孙智勇 平佳阳 李翔 周培

1 辽宁省医疗器械检验检测院 （辽宁 沈阳 110171）

2 上海联影医疗科技股份有限公司 （上海 201807）

内容提要：随着计算机断层成像（CT）技术的发展，CT设备各项性能参数日益提升，具有较宽准直宽度的320排CT逐渐进入各大医院。由于准直宽度的增加，以往的CT图像性能测试模体无法满足现有测试需求。因此，从优化扫描流程的角度，依据IEC 61223-3-5-2019《医用成像部门的评价及例行试验第3-5部分：X射线计算机体层摄影设备成像性能验收试验和稳定性试验标准》与GB/T 19042.5-2006《医用成像部门的评价及例行试验第3-5部分：X射线计算机体层摄影设备成像性能验收试验标准》，研制出了更高效的、符合临床及标准要求的320排CT设备成像性能检测模体，并做了相关的实验性研究。

近年来CT设备在我国迅速普及，代表世界上最先进影像检查水平的320排CT，已被国内各大医院越来越多地使用。然而国内目前缺乏相关的技术要求规范文件及检验检测方案、技术，新购置和运行中的320排CT设备成像质量成为放射界关注的问题。当前国内在型式检测、验收试验中广泛采用的是国际通用的美国模体实验室的Catphan系列模体，然而在Catphan系列模体中，用于测试XY平面空间分辨率的模块宽度仅为4cm，无法一次满足准直宽度为16cm的320排CT的测试需求。为了提供符合我国国情的256排以上CT的图像质量性能评价模体，依据IEC 61223-3-5-2019标准与YY/T 1766系列标准，同时参考美国医学物理协会1号报告，研制出了适用于320排CT图像性能测试的模体。

为验证自研模体符合临床需求与现有标准，选取了Catphan系列模体和QRM-SSP模体作为参考，分别在相同条件下测量空间分辨率及体层切片厚度，分析实验结果判定自研模体性能。

1.研制过程

目前国际上尚无CT检测模体的标准，设计本模体时依据标准IEC-61223-3-5，参考美国医学物理协会1977年1号报告、1993年的39号报告。结合320排CT实际应用场景，对业内模体取长补短，研制出符合市场需求及应用标准的模体。在研究中主要解决了以下问题。

1.1 模体尺寸的选择

为满足320排CT16cm准直宽度的需求，自研模体采用了30cm的长度。这一尺寸可使中间和边缘层面的空间分辨率在一次测量中同时获得。

1.2 空间分辨率模块

空间分辨率通常分别在XY平面和Z轴上测量。通常通过调制传递函数（MTF）曲线来描述。MTF可通过计算系统的点扩散函数（PSF）的傅里叶变换的幅值得到。点扩散函数可视作系统的冲激响应，通过引入一个空间上的冲击信号作为输入，测量系统输出的频率成分得到。对于CT扫描装置，输入的冲激信号可由一个在待测空间上尺寸足够小、密度与背景差别足够大的物体来提供。

常用来评价XY平面空间分辨率是Catphan系列模体，以Catphan700为例：它由多个不同材质、不同功能的测试模块组成。用于测量XY平面空间分辨率的模块为CTP682，组成示意图见图1。

图1.CTP682测试模块组成图示

在评价XY平面空间分辨率时，通过对CTP682模块中直径0.05mm钨丝的扫描和重建来获得点扩散函数（Point Spread Function，PSF），并经过傅里叶变换后得到调制传递函数[1]。

自研模体采用了和CTP682相同的原理。如图2所示，自研模体采用了金属钢丝作为实验器件，其直径为0.05mm。

图2.自研模体空间分辨率模块示意图

QRM-SSP模体是常用来评价Z轴空间分辨率的商用模体。如图3所示，QRM-SSP模体包含一个25μm厚的圆形金属箔（Au），嵌在均匀的组织当量塑料圆筒中[2]。

图3.QRM模体尺寸

通过对圆形金属箔的扫描可获得Z方向一维的点扩散函数，经过傅里叶变换后可得到调制传递函数。

自研模体中插入了三片厚度为0.025mm，直径为1mm的金属钢片，用以测量中心和边缘层面的Z轴空间分辨率。

1.3 体层切片厚度模块

体层切片厚度常用切片灵敏度曲线（SSP）的半高宽（FWHM）来表征[3]。在实际应用中，SSP常借助于厚度显著低于数据采集切片的物体来进行测量[4]。

自研模体与QRM-SSP模体相似，选用了金属薄片用于体层切片厚度的测量。如图4所示，模体中间和两侧边缘层面共插入三片金属钢片。

图4.自研模体体层切片厚度模块示意图

2.实验验证

实验验证分为XY平面空间分辨率、Z轴空间分辨率和体层切片厚度。为了评价自研模体评价图像性能的水平，将其与Catphan700模体及QRM-SSP模体进行比较。采用相同的扫描和重建条件，分别测量空间分辨率及体层切片厚度的指标，通过对比不同模体的测试结果，来对自研模体进行评价。

2.1 空间分辨率

2.1.1 XY平面空间分辨率

XY平面空间分辨率详细测试过程如下：将模体放置在机架中，使其平行于系统的Z轴并偏离中心（30±10）mm。记录测试设备的位置后对其进行扫描。重建后基于重建的DICOM图像进行分析：①以金属丝为中心提取ROI得到二维PSF；②对二维PSF去除背景得到修正后的PSF；③对修正后的PSF进行二维傅里叶变换，获取幅值得到二维MTF；④将二维MTF以其频率的零点为原点，进行360°的极坐标变换，沿角度方向取平均得到一维MTF；⑤将一维MTF按直流幅度进行归一化，得到归一化的MTF曲线；⑥通过归一化MTF曲线得到若干幅度对应频率值。

2.1.2 Z轴空间分辨率

Z轴空间分辨率详细测试过程如下：扫描时将模体放置于扫描中心。重建后基于DICOM图像进行分析：①以圆形金属薄片为中心提取ROI，获取序列中每张图像同坐标区域ROI的像素均值，组合在一起得到Z轴一维PSF；②将一维PSF去除背景得到修正后的PSF；③将修正后的PSF进行傅里叶变换，获取幅值得到一维MTF，并按直流幅度进行归一化，得到归一化的MTF曲线；④通过归一化的MTF曲线可得到若干幅度对应的频率值[5]。

2.2 体层切片厚度

体层切片厚度详细测试过程如下：扫描时将模体放置于扫描中心。重建后基于DICOM图像进行分析：①以圆形金属薄片为中心提取ROI，获取序列中每张图像同坐标区域ROI的像素均值，并拟合得到SSP曲线；②测量SSP曲线的半高宽（FWHM）来表征体层切片厚度[6,7]。

2.3 模体尺寸对测试流程的影响

320排CT在Z方向上的覆盖范围为160mm。故模体在Z方向上的长度直接决定了需重复测试的次数。

Catphan700模体各模块的相对位置如图5所示，其中用于测量MTFxy的CTP682模块（见图6）在Z方向上的长度为40mm，需重复测量四次才能得到160mm覆盖范围内的有效数据。

图5.Catphan700 模块位置示意图

图6.自研模体（左）与CTP682(右)测试示意图

而自研模体在Z方向上的长度超过160mm，一次测量即可得到整个覆盖范围内的有效数据。

同理，自研模体在体层切片厚度评价时也可以通过一次扫描同时获得准直中间和边缘层面的切片厚度，而使用QRM-SSP模体时需要来回移动多次扫描。

3.结果分析

3.1 XY平面空间分辨率结果及分析

影响MTF的因素有很多，其中起关键影响的参数包括球管焦点大小、前准直宽度、重建卷积核、重建层厚、重建视野和重建矩阵等。测量XY平面空间分辨率所采用的关键参数见表1。

表1.MTFxy扫描参数

在表1所示条件下测得的XY平面空间分辨率见表2。

表2.MTFxy扫描结果

由图7所示，Catphan700与自研模体在XY平面上的MTF 50%结果差异很小（在2%以内），且均表现出中间层测试结果大于边缘层的特性，符合宽准直成像的技术特点。

图7.MTF50%测试结果：Catphan 700 与 自研模体对比表格

3.2 Z轴空间分辨率

测量Z轴空间分辨率所采用的关键参数见表3，在表3所示条件下测得的Z轴空间分辨率如下表4所示。由表4可知，自研模体与QRM模体所测得的Z轴空间分辨率结果差异很小（在2%以内）。

表3.MTFz扫描参数

表4.MTFz 扫描结果

3.3 体层切片厚度

体层切片厚度扫描结果见表5。由表5可知，自研模体与QRM-SSP模体所测得的体层切片厚度结果差异很小（在4%以内）。

表5.体层切片厚度扫描结果

4.讨论

根据以上结果，自研模体与对照模体测试结果差异很小，因此可认为自研模体在评价空间分辨率及体层切片厚度方面的性能基本符合Catphan 700模体和QRM-SSP模体代表的临床需求；在使用Catphan 700及QRM-SSP时所采用的来回移动多次扫描方案对扫描结果没有显著影响。

得益于自研模体的尺寸，仅需一次扫描即可得到中间和边缘层面上的XY平面空间分辨率及体层切片厚度的测量结果，避免重复操作，提高了测试效率。但更大的尺寸和更多的模块也意味着更重的重量，这也给模体摆位及移动带来了一定的挑战。