X射線影像對比度細(xì)節(jié)體模的設(shè)計

鄢 鈴，林 滔

（中國測試技術(shù)研究院，四川 成都 610021）

0 引 言

近年，一種符合美國醫(yī)學(xué)物理師協(xié)會（AAPM）和IEC要求的對比度細(xì)節(jié)影像質(zhì)量體模，被推薦用于對X射線攝影系統(tǒng)的影像質(zhì)量的檢定檢測。隨著日益先進(jìn)的數(shù)字?jǐn)z影（CR）、數(shù)字成像（DR）及數(shù)字減影（DSA）等X射線攝影設(shè)備的發(fā)展，對其性能的監(jiān)測也提出了更高的要求。在很多檢定規(guī)程等法規(guī)中加進(jìn)了對設(shè)備的最終結(jié)果-影像質(zhì)量的硬性要求，在強調(diào)保證設(shè)備安全的同時，也強調(diào)了設(shè)備的有效性。同X射線攝影設(shè)備與生俱來的性能檢測設(shè)備也是如影隨形地迅速發(fā)展，其中影像質(zhì)量對比度細(xì)節(jié)檢驗體模就是一個突出的研究成果。除了安全，醫(yī)生最關(guān)心的就是圖像質(zhì)量，圖像質(zhì)量中最重要的指標(biāo)就是對比度和分辨力。影像質(zhì)量檢驗體?？梢詫@兩個指標(biāo)進(jìn)行精確的量化和評價。

它是由荷蘭Nijmegen大學(xué)醫(yī)院醫(yī)學(xué)物理科首先設(shè)計的[1-2]，一些知名的公司已在生產(chǎn)。我國王鵬程、趙嵩、宋少娟、劉瀾濤等[3-9]人在不同X射線攝影系統(tǒng)影像質(zhì)量的比較研究、曝光技術(shù)參數(shù)的優(yōu)化等方面成功使用了這種體模。衛(wèi)生部、江蘇省等[10]也在CR/DR系統(tǒng)檢定規(guī)程中加進(jìn)了使用對比度細(xì)節(jié)體模檢定影像質(zhì)量的要求。對影像質(zhì)量的定量要求已經(jīng)引起了職能部門和醫(yī)生的高度重視，使用對比度細(xì)節(jié)體模對影像質(zhì)量對比度和分辨力的檢定勢在必行。

該體模的設(shè)計和制作參考了AAPM和IEC的要求。文章對設(shè)計原理、體模材料、體模大小、指標(biāo)要求及體模應(yīng)用進(jìn)行了敘述。

1 體模材料

體模材料采用聚甲基丙烯酸甲脂有機玻璃板。

診斷用X射線平均能量一般在40～100 kev范圍，在這個范圍內(nèi)，人軟組織的X射線減弱系數(shù)在0.2340～0.1660，而有機玻璃在 0.2595～0.1687，兩者是很接近的，即對X射線的吸收減弱特性較為等效。前者密度為1.05，后者為1.18，兩者也很接近。有機玻璃材料易購易得，為穩(wěn)定固體，結(jié)實均勻，而且便于加工。所以，在放射醫(yī)學(xué)的研究中，很多情況采用了有機玻璃代替人軟組織或體模材料。

2 對比度-細(xì)節(jié)的設(shè)計

影像質(zhì)量最重要的指標(biāo)是對比度和空間分辨力，兩者都由影像上的光密度差異來表示的。光密度差異是由透過患者的曝光劑量的差異產(chǎn)生的，透過的曝光劑量的差異又是由體層厚度的差異引起的。透過的曝光劑量的差異是隨體層厚度的增加呈指數(shù)形式變化。所以，影像上的光密度差異也隨體層厚度呈指數(shù)形式變化。

根據(jù)上面原理，體模參照物的厚度及大小，就本體模而言，就是有機玻璃板上的孔的深度及大小也當(dāng)按指數(shù)形式變化。

在一塊厚度均勻的有機玻璃板上，用同一鉆頭鉆上深度不同的孔，得到不同厚度的孔底，就得到不同的對比度參照物；又對同一厚度，鉆成不同直徑的孔，就得到不同大小空間的參照物。為了在一塊大小適中使用方便的有機玻璃板上得到對比度和細(xì)節(jié)數(shù)值范圍較寬的不同的孔，通常也采用對比度細(xì)節(jié)孔的深度和大小以指數(shù)函數(shù)形式分布的辦法來設(shè)計。為了行文方便，以后就把深度叫成對比度，而把孔的大小叫成細(xì)節(jié)，兩者合起來就叫對比度細(xì)節(jié)。指數(shù)函數(shù)形式為

式中：Y——孔深度（對比度）值或孔直徑（細(xì)節(jié)）值，mm；

A——曲線系數(shù)；

B——指數(shù)系數(shù)；

X——橫或列的編號。

圖1 QC-CD1.0型對比度—細(xì)節(jié)體?？椎姆植?/p>

該體摸采用266 mm×266 mm×10 mm的方形有機玻璃板。在上面設(shè)計了15列×15行225個方格，每個方格都鉆了孔。在上面3行的方格中，只在中心鉆一個孔。其他12行中除中心鉆孔外，還在四角隨機鉆了一個與中心相同的孔。一共有225種深度和直徑的孔（圖1），這些孔就代表了有225個對比度細(xì)節(jié)。

列和橫的編號都是等距離的，圖中大小不同的黑圓點就代表所鉆的孔，但是，孔的深度或孔的直徑隨編號呈指數(shù)函數(shù)分布（圖2）。

圖2 孔的直徑或深度隨其編號呈指數(shù)分布

對于孔的深度、大小、分布及加工可行性做如下考慮：

該體模把孔深度最大設(shè)計成8 mm，其孔底厚2 mm，同10mm相比有8mm的差異，在適當(dāng)?shù)目讖较?，這是很容易分辨出來的；把孔直徑也最大設(shè)計成8mm，在適當(dāng)厚度下，也是很容易分辨出來的。為了在接近臨界分辨處精確地找到分辨識別的位置，在該處前后的孔深度值或孔徑值附近設(shè)計分布細(xì)密一點；容易分辨的范圍，孔分布稀疏一點，這樣，體模就可以做成便于使用的大小。將孔深度和孔直徑最小設(shè)計成0.3mm。于是曲線系數(shù)A=0.2465，指數(shù)系數(shù) B=0.2323，式（1）就成為

根據(jù)上面的考慮和式（2）來計劃圓孔的深度和直徑：孔深度（mm）的范圍和分布設(shè)計為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。孔徑（mm）也設(shè)計為 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范圍，其造成的光密度差異包含了診斷需要的范圍。

在圖1中，同一行，孔徑相同，深度不同；同一列深度相同，孔徑不同。12行以下的方格四角隨機打孔，且要求只辨認(rèn)這些孔而不認(rèn)中心孔，目的是為了避免憑印象認(rèn)孔。

3 影像質(zhì)量的量化表示

影像質(zhì)量對比度及空間分辨力的量化表示有影像質(zhì)量指數(shù)、影像質(zhì)量指數(shù)倒數(shù)百分率和正確識別率3種方法。

3.1 影像質(zhì)量指數(shù)（IQF）的定義

在放射學(xué)中，是成像鏈反映被成像體的物理特征的量化表示。具體到該體模而言，是最終的圖像顯示每列中最小細(xì)節(jié)（直徑）的孔的深度與直徑乘積的和，即

式中：i——1，2，3，…，15；

Ci——第i行看到的該閾值孔的深度，mm；

Dith——第i行看到的閾值孔的直徑，mm。下腳標(biāo)th是英語閾值（threshold）的縮寫。

體模板上有15列，就有15個閾值孔，每一個孔有一個Ci·Dith的乘積，15個乘積相加即為IQF，也稱為閾值對比度。

用式（3）的計算值來敘述IQF與影像質(zhì)量的關(guān)系時，IQF值越小，影像質(zhì)量越高，兩者關(guān)系趨向相反。

3.2 影像質(zhì)量指數(shù)倒數(shù)百分率

也有用它的倒數(shù)乘以100%的方法表示的，表示式為

這時，IQFinν值越高，影像質(zhì)量也越高，兩者關(guān)系趨向一致。

3.3 正確識別率

正確識別率表示式為

在式（5）中，正確識別的小孔數(shù)，是指除了上面3行是識別方格的中心孔外，其他的只正確識別方格的非中心孔。該體模的方格總數(shù)為225個。上面3行方格的中心孔加上其他方格的非中心孔，也是225個，如果全部顯示且被正確識別，則正確識別率為100%。

用正確識別率來敘述影像質(zhì)量時，識別率越高，影像質(zhì)量越高。

不管用哪一種方法，都涉及到孔的深度和直徑，所以，都是病灶密度和大小的綜合定量表示。也是對常說的對比度和空間分辨率的綜合定量描述。

4 體模的應(yīng)用

4.1 比較不同屏-片組合系統(tǒng)的圖像質(zhì)量

不同屏片組合，圖像質(zhì)量往往有很大差別，通過體模實驗可以選擇曝光劑量最低而影像質(zhì)量最好的組合。

4.2 確定最佳的曝光技術(shù)參數(shù)

隨著生活水平的提高，保健意識的增強，X射線檢查的頻度也不斷增加。這就要求X射線攝影技術(shù)要以最低的曝光劑量，得到最高質(zhì)量的影像圖片，減少公眾由于X射線檢查的頻度增加帶來的劑量增加。

目前日益先進(jìn)的數(shù)字?jǐn)z影（CR）、數(shù)字成像（DR）及數(shù)字減影（DSA）等X射線攝影技術(shù)，在精心策劃下，可以達(dá)到這個要求。

這種策劃，可以用對比度細(xì)節(jié)體模加以實現(xiàn)。實驗可以看到，當(dāng)圖像清晰度達(dá)到一定水平后，再增加曝光劑量，圖像清晰度也不會再增加；反之，在保證等圖像清晰度情況下，可以盡量減低曝光劑量。

4.3 監(jiān)測X射線系統(tǒng)是否老化

通過體模影像質(zhì)量的檢查，可以監(jiān)測X射線系統(tǒng)（例如X射線管）是否老化。如果已開始老化，要達(dá)到同樣水平的影像質(zhì)量，就必須提高曝光劑量。體?？梢源嫒梭w做X射線系統(tǒng)超期服役實驗以最終決定是否更換設(shè)備。

4.4 比較不同體厚目標(biāo)的圖像質(zhì)量

為了模擬不同的患者體厚，通常添加不同厚度的有機玻璃板來實現(xiàn)。推薦把體模夾在中間，上下使用相同的數(shù)量的有機玻璃板?？梢员容^不同體厚圖像質(zhì)量的差異；對同一體厚圖像質(zhì)量，可以選擇一致的優(yōu)化攝影參數(shù)。

4.5 檢驗不同厚度的過濾對圖像質(zhì)量的影響

不同厚度的過濾對圖像質(zhì)量有很大的影響。過濾太厚，透過劑量小，對比度細(xì)節(jié)不容易顯示；過濾太薄，散射影響大，圖像清晰度變差。用體模實驗可以優(yōu)化過濾厚度與影像質(zhì)量的關(guān)系。

4.6 檢驗不同觀察者對圖像質(zhì)量的感知能力

在合格的觀片燈、合格的觀片環(huán)境下，不同觀察者因視力、精神狀態(tài)等不同原因，對圖像顯示的感知能力也不同。對CR/DR、DSA系統(tǒng)而言，即使把窗寬窗位調(diào)到最佳，不同觀察者的感知能力也有差異。用體模實驗，可以用量化辦法檢驗這種感知能力的差異程度。

4.7 為量化影像質(zhì)量系數(shù)提供客觀標(biāo)準(zhǔn)

影像設(shè)備檢定部門用體模影像可以量化的特點，制定對影像設(shè)備的對比度指標(biāo)的量化要求。

4.8 通過體模影像質(zhì)量的檢查，可以監(jiān)測X射線系統(tǒng)質(zhì)量控制

醫(yī)院質(zhì)監(jiān)中心用體模影像可以量化的特點，對X射線攝影系統(tǒng)進(jìn)行質(zhì)量控制。

5 結(jié)束語

該體摸的設(shè)計原理清楚，指標(biāo)設(shè)計合理，數(shù)學(xué)表達(dá)方式明確，對比度范圍包含了X射線影像診斷要求的范圍。應(yīng)用范圍廣，它不但適合于CR/DR、DSA影像質(zhì)量的評價，也適用于傳統(tǒng)的膠片影像及乳腺攝影影像的評估，為X射線攝影影像質(zhì)量的客觀評價提供了很有價值的方法。

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