图像质量_____(飞五)

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1、 图像质量及质量控制图像质量及质量控制 北京协和医院 张振荣 2010 年 6 月 一)一)CT 图像质量的基本概念:图像质量的基本概念: 1CT 图象的产生:图象的产生: 被扫描人体的某一断层在扫描场中被分割成许多小的单元, 称之为体素。 由这些体素组 成一个矩阵(例如 512X512),称之为扫描矩阵。一幅 CT 图象显示出各个体素的衰减系数。 此衰减系数由与之成线性关系的 CT 值来表示(以HU为单位)。代表体素的衰减系数的每个 CT 值在监视器上被赋于一定的灰度(亮度)。 图象监视器显示出来的一幅图象实际上就是由不同灰度(亮度)的点组成的一个显示矩 阵(例如 512X512 或 102

2、4X1024 等) 。一个个亮点被称之像素。显示矩阵就是由不同亮度 的像素点组成的。像素矩阵的像素与扫描矩阵的体素是一一对应的。 产生一幅图象需要经过许多步骤, 并需要一个由许多部件组成的完整的扫描系统来完成 这些步骤。这些步骤简要地说就是: 1) 扫描获取数据:当扫描系统围绕被扫描的人体进行旋转时产生 X 线束(被准直成扇 型束或锥形束) ,穿透人体衰减后被探测器接收(单排或多排),然后经过一定的信息变换被 传送到图象处理器。 2) 数据处理及图象重建: 图象处理器得到扫描获得的数据后进行必要的处理产生一个数 据文件并存入系统盘。与此同时送入卷积器进行卷积,其后进行反投影(称之为重建) ,产

3、 生一个图象文件,并将其储存到图象存储盘与此同时进行实时显示。 3) 图象显示:图象从图像存储器传送到“图象发生器”。每个象素(体素)数据由“图像 发生器”中的“窗电路”进行变换后被送到图象监视器进行显示或传送到照相机照相,将图象 记录到胶片上。 2CT 图象的质量:图象的质量: CT 图像必须正确地反映被扫描人体的解剖结构。而反映的正确程度即为图像质量。反 映的能力即是整个系统对被扫描体的分辨能力。 换句话说, 凡是被扫描的解剖结构中有的组 织在图像中必须反映出来。相反,凡是解剖结构中没有的组织必须不存在於图像之中。但是 任何系统反映被扫描体本来面目的程度是有一定限度的。 这种限度即表明整个

4、系统的分辨能 力有一定限度 。超过这个限度的一些细微结构就不能正确地反映出来,这个限度就是分辨 率。这种反映能力或说分辨能力加以量化,就是图像质量的指标。 归纳起来,图像质量主要有以下几项指标: 1)空间分辨率(高对比度分辨率) (Spatial resolution) ; 2)密度分辨率(低对比度分辨率) (Contrast resolution) ; 3)伪影(Artifacts); 4)噪音(Noise); 5)均匀性(Homogenity) ; 3CT 图像图像“质量链质量链”: CT 图像产生的过程中,形成了一个图像质量链。链中的每个环节都关系到图像质量。 影响图像质量的因素有很多,

5、既有硬件的也有软件的,既有主观的也有客观的,既有内部的 也有外部的,既有先天的也有后来的,既有设计制造的也有安装调试的,既有与操作使用有 关的也有与维修保养有关的等等。 本文无法进行全面的论述。 这里仅就几个重要的方面进行 一些简要的说明。 1)对图像质量产生影响的机器部件: X 线球管(X-Ray tube) ; 高压发生器(HV Generator) ; 探测器列阵(Detector Array) ; 数据获取系统 (Data Acquisition System); 数据处理系统(Data Processing) ; 图像重建-卷积和反投影(Reconstruction-Convolut

6、ion & Backprojection) ; 图像显示监视器和窗电路(Image Display-monitor & window curcuit) ; 2)安装与调试对图像质量的影响: X-tube 的精确定位; X-tube 的 KV、mA、曝光脉冲的宽度等的精度; 准直器的精度; 旋转速度的精度及稳定性; 探测器的精确定位; 检查床运动的精度; 扫描架倾斜角度的精度; 各部分低压电源的精度及稳定性; 3)扫描参数及模式对图像质产生影响: 球管高压(KV); 剂量(mAS); 矩阵尺寸; 断层厚度; 卷积函数; 投影数; 特殊重建算法; 扫描时间; 扫描野尺寸; 放大倍数;螺距; 4)环

7、境条件的影响: 电网电压的精度及稳定性; 电网内阻及地线; 室内温度及湿度: 5)操作使用与维护保养对图像质量产生影响: 机器的定期维护与保养; 图像质量的定期检测与校正; 胶片与药液的稳定来源; 洗片机的定期清洗与保养; 药液的温度和显影时间; 药液的老化与更换; 相机的定期检测与调试(亮度、对比度与密度) 4CT 值的定义:值的定义: 被显示的 CT 图象中的每一个象素都对应一个亮度值, 每一个亮度值又对应一个 CT 值。 而 CT 值对应的是人体的线性衰减系数。很显然,人体组织的线性衰减系数不同也即是它的 密度不同,则它们在监视器上表现出来的亮度不同。CT 值是一个相对衰减系数,它是相对

8、 于水的衰减系数。即: CT 组织=( 组织- 水) 水 1000 HU 很明显,由这个定义可推出 CT 水=0。 和物体尺寸及重建算法一样,窗设定也影响图像显示的对比度。然而,窗设定对于测量的 CT 值HU没有影响。 二)扫描参数对二)扫描参数对 CT 图像质量的影响:图像质量的影响: 1噪音和它的产生及影响:噪音和它的产生及影响: 轴向(断层)图像的 CT 值呈现一定的涨落。即是说 CT 值仅仅是一个平均值,它可能 有上下的偏差,此偏差即为噪音。噪音会使图像质量下降。如能使这些涨落变得更小,则图 像将会有更低的噪音水平。噪音是由辐射强度来决定的。也即是由达到探测器的 X-Ray 量 子数来

9、决定的。强度越大,噪音越低。 1)剂量(Dose)与 mAS 值: Dose 和 mAS 可以表征辐射强度及量子数。Dose 可以理解为传送到该解剖结构的 平均辐射能量。Dose 的单位是 Gray(Gy 或 mGy)。Dose 与管电流与扫描时间的乘积相关, 故剂量也用 mAS 表示。增加 mAS 值引起辐射剂量成比例的增加。由于量子数(N)与剂量 (Dose)直接相关,因而 Dose 增加则噪音降低。如用标准偏差 表示噪音, 则 2)影响噪音的因素: 1 管电流: 管电流与扫描时间的乘积直接关系到量子数, 并因此而关系到病人接受到的剂量和象素 噪音。对于软组织,要求具有小的吸收差别的解剖结

10、构能被很好地区分(例如:在肝区中的 软组织肿瘤) 。这就意味着,噪音必须保持在最低水平,否则细微的密度差别会被掩盖掉。 换句话说,在较低的噪音水平(在较大的剂量)条件下,具有细微的密度差别的结构,更容 易被识别。 对于软组织周围有高的 CT 值差别的解剖物体,有更高的图像对比度。在这种情况下, 既使较大的噪音也不能将其掩盖掉。 对于肺部和内耳的扫描而言, 由于软组织与周围的结构 之间有较大 CT 值差别,因而能对最细微的零件有足够的显示。但同时却又可以采用低的mAS 值。 2 管电压: 球管产生的量子数非常强烈的依赖加在球管的电压。我们假定在 137KV 条件下,穿透 20cm 水模的相对量子

11、数为 100%,那么在不同的管电压情况下,相对量子数会随着管电压 的降低而降低。见下表: H.V.(KV) 相对量子数(%) 137 100 120 40 80 20 随着电压的增高,噪音会减小。因此,更高的 KV 扫描条件,通常会使低对比度分辨率 提高。更高的电压适用于对 X-Ray 有更强的吸收衰减的情况下,例如:扫描肩或盆腔。 80KV 的扫描电压只能提供大约 20%的量子。因此,这种条件仅仅是低剂量技 术的特殊应用(例如:XENON CT 或儿科扫描) 。 3 病人厚度: 影响象素噪音的最重要的因素是穿透病人的辐射衰减。例如在盆腔区,射线束以大约 300 的系数衰减。即是说从球管发射出

12、来的 X 线辐射,仅仅 0.3%到达探测器。在穿透水时 (它近似于人的软组织) ,X 线辐射每经过 3.6cm 大约被衰减 50%。这就是说,从一个瘦长 病人到一个肥胖的病人,由于病人厚度的增加,达到探测器的 X 线辐射总量按每增加 4cm 病人厚度减少 50%的规律降低。 在肩和盆腔的检查中,粗大的骨结构对 X 线辐射的衰减则更为强烈。因此,对更肥胖的病 人的检查,在最高可能的 KV 值、最大可能的断层厚度(即诊断过程允许使用的断层厚度) 情况下,采用高 mAS 值是必要的,以获得最佳的图像质量。 KV 值、病人尺寸、层面厚度、mAS 以及算法都影响到象素噪音。然而,断层厚度和算 法也会影响

13、图像的空间分辨率。 在选择一个适合于检查过程的断层厚度时, 应当考虑图像分辨率和噪音二方面, 因为它们相 互之间是有影响的。若把 10mm 层厚下获得的相对量子数作数 100,则随着层厚的减小相对 量子数会有所下降。 见下表: 层厚 (mm) 相对量子数( % ) 相对噪音水平 10 100 1.0 5 50 1.4 3 30 1.8 2 20 2.2 1 10 3.2 从上表中的数据可以看出:如断层厚度减小 50%,则相对量子数也将减少 50%,而相对噪 音将会增加 1.4 倍。 扫描层厚选择的原则: 厚层:要求低的噪音并允许有低的空间分辨率; 薄层:要求高的空间分辨率但允许有较大的噪音;

14、高对比度条件下的扫描: 对于任何已经给定的 CT 系统来说,最佳空间分辨率,只能是在高对比度条件下得到。 高对比度(也就是在感兴趣的解剖结构中有大的 CT 值差别)出现在骨结构(骨软组织交 叉)或肺结构中(空气软组织交叉) 。若要求高对比度条件下,扫描的层面有较好的体分 辨率,即是沿病人长轴方向(Z 轴)的邻近的细微的骨结构有更高的分辨能力(例如椎盘和内耳) ,采用 1mm 的层厚,比采用 5mm 的层厚会好得多。或说采用 1mm 的层厚,它的空 间分辨率会高得多。 4 算法: 每种机型都会具有适合每个解剖部位的特殊模式的多种算法。 这些算法用于在图像重建 过程中对投影数据进行修正。 这些修正将影响图像分辨率及噪音, 而且这些影响是互相制约 的。一个边缘增强算法(高分辨或超高分辨)得到高的空间分辨率,但也使噪音水平升高。 一个平滑算法(适应软组织)产生一个低噪音水平的图像,但也使空间分辨率降低。 可用算法参照表如下: 超高分辨算法 有最高的空间分辨率 高分辨算法 有高的空间分辨率 标准算法 空间分辨率与噪音之间取平衡 软组织算法 有高的软组织识别能力 在一项检查既需要有高的空间分辨率(高对比度分辨率)也需要有好的密度分辨率(低 对比度分辨率) 的情况下, 可以利用每个“RAW DATA”文件, 采用不同的算法来进行计算 (重 建) 。

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