CT系统目测分辨率与系统调制传递函数相关性分析

白玫

首都医科大学宣武医院 医学工程科，北京 100053

CT系统目测分辨率与系统调制传递函数相关性分析

白玫

首都医科大学宣武医院 医学工程科，北京 100053

目的对CT系统MTF（调制传递函数）和目测分辨率之间的关系进行研究。方法扫描CT测试体模中分辨率测试模块，获得系统MTF和目测空间分辨率。结果当MTF为10%时所对应的空间频率与清晰分辨的线对卡分辨率一致，当MTF为2%～5%时对应的空间频率与目测极限分辨率接近。结论通过CT系统MTF和目测分辨率相关关系研究，可以客观反映系统对细节识别能力与人眼识别能力之间的对应关系，从而提高CT质量控制水平。

调制传递函数；目测分辨率；体层摄影术；CT；CR

1 研究背景

CT空间分辨率是指在高对比度的情况下，CT系统对物体细节的分辨能力，它是评价CT设备成像性能的一个重要指标，国际标准化组织，如IEC（国际电工委员会），AAPM（美国医学物理师联合会），HPA（医院物理师联合会），JMHW（日本卫生和福利省）在对CT性能的检测要求中都将空间分辨率列为必须检定的项目。

CT空间分辨率的评价可以采用目测方法确定极限分辨率，也可以采用客观方法计算系统MTF（调制传递函数）[1-2]。对于CT系统MTF的计算方法不仅可以采用点扩散函数和线扩散函数计算[3-4]，也可以利用成像系统边缘响应函数（Edge Response Function， ERF）[5]来计算MTF。我们也可以直接利用线对卡图像计算出系统MTF[6]：

图1 利用线对卡计算MTF

其中M测试卡（f）为每组线对卡调制度，可以用每组线对卡图像内像素的标准偏差来表示（如图1所示）；N背景为线对卡背景图像的平均噪声；CT材料（f）和 CT背景分别为每组测试卡材料平均CT值和背景平均CT值。测量所用ROI（感趣区）大小与噪声测量ROI大小相同，至少包含100个像素。

根据测量值可以计算出每组测试卡的MTF值，从而绘出不同空间频率下的MTF曲线。

系统MTF可以客观全面的反映不同频率范围内空间信息的转换能力，从图2可以看出对于低频成分成像系统可以全部传递，而当空间频率较高时系统转换能力逐渐接近于0。但是MTF的计算方法较为复杂，不能实时得到系统空间分辨率测试结果，在临床实践中可操作性较差。因此，目前常用的空间分辨率测试方法多采用成排圆孔模型或线对卡模型测量空间分辨率，由测试者在监视器上用肉眼观察图像，虽然存在一定的主观人为因素影响，但测试方法简单、便捷、实用性强。

采用目测法测量系统空间分辨率，由于受到人眼分辨能力的限制和人为因素的影响，常不能准确地确定极限分辨率。如图3所示，当图中线对卡图像不是很清晰时，则较难确定极限分辨率是7lp/cm还是8lp/cm（线对/cm）。因此有必要研究目测极限分辨率与MTF曲线的相关关系，有助于在实际工作中确定图像极限分辨率，从而提高CT质量控制和质量保证工作的水平。

图2 MTF可以全面客观地反映不同频率范围内系统对空间信息的转换能力

图3 当线对卡图像不是很清晰时则较难确定目测极限分辨率

2 材料和方法

我们所用的测试体模是美国体模实验室研制的Catphan500 CT性 能 测 试 体 模（The Phantom Laboratory，New York，USA），其中包含有一个插件，插件内有高对比度分辨率测试模块（线对卡），以及用于计算系统MTF的点源（如图4所示）。线对卡分辨率大小从1～21 lp/cm，点源为一个直径为0.28mm的钨珠，该钨珠嵌在均匀的材料内，钨珠和均匀背景之间CT值差别很大，这样可以提供一个边缘锐利的点源。该点源经过CT扫描成像后就得到系统点扩散函数响应从而计算出系统的MTF[7]。

图4 分辨率测试模块，其中黑点为钨珠

为了研究CT目测分辨率和MTF值的关系，我们选择头部标准扫描参数进行扫描，采用不同的重建条件对图像进行重建，分别获得不同重建条件下的图像目测分辨率和MTF值。使用西门子64层螺旋CT（Somatom Sensation Cardiac 64, Forchheim, Germany），采用手动曝光模式扫描上述体模。选择准直器宽度为32×0.6 mm、120 kV、380 有效mAs、螺距0.8、扫描野直径为200mm。重建层厚分别为0.6mm、 0.75mm、 1.0mm、 1.5mm重建间隔为图像象素大小。选择不同的kernel值（CT卷积重建算法）重建图像。对于头部扫描常选用的kernel值为H20、 H40、 H70，H表示头部扫描，值越大则图像锐化程度越强，空间分辨率越高。

采用MATLAB语言（美国Mathworks公司）对点源图像进行处理获得系统MTF曲线并给出50%、10%、2%的MTF值。

3 实验结果

在不同重建条件下对图像进行重建，再分别采用目测法和MTF法评价和分析图像空间分辨率，分析结果如表1所示。例如当kernel值为H20时，图像目测分辨率在6～7lp/cm之间，即肉眼可以清晰分辨6lp/cm线对卡，而对于7lp/cm线对卡不能完全清晰分辨，如图5所示。

图5 H20kernel, 0.6mm层厚时目测空间分辨率

从表1可以看出，对于H20kernel，MTF为10%时所对应的空间分辨率为6.1lp/cm，而肉眼可以清晰分辨的线对卡的分辨率也为6lp/cm；MTF为5%和2%时所对应的空间分辨率分别为6.8 lp/cm和7.6lp/cm，而肉眼可以部分分辨的线对卡的分辨率为7lp/cm。对于H40kernel，MT为10%时所对应的空间分辨率为7.0lp/cm，其肉眼清晰分辨的线对卡的分辨率为7lp/cm；MTF为5%和2%时所对应的空间分辨率分别为7.9和8.8lp/cm，肉眼可以部分分辨的线对卡的分辨率为8lp/cm。对于H70kernel，MTF为10%时所对应的空间分辨率为11.1lp/cm，目测分辨率为11lp/cm；MTF为5%和2%时所对应的空间分辨率分别为11.6 lp/cm和12.4lp/cm，肉眼可识别的分辨率为12lp/cm。

表1 不同重建条件下图像目测分辨率和MTF值。

4 讨论

从图像目测空间分辨率和MTF分析结果可以看出，对于不同的扫描和重建条件，10%MTF所对应的线对卡分辨率一般为图像中肉眼可以清晰分辨的一组线对卡分辨率，而肉眼不能完全分辨的一组线对卡分辨率一般对应着2%～5%MTF之间的空间频率。由于该组线对卡的对比度在2%～5%之间，所以其空间频率已接近MTF曲线的截止频率，因此我们可以把该组线对卡的分辨率作为CT系统目测极限分辨率。由此我们可以确定本次实验中不同条件下的极限分辨率为：对于H20，极限分辨率为7lp/cm；对于H40，极限分辨率为8lp/cm；对于H70，极限分辨率为12lp/cm。

通过目测分辨率和MTF值相关性分析，我们找到了10%MTF、5%MTF和2%MTF与目测空间分辨率之间的对应关系，同时也为实际工作中确定目测极限分辨率提供了相应的理论基础。该研究将评价系统成像性能的客观分析手段（MTF值）和主观评价方法高度统一，反映出系统对细节的识别能力与人眼识别能力之间的相关关系。采用该方法可以有效地避免主观测试中人为因素的影响，在CT成像性能评价和成像质量保证工作中极具应用和推广价值。

[1]Goodenough D, Atkins F, Dyer S: Automated techniques for quality assurance of radiological image modalities[J].Image Capture, Formatting, and Display,1991,(5):87-99.

[2]Goodenough D, Atkins F: Theoretical and practical aspects of automated quality assurance approaches, particularly for CT[C].Proceedings of the ICR 89, editors Silve, et.Al,1990.

[3]Fujita H,Tsai D-Y,Itoh T, et al. A simple method for determining the modulation transfer function in digital radiography[J].IEEE Transactions on Medical Imaging,1992,(11):34-39.

[4]Cunningham IA, Reid BK. Signal and noise in modulation transfer function determinations using the slit, wire, and edge techniques[J]. Medical Physics,1992,(19):1037-1044.

[5]Samei E, Flynn MJ, Reimann DA. A method for measurement the presampled MTF of digital radiographic systems using an edge test device[J]. Medical Physics,1998,(25):102-113.

[6]Droege RT, morin RL. A practical method to measure the MTF of CT scanners[J]. Medical Physics,1982,(9):758-760.

[7]白玫,彭明辰.X线CT成像质量评估中的调制传递函数的测试与分析[J].医疗设备信息,2006,21(5):11-13.

[8]刘彬,等.神经介入放射学患者角度对照剂量归一化矩阵[J].中国医疗设备,2008,23(9):1-2.

Correlation Analysis for Modulation Transfer Function and Visual Resolution of CT System

BAI Mei
Medical Engineering Department,Xuanwu Hospital of Capital Medical University, Beijing 100053, China

R814.42

A

10.3969/j.issn.1674-1633.2011.04.004

1674-1633(2011)04-0011-03

2008-05-15

2011-01-13

国家自然科学基金项目（30870751）；北京市卫生系统高层次卫生技术人才培养计划项目（2009-3-57）。

本文作者：白玫，高级工程师，博士，硕士研究生导师。

作者邮箱：Jswei65@163.com

Abstract:ObjectiveTo evaluate the correlation between the visual resolution and the modulation transfer function (MTF) of CT system.Methodsscanned the resolution test module in CT test phantom, obtained the MTF and visual resolution of CT system.Resultsthe resolution which human eyes can clearly distinguish corresponds to spatial frequencies where MTF is 10%; the visual limited resolution corresponds roughly to spatial frequencies where MTF is between 5% and 2%.ConclusionThe correlation analysis for MTF and visual resolution of CT can effectively reflect relationship between the true detectability of CT system and human visual acuity and help to raise the level of our work.

Key words:modulation transfer function; visual resolution; tomography; CT; CR