像的閾值，并對圖像進(jìn)行二值化操作，然后對二值化圖像執(zhí)行形態(tài)操作，使圖像區(qū)域邊緣化。形態(tài)學(xué)操作[10-11]后各區(qū)域分布圖如圖3 所示。

圖3 CTP401 模塊形態(tài)學(xué)操作后各區(qū)域分布圖

由于四周模體金屬定位線大小相比于CTP401 模塊要小的多，可以通過設(shè)置區(qū)域像素大小的閾值過濾掉四周金屬定位線，從而得到CTP401 模塊中心O 的坐標(biāo)（X，Y）。

③模體周圍區(qū)域填充。

由圖3 可知，形態(tài)學(xué)操作可以很好地區(qū)分開CTP401模塊與模體外圍承載膠體及空氣，但是還是無法定位到CT 線性模體的位置。為了得到CTP401 模塊內(nèi)部的細(xì)節(jié)，本研究提取了CTP401 模塊內(nèi)本底值，并用該值填充CTP401 模塊外側(cè)區(qū)域，填充后各區(qū)域分布圖如圖4 所示。

圖4 CTP401 模塊四周填充后各區(qū)域分布圖

④ROI 提取。

CTP401 模塊經(jīng)過四周填充后，圖像中的區(qū)域越來越單一。可以參照步驟②選擇合適的像素值閾值對圖4進(jìn)行形態(tài)學(xué)操作，對CTP401模塊四周填充圖像進(jìn)行形態(tài)學(xué)操作后的區(qū)域分布圖如圖5 所示。

圖5 對CTP401 模塊四周填充圖像進(jìn)行形態(tài)學(xué)操作后的區(qū)域分布圖

圖5 中黃色和枚紅色均為Teflon 模體，兩者大小不同，只要通過設(shè)置區(qū)域像素大小提取直徑大的Teflon 模體的中心點(diǎn)A 坐標(biāo)（X1，Y1）和半徑r，然后通過下面的坐標(biāo)轉(zhuǎn)換公式就可以求得4 個CT 線性模體中心點(diǎn)P 的坐標(biāo)（當(dāng)下式中j=0 時(shí)，即為Teflon 模體中心點(diǎn)A 坐標(biāo)）：

有了4 個CT 線性模體中心點(diǎn)P 以及模體半徑r，可以利用MATLAB 軟件自帶的統(tǒng)計(jì)函數(shù)計(jì)算圓點(diǎn)為P、半徑為0.8r 的ROI 內(nèi)像素平均值。

⑤CT 值線性計(jì)算。將上述分析出的結(jié)果代入公式（1）計(jì)算出CT 值線性。

整個分析流程如圖6 所示。

圖6 自動分析流程圖

2 結(jié)果

2.1 圖像分析參數(shù)

采集矩陣大小為512 像素×512 像素，像素間距PixelSpacing=[0.4803，0.4803]，像素值灰度與CT 值轉(zhuǎn)換參數(shù)：Rescale Slope=1，Rescale Intercept=-8 092。

經(jīng)過模塊外周背景填充、形態(tài)學(xué)操作和坐標(biāo)變換后，獲得的模體中心點(diǎn)和各ROI 的位置、大小參數(shù)見表1。

表1 各ROI 的大小、位置參數(shù) 單位：像素

2.2 檢測結(jié)果

將人工分析和自動分析所得的4 個點(diǎn)位的CT值進(jìn)行對比，結(jié)果見表2。

表2 人工分析和自動分析結(jié)果（CT 值）對比 單位：HU

由表2 可知，僅12 點(diǎn)處CT 值自動分析結(jié)果比人工分析結(jié)果略高，其余3 個點(diǎn)位的CT 值則是人工分析結(jié)果略高，自動分析和人工分析所得CT 值線性結(jié)果分別為8.03 HU 和9.5 HU，均滿足標(biāo)準(zhǔn)限值（±50 HU 內(nèi)）的要求。

2.3 結(jié)果分析

在CT 值線性結(jié)果遠(yuǎn)離標(biāo)準(zhǔn)限值情況下，人工分析結(jié)果與自動分析結(jié)果之間的偏差可以忽略，但是CT 值線性結(jié)果接近限值時(shí)，由人工分析得出的結(jié)果就可能判定為不合格。為了明確ROI 中心位置和大小對CT 值線性的影響，假設(shè)人工現(xiàn)場測量時(shí)取樣采用的ROI 為圓形。選取圖像中尺寸較大的4 種CT 值線性模體為研究對象，ROI 中心分別設(shè)置在以模體中心為圓點(diǎn)、半徑為R1（R1∈[0，12]）的4 個圓內(nèi)，ROI 半徑為R2（R2∈[0.8r-12，0.8r-R1]），每一個CT 值線性模體內(nèi)選取了大約2 500 個半徑在0.4～12.4 像素范圍內(nèi)的ROI，并計(jì)算出這些ROI 內(nèi)像素的CT 值。對照人工測量的該線性模體CT 值，推算出人工測量CT值線性時(shí)選取的ROI 中心位置和半徑見表3。

表3 人工分析各ROI 的大小、位置推算值 單位：像素

掃描重建后的圖像，即使是同一材質(zhì)的CT 值線性模體，其圖像中各像素的CT 值也不一定為恒定值，在空間上具有特定的分布。人工分析借助于CT機(jī)自帶的軟件，CT 值線性模體的中心位置只能憑測量者主觀確定大致位置。對比表1 和表3 可知，自動分析所選取的ROI 的中心坐標(biāo)和由人工分析結(jié)果推算出的ROI 中心坐標(biāo)相近，部分ROI 中心坐標(biāo)重合，而人工分析選取的ROI 的半徑小于對應(yīng)線性模體半徑的80%，不能滿足標(biāo)準(zhǔn)的要求，是由于人工分析選取的ROI 中心位置和大小具有隨機(jī)性。

3 討論

物質(zhì)的CT 值與其X 射線線性衰減系數(shù)之間具有線性關(guān)系，是CT 設(shè)備正確成像的物理基礎(chǔ)[12]。李濤等[13]的研究基于MATLAB 實(shí)現(xiàn)對CT 值線性的自動檢測，其原理基于不同材料模塊在CT 圖像中的CT 值與背景不同，采用對CT 圖像進(jìn)行不同閾值的二值化，分割出不同材料的小圓圖像來定位CT 值線性模塊的位置，從而實(shí)現(xiàn)對CT 值線性的自動化檢測。孟奧等[14]借助MATLAB 系統(tǒng)，大致確定各目標(biāo)物質(zhì)的圓心后以合適的半徑在目標(biāo)物質(zhì)處圈定ROI，借助圓域測量的方法測量目標(biāo)物質(zhì)的CT 值。

上述2 項(xiàng)研究都是借助MATLAB 大致確定各目標(biāo)物質(zhì)的圓心后以合適的半徑選取ROI，選取ROI 大小沒有標(biāo)準(zhǔn)依據(jù)。本研究自動分析過程嚴(yán)格按照標(biāo)準(zhǔn)中要求的ROI 的位置和大小進(jìn)行采樣，對于Teflon 模體自動分析結(jié)果高于人工分析結(jié)果，其余3 個點(diǎn)位自動分析結(jié)果則低于人工分析結(jié)果。由此可見，自動分析選取的ROI 位置準(zhǔn)確，ROI 范圍均在CT 值線性模體內(nèi)，測得模體的CT 值未受到模塊本底值的影響。

本研究采用的自動分析過程是按照標(biāo)準(zhǔn)要求選擇ROI 中心位置和大小，不需要任何人為干預(yù)自動給出CT 值線性結(jié)果，避免了由于人為因素引入的誤差，保證了檢測結(jié)果的客觀公正性。

本研究同時(shí)存在不足之處，主要包括：（1）未考慮模體擺放傾斜和重建后圖像存在形變的情形；（2）樣本量太少，僅為1 臺CT，圖像分割和ROI 的提取可能在其他類型CT 圖像分析中不適用。今后，將在結(jié)合多種類型CT 設(shè)備實(shí)際情況，綜合考慮影響CT值線性自動分析潛在因素的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步完善CT值線性自動分析過程。