超声波影像设备质量控制检测方法

卢征峰

哥伦比亚大学 医学院影像科，美国纽约

超声波影像设备质量控制检测方法

卢征峰

哥伦比亚大学 医学院影像科，美国纽约

本文讨论了超声波影像设备的质量控制与保证，描述了超声波影像设备具体的质量控制方法和步骤。通过体模测试，本文对检测参量作定量或定性的评估，就其体模材料也做了介绍。

超声波影像；质量控制；超声波体模；医学影像设备

0 前言

医用影像质量保证和控制的首要目的是为患者提供最佳的医疗服务。尽管质量保证（Quality Assurance）与质量控制（Quality Control）常常被相提并论，但准确地说，质量保证比质量控制涵盖的内容更多。因为质量保证既包括技术层面的诸多检测，又包括管理层面的意义，如行政制度，检测记录的存档与监督、医务工作人员的继续教育查考等。质量控制则主要是指在设备安装调试结束以后在日常的临床使用期间所进行的定期规范检查，使设备的诸多重要性能处于最优化状态，及早发现细微的质量问题，及时修理维护，降低因质量问题影响医疗服务的可能性。这与设备的定期维修和预防性维护（Preventative Maintenance）不同。质量控制是在医疗影像设备厂家的安全检查及定期保养之外的一系列规范的检测，着重点在于临床应用的最优性。诚然，质量保证与质量控制能够提高医用影像设备的使用价值，增加经济效益，但最主要的目的是本着“患者第一”的原则，为患者提供最佳的医疗服务。

与其他医用影像设备（CT、X线成像）相比，关于超声波医用影像的质量控制，历史上有过诸多争执。有学者认为，额外的质量控制检测没有必要，因为超声波影像不使用放射线，所以没有危害；也有学者认为，大多数的超声波医用影像质量问题在日常的临床使用当中可以发现，所以定期的质量控制检测是多余的；还有的对目前所用的超声波医用影像质量控制检测的有效性持怀疑的态度。然而，随着超声波医用影像的技术越来越成熟，其应用范围越来越广泛，定期的质量控制检测的必要性也就越来越明显。虽然超声波医用影像不使用放射线，但是由于超声波医用影像被用于许多关键性的临床诊断，万一因影像的质量问题导致误诊，也会对患者造成危害。另外，现今的影像技术日臻复杂，有的质量问题在临床使用中不容易被发现，如超声波探头在临床使用中并没有明显的缺陷，如图1所示，但同一个探头在图2所现的均匀背景体模成像中就显出了浅层区的黑线。进一步的检查发现，这些黑线是由于探头缆线被超声机轮子碾过造成的损伤。有的质量问题起初并不明显，但随着时间的变化日趋恶化，等到在临床使用时被发现时，这样的质量问题就已影响到对患者的医疗服务，如同一机器新、旧探头所成的影像质量迥异，见图3。若能对超声机作定期的质量控制检测, 这个旧探头的质量问题就可以尽早查出，及时处理。因而，定期质量控制检测的目的是为了在设备质量影响到临床使用之前就发现问题，以便于能及时修理维护，为患者提供最佳的医疗服务。

超声波医用影像技术在近20年发展迅速，关于超声波医用影像质量控制的方法也与时共进[1-4]。医用超声影像技术较常见的有两大类：基于回波扫描的B超和基于多普勒原理的彩超。本文将着重介绍B超影像的质量控制方法。首先简单介绍用于超声波医用影像质量控制检测的体模，然后逐一详细描述质量控制检测的各个方法，见表1。

1 医用超声波影像质量控制检测所用的体模

表1 比较两类主要的超声医用影像质量控制检测用的规范体模材料[14]

在超声医用影像质量控制检测中，使用规范的体模很有必要。1个性能稳定的体模好比1个“理想患者”，可用于测出设备功用参量随时间的衰退和波动。所以医用超声影像质量控制所用的体模必须能长期保存不变。另外，体模材料必须俱有与人体软组织相近的声学特征，包括声速1540m/s，声衰减系数接近0.5dB/cm/MHz或0.7dB/cm/MHz，声散射系数接近人体肝组织的声散射系数等。医用超声影像质量控制所用的体模材料有多种。一般市场上供应的材料主要分成两类：一类是以水和琼脂为本底的[5-6]；另一类是以橡胶为本底的[7]。这两类材料的详细对比见表1。以水和琼脂为本底的体模材料与人体软组织有相似的声学特征，这是其长处。但是这种材料对存储的环境温度有较严的要求，若在0°C以下或49°C以上，体模材料会被冻坏或热坏。另外，这种材料的失水性也是一大损耗因素，使得体模的可用寿命一般只限3～5年。相比之下，以橡胶为本底的体模材料寿命长得多，其使用年份可达7～10年。但是，橡胶的声速比人体软组织的声速约低6%。虽然用于标志距离的点标可以按声速的落差调整以保证测量距离的准确，但是橡胶声速的这一不足造成此类体模不适合用于评估超声波探头的横向分辨率[8-9]。

2 基本的超声波医用影像质量控制方法

基本的医用超声波影像质量控制方法和步骤多种多样[1-4]。以下介绍最基本、常用的B超影像的质量控制方法步骤。在新设备安装调试完毕时，应立刻作这系列的质量控制检测，其结果应详细记录存档，作为基本标准（baseline），以便对照后来的定时质量控制检测结果，这是找出设备功用参量随时间衰退和波动的关键。鉴于超声波医用影像技术日臻成熟，机器参量的设置直接影响到影像质量控制检测结果，因而在记录检测结果的同时，应记录检测时所用的机器参量设置，以保证后来的检测也使用同样的机器参量设置。

2.1 视眼检查

视眼检查包括定时用视眼检查各个医用超声波影像机部件的外表状况。对于超声波探头，检查其缆线、接头和探头表面，必要时可以使用放大镜，以便于更清楚仔细地检查。一些细微的损伤，也应查明原因，留下记录，以便于跟踪防范更大的变化。图4显示1个被穿刺针头跳破表面的探头；图5显示探头缆线外表剥落。这些问题能造成严重的影响，用简单的视眼检查即可及早发现，及时处理。医用超声波影像机常常被挪来挪去，因而其轮子和轮上的闸需要定时检查，同时检查机器上的各附件是否锁定，以防在挪移时掉下来摔坏。另外，视眼检查也包括检查显示图像的屏幕是否清洁没有划痕，换空气的过滤窗是否通畅，键盘是否整齐，指示灯是否都工作等。

图1 此图所用的超声波探头缆线被超声机轮子碾过，造成5个单元线路的断裂。但是所现的超声波影像没有明显可见的缺陷。

图2 用图1所用的同一个探头照体模的均匀背景，5个断裂单元线路引起的浅层区的黑线就分明可见。这样的体模成像通过衡量图像的均匀性可检查超声探头的各单元。

图3 新、旧2个超声波探头用同一机器同一体模成像。比较之下，2个超声波探头质量迥异。若能对超声机作定期的质量控制检测, 这个旧探头的质量问题就可以尽早查出，及时处理。

图4 探头的表面被1个穿刺针头刺破，这样的问题用简单的视眼检查即可及早发现。

图5 探头的缆线外表剥落。

2.2 图像显示屏幕

图6 超声波机器内现存的测试图可用于检测超声波影像显示屏幕。

超声波影像实时显示在超声波机器的屏幕上，这些影像也可能通过PACS传到读片室的计算机屏幕上显示出来或者印成相片或打印在纸上。这些用于图像显示的设备各自独立运行，因而每一件设备都需检查，以确保其设置合适。这项检测可以使用超声波机器内现存的测试图（SMPTE test patterns），借鉴检测电视录像机的方法[10]来检测超声波影像显示屏幕，见图6。如果超声波机器内没有现存的测试图，则可以用超声波影像图旁的灰标（the Grayscale bar）。

2.3 超声波影像的均匀性

图7 探头被摔，造成严重的影像不均。此探头被立即更换。

图8 超声波机上的1个深度信号扩大器（TGC）坏了，引起横向的黑带。这类严重的影像不均匀应立即处理。

超声波影像的不均匀性可能导致医生读片时错过一些小的对比度较低的肿瘤，引起误诊。严重的影像不均匀应立即处理，见图7和图8；不太严重的影像不均匀，也应查明原因，予以处理，见图9、10、11。超声波影像的均匀性检测方法步骤如下：选择体模中均匀的背景部分，探头扫描用实时图像显示，注意任何竖的或横的不均匀线条。在不同的设置下重复此检测方法，如单聚焦或多聚焦的设置，浅层或深层聚焦的设置。

图9 在浅层区有一条黑线，此探头需作进一步检查。

图10 在影像的左右边都看到亮度减低，此成像模式需作进一步检查。

图11 在浅层区有噪音信号，此探头需作进一步检查。

2.4 超声波探头的灵敏度（最大可达深度）

超声波探头的灵敏度决定影像中最大可达深度。最大可达深度是指可见的回声信号于电噪声信号相比较，回声信号完全被电噪声信号掩盖的深度。此项检测有主观的成分，检测人员需使用同样的规范标准来界定最大可达深度。近年来，计算机自动质量控制检测[11-12]用信噪比来决定最大可达深度，其结果有更佳的可重复性。

假设所用的体模不变，这项检测可用来监督超声波探头的灵敏度随时间的衰败和波动。当最大可达深度减少1cm或更严重时，需对此探头和机器作进一步的检查处理。因为可达深度与探头所发的声波频率有关，也与声输出强度、声聚焦深度等有关，见图12。这些参量的设置均需记录下来，以保证每次的检测都用同样的参量设置，这样其结果可以与第一次测得的基本标准作对比。一般情况下，设置影像深度刚刚大于最大可达深度，设置声聚焦深度最接近影像深度，设置声输出强度在最强，设置信号扩大器即能看到回声信号也能看到电噪声信号。显然，最大可达深度与体模的声衰减系数有关。如果探头扫描深度超过了体模本身的最大长度，这项检测就失去了意义。因此，声频3.5MHz或更低的探头最好使用声衰减系数0.7dB/cm/HMz的体模。

图12 最大可达深度与声输出强度设置有关。左图中最左边的体模图声输出强度设在100%，其相邻的体模图声输出强度减到5%，从而导致可达深度的减少。最大可达深度也与声聚焦深度有关，声聚焦深度设置越深，则可达深度越大。

2.5 测量距离的精确度

超声波影像的临床应用中，距离测量的误差将导致误诊。因此，测量距离的精确度是质量控制中很重要的一步。有的甚至强调测量周边的精确度也应纳入质量控制中[13]。但因为这项测量体模的复杂性，目前测量周边的精确度并不常见，所以测量距离的精确度是必须要做的。

测量距离的精确度包括纵向和横向2个方向，见图13。体模中有已知距离（1cm或2cm）的点标，这些点标一般是用极细的尼龙绳做的。用探头扫描时不要对体模表面施加太大的压力，因为体模背景材料有弹性，太大的压力会减小点标间的距离，影响测量距离的精确性。一般来说，超声波影像机上测得的距离与已知距离之间的差距在横向需在2.0mm之内或测量距离的2%之内（选两者中较大的值作规范标准）；在纵向需在1.5mm之内或测量距离的1.5%之内（选两者中较大的值作规范标准）。若在此范围之外，需对机器作进一步检查，及时纠正。

图13 测量距离的精确度使用体模中有已知距离（1.0cm或2.0cm）的点标，包括纵向和横向两个方向。

2.6 模拟肿瘤的可见度

这项方法检测超声波影像机是否能探出大小不一的肿瘤。通常体模内模拟的肿瘤有比背景更亮的（有的恶性肿瘤），也有比背景暗的（有的良性肿瘤），或瘤内没有回声的（囊肿）。在扫描体模中的这些模拟肿瘤时，需一一记录，并与起初测试时得到的结果比较，若有变化，应查出原因，予以处理，见图14、15。

图14 此影像由3.5MHz的探头扫描形成。其所用的体模中的模拟囊肿直径为6mm、4mm和2mm。这项方法检测超声波影像机是否能探出大小不一的囊肿。

图15 此影像所用的体模中模拟的肿瘤对比度从-9dB、-6dB、-3dB、+3dB、+6dB到+9dB。

2.7 高对比度下的分辨率：纵向分辨率和横向分辨率

高对比度下的分辨率指影像所能分辨的相邻物体的最近距离。在超声波影像中，对分辨率的检测包括测量纵向分辨率和横向分辨率。纵向是指声传播方向，从影像上看，是深度的方向；横向与纵向垂直，在扫描平面内，从影像上看，是水平的方向。这项检测可使用体模中相邻的点标。每组点标相邻的距离从大到小（10～0.5mm），从影像中找出能分辨的最近距离，即是该方向的分辨率，见图16。另一种检测分辨率的方法是从影像上量1个点标所显现的模糊的宽度，如定义边界亮度是最亮度的10%，量出两边界间的距离即是-20dB的模糊宽度（the full width at tenthmaximum）。显然，这项检测与声频有关，也与聚焦点深度的设置有关。一般情况下，如果声频在4HMz以上，纵向分辨率必须好过1mm；如果声频在4HMz以下，纵向分辨率必须好过2mm[1]。横向分辨率与探头的声场分布和聚焦有关，因此要特别注意每次检测使用同一的参量设置。一般情况下，横向分辨率需满足以下标准：

其中，F是聚焦长度， f是声频， D是探头换能器的宽度。如一个3HMz的探头，聚焦长度为100mm，探头换能器的宽度为50mm，那么横向分辨率必须好过1.7mm， 即影像所能分辨的相邻物体的最近距离必须小于1.7mm。

无论是纵向还是横向分辨率都不应该随时间变化，若有衰退，应及时处理，以免影像临床应用。

图16 高对比度下的分辨率指影像所能分辨的相邻物体的最近距离。

在超声波影像中，对分辨率的检测包括测量纵向分辨率和横向分辨率。另一种检测分辨率的方法是从影像上量1个点标所显现的模糊的宽度，如定义边界亮度是最亮度的10%，量出两边界间的距离即是-20dB的模糊宽度（the full width at tenth-maximum）。显然，这项检测与声频有关，也与聚焦点深度的设置有关。

2.8 浅层可见度

浅层可见度指超声波影像能清楚显现回声信号的最浅距离。体模中距离表面1～8mm的点标可用于做此项检测，见图17。这项检测评估超声波影像在表面浅层成像的能力。对临床中需要检查浅层的应用（乳腺超声影像）很重要。浅层可见度不应该随时间变化，若有衰退，应及时处理，以免影像临床应用。

图17 浅层可见度指超声波影像能清楚显现回声信号的最浅距离。体模中距离表面1mm至8mm的点标可用于做此项检测。

2.9 伪影

伪影是指成像过程中产生的与实体不符的信号。有的伪影不是由超声波成像机的质量缺陷引起的，如肿瘤后面黑影或亮区反映出肿瘤的声衰减系数高于或低于周围的背景。这样的伪影能帮助医生了解所照人体组织的性能。有的伪影是由超声波成像机的质量缺陷引起的，如图18所显示的点标双影。进一步检查发现这些双影是由于此探头的边缘声场分布不当引起的。

图18 有的伪影是由超声波成像机的质量缺陷引起的，譬如此影像所显现的点标双影问题。进一步检查发现这些双影是由于此探头的边缘声场分布不当引起的。

4 结论

本文描述了对超声波影像设备的基本的质量控制方法和步骤，通过体模测试，对检测参量作定量或定性的评估。由于超声波影像技术的发展变化，这些方法的检测结果并没有统一的规范标准。但是，普遍公认的规范标准是对某一特定的超声波影像机的检测结果不应该随时间变化。所以，在新设备安装调试完毕时，应立刻进行这系列的质量控制检测，其结果应详细记录存档，作为baseline，以便对照后来的定时质量控制检测结果，若有衰退，应及时处理，以免影响临床应用。

[1] Goodsitt MM, Carson PL, Witt S, et al.Real-time quality control test procedures, Med[J]. Phys,1998,25:1385-1406.

[2] AIUM Technical Standards Committee, Quality Assurance Subcommittee, chaired by E. L. Madsen.AIUM Quality Control Manual for Gray-scale Ultrasound Scanners-Stage 2 Laurel[R].MD:American Institute of Ultrasound in Medicine,1995.

[3] chaired and edited by Price R.IPSM Report No. 71 Routine Quality Assurance of Ultrasound Imaging System[R].MD:The Institute of Physical Sciences in Medicine, Ultrasound and Non-Ionising Radiation Topic Group,1995.

[4] gzebski JA,Kofler JM Jr.Ultrasound equipment quality assurance,Chapter 15 in Quality Management in the Imaging Sciences[R].3rd Edition.Mosby:edited by Rapp J,2006.

[5] Madsen EL, Zagzebski JA, Banjavic RA ,et al. Tissue mimicking materials for ultrasound phantoms[J].Medical Physics,1978,5:391-394.

[6] Burlew MM, Madsen EL, Zagzebski JA, et al. A new ultrasound tissue-equivalent material[J]. Radiology,1980,134:517.

[7] Ophir J.Ultrasound phantom material[J].Br J Radiol,1984,57:1161.

[8] Chen Q,Zagzebski JA. Simulation study of effects of speed of sound and attenuation on ultrasound lateral resolution[J].Ultrasound in Medicine & Biology,2004,30(10):1297-1306.

[9] Dudley NJ, Gibson NM, Fleckney MJ,et al.The effect of speed of sound in ultrasound test objects on lateral resolution[J].Ultrasound in Medicine & Biology,2002,28(11-12):1561-1564.

[10] Gray JE,Lisk KG,Haddick DH,et al.Oosterhof A and Schwencker R: Test pattern for video displays and hard-copy cameras[J]. Radiology,1985,154:519-527.

[11] Gibson NM, Dudley NJ, Griffith K.A computerized quality control testing system for B-mode ultrasound[J]. Ultrasound in Medicine & Biology,2001,27(12):1697-1711.

[12] Thijssen JM, Weijers G.de Korte CL: Objective performance testing and quality assurance of medical ultrasound equipment[J].Ultrasound in Medicine & Biology,2007,33(3):460-471.

[13] Dudley NJ and Griffith K. The importance of rigorous testing of circumference measuring calipers[J]. Ultrasound in Medicine& Biology,1996,22(8):1117-1119.

[14]Goodsitt MM, Carson PL.Medical Physics[EB/OL].[2011-6-21].http://www.aium.org/publications/technicalstandards/phantomspecs.aspx.accessed on.htm.

Diagnostic Ultrasound System Quality Control Testing Methods

LU Zheng-feng
Department of Radiology, Columbia University, New York, USA

This paper first discusses what is quality assurance (QA) and quality control (QC) and why we need ultrasound QA/QC. Then the paper focuses on describing the quality control testing procedures for diagnostic ultrasound imaging devices.General guidelines are discussed regarding tolerances for periodic quality control tests.A brief review of ultrasound phantoms used in ultrasound quality control testing is also included.

diagnsotic ultrasound imaging; quality control testing; ultrasound phantoms; medical imaging equipment

TH774

A

10.3969/j.issn.1674-1633.2011.07.003

1674-1633(2011)07-0021-06

2011-07-04

作者邮箱：zfl1@columbia.edu