CT性能检测模体及检测方法

吴毅 杜国生 田中青

本文作者吴毅女士北京市放射卫生防护所主任技师杜国生先生副主任技师 田中青先生中国计量科学研究院电离辐射处副研究员 一 前言

1972~1973年G.N.Hounsfield和J.A.Ambeose公开发表了有关CT的文章紧接着许多厂家都以迅猛的势头开发CT1979年CT诊断技术已经遍及全世界在我国20年前CT还只是少数大医院引进的先进医疗设备而如今逐步在县级以上医疗部门普及由于CT技术的飞速发展和迅速更新换代在我国既有最先进的超高速CT和螺旋CT也有较早期的第三代CT二手货CT机的电子学控制系统和机械结构十分复杂还采用了复杂的数据处理软件因此影响影像质量的因素很多这些因素随着时间和扫描次数的增加而变化为了保证新购置的设备能达到销售方允诺的性能指标和使用中的设备保持良好的状态也为了在诊断前及时发现CT诊断影像质量下降的情况医疗卫生部门有责任对CT诊断影像实行质量保证计划计划应包括对CT机性能指标影像显示硬拷贝系统及胶片冲洗系统进行验收状态及稳定性检测; 对检测结果进行评价; 对发现的问题及时进行校正我国卫生部为了促进医疗卫生事业发展保障人民健康合理配置和利用大型医用设备发挥卫生资源综合效益于1995年7月以卫生部第43号部长令发布了大型医用设备配置与应用管理暂行办法1996年4月卫生部办公厅又下发了X射线计算机体层摄影装置(CT)等大型医用设备配置与应用管理实施细则自此我国卫生行政部门开始对医疗机构中的CT机的配置人员培训及其应用质量进行规范化的监督和管理按照管理办法新安装的CT机签收和投入使用前必须经过验收检测使用中的CT机每年进行一次状态检测并通过省级大型医用设备应用技术评审委员会评审合格发给合格证

CT检测模体及检测方法对于检测结果影响很大因此受到各生产厂家医疗单位和监督监测部门的普遍重视本文根据几年实践经验介绍目前我国的进口商品模体和国内研制的模体及检测方法

二 CT检测模体

1. CT检测模体概况

由于CT扫描仪的迅速发展客观上出现了对其性能评价的要求1997年美国医学物理学会(AAPM)第1号报告定义了CT机的性能指标并描述了使用特定模体进行检测的方法与此同时AAPM又设计了一种测试低对比度分辨力的ATS模体这两种模体通常被称为AAPM模体我国除进口了一批AAPM模体外还进口了美国PMI公司生产的461A型及模体实验室生产的CATPHAN型模体1996年北京市放射卫生防护所和中国计量科学研究院联合研制了YCTM型CT检测模体这四种模体的总体情况列于表1

CT检测模体包括性能检测模体和剂量检测模体性能检测模体中通常包含水或水等效材料均匀模块; 空间分辨力低对比度分辨力层厚及CT值线性检测模块以下简单介绍各种模体中性能指标检测模块的设计原理及特点

2. 空间分辨力

其定义为: 当物体与背景物对X射线的

衰减之差(即CT值之差)比噪声大得多时CT图像上区别不同物体的能力IEC1223-2-6中提出通常当物体和背景的预期CT值之差达到数百HU时被认为它们之间的衰减系数之差足够大AAPM第1号报告给出的模体则以水为背景以有机玻璃为被检物体

目前检测空间分辨力的模块和方法主要有以下三种: 横扫均匀介质中细金属丝测点扩散函数或高对比度界面上的边缘扩散函数经付里叶变换计算调制传递函数(MTF); 第二种是在有机玻璃中设置多组不同边长正方形长条空气间隙条与条之间的有机玻璃厚度与正方形边长相等断层扫描后得一系列孔状图像称孔模; 第三种是多组不同厚度塑料片与水(或金属与非金属材料)相间结构断层扫描后可得一系列条状图像(线对)称条模后两种模块均通过观察可分辨孔或条的尺寸来定量评价空间分辨力条状模块还可用来测量调制值并作为检测MTF的简易方法三种模块及检测方法的优缺点列于表2四种模体中空间分辨力检测模块的对比列于表3

3. 低对比度分辨力

低对比度分辨力又称密度分辨力

指物体与均匀背景的X射线线性衰减系数

空间分辨力通常指高对比度分辨力

之差小于1时CT机能分辨一定形状和大小的物体的能力几种低对比度分辨力检测模块的设计原理及其优缺点列于表4几种模体的低对比度分辨力检测模块的特点对比列于表5

4. 层厚检测模块

用位置的函数来表示CT系统

相对灵敏度的曲线称为灵敏度分布曲线此曲线的半高宽被定义为断层厚度现有模体测量CT扫描层厚的方法通常是扫描模体中一斜置或成螺旋状的金属丝(片)利用几何投影原理金属丝(片)在扫描影像上的长度(CT值分布曲线的半高宽)乘以金属丝(片)与扫描平面夹角的正切即为层厚因此扫描螺旋线后可通过影像弧度推算出层厚上述四种模体的层厚检测模块的特点列于表6

5. CT值刻度线性检测模块

通常用扫描不同材料的圆柱体的方法进行CT值刻度线性的检测各种模体所选材料列于表7

6. 剂量检测模体

根据IEC1223-2-6的要求检测CT剂量指数(CTDI)的模体必须由直径为16cm(用于头部断层摄影)和32cm(用于体部断层摄影)的有机玻璃圆柱体组成其长度必须大于测量用电离室的灵敏体积长美国联邦法规CFR1020.33则要求其长度大于14cm模体中必须设有大小足以插入辐射探测器的孔这些孔平行于模体的对称轴且位于模体的中心和表面下1cm间隔90º测量时不用的忆必须用相同材料棒插入其中由于IEC标准对于CT剂量检测模体的要求相当明确用于剂量检测的模体符合上述要求

三 检测方法要点

1. 选择合适的模体

CT扫描野中心沿着垂直于扫描平面的直线上

做好CT检测工作首先要选择一个性能良好1994年开始使用多种模体进行检测的经验

使用方便的模体根据我们自对几种模体进行了比较:

AAPM模体于1976年开创了CT检测的规范方法在很长一段时间内各CT生产厂家所给的性能指标都是用AAPM模体检测的结果但是这种模体仍有一些不足之处主要有以下几方面:

(1) AAPM模体中低对比度分辨力检测模块配制合适的溶液极为困难一次配制后又不能稳定搁置ATS模体中被检物体与背景的对比度随X射线束的线质的变化比较大检测不同CT机时实测对比度相差较大由于这种模体只有一种对比度当对比度远离标称值时难以对该机的低对比度分辨力做出确切的评价 (2) 空间分辨力检测模块中孔的分级较粗特别一些低档机机能分辨0.8mm的孔却不能分辨0.75mm的孔这对于CT机的验收检测评价造成一定困难 (3) AAPM模体庞大笨重没有防止由于热胀冷缩引起的漏水进气的措施监督监测部门使用这种模体感到不方便

(4) AAPM模体中虽有检测MTF的金属丝和检测边缘扩散函数的高对比度界面模块但这种检测方法比较复杂无论对于CT机还是对于检测人员的技术要求都比较高且不直观孔模可进行直观的检测密封的空气孔由于经常搬动可能进水而失效

近几年来许多厂家改用CATPHAN模体检测性能指标这种模体显然克服了上述问题特别是空间分辨力采用了线对卡不但分级较细且在高分辨力方向扩展到20LP/cm低对比度分辨力检测模块采用相同物质不同密度的材料制作背景克服了X射线线束线质对对比度的影响且设置了几种对比度即使对比度与标称值不符由于有几种对比度模块区的检测结果也可进行内插和分析层厚检测模块采用了23敝媒鹗羲浚愫窦觳庥跋裆辖鹗羲砍确较駽T分布曲线的半高宽为层厚的2.5倍层厚检测的精度提高了这对于高档机中的薄层扫描的层厚检测更为有利除上述优点外CATPHAN模体比较小巧没有漏水问题是监督监测部门较好的选择但是这种模体过于昂贵且在检测SCT-4500TCT-300等型号的机器时可能由于没有骨环使水的CT值均匀度达不到要求 YCTM是在上述调查研究的基础上开发的虽然由于材料和工艺的限制不可能达到尽善尽美但是基本上克服了AAPM模体存在的问题特别是这套模体的价格便宜其制作过程由中国计量科学研究院负责质量控制一些关键的材料和尺寸都经过专业处的检定有必要的检定证书因此是可信的目前这套模体已通过科研成果鉴定正在申请医疗器械及计量器具试产许可证相信在不久的将来即可在我国CT机质量保证中广泛采用

2. 模体的安装及摆放对位

新购置的AAPM及TM164A性能检测模体要先灌注蒸馏水为了防止模体内出现气泡要用40的蒸馏水灌装第一次灌满后将模体静止于桌面上3~4h待附着于各部件上的小气泡完全消失后将温的蒸馏水补足以确保模体内没有气泡再将模体盖好使用模体检测CT性能指标时一般要将模体放置在诊视床前端模体对称轴必须与CT的扫描旋转轴一致扫描平面与模体的对称轴垂直断层的中心必须与相应模块的指定位置重合RMI461A型模体有专门测试模体摆位状况的螺旋线插件使用CATPHAN及TM164A模体时首先将其挂在储运箱的前端将模体伸出诊视床外用木工水平仪测量模体的水平度如模体有些下垂可用调平螺丝或在模体与箱面间垫小块废胶片加以调整用目视法先将模体摆在机架的中心然后用定位光平扫定位片等方法来确保模体定位正确为了加快检测速度也可以在定位片上作扫描计划连续在确定的位置上用相同的条件扫描几层然后在某些层按要求改变扫描条件进行扫描量

3. 选择合适的扫描条件

应从以下几方面出发

选择检测的扫描条件

再逐一对所扫描图像进行分析和测

a.根据检测目的选择扫描条件CT机性能检测方式大体分验收状态和稳定性检测三种验收检测要特别注意厂方所给性能指标的测量条件临床实用扫描条件及设备性能极限的扫描条件稳定性检测则要在验收检测后确定一组或少数几组临床上实用的扫描条件在整个临床使用的过程中定期按固定的条件进行扫描以观察系统各性能参数的变化情况状态检测介于两者之间根据实际临床应用及评价机器状态选择扫描条件

b. 根据各种扫描条件对CT性能指标的影响来选择扫描条件例如CT剂量指数(CTDI)的高低影响噪声大小及低对比度分辨力有时厂家给出低对比度分辨力指标时既规定了CTDI为40mGy检测规范中又规定了测量时的扫描条件(kV,mAs)但有时两者是矛盾的CTDI可能因设备中所用的X射线管的发射效率而异两者有矛盾时应以CTDI值为准修改mAs值由于国际辐射防护及辐射源安全基本标准给出的CT头部扫描的多层扫描平均剂量指导水平为50mGy我国正在制定中的X射线计算机断层投影质量控制检测规范要求空间分辨力及低对比度分辨力要在CTDI50mGy的条件下检测

影响空间分辨力的因素较多例如X射线管的焦点探测器及准直器的尺寸数据采集方式扫描野尺寸(FOV)矩阵大小及卷积过滤函数等检测前应向维修工程师了解清楚这些因素中哪些可以自选选择原则及范围然后根据检测目的选择测试的扫描条件

4. 正确选择分析图像及测量参数的条件

通过扫描得到一幅模体的检测图像后必须在正确的条件下进行分析和测量 a. 正确选择分析图像的窗宽和窗位正确选择窗宽窗位是分析空间分辨力低对比度分辨力及测量层厚的关键分析空间分辨力时窗宽设在10HU以下最窄处窗位根据模体所用材料不同略有不同分析空气孔的可分辨尺寸时将窗位缓慢下移这时尺寸较小的孔逐渐分开可以分开的最小孔即为可分辨的尺寸用有机玻璃和水相间的条形模块检测空间分辨力时应将窗位设置在水和有机玻璃CT值的中间约60HU分析低对比度分辨力测试图像时应将窗宽设置为5倍噪声(SD)加两对比部分(孔内外)CT值之差窗位应设置为孔内外的CT平均值测量层厚时将窗宽设置为最小值窗位设置为金属丝影像的CT值分布曲线的半高度这时测得的距离才能和层厚的定义(灵敏度曲线的半高宽)相对应 b. 选择测量CT值及噪声的感兴趣区(Rol)的合适尺寸测量CT值的线性时要注意不同材料间的边缘效应因此Rol的直径不可过大测量噪声时Rol的面积既要包括100个以上的象素又不可太大太大会包含了CT值的不均匀性因此AAPM39号报告中建议采用1cm2的Rol面积测量CT值及噪声大小

5. CT受检者剂量的测量方法

表征CT受检者剂量大小可以采用CT剂量指数(CTDI)或多层扫描平均剂量(MSAD)前者是连续扫描14层时测得直径为16cm长14cm以上的有机玻璃头部剂量模体或直径为32cm的体部剂量模体的中心孔或模体表面下1cm处孔的中间位置平均吸收剂量其定义为

7T

CTDI=式中 n

1nT

−7T

∫D(z)dz

每次扫描层数(多数较新的系统中为1)

任何平行于z轴(旋转轴)的直线上Z点单次扫描吸收剂量

D(z)mGy

T扫描层厚mm

实际可采用CT笔形标准电离室进行检测测量结果用模体内深度d处的吸收剂量(Dd)表示:

Dd=Md

Nd

F 对温度

气压等进行校正后的电离室读数

式中 Md Nd F

照射量校正因子

照射量转换成模体吸收剂量的转换因子

(µen/ρ)有机玻璃(µen/ρ)空气

F=0.876×

对于大多数CT扫描条件X射线的有效能量为70keVF值为0.78由于CT标准电离室的灵敏长度为100mm因此

CTDI=Dd

100/nT

也可以用热释光剂量计(TLD)测量一次扫描的剂量分布曲线按上式积分并计算CTDI值使用TLD测量也可将其放在模体孔的中间然后从-7T到7T进行14层连续扫描然后测量TLD的受照剂量MSAD是与实际临床所用扫描方式有关的量例如当总计扫描m层两层间隔为I时

mI/2

MSAD=1I−mI/2

∫D(z)dz

当m=7时CTDI与MSAD有以下关系:

MSAD=TCTDI I⋅

但是此式在I0或I>>T时不成立如动态流量检查中I0MSAD是单层峰值剂量的倍数相反层间分离特大MSAD没有意义因为层间主要是未受照射的区域因此采用单层峰值剂量

四 评价及资料保存

1. 评价原则

新安装CT机的验收检测结果应符合随机文件产品性能指标及双方合同或协议书中的技术条款但不得低于相关的国家标准要求稳定性检测根据该机的基线值进行评价

2. 物理检测要与临床图像质量评价相结合

物理检测固然可以对CT诊断设备进行客观评价特别在判断其是否符合验收指标时极为重要但是由于所测各种参数指标对CT图像的诊断价值贡献不同要判断一台CT机是否还有诊断价值时仅仅看物理测量结果是不够的还必须拍摄各种典型部位典型窗宽窗位下的临床诊断图像由有资格的临床专家进行评定

3. 妥善保存检测资料

由于分析和测量检测图像特别是高对比度和低对比度分辨力图像时观察者的因素起一定的作用临床诊断图像的评定更与专家的个人素质有关为了与下一次检测结果进行比较为了掌握一台CT机的性能变化规律妥善保存每次检测结果特别是检测图像是非常必要的

全文完