基于Matlab CT密度分辨力自动检测的研究*

李 涛 李怡勇 米永巍 郭 赤

X射线电子计算机断层成像(tomography，X-ray computed，CT)装置是目前临床使用最为广泛的影像诊断装置之一。自1973年CT诞生以来，其突出的临床诊断价值和市场价值成为医院重要的大型医疗设备，其临床应用的质量直接关系到医院的医疗水平。CT机临床应用质量控制不足将会导致漏诊和误诊，从而必将引发不必要的医患纠纷，因此对CT机等大型医疗设备的质量控制十分必要。

目前，我国对CT机的应用质量控制具有良好的基础，相应的法律法规陆续出台。1995年国家卫生部第43号令发布“大型医用设备配置与应用管理暂行办法”，规定了大型医用设备使用前应进行省一级应用技术评审，评审合格后发放“大型医用设备应用质量合格证”。同时，复审工作2～3年进行1次[1]；1998年卫生部发布第18号文件“X射线计算机断层摄影装置(CT机)应用质量检测与评审规范”；同年国家质量技术监督局和卫生部发布国家标准GB/T17589-1998“X射线计算机断层摄影装置影像质量保证检测规范”，规定了CT机验收检测和运行状态检测[2]；1988年军队开展CT和MRI的应用质量检测工作，并每2年进行1次巡检；2003年总后卫生部发布“X射线计算机断层扫描系统应用质量检测与评审规范”，国家技术监督局分别发布JJG961-2001“医用诊断计算机断层摄影装置(CT机)X射线辐射源检定规程”[3]和JJG1026-2007“医用诊断螺旋计算机断层摄影装置(CT机)X射线辐射源检定规程”[4]；2011年军队发布了“军队医疗设备临床应用质量检测技术规范”，其中对X射线电子计算机断层扫描装置日检、周检、月检、年检的项目有明确的规定。上述标准给CT机应用质量检测工作提供了依据。目前，CT机应用质量检测项目为层厚、噪声、场均匀性、水的CT值、空间分辨力、密度分辨力、CT值线性、定位光精度、床运动精度、剂量指数、环境温度、大气压强以及环境湿度等[5-9]。本研究为了简化检测流程，使检测项目符合数字化和远程传输的要求，以CT的密度分辨力为主要研究内容，采用基于统计学的方法进行自动检测，并与目测法的结果进行相关性研究。

1 材料与方法

1.1 实验设备和体模

本研究根据医院大型医疗设备配置情况，采用3台CT作为实验对象。

(1)实验设备为东芝生产的Aquilion-16型CT(设备1)、Aquilion one型CT(设备2)和飞利浦生产的MX-4000 dual型CT(设备3)。

(2)测试体模为美国体模实验室研制的CT性能测试体模，Catphan 500，其中低对比度分辨力模块CTP515用于目测法(如图1所示)；场均匀性和噪声模块CTP486用于基于统计学的自动检测方法(如图2所示)。

图1 低对比度分辨力模块

图2 场均匀性和噪声模块

1.2 实验方法

每台设备采用两种扫描条件进行扫描以获取不同的低对比度分辨力的结果，按此3台设备对两层体模模块进行扫描，共获得6幅低对比度分辨力图像(用于目测法)和6幅场均匀性和噪声图像(用于基于统计学的自动检测方法)。3台设备的扫描条件见表1。

表1 3台设备的实验扫描条件

2 CT密度分辨力自动检测系统

随着信息化水平的不断提高，传统的低对比度分辨率(low contrast resolution，LCR)测量方法由于其主观性强，易造成人为误差、测量结果不连续以及不易于自动检测和远程传输等不足，难以满足远程应用质量控制的需要，为了提高检测结果的准确、客观和不可逆，提高CT应用质量控制工作的工作效率，本研究利用Matlab语言编写基于统计学的密度分辨力的自动测量系统。

2.1 CT密度分辨力自动检测原理

CT密度分辨力自动检测基于的原理是在同样的条件下测量数个同样大小的低对比度物体的值(如2～6 mm)，其值的随机变化应符合高斯分布。同样，数个与低对比度物体同样大小的感兴趣区域(region of interest，ROI)的背景值均符合高斯分布；由于低对比度物体和背景的扫描条件相同，其方差也应相同；在一次扫描中，他们之间的衰减系数的差异非常小，这两个分布之间唯一的不同只是其均值不同，如果采用假设检验的方法，以95%的概率区分两者的条件只需要两个分布的均值差异为3.29σ(σ为分布的方差)。

鉴于上述原理，低对比度密度分辨力的自动检测是通过在相同条件下扫描场均匀性和噪声模块的图像得到。在计算时，将重建图像的中心区域分为许多个小格子，格子的大小与感兴趣的低分物体的大小相同，计算每个格子的CT均值，然后计算出这些格子的标准差σ，本文低对比度密度分辨力以3.29σ作为评判值。这种分析方法可以重复检测不同大小物体的低对比度下密度分辨力的水平。

2.2 CT密度分辨力测量流程

CT密度分辨力测量流程如下：①检测人员将catphan 500体模放置于诊视床，按照扫描条件进行扫描；②通过影像数据传输及储存系统(picture archiving and communication systems，PACS)获取dicom格式扫描图像并保存于本地工作站；③对低对比度分辨力模块的扫描图像采用目测法，同时利用CT密度分辨力自动检测系统处理场均匀性和噪声模块的扫描图像，获取低对比度密度分辨力的评判值；④将检测值导入到基于“军卫1号2号”工程的远程网络检测系统中，方便数据的存储、分析和传输，完成一次CT密度分辨力的检测。

目测法的检测方法为首先获取低分模块CTP515的扫描图像，取测量窗宽＝CT目标－CT背景＋5SDMAX，其中SDMAX为目标和背景CT值中的最大SD；窗位＝(CT目标＋CT背景)/2；调整窗宽、窗位为测量窗宽和测量窗位，观察图像确定所能分辨最小一级低信号目标并将结果进行记录；基于统计学的自动测量方法为首先获取场均匀性和噪声模块CTP486的扫描图像，分别取直径为2～6 mm不同大小的ROI，然后利用matlab按照统计学方法进行计算，获得低对比度下的密度分辨力的评判值。

3 结果

本研究利用目测法检测CT密度分辨力，其结果见表2。其中一定对比度下所能分辨的最小目标尺寸的单位为mm，从表中可发现密度分辨力的检测值与噪声密切关系，剂量越高，层厚越厚，相应的噪声越少，所能分辨的最小目标尺寸越小，即密度分辨力的能力越好[10-11]。

表2 目测法检测CT密度分辨力结果

本研究采用CT密度分辨力自动检测系统检测CT密度分辨力，其结果见表3。其中结果为要分辨目标和背景所需要的CT值差异，一般将结果乘以1‰与目测法进行比较，即第一幅图像中，直径为2 mm的目标物质需要0.58682%以上的对比度方能分辨。

表3 CT密度分辨力自动检测系统检测的结果

4 讨论

为了研究自动检测方法的评判值与目测法结果的相关性，采用Catphan 500体模说明书中低对比度下密度分辨力的换算公式，将自动检测方法中2～6 mm所计算评判值换算成1%和0.5%低对比度下密度分辨力的测量值并求平均，最后将其结果与目测法进行pearson相关分析。换算公式为公式1：

即：测量的对比度乘以最小可分辨直径约等于一个常数。例：5 mm diameter×0.3%≌3 mm diameter×0.5%。

采用pearson系数对1%和0.5%对比度下的两种方法进行相关分析，计算得到相关系数分别为r＝0.977和r＝0.980(P＜0.01)。由此可见，基于统计学的自动检测方法与目测法具有很强的一致性，该方法完全可以作为CT应用质量控制中密度分辨力的检测方法且适用于多种类型的CT机，自动检测方法的换算值和目测法的结果见表4。

表4 自动检测方法的换算值和目测法的相关性结果

5 结语

CT密度分辨力自动检测系统的研究与实践表明了CT应用质量控制数字化方案的可行性，借助信息化手段可方便、高效地完成CT类医疗设备应用质量控制，提高大型医疗设备应用质量控制工作的效率[12-15]。该检测系统简单快捷，避免纸质记录，减少人为误差，确保检测结果准确、客观和不可逆。检测人员可同时进行图像扫描和数据测量，无需过多占用CT机的扫描时间，测量结果具有客观性且定量严格并与目测法结果相关性强。该系统的检测值完全符合LCR的定义，可用于CT应用质量检测中。本系统验证了大型医疗设备数字化检测方法准确可靠，结合“军卫1号2号”工程的网络平台，为大型医疗设备远程检测的实施进行了预研。

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