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自動化電腦斷層影像品質分析

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Academic year: 2021

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(1)臺北醫學大學醫學資訊研究所 碩士論文 Taipei Medical University 0B. Graduate Institute of Biomedical Informatics 1B. Master Thesis 2B. 指導教授:蔣以仁(I – Jen Chiang). 自動化電腦斷層影像品質分析 Automatic Computed Tomography Image Quality Assurance Analysis. 研究生:李育青(Yu – Ching Lee)撰. 中華民國九十九年六月 Jun,2010.

(2) 臺北醫學大學醫學資訊研究所 碩士論文. 自動化電腦斷層影像品質分析 Automatic Computed Tomography Image Quality Assurance Analysis. 指導教授:蔣以仁 研究生:李育青撰. 中華民國九十九年六月 Jun,2010.

(3) 自動化電腦斷層影像品質分析 Automatic Computed Tomography Image Quality Assurance Analysis 本論文係臺北醫學大學醫學資訊研究所研究生 李育青 所著,作為 審查授與理學碩士學位之一部份。. 本論文承蒙下列考試委員審查通過:. 台北醫學大學醫學資訊研究所 蔣以仁 副教授 (指導教授). 台北醫學大學醫學資訊研究所 李元綺 副教授. 國立陽明大學生物醫學影像暨放射科學系 陳潤秋 副教授. 中華民國 九十九 年. 六. 月.

(4) 博碩士論文電子檔案上網授權書 (提供授權人裝釘於紙本論文書名頁之次頁用) 本授權書所授權之論文為授權人在 台北醫學 九十八 學年度第 二 學期取得. 碩. 大學. 士學位之論文。. 論文題目:. 自動化電腦斷層影像品質分析. 指導教授:. 蔣. 以. 醫學資訊研究所. 仁. 茲同意將授權人擁有著作權之上列論文全文(含摘要),非專屬、無 償授權國家圖書館及授權人畢業學校之圖書館,不限地域、時間與 次數,以微縮、光碟或其他各種數位化方式將上列論文重製,並得 將數位化之上列論文以上載網路方式,提供讀者基於個人非營利性 質之線上檢索、閱覽,或並下載、列印。. □讀 者 基 於 非 營 利 性 質 之 線 上 檢 索 、 閱 覽 或 下 載 、 列 印 上 開 論 文 , 應 依 著作權法相關規定辦理。. 授. 權. 姓. 中. 人: 名:. 華. 民. 李. 國. 育. 九十九. 青. (請簽名並蓋章). 年. 六. 月. 三十. 日.

(5) 博碩士論文授權書 (國科會科學技術資料中心版本93.2.6) 本授權書所授權之論文為本人在__台北醫學大學_大學_醫學資訊研究所_ _九十八__學年度第_二_學期取得_碩_士學位之論文。 論文名稱:_______________________________ _ ■同意 □不同意 本人具有著作財產權之論文全文資料,授予行政院國家科學委員會科學技術 資料中心(或其改制後之機構) 、國家圖書館及本人畢業學校圖書館,得不 限地域、時間與次數以微縮、光碟或數位化等各種方式重製後散布發行或上 載網路。 本論文為本人向經濟部智慧財產局申請專利(未申請者本條款請不予理會) 的附件之一,申請文號為:______,註明文號者請將全文資料延後 半年再公開。 ------------------------------------------------------------------------■同意 □不同意 本人具有著作財產權之論文全文資料,授予教育部指定送繳之圖書館及本 人畢業學校圖書館,為學術研究之目的以各種方法重製,或為上述目的再 授權他人以各種方法重製,不限地域與時間,惟每人以一份為限。 上述授權內容均無須訂立讓與及授權契約書。依本授權之發行權為非專屬性發行 權利。依本授權所為之收錄、重製、發行及學術研發利用均為無償。上述同意與不 同 意之欄位若未鉤選,本人同意視同授權。 指導教授姓名: 蔣 以 仁 研究生簽名:. 學號: G158093006. (親筆正楷) (務必填寫) 日期:民國 99 年 6 月 30 日 1.本授權書 (得自http://sticnet.stic.gov.tw/sticweb/html/theses/authorize.html 下載 或至http://www.stic.gov.tw首頁右下方下載) 請以黑筆撰寫並影印裝訂於書名頁之次 頁。 2.授權第一項者,請確認學校是否代收,若無者,請自行寄論文一本至台北市(106)和平東 路 二段106 號1702 室 國科會科學技術資料中心 黃善平小姐。(本授權書諮詢電話: 02-27377606 傳真:02-27377689).

(6) 誌. 謝. 感謝奇異亞洲醫療設備股份有限公司長官、同事的支持,家人的容忍和 陪伴;就學期間謝謝蔣以仁老師的指導及教誨;也謝謝戴國煜主任在實 務運用和技術面提供許多有用的專業建議,獲益非淺。 斷層掃描的技術日新月異,影像品質的量測從人工目測演進到電腦判讀 已經是一種不可避免的趨勢;希望透過本篇文章提供一個可行之路,略 盡棉薄之力。. 李育青 於臺北醫學大學醫學資訊研究所 2010/6/30. vi.

(7) 目錄 頁數 標題 ..................................................................... i 審定書 ................................................................... ii 上網授權書 .............................................................. iii 國科會授權書 ............................................................ iv 誌謝 .................................................................... vi 目錄 .................................................................... vii 表目錄 ................................................................... x 圖目錄 .................................................................. xi 中文摘要 ............................................................... xiii 英文摘要 ................................................................ xv 第一章 緒論 1.1. 研究動機 ........................................................ 1. 1.2. 研究目的 ........................................................ 2. 1.3. 論文計畫架構 .................................................... 2. 第二章 文獻查證 2.1. 斷層掃描影像品質保證 ............................................ 4. 2.2. 量測項目 ........................................................ 5. 2.3. 假體(QA Phantom) ................................................ 5. 2.4. 基本單位取得 .................................................... 8. 2.5. CT Number 值 .................................................... 9. 2.6. 像素尺寸(Pixel Size).............................................. 10. 2.7. 高對比度分辨率 ................................................. 11. 2.8. 低對比度分辨率 ................................................. 11. 2.9. 雜訊與均勻度 ................................................... 13. 2.10. 雷射定位線的準確度 ............................................ 13. 2.11 Modulation Transfer Function (MTF) ................................ 14. vii.

(8) 第三章 研究材料與方法 3.1. 研究材料 ....................................................... 16. 3.2. 研究方法 ....................................................... 20. 3.2.1. 影像明暗對比運算 ............................................. 22. 3.2.2. 高對比度分辨率 ............................................... 23. 3.2.3. 低對比度探測 ................................................. 24. 3.2.4. 雜訊與均勻度 ................................................. 25. 3.2.5. 雷射定位線的準確度 ........................................... 26. 3.2.6. MTF ......................................................... 26. 3.2.7. ACR Phantom CT Number Accuracy 運算 ........................... 29. 3.2.8. 進行低對比度分辨率運算 ....................................... 30. 3.2.9. 進行雷射定位線的準確度運算 ................................... 30. 第四章 分析與結果 4.1 影像明暗對比運算分析與結果 ...................................... 32 4.2 高對比度分辨率分析與結果 ........................................ 32 4.3 低對比度探測分析與結果 .......................................... 34 4.4 雜訊與均勻度分析與結果 .......................................... 35 4.5 雷射定位線的準確度分析與結果 .................................... 37 4.6 Modulation Transfer Function (MTF) 分析與結果 ....................... 38 4.7 電腦自動分析與人工操作分析耗費時間比較 .......................... 39. 第五章 討論 5.1. 討論 ........................................................... 40. 第六章 結論與建議 6.1. 結論與建議 ..................................................... 41. viii.

(9) 參考資料 英文文獻. ......................................................... 43. ix.

(10) 表目錄 頁數 表 1 .................................................................... 31 表 2 .................................................................... 32 表 3 .................................................................... 32 表 4 .................................................................... 33 表 5 .................................................................... 33 表 6 .................................................................... 34 表 7 .................................................................... 34 表 8 .................................................................... 35 表 9 .................................................................... 35 表 10 ................................................................... 36 表 11 ................................................................... 36 表 12 ................................................................... 37 表 13 ................................................................... 37 表 14 ................................................................... 38. x.

(11) 圖目錄 頁數 圖 1 ..................................................................... 4 圖 2 ..................................................................... 4 圖 3 ..................................................................... 5 圖 4 ..................................................................... 6 圖 5 ..................................................................... 6 圖 6 ..................................................................... 7 圖 7 ..................................................................... 7 圖 8 ..................................................................... 8 圖 9 ..................................................................... 9 圖 10 ................................................................... 10 圖 11 ................................................................... 10 圖 12 ................................................................... 11 圖 13 ................................................................... 12 圖 14 ................................................................... 12 圖 15 ................................................................... 13 圖 16 ................................................................... 15 圖 17 ................................................................... 16 圖 18 ................................................................... 16 圖 19 ................................................................... 17 圖 20 ................................................................... 17 圖 21 ................................................................... 18 圖 22 ................................................................... 18 圖 23 ................................................................... 19 圖 24 ................................................................... 20 圖 25 ................................................................... 21 圖 26 ................................................................... 22. xi.

(12) 圖 27 ................................................................... 23 圖 28 ................................................................... 24 圖 29 ................................................................... 25 圖 30 ................................................................... 26 圖 31 ................................................................... 27 圖 32 ................................................................... 28 圖 33 ................................................................... 28 圖 34 ................................................................... 29 圖 35 ................................................................... 30. xii.

(13) 論文摘要 3B. 論文名稱:自動化電腦斷層影像品質分析 臺北醫學大學醫學資訊研究所 研究生姓名: 李育青 畢業時間: 九十八 學年度 第 二 學期 指導教授:蔣以仁 臺北醫學大學醫學資訊研究所 副教授. 電腦斷層掃描儀廣泛用於非侵入性檢查中。為了確保斷層掃描的影像 品質,必需要依賴特殊設備所產生的檢測影像,然後透過影像量測及 目視方式進行判斷。 有幾項關鍵性參數攸關影像品質的好與壞;包括影像明暗對比 (Contrast scale)、高對比空間解析(High Contrast Resolution)、低對比空 間解析(Low contrast detectability)、CT 值及雜訊的均勻度(Noise and Uniformity)、雷射定位線的準確度(Laser Accuracy)等。 本研究希望將電腦斷層的影像品質,透過程式進行分析、研判, 包括影像明暗對比、高對比空間解析、低對比空間解析、CT值及雜訊 的均勻度、雷射定位線的準確度以及MTF (Modulation Transfer Function)這幾個量測結果,並且直接顯示在螢幕上,讓工作人員不必 花時間就可以了解目前影像品質的狀況。. 關鍵字:斷層掃描、影像品質、影像處理、CT 值、MTF. xiii.

(14) Abstract 1B. Title of Thesis: Automatic Computed Tomography Image Quality Assurance 12B. Analysis Author: Lee Yu-Ching 13B. Thesis advised by: Chiang I-Jen 14B. Taipei Medical Universality 15B. Graduate Institute of Biomedical Informatics 16B. CT scanners are widely used in non-invasive examination. In order to ensure that the CT scan image quality, will need to rely on special equipment produced by the detection image, and then through the image measurements and visual way to judge. There are several key parameters of image quality is good or bad at stake; including Contrast scale, High Contrast Resolution, Low contrast detectability, Noise and Uniformity, Laser Accuracy. This study would like to computed tomography image quality through program analysis, analyzing Contrast scale, High Contrast Resolution, Low contrast detectability, Noise and Uniformity, Laser Accuracy. And directly displayed on the screen, so that staff do not have to take the time to be able to understand the current status of image quality.. Keywords: Computed Tomograpgy, Image Quality, Image Process, CT Numbr, MTF. xiv.

(15) 臺北醫學大學 醫學資訊研究所. 碩士論文 自動化電腦斷層影像品質分析. 李育青 撰. 2010. xv.

(16) 第一章 緒論 1.1. 研究動機 5B. 使用斷層掃描儀(Computed Tomograpgy)為了維持一定的影像品質,需要定期的並 且需要透過繁複的手動步驟,架上特定量測設備;量測幾個特定數值;最後透過 數字結果、或者是目測等方式,判斷這一台斷層掃描儀的影像是否達到一定品 質。但是儀器透過手動操作並不能一次就得到數值,需要透過往來微調後才能夠 獲得所需要的數據;如果能夠由電腦輔助判讀影像,並且即時得到結果,不但可 以大幅縮短操作者時間,也可以提高量測的準確性;這是本研究的起始動機。. 要確認影像品質,要量測以下幾個特定數值,包括影像明暗對比、高對比度分辨 率、低對比度探測、CT 值及雜訊的均勻度、雷射定位線的準確度。此外在高對 比空間解析的分析中本研究另外提供 Modulation Transfer Function (MTF) 演算法 來判斷影像是否符合預設的數值。. 上述特定數值的量測標準步驟,少則六個,多的話需要19個;要節省時間,可以 透過程式的撰寫,利用影像處理的特性,縮短時間;並且可以增加量測的精確 性,不必再依賴目測的約略估計方式來得到結果。. 1.

(17) 1.2. 研究目的 6B. 要獲取特定數值,首先要先確認基本單位 – 長度是否正確;能獲得正確長度 後,接下來才可以進行以下量測。. 取的假體(Phantom)的中心點正確位置,是本研究不可或缺的一環;可以判斷假體 是否偏移實際中心點、偏移多少位置;藉此判斷雷射線是否校準;進行在影像明 暗對比、高對比度分辨率、低對比度探測、雜訊與均勻度的量測,也必須先確認 中心點位置後,再微調量測位置。. 1.3. 論文計畫架構 7B. 本論文計畫書分為六個部份,依序為緒論、文獻查證、研究材料與方法、分析與 結果結果、討論、結論與建議。. 第一章緒論介紹斷層掃描的影像品質分析的缺點以及現階段在實際運作上的需 求,讓了解並且說明本研究的動機及目的。. 第二章文獻查證中對於目前斷層掃描的影像品質的操作方式說明,以及對於包括 影像明暗對比、高對比度分辨率、低對比度探測、雜訊與均勻度、雷射定位線的 準確度的處理方式,作為本研究方法的依據及佐證。並提供Modulation Transfer Function (MTF) 演算法與高對比度分辨率的關係。. 2.

(18) 第三章研究材料及方法則介紹本研究所使用的研究材料及方法,這裡包括了 DICOM 影 像 的 數 據 資 料 取 得 、 如 何 將 DICOM 數 值 轉 換 成 CT Number 及 Pixel Value;斷層掃描的ROI運算。. 然後依序陳述使用Matlab撰寫影像明暗對比、高對比空間解析低對比空間解析、 CT值及雜訊的均勻度、雷射定位線的準確度的方法。. 第四章是分析與結果,透過撰寫的程式,實際驗證幾家實際運作的斷層掃描儀的 影像品質,並統計分析所獲得的數據。 第五章就要討論測試數據,透過實際分析的結果,討論本研究是否已經達到一定 的效果; 第六章則是結論與建議. 3.

(19) 第二章 文獻探討 2.1 斷層掃描影像品質保證 8B. 為了確保斷層掃描設備每次檢查都能有固定的影像品質,在一段時間都要進行固 定的檢查。這些檢查稱為質量保證(Quality Assurance)。透過一系列的檢查項目, 量測斷層掃描儀的性能,來確保掃描儀掃描後所獲得的影像結果在一定可被接受 的標準範圍內。[1-6]. 根據 AAPM39[7]、AAPM74[8]、IPEM91[9]、ACR[10]等品質控制測試報告中規 範,分為機械性檢測、物理性檢測以及放射性劑量檢測三種。可以透過電腦影像 判讀處理的就屬物理性檢測。其中包含以下項目:切片定位雷射的準確性 (Alignment light accuracy)、CT 值準確度(CT number accuracy)、假體影像評估(影 像均勻度、雜訊)、空間解析度(也稱高對比空間解析)、低對比偵測度。[8, 11]. 本研究將採用兩種假體做相關測試,GE QA Phantom 以及 ACR Phantom。. 圖 1 GE QA Phantom. 圖 2 ACR Phantom. 4.

(20) 在高對比空間解析中,本研究另外使用 MTF ( Modulation Transfer Function)來作 為解讀的數值。[12-13]. 2.2 量測項目 8B. 根據原廠手冊說明,GE QA Phantom可以量測影像明暗對比、高對比空間解析、 低對比空間解析、CT值及雜訊的均勻度、雷射定位線的準確度以及MTF的量測。 [14-15]. 而ACR Phantom可以量測CT Number正確性、低對比空間解析、CT值及雜訊的均 勻度、雷射定位線的準確度。在ACR Phantom的操作程序內,並沒有提到可以進 行MTF量測,在本研究中就略過不做。[10]. 簡單說,GE QA Phantom無法做CT Number正確性;而ACR Phantom無法透過程 式進行高對比空間解析、影像明暗對比及MTF量測等動作。[10]. 2.3 假體(QA Phantom). 量測以上數據需要有一個工具:在這裡我們使用的是假體(圖3),假體內裝的是 純水。. 5.

(21) 圖3. QA 假體. 假體擺放位置(圖 4). 假體. 圖4 假體擺放位置. 假體在檢查床上的移動只要是循著 Z軸方向移動(圖5)。. 6.

(22) 圖5. 若是要調整假體水平方向或是垂直方向,那就需要調整假體支架上的調整鈕(圖 6)。. 水平. 垂直. 圖6 ACR Phantom 的擺放如下圖所示:. 7.

(23) 圖7. 2.4 基本單位的取得 本研究經常用到的值有三種:假體中心點、CT Number 值以及像素尺寸(Pixel Size)。 假體影像中心點的計算方法要先確認假體實際中心點後,才能推算假體各位置與 中心點的相對位置。接下來才進行各項計算。 求取假體影像中心點的流程如下 :[16]. 8.

(24) 圖8 Otsu’s 法是利用群組內與群組間的相異性進行分割。其優點是計算時間快速;分 割效果也較為精確。[17]. 2.5 CT Number 值 其定義是在CT中計算一個像素(Pixel)吸收多少X射線,單位. Hounsfield 。其中. 空氣的CT Number值為 -1000,水的CT Number值為0。[18-20]. 在CT的DICOM影像要計算出CT Number值,首先要取得CT影像中的DICOM欄位 的數值[21]. Rescale intercept Rescale slope. (0028,1052). (0028,1053). 然後透過以下算式取得CT Number值(單位HU) CT Number = 像素值 x Rescale slope + Rescale intercept [22]. 9.

(25) 2.6 像素尺寸(Pixel Size) CT 影像中取的每個點對應長度(Pixel Size),由以下計算式得出。[20, 23]. 而CT的DICOM影像要取得Pixel Size值,只要讀取以下欄位就可以取得以mm為單 位的Pixel Size值。[7]. Pixel Spacing (0028,0030)[21] 以下程序是根據 GE QA 標準操作流程設計。. 2.6 影像明暗對比量測. 由假體影像中心延伸到Pixel glass及上緣水的部分; 由程式繪出每邊10 mm的正方形紅框; 這正方形紅框就就ROI;分別取得Pixel glass及水的ROI平均值。. 圖9. 10.

(26) 將兩個ROI值分別代入以下算式; 影像明暗對比值 = ROI(Pixelglass) 平均值 - ROI(water) 平均值 計算出來的 影像明暗對比值 是否在在 120 ± 12 之間。[14]. 2.7 高對比度分辨率 經由程式計算在右上角1.6mm的柵欄畫一個紅色框; 計算該框的ROI標準差; 計算出的值是否在37 ± 4間; 繼續算出1.3mm,1.0mm,0.8mm及0.6mm ROI標準差,並且記錄起來;[14, 2425]. 圖 10. 2.8 低對比度分辨率 要進行低對比度量測,首先要取得圖11;然後按照下列程序。. 11.

(27) 圖 11 量測A、B、C、D 四點的ROI平均值, 將A的ROI平均值減去B的ROI平均值 將C 的ROI平均值減去D的ROI平均值 調整窗位 (Window Level) 為 30 ,窗寬(Window With)為紀錄的CT Number值。 最後看一下可以看到幾個洞並且紀錄下來。. 上述方法需要在最後用眼睛去判斷有幾個洞。[14, 26] ROI 平均值 1. ROI 平均值 2. 圖 12 本研究改良上述方法;首先在中相五個小洞中心繪出紅掃框; 不要超出圓的範圍; 在每個圓的上方約5mm處畫一個等大的圓框; 透過程式取的這十個圓框的ROI平均值;. 12.

(28) 由左到右,將上方取得ROI平均值減去下方ROI平均值。 只要有個洞的平均值差小於4,表示這個洞肉眼看不到。. 2.9 雜訊與均勻度 CT影像的雜訊是量測假體中心點位置的ROI標準差。主要用來評估管球輸出能 力。 每天定期進行快速校正(Fsatcals),管球暖機(Tube Warmup),會降低影像雜訊以及 增加影像均勻度。. 圖 13. 雜訊值:量測中心點的ROI 標準差是否在 3.2 ± 0.3之間,同時有個紅色框出現在 正中央。[20]. 均勻度:透過程式取得中心點的 ROI 標準差與 12 點及 3 點的 ROI 標準差相減, 是否在 0 ± 3 之間,同時有三個紅色框出現在上述三個位置。. 2.10 雷射定位線的準確度 並且打開格線(Grid Line) ,檢查格線是否對齊假體影像中心點。[6, 27]. 13.

(29) 圖 14 本研究改良方法是計算出假體影像實際中心位置,以及影像的中心位置。然後計 算出假體實際位移程度。. 2.11、Modulation Transfer Function (MTF). 在處理高對比度分辨率時,除了使用(八)的方法外,還可以使用MTF方法來判斷 影像高對比度的良莠。. 簡單來說是物體轉成影像時的頻率範圍中影像時空間分辨(Spatial Resolution)百分 比。[23, 28]. 14.

(30) 圖 15 MTF的算法如下 ;[28]. M’ (f) = ( M’ 2(f) – N2)½. M(f) : 量測標準差值 CT1 : 壓克力的 CT 值 CT2 : 水的 CT 值 Np : 壓克力雜訊值的標準差 Nw : 水的雜訊值的標準差. 15.

(31) 第三章 研究方法與材料 3.1 研究材料 9B. 本篇文章的影像來源是取北部六家醫院使用的斷層掃描儀,每家醫院以GE QA Phantom和ACR Phantom每個各取得四份影像(每份影像分別隔一天取得), 總共48份。. GE QA Phantom 每份均包含以下三張影像(圖 16、圖 17、圖 18)。[14]. 圖16. 16.

(32) 圖17. 圖 18. 17.

(33) ACR Phantom 包含以下四種影像[10]. 圖 19. 圖 20. 18.

(34) 圖 21. 圖 22. 19.

(35) 3.2 研究方法 4B. 依照 GE QA 手冊,依照下列研究流程進行相關計算。[14] 讀取 DICOM 影像. 取得 Rescale Intercept 值與 Rescale Slop 值定計算出 CT Number 值. 取得 Pixel Spacing 值,此值為 Pixel Spacing. 取得假體實際中心點. 進行影像明暗對比運算(Contrast Scale). 進行高對比度分辨率運算(High Contrast Resolution). 進行低對比度探測運算(Low contrast detectability). 進行雜訊與均勻度運算(Noise and Uniformity). 進行雷射定位線的準確度運算 (Laser Accuracy). 進行Modulation Transfer Function (MTF) 運算 圖 23 GE QA Phantom 流程. 20.

(36) 按照 ACR 制定的方法,訂定下列流程,分別計算。[10, 14] 讀取 DICOM 影像. 取得 Rescale Intercept 值與 Rescale Slop 值定計算出 CT Number 值. 取得 Pixel Spacing 值,此值為 Pixel Spacing. 取得假體實際中心點. 進行 CT Number Accuracy 運算. 進行低對比度分辨率運算(Low Contrast Resolution). 進行雜訊與均勻度運算(Noise and Uniformity). 進行雷射定位線的準確度運算 (Laser Accuracy). 圖 24 ACR Phantom 流程[10]. 21.

(37) 3.2.1 影像明暗對比運算. 首先取得取得假體的實際中心點。. 在圖 18 的圖片中進行下列運算. 影像明暗對比值 = ROI(Pixelglass) 平均值- ROI(water) 平均值. 圖中 ROI(Pixelglass) 與 ROI(water)以紅線框出位置。 如果計算值在 120 ± 12 間,在圖片上顯示. "Contrast Scale 在範圍內”[14]. Contrast Scale 在範圍內. 圖 25. 22.

(38) 3.2.2 高對比度分辨率. 由右上到左下依序量測 1.3,1.0 和 0.8mm 的 ROI 標準差,並且分別以紅框框 出 1.6mm,1.3,1.0 和 0.8mm,代表 ROI 要擷取的位置。. 量測右上方 1.6mm 的 ROI 標準差,取得 ROI 標準差是否在 37 ± 4 範圍內。在 範圍內則顯示"High Contrast 在範圍內” [14]. 圖 26. 23.

(39) 3.2.3 低對比度探測 在圖 27 中分別對於原點及 12 點和 3 點框出位置,並取得 ROI 標準差,如果 12 點與 3 點對於原點的標準差相減小於 0 ± 3 內,在圖上顯示"均勻度通過測 試"。. 取得原點的 ROI 的標準差在 3.2 ± 0.3 之內,顯示"Noise 在範圍內”。[14]. 圖 27. 24.

(40) 3.2.4. 雜訊與均勻度. 在圖 28 中分別對於原點及 12 點和 3 點框出位置,並取得 ROI 標準差,如果 12 點與 3 點對於原點的標準差相減小於 0 ± 3 內,在圖上顯示"均勻度通過測 試"。. 取得原點的 ROI 的標準差在 3.2 ± 0.3 之內,顯示"Noise 在範圍內”。[14]. 圖 28. 25.

(41) 3.2.5 雷射定位線的準確度. 在圖 29 中,透過 Matlab 程式運算取得假體的實際中心點,這時候再與影像的 中心點比較;並且在圖片上顯示該影像實際位移距離,顯示"水平位移 xx 公 分,垂直位移 xx 公分”。. 圖 29. 10B. 3.2.6. Modulation Transfer Function (MTF). 按照下列步驟依序計算出 MTF 值,並記錄起來。依序算出 1.6 mm ,1.3 mm , 1.0 mm ,0.8 mm ,0.6 mm ,0.5 mm 的 MTF 值。 並畫出 MTF 與 Lp/cm 的圖。然後透過內插法算出 MTF50 及外插法算出 MTF10 的值。最後與該機型的 MTF 值比較,誤差在 ± 10%。. 26.

(42) C. A B. 圖 30. M0 =. meanc – meanb. 2. N =. 2 NB2 + NC2 2. M( f ) = ( M’ 2 – N2 ) 1/2. MTF( f ) =. Π2½ 4. M( f ) M0. 將所得出 MTF (f) 與 Spatial Frequency 繪出一份圖表. 27.

(43) MTF 0.8 0.7 0.6. MTF. 0.5 0.4 0.3 0.2 0.1 0 0. 2. 4. 6. 8. 10. 12. Spatial Frequency (Lp/cm ). 圖 31. 再用內插法算出 MTF50 的數值;用外插法算出 MTF10 的數值。[20]. 28.

(44) 3.2.7. ACR Phantom CT Number Accuracy 運算. 圖 32. 在圖上五個相關位置摽出圓框,測量 ROI 平均值。將各平均值與下表比較,符 合範圍內,標註”CT Number Accuracy 正確”。[10]. 圖 33 [10]. 29.

(45) 3.2.8. 進行低對比度分辨率運算. 在圖 35 中進行 ROI 值運算,並分別標出位置,如果每個孔的 ROI(洞) 平均 值與孔上方的 ROI(Pixelglass) 平均值在一定誤差範圍內,表示該洞無法看到。依 序判斷其他洞,然後顯示"可以看見 X mm”。[10]. 圖 34. 3.2.9. 進行雷射定位線的準確度運算. 透過 Matlab 程式運算取得假體的實際中心點,這時候再與影像的中 心點比較;並且在圖片上顯示該影像實際位移距離,顯示"水平位移 xx 公 分,垂直位移 xx 公分”。. 30.

(46) 圖 35. 31.

(47) 第四章 分析與結果 以下依序列出人工與自動化分析誤差比較以及人工與電腦判讀耗費時間比較。. 4.1 明暗對比運算分析與結果 下表列出電腦自動分析與人工操作分析在六家醫院 CT 設備的數值比較及所耗費時間,其 中扣除假體安放、假體定位、假體掃描等操作時間。. 表 1 GE QA Phantom 人工操作分析. 電腦自動分析. Hospital A. 25%. 0%. Hospital B. 50%. 25%. Hospital C. 25%. 25%. Hospital D. 75%. 25%. Hospital E. 0%. 0%. Hospital F. 25%. 0%. 人工操作超出平均值比率勝高原因在於手動框線,不能維持一定大小,導致算 出的 ROI 值有相當誤差;透過程式運算所繪製的框線大小一致,所計算出 ROI 值誤差甚小。. 4.2 高對比度分辨率分析與結果 下列表示不符合標準值的錯誤百分比率。. 32.

(48) 表 2 GE QA Phantom 人工操作分析. 電腦自動分析. Hospital A. 75%. 0%. Hospital B. 50%. 25%. Hospital C. 25%. 0%. Hospital D. 25%. 25%. Hospital E. 50%. 0%. Hospital F. 25%. 25%. 要準確手動繪製框線,困難度高,導致人工操作所計算數值誤差大。. 表 3 ACR Phantom 人工操作分析. 電腦自動分析. Hospital A. 6 lp/cm. --. Hospital B. 5 lp/cm. --. Hospital C. 7 lp/cm. --. Hospital D. 5 lp/cm. --. Hospital E. 5 lp/cm. --. Hospital F. 6 lp/cm. --. 由於 ACR 操作程序謹提供眼睛判讀方法,沒有提供特定參數工程是判別處 理;在此以'—`標示。. 33.

(49) 4.3 低對比度探測分析與結果. 以下表格數值是以人工判讀與程式自動分析判讀比較 表 4 GE QA Phantom 人工判讀. 電腦自動判讀. Hospital A. 4 holes. 4 holes. Hospital B. 3 holes. 4 holes. Hospital C. 4 holes. 4 holes. Hospital D. 3 holes. 3holes. Hospital E. 3holes. 4 holes. Hospital F. 3holes. 4 holes. 由數據分析,電腦自動判讀與人工判讀差異不大。. 表 5 ACR Phantom (解析度 mm). 人工判讀. 電腦自動判讀. Hospital A. 6mm. 5mm. Hospital B. 5mm. 5mm. Hospital C. 5mm. 5mm. Hospital D. 5mm. 4mm. Hospital E. 6mm. 5mm. Hospital F. 5mm. 5mm. 由數據分析,電腦自動判讀與人工判讀差異不大。. 34.

(50) 4.4 雜訊與均勻度分析與結果 雜訊分析 雜訊標準值為 3.2 ± 0.3,以下是超出標準值不合格百分比率。 表 6 GE QA Phantom 人工操作分析. 電腦自動分析. Hospital A. 25%. 0%. Hospital B. 0%. 0%. Hospital C. 0%. 0%. Hospital D. 25%. 0%. Hospital E. 25%. 25%. Hospital F. 25%. 0%. 表 7 ACR Phantom 人工操作分析. 電腦自動分析. Hospital A. 0%. 0%. Hospital B. 0%. 0%. Hospital C. 25%. 0%. Hospital D. 0%. 25%. Hospital E. 0%. 25%. Hospital F. 25%. 0%. 35.

(51) 均勻度分析 雜訊標準值為 0 ± 3,以下是超出標準值不合格百分比率。 表 8 GE QA Phantom 人工操作分析. 電腦自動分析. Hospital A. 25%. 0%. Hospital B. 25%. 25%. Hospital C. 0%. 0%. Hospital D. 25%. 0%. Hospital E. 25%. 25%. Hospital F. 25%. 0%. 上述數據顯示雜訊與均勻度透過電腦分析超過預設標準值比例甚低。. 表 9 ACR Phantom 人工操作分析. 電腦自動分析. Hospital A. 25%. 0%. Hospital B. 25%. 25%. Hospital C. 0%. 0%. Hospital D. 0%. 0%. Hospital E. 0%. 25%. 36.

(52) 4.5 雷射定位線的準確度分析與結果. 下表列出假體物理中心點與實際中心點的距離值。 表 10 GE QA Phantom 人工操作分析(cm). 電腦自動分析(cm). Hospital A. 2.1. 1.2. Hospital B. 1.5. 0.7. Hospital C. 1.4. 0.5. Hospital D. 3.8. 1.7. Hospital E. 1.4. 0.3. Hospital F. 1.7. 0.9. 人工操作所獲得平均值比程式運算所獲得的數值來的高。 表 11 ACR Phantom 人工操作分析. 電腦自動分析. Hospital A. 1.5. 0.7. Hospital B. 1.9. 0.9. Hospital C. 1.1. 0.7. Hospital D. 2.0. 1.5. Hospital E. 2.6. 1.4. 上表列出假體物理中心點與實際中心點的距離值. 37.

(53) 4.6 MTF 分析與結果. 透過程式計算,得出 MTF50 與 MTF10,並且與該機型的 MTF 值比較,得出下 表與標準值的誤差程度。標準值的 MTF50 為 4.0 ± 10%.,標準值的 MTF10 為 6.5 ± 10%. 表 12 GE QA Phantom MTF50. MTF10. Hospital A. 4.27. 6.82. Hospital B. 4.82. 6.55. Hospital C. 3.96. 5.90. Hospital D. 4.25. 7.10. Hospital E. 3.88. 5.90. Hospital F. 4.42. 6.57. 分析上述數據,透過程式計算 MTF 在標準值範圍內。. 38.

(54) 4.7 操作時間分析. 針對電腦自動分析與人工操作分析的時間差異並且扣除上述固定步驟所耗費時 間進行比較。每家醫院均做四次,有六家醫院共有二十四份數據進行分析比 對; 表 13 GE QA Phantom 人工操作分析(分鐘). 電腦自動分析(分鐘). Hospital A. 56.1. 12.6. Hospital B. 48.6. 9.5. Hospital C. 47.8. 10.3. Hospital D. 52.6. 8.9. Hospital E. 46.9. 11.2. Hospital F. 50.1. 7.8. 平均. 50.35. 10.05. 依照上述數據來看,電腦自動分析所耗費時間是人工操作分析的 20%。 表 14 GE QA Phantom. Hospital A. 人工操作分析 (分鐘) 72.2. 電腦自動分析 (分鐘) 18.2. Hospital B. 58.9. 12.8. Hospital C. 66.5. 14.6. Hospital D. 77.1. 19.8. Hospital E. 56.9. 11.4. Hospital F. 71.3. 19.6. 平均. 67.2. 16.1. 依照上述數據來看,電腦自動分析所耗費時間是人工操作分析的 23%。. 39.

(55) 第五章 討論. 在 GE QA Phantom 中,高對比度分辨率分析、低對比度探測分析、雜訊與均 勻度分析、MTF 分析,上述分析需要耗費大量時間;準確率不一定能夠大幅度 提升。這時使用自動分析程式,可以解決上述問題。. 影像明暗對比運算分析、雷射定位線的準確度分析,這些不太需要依賴重複動 作的測試項目,無法節省大量時間。. 在 ACR Phantom 中,高對比度分辨率分析無法透過程式自動判讀。主要原因在 於手冊提供程序接以眼睛判斷為主,並沒有提供一個特定數值可供比對。至於 低對比度探測分析、雜訊與均勻度分析狀況與 類似;亦即操作步驟多,時間 耗費就長。. 同樣的,雷射定位線的準確度分析,這些不太需要依賴重複動作的測試項目, 無法節省大量時間。. 加總上述分析項目,如果使用自動化電腦斷層掃描影像品質分析程式,在 GE QA Phantom 上可以節省 80%時間,而在 ACR Phantom 上可以節省 77 %時 間。兩者相比較,節省時間差不多。 受限於假體只有 1.6 mm ,1.3 mm ,1.0 mm ,0.8 mm ,0.6 mm , 0.5 mm 這幾個格線,所得出來的 MTF 曲線比較粗略;但是檢視數據,卻也發現計算 出來的 MTF50 和 MTF10 卻也在標準值誤差範圍內。可證明透過電腦程式的精 準對位,依然可以求出 MTF 值。. 40.

(56) 第六章 結論與建議. 本研究證明斷層掃描影像品質可以透過程式分析是可行的;分析時間短、結果 與儀器實際測量差異不大;本影像品質分析程式還可以針對假體對位不準時, 直接將影像中心點移到假體影像中心點進行分析,不必要再花時間在調整假體 與操作上來回進出掃描室。. 本研究是採用相對位置的演算方式進行;如果採用不同假體,必須要先進行校 正,修改相關參數。. 在此研究中能有一些後續改進項目,可以開發不同演算法,遇到不同型號假 體,可以自行判斷;不同廠牌的價體有相對應的模板,只需直接套用即可得到 結果,不必透過修改參數處理。將此應用程式與後端資料庫連結,可以定期儲 存測試結果,並且加以分析;與 DICOM 程式連結,直接接收斷層掃描儀送來 影像然後進行分析。. 以正確度來分析,高對比度分辨率分析、低對比度探測分析以及 MTF 分析;人 工操作步驟多,手動框線時操作滑鼠不穩就框不到正確位置;如果透過程式輔 助,精確定位是做得到的,量測誤差也會減少。 本程式還有一個優點,如果假體對位不準,通常需要重新校準假體位 置後,再次掃描;透過本程式,直接確認假體實際中心點,再透過相對於中心 點相關位置,進行一系列計算。完全不受假體對位不精準的影響。. 除了本研究所使用的兩種假體外;查閱各廠牌 CT 所使用的 QA 假體, CATPHAN® 500, 503, 504, 600 Phantom[29] 、 AAPM CT Performance. 41.

(57) Phantom[30]、gammex RMI 465 & 467 Phantom,都有原廠提供相關特定參 數。屆時可以依據這些資料修改本程式的相關參數供各廠牌 CT 測試及校正使 用。. 42.

(58) 參考資料 英文文獻 1. 2.. 3. 4. 5. 6. 7.. 8.. 9. 10. 11. 12. 13. 14.. Goodenough DJW, Kenneth E.; Davis, David O.: Development of a Phantom for Evaluation and Assurance of Image Quality in CT Scanning. Society for Photo-Optical Instrumentation Engineers 1976, 96:228. McCullough EC, Payne JT, Baker HL, Jr., Hattery RR, Sheedy PF, Stephens DH, Gedgaudus E: Performance evaluation and quality assurance of computed tomography scanners, with illustrations from the EMI, ACTA, and Delta scanners. Radiology 1976, 120:173-188. Computed tomography : fundamentals, system technology, image quality, applications Seeram E: Computed tomography : physical principles, clinical applications, and quality control. Philadelphia: Saunders; 1994. Droege RT: A quality assurance protocol for CT scanners. Radiology 1983, 146:244-246. Huda W: CT quality control. Can Assoc Radiol J 1987, 38:122-125. Pei-Jan Paul Lin TJB, Caridad Borras, Gerald Cohen, Robert A. Jucius, Robert J. Kriz, Edward L. Nickoloff, Lawrence N. Rothenberg, Keith J. Strauss, Theodore Villafana: Specification and acceptance testing of computed tomography scanners. In Book Specification and acceptance testing of computed tomography scanners (Editor ed.^eds.). City: the American Institute of Physics, Inc.; 1993. S. Jeff Shepard P-JPL, John M. Boone, Dianna D. Cody, Jane R. Fisher, G. Donald Frey, Hy Glasser*, Joel E. Gray, Arthur G. Haus, Lance V. Hefner, Richard L. Holmes, Jr., Robert J. Kobistek, Frank N. Ranallo, Philip L. Rauch, Raymond P. Rossi*, J. Anthony Seibert, Keith J. Strauss, Orhan H. Suleiman, Joel R. Schenck, Stephen K. Thompson: QUALITY CONTROL IN DIAGNOSTIC RADIOLOGY. American Association of Physicists in Medicine; 2002. Recommended Standards for the Routine Performance Testing of Diagnostic X-Ray Imaging Systems. 2005. Jacobs JE, Boxt LM, Desjardins B, Fishman EK, Larson PA, Schoepf J: ACR practice guideline for the performance and interpretation of cardiac computed tomography (CT). J Am Coll Radiol 2006, 3:677-685. Mano I, Kaneko M: [Fundamental studies of computed tomography (1st Report) phantom construction and several performance evaluation (author's transl)]. Nippon Igaku Hoshasen Gakkai Zasshi 1977, 37:890-896. Bischof CJ, Ehrhardt JC: Modulation transfer function of the EMI CT head scanner. Med Phys 1977, 4:163-167. Schneiders NJ, Bushong SC: Computer assisted MTF determination in CT. Med Phys 1980, 7:76-78. BrightSpeed Select Series Technical Reference Manual. General Electric Company; 2007.. 43.

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(60)

數據

圖 3  QA 假體
圖 7  2.4 基本單位的取得  本研究經常用到的值有三種:假體中心點、 CT Number 值以及像素尺寸(Pixel  Size)。  假體影像中心點的計算方法要先確認假體實際中心點後,才能推算假體各位置與 中心點的相對位置。接下來才進行各項計算。  求取假體影像中心點的流程如下 : [16]
圖 8  Otsu’s 法是利用群組內與群組間的相異性進行分割。其優點是計算時間快速;分 割效果也較為精確。[17]  2.5   CT Number 值 其定義是在 CT中計算一個像素(Pixel)吸收多少X射線,單位  Hounsfield 。其中 空氣的 CT Number值為 -1000,水的CT Number值為0。[18-20]  在 CT的DICOM影像要計算出CT Number值,首先要取得CT影像中的DICOM欄位 的數值[21]  Rescale intercept   (0028,10
圖 11  量測 A、B、C、D 四點的ROI平均值,
+6

參考文獻

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