（生物医学工程专业论文）多层面CT机性能测试体模的研究.pdf

摘要 种c t 体模，基于m s c t 自动检测的要求，制作了实用的体模，对空间分辨力、 层厚、场均匀性、噪声和密度分辨力等主要参数进行了分析与研究，提出了相 应的检测和评价方法，所完成的主要工作如下： 1 m s c t 空间分辨力的检测。通过分析比较，采用m t f 法来测量c t 的空间分 辨力，本文设计并制作了检测模块，分析了空间分辨力主观法和客观法测试的 区别与联系，并做了大量实验与c a t p h a n 的结果相比较，证实该方法可行。 2 c t 层厚的检测。采用斜面法测量c t 层厚，设计并制作了层厚模块，通过实验 与c a t p h a n 的结果对比，分析了本模块的不足并加以了改善。 3 m s c t 的均匀性和噪声的检测与评价。m s c t 的纵轴扫描范围大为增宽，由于 x 射线的几何张角及各层探测器效率不同，各层信号强度与噪声也不一样。本文 设计并制作了检测模块，分别给出j m s c t 断层均匀性和纵向均匀性的测试和评 价方法。 4 m s c t 密度分辨力的研究。分析了多种测量c t 密度分辨力的方法，由于现有 的方法从取材上都非常困难，而且不能定量的表述密度分辨力，所以本文提出 了一种基于统计学的替代方法。不仅计算简单容易获得数据，还能客观定量的 描述密度分辨力。 关键词：多层面c t 机性能检测体模空间分辨力层厚均匀性密度分辨力 i i 硕士学位论叉 r e s e a r c ho nt e s t i n gp e r f o r m a n c ep h a n t o m f o rm u l t i s l i c ec t n a m e ：l ip i n g s u p e r v i s o r ：y ux i a oe c ti sv e r ye x p e n s i v ea n di t st e c h n o l o g yi sc o m p l i c a t e d i no r d e rt oe n s u r ei t s e f f i c i e n ta p p l i c a t i o ni nt h eh o s p i t a l p e o p l em u s td oc tp e r f o r m a n c et e s t i n gr e g u l a r l y , t h e ne v a l u a t ei ta c c o r d i n gt ot h ec o r r e s p o n d i n gc r i t e r i o nw h e t h e rt h ep e r f o r m a n c eo f t h es c a n n e ri sq u a l i f i e do rn o t p h a n t o mi su s e dt ot e s tc tp e r f o r m a n c e 。t h ep h a m o m p l a y sg r e a t l yi n f l u e n c eo nt h em e a s u r e m e n tr e s u l t ，s ot h eq u a l i t yo fp h a n t o mi s f o c u s e db ym e d i c a lu n i ta n dt e c h n o l o g i c a ls u p e r v i s o ro f f i c e c tp h a r t t o ma n dt h ec ts c a n n e ra l w a y sd e v e l o pa tt h es a m et i m e ，a n de v e r y r e v o l u t i o no fc tp r o m o t e st h et e c h n o l o g yd e v e l o p m e n tf o rc tp h a n t o m f o r e i g n s t u d yo nc tp h a n t o mh a sb e e na l m o s tq u i t ep e r f e c t ，b u td o m e s t i cs t u d ys t i l ln e e dt o b ei m p r o v e do nc o n s t a n t l y , t h ef a s tp o p u l a r i z a t i o no fm s c t ( m u l t i s l i c ec oa n di t s s p e c i a ls c a n n i n gm o d eh a v eb r o u 曲tn e wc h a l l e n g et oc tp h a n t o mn o w a d a y s c o m p a r e dw i t hc o n v e n t i o n a ls c a n ，m s c ti sq u i t ed i 丘e r c n tf r o mm s c ti nd a t a a c q u i r i n ga n dr e c o n s t r u c t i o na l g o r i t h m m u l t i s l i c ei m a g e sc a nb eo b t a i n e dw h e nt h e x - r a yt u b er o t a t e so n er o t a t i o n ，s ot h ep h a n t o mm u s tb eg u a r a n t e e dn o tt ob e i n f l u e n c e db yt h ea d j a c e n ts l i c e s i nt h es c a n n i n go fm s c t t h a ti st o s a y , t h e p h a n t o mm u s th a v ee n o u g hl e n g t hi nza x l ea n du n i f o r mh o m o g e n e i t y b e s i d e s ，t h e d a t aa c q u i r e di nt h em s c ts c a n n i n gi s g r e a t l yi n c r e a s e d ；t h em a n u a lq u a l i t y a s s u r a n c e ( q a ) t e s ti nt r a d i t i o n a lm e t h o dc a n tm e e tt h er e q u i r e m e n to fm s c tt e s t i n g a b s t r a c r t h em s c t s c a n n i n gm e t h o ds h o u l db ei m p r o v e df r o mm a n u a lt e s t i n gt oa u t o t e s t i n g ， w h i c hp u tf o r w a r dt h en e wa c q u i r e m e n tt ot h ed e s i g no ft h ec tp h a n t o m t h em o r ew ef o c u so nt h ec tq a g r a d u a l l y , t h em o r ed e m a n d sf o rt h ep h a n t o m a r e g e n e r a t e d ，i ti si m p o s s i b l ef o ru st oi m p o r ta l lf r o mf o r e i g nc o u n t i e s ，t h e p h a n t o mi n t r o d u c e dc o s t sg r e a t ，w h i c hl i m i t si t sp o p u l a r i z a t i o ni nt h eh o s p i t a la tt h e b a s i cl e v e l ，a n dp r e v e n t st h ed e v e l o p m e n to ft h eq u a l i t ya s s u r a n c ew o r k s ot h e p o p u l a r i z a t i o no fd o m e s t i ct e s tp h a n t o ml a y s t h ef o u n d a t i o no ft h eq aw o r ka n d e s t a b l i s h e st h ef u n d a m e n t a lo fr e m o t ep e r f o r m a n c et e s t i n go fc t i nt h i sp a p e r , m e t h o d st oc tq aa r ed e t a i l e ds u m m a r i z e d ；v a r i o u sk i n d so fc t p h a n t o ma r ec o m p a r e d b a s i n go nt h er e q u i r e m e n to fa u t o m a t i c t e s to fc t , a p r a c t i c a l p h a n t o mi sm a d e ，i m p o r t a n tp a r a m e t e r ss u c ha sh i i g hc o n t r a s tr e s o l u t i o n ，s l i c e ， u n i f o r m i t y , n o i s ea n dl o wc o n t r a s tr e s o l u t i o n ，e t ch a v eb e e na n a l y z e da n ds t u d i e d c o r r e s p o n d i n gt e s t i n ga n de v a l u a t i n gm e t h o dh a v eb e e nb r o u g h tf o r w a r d t h em a i n w o r kf i n i s h e di sa sf o l l o w s ： 1 m e a s u r i n gt h eh i g hc o n t r a s tr e s o l u t i o no fm s c t w i t ha n a l y s i sa n dc o m p a r i s o n ， c o n s i d e r i n ga u t o t e s t i n ga l s o ，m t fm e t h o dt om e a s u r et h eh i 【g hc o n t r a s tr e s o l u t i o no f m s c ti sa d o p t e d a ne x p e r i m e n t a lp h a n t o mh a sb e e nd e s i g n e da n dm a d eo u t ；t h e d i f f e r e n c ea n dc o r r e s p o n d e n c eb e t w e e ns u b j e c t i v ea n do b j e c t i v em e t h o d st om e a s u r e t h eh i r g hc o n t r a s tr e s o l u t i o na r es t u d i e d t h ep h a n t o mi sv e r i f i e dt ob ef e a s i b l eb ya l a r g en u m b e ro ft e s t sc o m p a r e dw i t hc a t p h a np h a n t o m 2 m e a s u r i n gc ts l i c e u s i n gi n c l i n e dp l a n em e t h o dt om e a s u r ec ts l i c e ，w ed e s i g n a n dm a k eas l i c em o d u l e ，t h r o u g ht e s t i n g ，a n a l y z et h ed e f i c i e n c yo fac o p yo fm o d u l e a n di m p r o v ei tc o m p a r e dw i t hc a l p b 肋p h a n t o m 3 m e a s u r i n ga n de v a l u a t i o no ft h eu n i f o r m i t ya n dn o i s eo fm s c t t h ez a x i s c o v e r a g ei sg r e a t l yi n c r e a s e d t h es i g n a li n t e n s i t ya n dn o i s ea r ed i f f e r e n ti ne v e r y 硕士学位论文 s l i c eb e c a u s et h eg e o m e t r ya n g l eo fx r a ya n de f f i c i e n c yo fe v e r yd e t e c t o ra r e d i f f e r e n tt o o au n i f o r m i t yw a t e rm o d u l ei sd e s i g n e da n dm a d e ；m e t h o d st oe v a l u a t e t h es l i c eu n i f o r m i t ya n dz - a x i su n i f o r m i t ya r eb o t hp r o p o s e d 4 t h er e s e a r c ho nt h el o wc o n t r a s tr e s o l u t i o no fc t k i n d so fm e t h o d st om e a s u r ec t l o wc o n t r a s tr e s o l u t i o na r ea n a l y z e d ，aa l t e r n a t i v em e t h o di s p r o p o s e db a s e do n s t a t i s t i c sb e c a u s ee x i s t i n gm e t h o d sa r ea l ld i f f i c u l tw i t hm a t e r i a l sa n dd i f f i c u l ti n a u t o t e s t i n g t h en e w m e t h o di sn o to n l ys i m p l e ，e a s yt oa c q u i r et h ed a t ab u ta l s oc a n g i v ea no b j e c t i v ea n dq u a n t i t a t i v ed e s c r i p t i o nt ot h el o wc o n t r a s tr e s o l u t i o n k e y w o r d s ：m s c t t e s t i n gp e r f o r m a n c ep h a n t o ms p a t i a l r e s o l u t i o n s l i c e u n i f o r m i t y l o wc o n t r a s tr e s o l u t i o n 硕士学位论文 第1 章概述 1 1c t 技术进展和临床应用 1 9 7 2 年，h o u n s f i e l d 和a m b r o s e 在英国放射学家年会上发表正式论文，宣 告e m ix 射线计算机断层扫描装置( c o m p u t e dt o m o g r a p h y , c t ) 的诞生，同年 1 1 月在北美放射学会年会上向全世界宣布，标志着c t 研制成功，并投入临床应 用。1 9 7 4 年，美国g r o r g et o w n 医学中心工程师l e d l e y 设计了全身c t 扫描机。 此后c t 技术发展迅速，短短三十几年间，已先后经历了从普通c t 到螺旋c t 和m s c t 等的发展。探测器阵列的单元数目不断增加，排列从直线型发展到弧 形、锥形，扫描时间越来越短，而图像质量却不断改善。c t 的出现是自伦琴发 现x 射线以来，在这个领域无可比拟的发明，它具有传统x 线摄影技术所无法 达到的解剖结构影像，可以进行三维重建、引导介入等，极大的丰富了临床应 用。 常规c t 的技术发展主要集中在提高单层轴向扫描的速度、重建速度和图像 分辨力上，达到了亚秒扫描( 0 7 5 0 8 s ) 和l s 重建，空间分辨力可达2 4 l p c m 。 然而常规c t 的x 射线高压发生器在机架外部，通过电缆与机架内部的x 射线 球管相连，这种设计限制了x 线的连续曝光，数据的连续采集，检查床的连续 移动。1 9 8 9 年，螺旋c t ( s p i r a lc t , s c r , o rh e l i c a lc t ) 研制成功，取代了扫描 一进床一扫描( s t e p a n d s h o o t ) 数据采集方式。螺旋扫描同轴向扫描相比，其主 要优势表现在以下几个方面：扫描时间短，完成3 6 0 0 扫描仅需0 7 一l s ，令患者 屏气一次就可完成胸部或腹部扫描，减少了运动伪影，并可以节约造影剂的使 用；回顾性重建可以在任意部位成像，极大地提高了纵向分辨力，减小了部 分容积效应，增强了三维重建效果，可立体、旋转观察病灶，同时可以显示病 灶周围组织与脏器的变化，为外科选择手术方案提供了详细资料；提高了工 作效率；具有丰富的后处理功能，可完成三维立体重建、c t 血管造影、模拟 内窥镜等技术，放疗定位更加准确，使c t 的应用范围大大拓宽。 1 9 9 2 年，以色列e l s i c n t 公司推出双螺旋c t ，探测器是并行的双排，x 射 第1 章概述 线束相应的变为锥形。1 9 9 8 年，在北美放射年会，g e ，s i e m e n s ，t o s h i b a 和p h i l i p s 公司都展出了自己的新型四层面螺旋c t ，这种螺旋c t 沿z 轴有四个通道接受 探测器采集的数据，一次可以获得四层图像，机架旋转一周时间仅需0 5 s ，层厚 最薄可达o 5 m m ，成像性能得到了进一步的改善，它标志着多层面c t 时代的到 来。继1 9 9 9 年的4 层采集、2 0 0 0 年的8 层采集设备问世之后，2 0 0 2 年g e 、 p h i l i p s 、s i e m e n s 和t o s h i b a 四家公司均推出了1 6 层采集的螺旋c t 设备。2 0 0 3 年s i e m e n s 公司在北美放射学年会上，向全球发布了6 4 层螺旋c t ，并于0 4 年秋季上市，投入使用。与单层面螺旋c t 相比，m s c t 具有更宽的扫描范围， 因而加快了扫描速度。缩短了扫描全过程的时间；可以进行任意层面的组合， 减少了伪影，提高了图像质量，尤其是z 轴上的分辨力明显提高；x 射线的利用 率和时间分辨力也得到迸一步提高。它不仅具有单层面螺旋c t 的一般特点，而 且是更高速度和高空间分辨力的结合，如亚秒扫描、半毫米层厚、快速完成病 人的扫描、提供高质量的图像等。一次屏气，2 5 s 内可完成全身体部扫描；层厚 3 m m 的胸部扫描，5 s 内就可完成。方便病人检查，减少伪影，对危重病人、儿 童、老年人更体现出优越性。m s c t 的快速发展，也促使了心脏扫描、脑部灌注 成像等新技术逐渐成熟并投入到临床运用，开辟了医学研究的新领域。 1 2c t 设备的质量保证 1 2 1c t 质量保证的定义及类型 所谓质量保证( q u a l i t ya s s u r a n c e ，q a ) 就是为了使c t 设备达到最佳的性 能状态，产生最高质量的图像，同时对病人的辐射、不适感减少到最小，费用 降到最低而采取的一系列有计划、有系统的活动。包括从设备的招标、安装、 试运转到日常应用的全部活动都属于其范畴。简单的说，就是通过科学的管理 方法和各种技术手段，确保使用中的设备的各项性能都达到一定的要求。所采 用的技术手段主要是对设备进行应用质量检测，检测类型主要分验收检测与状 态检测。验收检测是指设备到货安装后所进行的相应检测，是为了确保设备的 性能达到厂家的技术及操作性能指标；而状态检测则是定期对设备进行的性能 2 硕士学位论文 检测，以确保设备的性能稳定，为了使状态检测具有可比性，状态检测的每次 测试条件应该保持一致。c t 质量保证在技术方面是通过对c t 系统的各项性能 指标的检测评价来进行的。这些参数分为三类：图像性能参数、机械性能参数、 电气性能参数。其中，机电性能又包括定位光精度、诊视床和机架的倾角精度、 诊视床运动和定位精度、球管的电压和电流设置精度等。在保证图像质量的前 提下，尽量减少x 射线的辐射是质量保证的重要内容，剂量指数的检测已有成 熟的方法。而图像性能参数主要有空间分辨力、密度分辨力、场均匀性和噪声、 层厚、c t 值线性等几个方面，对于多层面c t ，还增加了螺距、z 轴分辨力、梯 状伪影等参数，由于图像是c t 设备的最终目的，而且其质量随着c t 技术的不 断发展得到不断提高，所以是应用质量检测的重点，也是本文研究的内容。 1 2 2c t 质量保证的发展状况 从c t 应用于临床开始，人们就意识到了q a 的重要性，一些学术组织便提 出了对c t 设备建立和实施q a 制度，并取得了卓有成效的进展。e d w i n c m c c u l l o u g h 博士等人早在c t ( a c t a ) 和其它早期的c t 产品进行了q a 检 测和性能评价。同年，他在北美放射年会上第一次系统地提出了c t 质量保证和 性能检测与评价的理论。从那以后，一些相关组织和发达国家陆续制定了c t 质 量保证的规范，主要内容如下表： 表1 - 1 国外c t 的q a 工作的发展过程 t a b l e l 1 a b o a r dd e v e l o p i n gc o u r s eo fc tq a 时间内容 1 9 7 7 焦 1 9 8 2 笠 1 9 8 9 缸 美国医学物理学家协会( a a p m ) 发布第1 号报告用于c t 机性能评 价的体模及c t 机质量保证，第一次系统地阐述了c t 设备质量保证 的内容、方法、工具等。 世界卫生组织( w h o ) 公布了诊断放射学中的质量保证，对c t 机 主要性能参数制定了一些规范。 日本制定了关于x 射线( t 装置性能评价的标准( 草案) ，同时公 第1 章概述 布了日本工业标准x 射线c t 扫描装置体模( j i s 4 9 2 3 ) 。 1 9 8 9 年德国国家标准放射诊断工作中图像质量的保证x 射线计算机断层 摄影装置稳定性检测正式生效；1 9 9 0 年，德国国家标准放射线诊 断工作中图像质量的保证x 射线计算机断层摄影装置验收和检测 ( d i n 6 8 6 8 5 3 ) 正式生效。 1 9 9 3 年a a p m 发表了第3 9 号报告计算机断层扫描设备验收测试过程详述， 作为对第一号报告的补充和更新。 1 9 9 4 年国际电工委员会( c ) 公布了关于x 射线计算机断层成像设备的 稳定性测试( m c l 2 2 3 2 6 ) ，这是对c t 机稳定性测试较为科学、权 威的新规定，是目前国际通用标准。 相对美、德、日等发达国家来说，我国的c t 质量保证工作起步较晚，技术 也相对落后，其主要发展过程如下： 表1 - 2 国内c t 的q a 工作的发展过程 t a b l e l - 2 d o m e s t i cd e v e l o p i n gc o u r s eo fc tq a 时间内容 八十年代中期 九十年代以来 1 9 9 3 年 1 9 9 5 生 1 9 9 6 生 国内一些专家和学术组织积极宣传和推动大型医疗设备质量 保证工作，对q a 在思想上引起了重视。 全国全军分别多次召开了放射科质量保证学术交流会 长春第二计量监督局首先提出了c t 机状态检测及登记的划分 办法，并制定出了相应的规范。在此规范中，验收检测、状态 检测与德国标准一致，稳定性参数与i e c 报告一致。 卫生部发布了第4 3 号部长令和关于“大型医疗设备管理办法” 的规定，着手加强对大型医疗设备的质量管理 第一军医大学生物医学工程系开展c t 和m r i 应用质量检测 的研究，并于1 9 9 8 年经总后卫生部批准成立“全军大型医疗 设备应用质量检测研究中心”。 d 硕士学位论文 1 9 9 9 年国家标准x 射线计算机断层摄影装置影像质量保证检测规 范发布。 可以看出，国内的q a 工作发展也比较块，然而，各检测单位所使用的体模 主要依赖进口，现行的检测规范也是在参考发达国家的规范基础上，依据体模 来制定的，缺乏一套自主的应用质量检测与评价系统。 1 2 3 已有的c t 性能参数测试体模 大多数的c t 性畿参数都可以通过特殊设计的体模来检测。因为c t 检测结 果依赖于检测体模和检测方法，因此检测体模和方法研究受到各生产厂家、医 疗单位和监督检测部门的普遍重视。目前应用在我国的体模只要有四种，一种 是a a p m 体模，这种体模是1 9 7 7 年a a p m 第1 号报告所描述的体模；r m l 4 6 1 体模是美国r m i 公司生产的4 6 1 a 型体模；c a t p h a n 是由美国体模实验室生产； 1 9 9 6 年北京市放射卫生防护所和中国计量科学研究院联合研制了y c t m 型c t 检测体模。四种体模的总体状况如下表： 表1 - 3 四种体模的总体情况表 t a b l e1 - 3f b i l rk i n d so fp h a n t o m 1 3m s c t 图像性能参数的应用质量检测 目前投入临床的m s c t 主要有两个特点，首先是所有的m s c t 都具有螺旋 5 第1 章概述 扫描方式，其次无论是轴向扫描还是螺旋扫描都可以同时获得多层图像。因此 在考虑m s c t 时必须要对m s c t 的螺旋扫描和多层面都加以考虑。 螺旋扫描最大的变革在于扫描过程中诊视床的匀速前进，x 射线以螺旋方式 连续作用于人体，故称容积扫描。同时该体积数据的分布是不完备的，中间的 “空隙”与层厚、螺距等扫描条件有关。显然，图像重建已不能直接采用轴向 扫描的各种方法，必须对原始数据进行插值，以得到断层平面数据。 插值的过程利用了物体的渐变性质，即图像上各像素与相邻像素的相关性。 按重建所采用的数据范围的不同，有全扫描f i ( f u l ls c a n ) 、半扫描h i ( h a l fs c a n ) 、 过扫描( o v e rs c a n ) 和次扫描( u n d e rs c a n ) 之分，插值法有内插( i n t e r p o l a t i o n ) 和外插( e x t r a p o l a t i o n ) 之分，二者的不同配合方案形成全扫描内插法( f u l l i n t e r p o l a t i o n ，f i ) 、半扫描外插法( h a l fe x t r a p o l a t i o n ，h e ) 等。根据权重的分配方 案不同，又有线性和非线性之分。插值的负面影响是图像的真实性下降，主要 表现在纵向分辨力、噪声和伪影等性能参数的改变。所以，目前对螺旋扫描的 图像性能参数的应用质量检测与评价的研究有以下几个方面： 1 3 1 插值算法的影响 不同插值算法对图像性能的影响是不同的，比如，f 1 和h i 是两种基本的线 性插值算法，前者的密度分辨力比轴向扫描有所改善而空间分辨力下降噪声增 强，后者刚好相反。所以在评价图像性能的时候必须考虑插值算法，使其具有 可比性。同时，两种扫描方式的断层灵敏度剖面线和噪声水平与插值算法存在 确定数学关系。这说明螺旋扫描的某些参数可通过检测相应的轴向扫描的对应 参数间接地得到反映，反之亦然。 1 3 2 特有性能参数和三维重建的检测与评价 螺旋扫描最大特点体现在回顾性重建导致的纵向分辨力的极大提高，可以 在z 轴任何部分进行图像重建而仍然保证图像质量，这对于三维重建是非常重 要的。检测的方法一般是通过测量层灵敏度剖面线( s s p ：s l i c es e n s i t i v i t yp r o f i l e ) ， 分析它的半高全宽( f w h m ) 和十分之一高全宽( f w t m ) 等描述纵向分辨力。 多平面重建( m p r ) 与所采用的插值算法有关，可通过分析高密度物质图像边 硕士学位论文 缘的轮廓线得到反映。 1 3 3 梯状伪影和锥形伪影的研究 由于插值算法的不连续性以及扫描物体表面与扫描轴存在一定的角度，导 致在图像边缘出现梯状伪影。这种伪影严重地损害了图像质量，影响了面积及 体积的测量，尤其是在放疗精确定位时，这种影响更不容忽视。因而研究这种 伪影的来源、大小与扫描条件及扫描位置的关系必然成为应用质量检测内容之 一。在m s c t 中，x 射线束形状呈锥形，而用于c t 的成熟的算法都是基于线束 是扇形来实现的，所以在m s c t 中锥形伪影是个必须要考虑的因素。 1 , 3 4 体模的设计和改进 c t 设备对微细结构的鉴别能力直接反映了对小病灶的成像性能，在螺旋扫 描方式下，密度分辨力的检测自然应该扩展到三维的情况。这使得体模材料的 选择和加工难度增大，要产生o 4 的对比度差异，目标和背景物质的c t 值的 误差必须小于5 h u ，这对体模的制作和检测方法提出了更高的要求。 m s c t 最大的特点是多排探测器阵列，x 射线相应地由扇形变为锥形，能同 时得到多幅图像数据【8 _ 1 1 l 。探测器阵列在纵向上的结构有两种不同的模式，一种 是矩阵模式( m a t r i xd e t e c t o r ) ，各探测器单元的宽度相同；另一种是自适应阵列 模式( a d a p t i v ea r r a yd e t e c t o r ，a a d ) ，其特点是层厚的组合方案灵活，并能有效 减少探测器单元之间的“盲区”。轴向扫描方式下，探测器的接收效率互有差异， 且x 射线作用的几何张角略有不同，导致层与层之间噪声水平、分辨力等性能 略有差别，是检测的内容之一。 m s c t 扫描层变薄，可以通过薄层有效地进行3 d 重建和其它后处理功能， 采集的数据成倍地增长，如果采用传统的手动测试方法不仅耗时耗力，而且结 果的准确性也值得置疑，因此m s c t 的检测方法必须由传统的手动测试变为基 于体模的自动测试，同时传统的用于手动测试的体模也必须加以改进。 对m s c t 测试体模的要求，主要可以归纳为以下几点 1 1 测试具有可重复性，客观性，并且是定量的检测； 2 1 同时适用于螺旋和轴向扫描模式； 7 第1 章概迷 3 ) z 轴方向的长度和均匀性要符合m s c t 的要求； 体模具有一致性，外表坚固： 5 ) 体模具有物理和化学的稳定性； 6 ) 最好使用方便，容易摆位，轻便易携。 1 4 本文研究的主要内容与目的 随着我国医疗卫生水平的不断发展和提高，c t 的应用日益广泛，据不完 全统计，目前全国c t 机的拥有最高达3 0 0 0 台左右，就数量而言，已经基本满 足了医疗市场的需求。由于总总原因，这批c t 的质量参差不齐，有些是二手设 备，缺少零件而无法安装投入使用；有些由于存在固有的质量问题，使得扫描 图像质量差影响医生的诊断：还有些部件经过长途运输，安装调试不到位，也 影响到c t 质量，因此，在国内开展c t 设备的质量保证意义非常重大。 m s c t 的在临床上的应用，给质量保证工作提出了新的要求，沿用以往的 方法已经不能满足c t 发展的要求，因此研究新的检测方法与测试体模是建立和 发展我国c r 质量保证体系的必然要求。由于我国地域广阔，检测任务繁重，远 程检测已经成为发展趋势，p a c s 的发展，也为远程检测提供了条件。 本文的研究针对m s c t 的主要性能参数，综台考虑了自动检测和远程传输， 设计并制作出相应的测试模块，并通过试验，和c a t p h a l l 体模测试结果相比较。 结果证实了设计的合理性。 主要内容包括： 1 1 高对比度分辨力的测试模块： 层厚的测试模块； 3 、噪声均匀性测试模块； 4 、用均匀模块测试c t 的低对比度分辨力的原理和方法。 能测试的主要参数包括，c t 的高对比度分辨力、层厚、噪声、均匀性、水 的c t 值、螺旋c t 的纵向分辨力和低对比度分辨力等参数。 的c t 值、螺旋c t 的纵向分辨力和低对比度分辨力等参数。 硕士学位论文 第2 章空间分辨力测试模块 2 1 引言 空间分辨力( s p a t i a lr e s o l u t i o n ) 在c t 设备中又被称作几何分辨力或高 c 洲由洱 对比度分辨力( h i g h 。r e s o l u t i o n ，h r ) ，是指在高对比度的情况下鉴别细微结构 ，、 的能力，也即显示最小体积病灶或结构的能力。空间分辨力是评价c t 性能的一 个重要参数，同时也是c t 质量保证的一项重要内容。影响空阊分辨力的因素有 探测器孔径大小、空间采样间隔、算法、熏建矩阵的大小、x 线球管焦点大小、 重建算法等。 空间分辨力的检测方法有：线对法，圆孔法，调制传输函数法( m o d u l a t i o n t r a n s f e rf u n c t i o n ，m t f ) 等。线对法和圆孔法均属于主观测量方法，是利用 周期性结构( 线对，圆孔) 直接测量，符合物理学对空间分辨力的定义，具有 直观、方便的特点；m t f 法是通过扫描均匀介质中细金属丝，测得点扩展函数， 或者扫描高对比度界面的边缘扩展函数，然后用线扩展函数( 或点扩展函数) 的傅立叶变换来描述x 线透过物体时在影像中重现物体的能力，它能全面反映 所包含的空间分辨力的信息，可检测c t 系统的极限空间分辨力。 三种方法的设计原理及优缺点如下： 表2 1 ：空间分辩力的测试方法比 t a m e 2 - 1 t h em e t h o d st om e a s u r et h es p a t i a lr e s o l u t i o n 2 2 材料与方法 9 第2 章空间分辨力测试模块 2 2 1 模块的设计原理 线对法和圆孔法都属于主观测量方法，这种测量方法简单易行，便于理解。 但这种测量方法在测试结果的确定时需调节图像的窗宽窗位等条件，然后由观 测者根据图像做出判断，一串串的圆孔和线对可以独立的判断，也可以整体判 断，在一定程度上会受主观意识的影晌。而且这种测试模块无法应用在自动测 试中。 在技术性测试中，采用m t f 法比较合适。 m t f 法通常由测试物和软件计算而得，它能够全面反映空间分辨力的信息。 m t f 是线扩展函数的傅立叶变换，主要描述x 线透过物体时在影像中如何重现 强度的正弦波动。 为了检测的客观性和规范性，考虑到本课题的最终目标是实现m s c t 各项 性能参数的自动检测以及数据的远程传输，选择采用m t f 法来测试空问分辨力。 m t f 法测试空间分辨力，目前有四种常见的方法：p s f ( p o i n ts p r e a df u n c t i o n ， 点传输函数法) 、l s f ( 1 i n es p r e a df u n c t i o n ，线传输函数法) 、e r f ( e d g er e s p o n s e f u n c t i o n ，边缘响应函数法) 和s d ( s t a n d a r dd e v i a t i o nm e t h o d ，标准方差法) 。 常用的实现方法分别是：p s f 法是在均匀材料中嵌入一段极细( 直径5 0 u m ) 的钨丝，则其横断面在图像上表现为一个扩散的点，用其弥散程度反映空问分 辨力。其优点在于结构简单数据易于处理；缺点是数据量小，受噪声影响大， 结果重复性差，误差较大。在c a t p h a n 体模的高分模块c t p 4 4 5 中，采用一个 圆形钨珠作为点源，避免了操作者在定位时z 轴对准的麻烦，此外，由于球珠密 度对周围的材料是体积平均的，可以消除在m t f 测试时可能形成的条状伪影。 但是，它对定位要求很严格。 l s f 法可在均匀背景材料中嵌入一定面积的5 0 - - 1 0 0 u r n 厚度的金属薄片， 如铝片，截面图像为一扩散细线，用其弥散程度反映空间分辨力。其优点在于 受噪声影响小，数据量比较大，而且测试重复性良好。e r f 法与l s f 基本类似， 只在获取m t f 曲线的算法上多了个微分的过程，且其具备的明显优势在于选材 容易，制作起来比较简单，本文所自制的测试体模，就是采用这种原理，利用 1 0 硕士学位论文 有机玻璃和空气的过渡面来获取数据。 2 2 2 模块的设计图 圆柱有 图2 - 1 高分模块的设计图 f i g 2 - 1 t h ed e s i g nd r a w i n go fh rm o d u l e 2 2 3 设备和工具 受检设备： g em e d i c a l g el i g h t s p e e d1 6 ( 设备1 ) s i e m e n sp l u s4 ( 设备2 ) 检测工具： c a t p h a n 5 0 0 体模c t p 5 2 8 测试模块( 如图2 2 ) ：直径1 5 0 m m ，厚度2 5 m m ， 最高分辨力可达2 l 线对厘米( 1 p c m ) ，此模块同时可测试线对和点扩展函数 ( p s f ：p o i n ts p r e a df u n c t i o n ) 。 自行研制的线响应法测试体模( 如图2 3 ) ：体模主体采用工业用有机玻璃； 外直径1 6 0 r a m ，厚度1 2 0 m m ，上下两层各置一块正交摆放的半圆形有机玻璃， 通过扫描有机玻璃与空气的过渡面获取数据，然后计算m t f 值。 痧 、n川二一_二刈 一旷iiiiiliu ，、| ， riiiijju j|j，、|r劁 翰 蒲 遍 啵 ， 一 柳 第2 章空间分辨力测试模块 图2 - 2 c a t p h a n s 0 0 体模c t p 5 2 8 测试模块 f i g 2 - 2 c r p 5 2 8m o d u l ei nc a t p h a n 5 0 0 2 2 4 测试步骤 图2 - 3 自制检测体模结构示意图 f i g 2 - 3 t h es t r u c t u r eo f e x p e r i m e n t a lp h a n t o m 使空间分辨力模块轴线与扫描层面垂直并处于扫描野中心，在设备上改变 层厚、算法等条件，分别扫描c t p 5 2 8 和自制边缘响应法测试模块，用目测法在 扫描的c t p 5 2 8 模块上读出相应图像的线对数，用m t f 计算程序分别计算 c t p 5 2 8 和自制模块的m t f 值。扫描条件参见表2 - 2 。 表2 - 2 两台设备不同扫描条件 t a b l e 2 - 2t w os e t sw i t hv a r i e dp a r a m e i e r s 戛对法的结果由图像上直接读出，将窗宽调到最窄，调节窗位，使能分辨 的线对数最多，记录结果。 m t f 由合作者编写的计算软件计算出来。分别读取2 ，5 ，1 0 ，5 0 处的线对数，记录结果。 硕士学位论文 2 3 结果与分析 2 3 1 扫描图 图2 4 高分模块的扫描图 f i g 2 - 4 t h es c a n n i n gr e s u l to fh rm o d u l e 2 3 2m t f 法计算流程与结果图 m t f 程序用m a t l a b 6 1 编写，m a t a l a b 代表m a t r i xl a b o r a t o r y , 最早是 为方便矩阵存取而编写的一种软件，现在已经发展成为一个具有高性能数值计 算和可视化功能的科学计算环境。m a t l a b 集成了数值分析、矩阵计算、信号 处理和图形显示等强大功能，特别适用于研究、解决工程和数学问题。该m t f 程序的讨算流程为： 打开图像ii 取感兴趣区域 鬲而习望：竺 边缘扩展函数马缸 微分 离散傅立叶变换1 i 线扩展函数l s f 图2 - 5 高分m t f 算法流程图 f i g 2 - 5t h ef l o wc h a to f m t fa l g o r i t h m m t f 曲线的横轴代表空间频率，其意义是当x 射线透过物体时，影像中真