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） 。