CT值均匀性评价方法研究

杨克柽

（第三军医大学生物医学工程学院，重庆400038）



CT值均匀性评价方法研究

杨克柽

（第三军医大学生物医学工程学院，重庆400038）

摘要：针对CT值均匀性传统定义只考虑图像的中心和外围部分而不能全面反映整个视野（FOV）内CT值变化的缺点，提出一种改进的评价方法，以适应CT新技术质量保证检测的需要。采用直径为20cm的圆柱形水模，在GE Discovery CT750 HD扫描仪上选择常用头部协议进行轴向扫描。在水模图像的3，6，9，12点钟方向上距离中心0，4.0，8.0cm处取面积为1cm2的圆形感兴趣区，分别计算CT值均值和标准差。定义其中最大、最小均值之差为CT值均匀性指数，最大标准差为噪声指数；单能图像序列中CT值均匀性指数最大值定义为该序列的CT值均匀性指数，噪声指数最大值为该序列噪声指数。结果表明：从FOV中心向外CT值并非单调变化，CT值均匀性评价新方法更加全面、客观地评价整个FOV的图像质量，并能反映双能CT的不同探测器阵列对应图像之间以及不同能级图像序列之间的质量差异。

关键词：计算机体层摄影；双能；CT值均匀性；质量保证

0　引言

随着技术的不断发展，多排CT在临床应用中逐渐成为主流。近年出现的多排双能CT（dual-energy CT，DECT）能回顾性地重建一定范围的模拟单能量X射线扫描所得的单能图像，可实现物质的定量分析，为临床提供更多的诊断信息，代表了CT发展的新阶段[1-2]。另一方面，锥形X线束决定了探测器内外阵列（排）的探测效率的差异，非线性的迭代重建算法大幅降低了图像噪声水平，这些软硬件技术变化使得传统的图像质量评价方法不能满足要求，亟需建立一套新的评价方法体系[3]。其中，对于CT值均匀性的检测和评价，现行质量保证（quality assurance，QA）指南和标准[4-6]的基本原理可简单描述如下：在等中心的圆形扫描野内，球管产生的具有一定能谱范围的复合能量X射线束发生的硬化效应和实际参与作用的探测器数量均呈圆周对称，因此，均匀水模图像的CT值在径向上单调变化并呈圆周对策，即杯形伪影。但是在新技术条件下，单能图像理论上消除了射束硬化效应，均匀水模图像的CT值在径向上不一定呈单调变化趋势。这样，传统的评价方法就失去了理论依据[7]。关于DECT单能图像CT值均匀性的评价、不同探测器阵列对应的图像之间以及不同能级图像之间CT值均匀性的比较分析，目前未见文献报道。本研究的目的就在于提出CT值均匀性的评价新方法，以适应CT技术发展。

1　材料与方法

均匀圆柱形体模的外壳为厚约5mm的聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA），内径20cm，其内注满纯水。

在GE Discovery CT750 HD扫描仪上，摆放水模使中心线与扫描中心线重合，采用常用头部协议（GSI-26）进行轴向扫描，具体参数为：扫描野大小中等，射束准直宽度20 mm，探测器准直宽度16×1.25 mm，管电压80/140 kVp，管电流630 mA，层厚和间距为1.25 mm，机架旋转周期0.7 s，CTDIvol计算值35.58 mGy，标准重建算法STND，GSI ASiR选择40%。

在GE AW4.6图像后处理工作站上，分别重建40，50，…，140keV共11组单能图像序列。在每个序列中选择连续的16幅并依次编号，分别对应于依次排列的16层探测器（2排合并为1层），但是二者的确切对应关系未知，假定1号图像对应于第5层探测器，则2号图象对应于第6层探测器，依次类推。

对每一幅图像均做如下分析：采用Matlab编写程序，自动搜索体模的质心为中心，在3，6，9，12点钟方向且径向距离为0（中心），4.0（内环），8.0 cm（外环）处取面积为1 cm2（大约500个像素）的圆形感兴趣区（region of interest，ROI），分别计算像素值（CT值）的均值BZ_31_1318_1355_1350_1417和标准差s。由于均匀圆柱形物体图像的主要噪声源是探测器所探测的X射线光子数量的随机涨落即量子噪声，所以CT值x服从正态分布。把9个ROI的BZ_31_1318_1355_1350_1417的最大值和最小值分别记为BZ_31_1318_1355_1350_1417max和BZ_31_1318_1355_1350_1417min，相应的标准差分别为s1和s2，则对应的CT值之差Δx服从正态分布N（BZ_31_1318_1355_1350_1417max-BZ_31_1318_1355_1350_1417min，s12+s22）。定义：图像的均匀性指数U=BZ_31_1318_1355_1350_1417max-BZ_31_1318_1355_1350_1417min；噪声指数N=smax，即9个ROI的CT值标准差之最大者；不同能级图像序列的均匀性指数UE为16幅图像的U值之最大者，噪声指数NE为N值之最大者，如70keV图像序列的均匀性指数和噪声指数分别记为U70和N70。

采用SigmaStat V3.5智能统计分析软件，对单能图像序列的连续16副图像的Δx比较进行单因素方差分析，对按新、旧定义计算所得CT值均匀性指数进行配对t检验。

2　结果

均匀体模的断层图像上的不同位置的9个圆形ROI的面积相同，但所包含的像素数略有不同，其CT值均值和标准差的计算值互有差异，如图1所示。70keV能级序列16幅图像的实验数据如表1所示，其中BZ_31_1318_1355_1350_1417min对应的ROI都在外环，BZ_31_1318_1355_1350_1417max对应的ROI有13个在中心、3个在内环；smax对应的ROI有3个在中心、13个在内环。这说明，在显示野（field of view，FOV）的中心向外同样尺寸的ROI的CT值均值和标准差并非单调递变的，而是波动变化的。当出现中心和外环ROI的CT均值无差异而与内环ROI的CT均值有明显差异时，新定义较之传统定义更能反映整个FOV的图像质量差异。另一方面，没有出现极值同处于内环或外环的现象也说明CT值均匀性符合圆周对称规律。

按新定义计算所得70keV序列图像的CT值均匀性指数U和噪声指数N如图2所示。16个Δx间均无显著差异（P＞0.05），说明轴向扫描方式下不同层探测器所采集图像之间的CT值均匀性的差别不大，可忽略不计。噪声指数N的波动范围小且无明显规律，说明探测器之间无显著差别。

CT值均匀性指数UE和噪声指数NE随能级的变化如图3所示，二者变化趋势基本一致。U60值最小，说明60keV能级图像的CT值均匀性最高；N70最小，说明70keV能级图像的噪声水平最低。

图1　70keV序列第2号图像的3，6，9，12点钟方向径向距离分别为0，4.0，8.0cm处面积1cm2的9个ROI

表1　70keV图像序列不同位置ROI的CT值x和Δx1）

图2　70keV图像序列的CT值均匀性指数U和噪声指数N

图3　CT值均匀性指数UE和噪声指数NE随能级的变化

3　讨论

CT值从中心向外并非单调变化的实验结果表明，评价均匀性只考虑图像的中心与外环是不够的。按照现行QA检测指南和标准，CT值均匀性指数测量值偏低，尤其是对于DECT的较高和较低能级图像，可能导致“假阴性”判断。比如，50keV图像序列中，BZ_31_1318_1355_1350_1417max对应的的ROI中有15个在内环、1个在中心，BZ_31_1318_1355_1350_1417min对应的的ROI中有9个在中心、3个在内环、4个在外环，CT值均匀性按新、旧定义计算的结果如图4所示，后者显著低于前者（P＜0.001）。其中，与相邻图像比较，第8号图像的CT值均匀性指数按新、旧定义在局部分别形成峰值和谷值，根本原因就在于CT值从FOV的中心向外并非单调变化。特殊情况下，即当中心与外环ROI的CT值均值相等时，按传统定义的CT值均匀性指数将等于0，从而得出图象完全均匀的结论，显然是不符合实际的。类似地，现行QA检测指南对图像噪声的定义实际上可理解为“均匀水模图像中心位置的噪声”，检测结果同样偏低。

图4　50keV图像序列按传统定义和新定义计算的CT值均匀性比较

CT值均匀性定义距今已经20多年，适合当时主流的单排探测器CT技术[4]。探测器排数的增加有利于扫描速度提高，但是从中间向两侧X射线束与被扫描物体的中心线形成的夹角从90°逐渐减小，导致探测效率逐渐降低，对应的图像质量下降，甚至出现几何畸变，所以探测器排数并非越多越好[8]。图2所示新评价方法直观地反映了16层探测器对应图像之间CT值均匀性和噪声的细微差别，而现行QA指南和标准只是随机地评价其中某一层图像，检测结果的意义并不明确，重复性低。值得注意的是，当选择螺旋扫描方式时，重建图像基于所有投影数据的插值运算，所以不能体现各层探测器之间的差别。

对于DECT单能图像的CT值均匀性和噪声随能级变化趋势（即能谱曲线）基本一致的现象，可作如下解释：噪声指数大，即图像局部（即ROI）CT值随机涨落幅度大，扩展至整个图像造成CT值均匀性下降。从CT值能谱曲线（见图5）也可以看出，中心、内环和外环3个ROI之间CT值均值的差别在大约55keV时最小，向两侧逐渐增大；误差限在大约70 keV时最小，向两侧逐渐增大。进一步的实验如果证实CT值均匀性指数能谱曲线与噪声指数能谱曲线的一致性，在QA检测中可省略前者。图5同时也直观地证明，CT值沿着径向上的变化幅度大于圆周方向，近似呈圆周对称。

不同CT生产厂家在质量控制程序中对ROI形状和大小有不同的规定，比如西门子公司统一采用20mm×20mm的小方形[9]。有研究报道把圆形ROI的直径设为FOV的1/5，也有研究选择面积为1cm2的圆形ROI[10-11]。显然，检测结果会随着ROI大小不同而不同，其面积越大则CT值均匀性指数越小。合理的选择应考虑临床应用中所能显示的病灶尺寸，这有待进一步的研究。

实验采用软件编程实现ROI位置和尺寸的自动选择，消除了主观因素，有利于提高检测结果的可靠性。

研究工作存在一些不足，需进一步优化。首先，实验采用的扫描协议实际上只用了一半的探测器排数，如果选择64×0.625mm则可比较所有探测器阵列之间的差异。其次，没有分析ROI的位置和数量对检测结果的影响，比如当圆周方位角从4变成8、径向数量由3变成4时，则ROI总数由9变成25，CT值均匀性指数和噪声指数的计算值是否有显著变化。最后，受检设备只有一台，检测和评价方法有待进一步的实验验证。

图5　CT值能谱曲线

4　结束语

为适应CT技术发展，本文针对目前CT值均匀性检测方法存在的问题提出了一种改进的评价方法，修正了定义，实验证明能更全面、客观地评价断层图像整个FOV内CT值的变化，并且能反映不同探测器阵列之间以及DECT不同能级图像序列之间的质量差异。

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（编辑：李刚）

A modified evaluation method for CT value uniformity

YANG Kecheng
（School of Biomedical Engineering，Third Military Medical University，Chongqing 400038，China）

Abstract:In current quality assurance（QA）testing guidelines and standards，CT value uniformity （CTVU）is defined only based on image centers and peripheries; instead，the variation in CT value can not be fully reflected within the whole field of view. To solve this problem，a modified method was proposed to meet the QA testing needs of new CT scanners. A 20 cm-diameter water equivalent plastic cylindrical phantom filled with pure water was scanned in a step-and-shot way with a routine dual-energy head protocol（GSI-26）on a GE Discovery CT750 HD scanner. Images were analyzed with a customer designed MATLAB program. Nine circular ROIs（1 cm2）were selected at the spots that were 0 cm，4.0 cm and 8.0 cm away from the centroid at 3，6，9，12 o’clock positions to calculate the CT mean value and standard deviations. The differences between the maximum and minimum mean value were defined as CTVU indexes; the maximal SD was defined as noise figure; the maximal CTVU index and noise index in virtual monochromatic image sequence were defined as CTVU index and noise index respectively. Experimental results show that the modified evaluation method reflects not only the CT value variation within the whole field of view in a comprehensive and objective manner，but also the quality differences between different images scanned by different detector slices and virtual monochromatic image sequences of dual-energy CT.

Keywords:computed tomography（CT）；dual energy；CT value uniformity；quality assurance

作者简介：杨克柽（1971-），男，福建闽清县人，讲师，博士，主要从事医学物理学教学和科研工作。

基金项目：全军医学科技“十二五”重点课题（BWS11J015）

收稿日期：2015-05-02；收到修改稿日期：2015-07-20

doi：10.11857/j.issn.1674-5124.2016.01.002

文献标志码：A

文章编号：1674-5124（2016）01-0007-05