X射线影像对比度细节体模的设计

鄢 铃，林 滔

（中国测试技术研究院，四川 成都 610021）

0 引 言

近年，一种符合美国医学物理师协会（AAPM）和IEC要求的对比度细节影像质量体模，被推荐用于对X射线摄影系统的影像质量的检定检测。随着日益先进的数字摄影（CR）、数字成像（DR）及数字减影（DSA）等X射线摄影设备的发展，对其性能的监测也提出了更高的要求。在很多检定规程等法规中加进了对设备的最终结果-影像质量的硬性要求，在强调保证设备安全的同时，也强调了设备的有效性。同X射线摄影设备与生俱来的性能检测设备也是如影随形地迅速发展，其中影像质量对比度细节检验体模就是一个突出的研究成果。除了安全，医生最关心的就是图像质量，图像质量中最重要的指标就是对比度和分辨力。影像质量检验体模可以对这两个指标进行精确的量化和评价。

它是由荷兰Nijmegen大学医院医学物理科首先设计的[1-2]，一些知名的公司已在生产。我国王鹏程、赵嵩、宋少娟、刘澜涛等[3-9]人在不同X射线摄影系统影像质量的比较研究、曝光技术参数的优化等方面成功使用了这种体模。卫生部、江苏省等[10]也在CR/DR系统检定规程中加进了使用对比度细节体模检定影像质量的要求。对影像质量的定量要求已经引起了职能部门和医生的高度重视，使用对比度细节体模对影像质量对比度和分辨力的检定势在必行。

该体模的设计和制作参考了AAPM和IEC的要求。文章对设计原理、体模材料、体模大小、指标要求及体模应用进行了叙述。

1 体模材料

体模材料采用聚甲基丙烯酸甲脂有机玻璃板。

诊断用X射线平均能量一般在40～100 kev范围，在这个范围内，人软组织的X射线减弱系数在0.2340～0.1660，而有机玻璃在 0.2595～0.1687，两者是很接近的，即对X射线的吸收减弱特性较为等效。前者密度为1.05，后者为1.18，两者也很接近。有机玻璃材料易购易得，为稳定固体，结实均匀，而且便于加工。所以，在放射医学的研究中，很多情况采用了有机玻璃代替人软组织或体模材料。

2 对比度-细节的设计

影像质量最重要的指标是对比度和空间分辨力，两者都由影像上的光密度差异来表示的。光密度差异是由透过患者的曝光剂量的差异产生的，透过的曝光剂量的差异又是由体层厚度的差异引起的。透过的曝光剂量的差异是随体层厚度的增加呈指数形式变化。所以，影像上的光密度差异也随体层厚度呈指数形式变化。

根据上面原理，体模参照物的厚度及大小，就本体模而言，就是有机玻璃板上的孔的深度及大小也当按指数形式变化。

在一块厚度均匀的有机玻璃板上，用同一钻头钻上深度不同的孔，得到不同厚度的孔底，就得到不同的对比度参照物；又对同一厚度，钻成不同直径的孔，就得到不同大小空间的参照物。为了在一块大小适中使用方便的有机玻璃板上得到对比度和细节数值范围较宽的不同的孔，通常也采用对比度细节孔的深度和大小以指数函数形式分布的办法来设计。为了行文方便，以后就把深度叫成对比度，而把孔的大小叫成细节，两者合起来就叫对比度细节。指数函数形式为

式中：Y——孔深度（对比度）值或孔直径（细节）值，mm；

A——曲线系数；

B——指数系数；

X——横或列的编号。

图1 QC-CD1.0型对比度—细节体模孔的分布

该体摸采用266 mm×266 mm×10 mm的方形有机玻璃板。在上面设计了15列×15行225个方格，每个方格都钻了孔。在上面3行的方格中，只在中心钻一个孔。其他12行中除中心钻孔外，还在四角随机钻了一个与中心相同的孔。一共有225种深度和直径的孔（图1），这些孔就代表了有225个对比度细节。

列和横的编号都是等距离的，图中大小不同的黑圆点就代表所钻的孔，但是，孔的深度或孔的直径随编号呈指数函数分布（图2）。

图2 孔的直径或深度随其编号呈指数分布

对于孔的深度、大小、分布及加工可行性做如下考虑：

该体模把孔深度最大设计成8 mm，其孔底厚2 mm，同10mm相比有8mm的差异，在适当的孔径下，这是很容易分辨出来的；把孔直径也最大设计成8mm，在适当厚度下，也是很容易分辨出来的。为了在接近临界分辨处精确地找到分辨识别的位置，在该处前后的孔深度值或孔径值附近设计分布细密一点；容易分辨的范围，孔分布稀疏一点，这样，体模就可以做成便于使用的大小。将孔深度和孔直径最小设计成0.3mm。于是曲线系数A=0.2465，指数系数 B=0.2323，式（1）就成为

根据上面的考虑和式（2）来计划圆孔的深度和直径：孔深度（mm）的范围和分布设计为0.3，0.4，0.5，0.6，1.0，1.3，1.6，2.0，2.5，3.2，4.0，5.0，6.3 和 8.0。孔径（mm）也设计为 0.3，0.4，0.5，0.6，1.0，1.3，1.6，2.0，2.5，3.2，4.0，5.0，6.3 和 8.0。

0.3 ～8.0mm范围，其造成的光密度差异包含了诊断需要的范围。

在图1中，同一行，孔径相同，深度不同；同一列深度相同，孔径不同。12行以下的方格四角随机打孔，且要求只辨认这些孔而不认中心孔，目的是为了避免凭印象认孔。

3 影像质量的量化表示

影像质量对比度及空间分辨力的量化表示有影像质量指数、影像质量指数倒数百分率和正确识别率3种方法。

3.1 影像质量指数（IQF）的定义

在放射学中，是成像链反映被成像体的物理特征的量化表示。具体到该体模而言，是最终的图像显示每列中最小细节（直径）的孔的深度与直径乘积的和，即

式中：i——1，2，3，…，15；

Ci——第i行看到的该阈值孔的深度，mm；

Dith——第i行看到的阈值孔的直径，mm。下脚标th是英语阈值（threshold）的缩写。

体模板上有15列，就有15个阈值孔，每一个孔有一个Ci·Dith的乘积，15个乘积相加即为IQF，也称为阈值对比度。

用式（3）的计算值来叙述IQF与影像质量的关系时，IQF值越小，影像质量越高，两者关系趋向相反。

3.2 影像质量指数倒数百分率

也有用它的倒数乘以100%的方法表示的，表示式为

这时，IQFinν值越高，影像质量也越高，两者关系趋向一致。

3.3 正确识别率

正确识别率表示式为

在式（5）中，正确识别的小孔数，是指除了上面3行是识别方格的中心孔外，其他的只正确识别方格的非中心孔。该体模的方格总数为225个。上面3行方格的中心孔加上其他方格的非中心孔，也是225个，如果全部显示且被正确识别，则正确识别率为100%。

用正确识别率来叙述影像质量时，识别率越高，影像质量越高。

不管用哪一种方法，都涉及到孔的深度和直径，所以，都是病灶密度和大小的综合定量表示。也是对常说的对比度和空间分辨率的综合定量描述。

4 体模的应用

4.1 比较不同屏-片组合系统的图像质量

不同屏片组合，图像质量往往有很大差别，通过体模实验可以选择曝光剂量最低而影像质量最好的组合。

4.2 确定最佳的曝光技术参数

随着生活水平的提高，保健意识的增强，X射线检查的频度也不断增加。这就要求X射线摄影技术要以最低的曝光剂量，得到最高质量的影像图片，减少公众由于X射线检查的频度增加带来的剂量增加。

目前日益先进的数字摄影（CR）、数字成像（DR）及数字减影（DSA）等X射线摄影技术，在精心策划下，可以达到这个要求。

这种策划，可以用对比度细节体模加以实现。实验可以看到，当图像清晰度达到一定水平后，再增加曝光剂量，图像清晰度也不会再增加；反之，在保证等图像清晰度情况下，可以尽量减低曝光剂量。

4.3 监测X射线系统是否老化

通过体模影像质量的检查，可以监测X射线系统（例如X射线管）是否老化。如果已开始老化，要达到同样水平的影像质量，就必须提高曝光剂量。体模可以代替人体做X射线系统超期服役实验以最终决定是否更换设备。

4.4 比较不同体厚目标的图像质量

为了模拟不同的患者体厚，通常添加不同厚度的有机玻璃板来实现。推荐把体模夹在中间，上下使用相同的数量的有机玻璃板。可以比较不同体厚图像质量的差异；对同一体厚图像质量，可以选择一致的优化摄影参数。

4.5 检验不同厚度的过滤对图像质量的影响

不同厚度的过滤对图像质量有很大的影响。过滤太厚，透过剂量小，对比度细节不容易显示；过滤太薄，散射影响大，图像清晰度变差。用体模实验可以优化过滤厚度与影像质量的关系。

4.6 检验不同观察者对图像质量的感知能力

在合格的观片灯、合格的观片环境下，不同观察者因视力、精神状态等不同原因，对图像显示的感知能力也不同。对CR/DR、DSA系统而言，即使把窗宽窗位调到最佳，不同观察者的感知能力也有差异。用体模实验，可以用量化办法检验这种感知能力的差异程度。

4.7 为量化影像质量系数提供客观标准

影像设备检定部门用体模影像可以量化的特点，制定对影像设备的对比度指标的量化要求。

4.8 通过体模影像质量的检查，可以监测X射线系统质量控制

医院质监中心用体模影像可以量化的特点，对X射线摄影系统进行质量控制。

5 结束语

该体摸的设计原理清楚，指标设计合理，数学表达方式明确，对比度范围包含了X射线影像诊断要求的范围。应用范围广，它不但适合于CR/DR、DSA影像质量的评价，也适用于传统的胶片影像及乳腺摄影影像的评估，为X射线摄影影像质量的客观评价提供了很有价值的方法。

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