Catphan 500/600

使用说明手册

多层螺旋 CT  (David J.Goodenough,物理博士)

       应模体实验室之邀，让我来为那些了解 CT  图像性能检测，而对多层螺旋 CT 机不是很熟悉的物理师写个概要。

       多层螺旋 CT 影像重建原理和普通 CT 影像重建原理一样。都是利用从探测 器得到的数据(探测器环绕在病人四周)来进行病人影像重建。两者的不同点是： 普通 CT 图像数据来自于单排探测器， 多层螺旋 CT 图像数据来自于多排探测器。 多层螺旋 CT 扫描时，病人躺在床上通过机架向前移动，同时球管环绕病人旋转， 探测器排通过病人和机架移动进行变换 (查看下一页图解) 。影像重建另一个变 量来自： 当病人扫描层从一排探测器移到下一排探测器时， 系统影像重建就基于 相关排的探测器加权平均数。 从这种方式来讲， 多层螺旋 CT 和螺旋或螺旋状单 层 CT 类似，但是多层螺旋 CT 的重建数据来自于多排探测器的组合层，而不是 移动单层图片的简单内插。此外，多层螺旋 CT 的影像重建在需要解决的难关和 变数的细节方面还包括焦点变量和散射问题。

       因为每个多层螺旋 CT 影像的重建数据来源于线束的不同位置和不同探测器 排， 所以整个图像质量差别很小。每层图象均由所有探测器加权平均后读取。 然 而，如果你用“step and shoot  (步进式扫描)”模式，则每层图象可能由单排探 测器扫描 (探测器排数取决于层厚)，在这种情况下不同层之间的差异非常明显。 多层螺旋 CT 的“stepand shoot  (步进式扫描)”模式在操作上和普通 CT 相似， 固定病人床的位置作一次扫描，然后移动病人床到下一个位置，对模体的下一个 部分作一次扫描。例如， 使用 step and shoot (步进式扫描) 模式进行 8 层扫描时， 可以预期中间第 4 和第 5 层将比靠外边的第 1 和第 8 层有更好的均匀性，这是由 系统 X 线束的几何特性所决定的。然而，如果第 1 和第 8 层或第 4 和第 5 层的 均匀性不一样，则表明系统存在问题。当使用步进式扫描模式来评估 CT 系统时， 注意所选择的被测物体要能覆盖探测器的整个宽度。如果被测物体比断层更窄， 则需移动床作一系列的扫描以使被测物体能被所有有效探测器扫描到。

       对于 CT 性能的评估，我推荐使用不同的多层螺旋实验方案来扫描整个模体， 同时使用步进式扫描方法对珠子斜面和均匀性模块进行扫描， 珠子斜面模块能检 测断层几何特性和 MTF，均匀性模块能检测断层的信噪比和均匀性。

       这是多层螺旋 CT 层扫描示意图， 简单地解释了断层利用不同探测器所搜集 的数据进行影像重建。 当断层 1 移动到探测器 A 的时候，第一个图像序列选择 病人开始的断层 (断层 1)。当球管继续旋转，病人床继续向机架移动之时，断 层 1 移到探测器 B 处。同时，原来处于探测器外的断层 2 移到探测器 A 处。这 个过程一直持续到病人最后的被选区域通过全部的有效探测器排。

模体位置摆放

       Catphan  500 在 CT 机中的摆放是将其挂靠在箱子上。 将模体的箱子放在病人床 上靠机架的末端， 箱子上折页朝机架相反方向。 最好是将箱子直接放置在病人床 上，而不是床垫上。

       打开箱子， 将盖子旋转至 1800位置。如果你要使用套环，则需要在箱子里额 外增加重量以在重量上和模体平衡。 可以使用病人缚带来增加稳定性。 将模体从 箱子里拿出来， 将其挂靠在箱子朝向机架的一头。确保挂靠模体后箱子保持平衡， 以防模体发生倾翻。用水平尺和调节螺母来调节模体的水平。模体调节水平后， 沿着箱子的末端滑动模体，使模体顶部的中心定位点和CT系统X轴的激光对准线 一致。 用病人床 的高度和标定指数，将第一个模块(CTP401或CTP404,断层几 何模块) 侧面和顶部的定位点对准CT系统的激光对准线。

       Z 轴扫描位置可从扫描定位器上选择， 通过层厚斜线将断层的中心定位于图 像的十字交叉点。

       扫描第一部分模块(CTP401或 CTP404)， 并检查图像以确定位置对准是否正确， 判断 方法示意图见后面的部分： 模体放置位置

Catphan 500 和 600 示意图

Catphan 500

Catphan 600

       模体被设计成只要对准第 1 部分(CTP401或 CTP404)，就可以精确定位模 体的其他所有部件的中心位置。这种设计消除了对第 1 部分(CTP401或 CTP404) 检测后， 还需要对模体重新对准的问题。从第 1 部分到其他部件的标定指数距离 见下面。 另外在前一页的示意图中显示了测试模块和他们的标定指数距离。在下 一页将讲述模体位置和激光对准校准。

Catphan 500 检测模体距离参数：

模块                                                     距离第 1 个部位中心距离

CTP401

CTP528 ，21 线对高分辨率模块                       30mm

CTP528    点源                                                 40mm

CTP515 ，低对比度模块                                  70mm

CTP486 ，成像一致性模块                              110mm

Catphan 600 检测模体距离参数：

模块                                                   距离第 1 个部位中心距离

CTP404

CTP591    珠点几何特性模块                         32.5mm

CTP528 ，21 线对高分辨率模块                    70mm

CTP528 ，点源模块                                      80mm

CTP515 ，低对比度模块                              110mm

CTP486 ，成像一致性模块                          150mm

模体位置摆放校准

       通过评估第 1 模块(CTP401 )的影像可判断模体的位置摆放和排列是否正确。这 个模块包括 4 个金属丝斜面，斜面的角度为 230 ，下面的示意图表明如果扫描中 心位置在这个检测模块Z轴中心位置的上面或下面，斜线图像将是如何变化的。 使用滤线栅图像功能也许可以帮助进行模体位置的评估。

                                         正确对准图像                                                 顺时针斜线偏移图像

                            图像中心斜线的 X ，Y 轴对称显示                        当斜线从中心顺时针均匀旋转

                                        模体位置正确                                              则表明模体进入机架太深

                                          逆时针斜线偏移图像                                    斜线不对称图像

                                   当斜线从中心逆时针均匀旋转，           当斜线的长度和旋转方向都不对称时

                                      则表明模体进入机架太浅                           则表明Z 轴方向没有对准

       如果扫描图像显示没有对准， 应重新摆放， 对准模体， 然后重新扫描。如果 重新对准位置后的图像和原来一样， 显示没有对准位置， 则表明 CT 系统的激光 灯对准线需要调整了(请联系你们的维修工程师)，一旦模体位置对准后，你就 可以进行检测了。

CTP401 模块，检测层厚， CT 值线性和像素尺寸

CTP404 模块，检测层厚， CT 值线性和像素尺寸

病人定位系统检测

       集激光灯， 光学元件和机械对准元件于一身的病人定位系统可以进行精确检 测。模体外框上的白点与定位灯的对准在模体位置摆放那一节讨论过。扫描图像 如何得到更好的对准效果在模体位置摆放校准那一节讨论过。

       测量Z 轴对准的精度，只需要测量斜线中心到模体中心和 CT 值样本的距离。 将这个距离 A 乘以0.42，得到的结果是 Z 轴对准的精度。对于 X 轴和 Y 轴的精 度，使用栅格功能去测量模体中心位置到扫描区域中心或得到中心像素的位置。

       定位器， 导杆或查看界面的精度也可以进行检测。进行这个检测需要完成模 体的定位扫描。在金属斜线的十字交叉点进行轴向扫描。 扫描轴向切口，并按照 上面的方法讨论不准确度。

扫描断层几何特性(层厚)

       第 1 部分模块有两对 230金属斜线： 一对平行于X轴； 另一对平行于Y轴。这 两对金属斜线用来测量层厚，如前面一节那样进行不准确度的检测。

                             使用 230金属斜线来测量层厚。斜线角度在X-Y的图像平面 上进行了2.38 倍的三角倍数放大。

为测量层厚 (Zmm)，可测量四条金属斜线中任何一条的半高宽 (FWHM)， 然后将所测量的长度乘以 0.42：(Zmm) = FWHM×0.42

       为了从图像上得到金属线的 FWHM，你需要知道金属线 CT 值的峰值及背景 值。将 CT 的“窗宽”关到 1 或最小的设置。 移动 CT 的“窗位”到金属斜线全 部消失到只剩下一点的时候。在这个位置的 CT “窗位”值将是你所需要的峰值 或者说最大值。 使用 “感兴趣区”功能确定斜线周围区域的 CT 值即背景 CT 值。

       使用上面的 CT 值，来得到半高宽值：

首先计算最大差值 …                       (CT#峰值－背景 CT 值=CT#最大差值)

计算 50%的最大差值 …                  (CT#最大差值÷2=50% CT#最大差值)

计算 CT 的半高全宽值 … 值)           (50% CT#最大差值＋CT#背景值=CT 的半高全宽

       现在你知道了 CT 的半高全宽值后，你就可以测量斜线的半高宽了。将 CT 机的窗位设置为 CT 的半高全宽值，将窗宽设置为最小。测量金属线图像的长度， 这就是我们需要的 FWHM。将 FWHM 乘以0.42 就得到了层厚。

扫描增量

       利用金属斜线测量CT机层与层之间的扫描增量以及床的移动距离。使用固 定的层厚(例如 5mm)扫描第 1 部分模块。移动床的一个层厚的距离(例如 5mm) 然后做第二次扫描。对每个斜线图像的中心建立X轴和Y轴坐标。计算这些点之 间的距离，然后将距离乘以 230斜线角度的修正因子 0.42 .

0.42× (L1－L2) =扫描增量

       这项检测也可用来测量床的增量精度。扫描模块，然后将床向机架移动 30mm，再退出机架 30mm，再次扫描。斜线中心点在两幅图像中应处于同样的位置。

            两个连续 5mm扫描层的示意图。 L1 是第一个扫描图像中 230斜线 上的中心点； L2 是第二个扫描图像中 230斜线上的中心点；

            0.42× (L1－L2) =0

显示系统圆对称性

       这个圆形模体部件用来检测CT 影像的圆对称性， 包括 CT 显示系统的校准。 如果出现的是椭圆形图像，则表示需要调整显示系统的 X-Y 轴平衡。

                                                                            测量 X 轴和 Y 轴的空间线性

像素尺寸的空间线性检测

       这个模块有四个孔(其中一个有特氟纶插槽)。这些洞直径3mm，相距 50mm， 位于中心的四周。 测量这些洞中心点之间的距离，可以得到 CT 机的空间线性。 另一个应用是用来计算孔的中心之间包含的像素数目，已知孔的中心之间距离为 50mm 和像素数目后，就可得到像素尺寸。

       特氟纶插槽仅仅用于分辨和定位之用。特氟纶插槽位置可以改变的特点，使 得可以用于多个 Catphan 模体使用之时，通过对模体第一模块的成像就可以分辨 处所使用的各个模体。

丙烯酸对比度球靶

       模块包含 5 个丙烯酸球， 位于一个 30mm 直径的圆形模块里。这些球体用来 检测 CT 机的图像体积里的平均球体功能。球体的直径分别为 2，4，6，8 和 10mm。

CT 值线性 (CT 值线性)

       环绕在金属层厚斜坡周围有 4 个或 7 个高对比度 CT 值线性靶区。 其中三个 的材料是： 特氟纶， 丙烯酸和低密度聚乙烯 (LDPE)。第四个的材料是空气。这 些靶的 CT 值范围从+1000H 到－1000H。定期检测这些 CT 值线性靶区的值可以 提供一些有用的信息， 指示 CT 机的性能变化。

线性衰减系数μ[单位 cm-1]

各种材料的分子式和重力

对比阶(CS)定义如下：

这里 m 是介质，w 是水， E 是 CT 线束的有效能量。

这里 1 ，2 是两种和水很接近， 低 z 有效材料 (例如丙烯酸和空气)

*对于 CT 值线性插件，模体实验室从同一批的材料中购买许多年需要提供的材 料。购买的材料样本然后被测量决定实际重量值。

CTP591  珠点几何模块

珠点几何模块包括 3 对对称的斜坡和 2 个独立的珠点。 2 对斜坡在 Z 轴上， 其上 分布着直径为 0.28mm ，中心间隔为 1mm 的珠点。另一对斜坡在 Z 轴上， 其上 分布着直径为 0. 18mm ，中心间隔为 0.25mm 的珠点。  2 个独立珠点的直径分别 为 0.28mm 和 0. 18mm。一条直径为 50 μ 的钨金属线位于离模块中心 6cm 的位置。 金属线和珠点生成用来计算调制解调函数(MTF) 的点扩散(见说明书 CTP528 章节)。

珠点斜坡可以用来计算单层或多层螺旋 CT 的层厚， 可以使用下面几种不同的方法。

●计算珠点数目，并乘以 Z 轴的增量。

●画出珠点的断层灵敏曲线(SSP)(其他信息见 CTP528 章节)   

●比较珠点在厚层和薄层的最大 CT 差值。

  薄层厚度＝ ((厚层最大 CT 差值) ÷(薄层最大 CT 差值))×(厚层宽度)

●在矢状面和冠状面的图像中， 珠点半高宽时的 Z 轴长度

●在断层图像中， 珠点差值最大点处的最适合的曲线半高宽

注意： 差值＝ (珠点 CT 值)－(背景 CT 值)

CTP528 21 线对/厘米高分辨率模块和点源

       这个模块有 1 到 21 线对/厘米的高分辨率检测卡和两个脉冲源(点珠)， 这 两个点珠是同一种材料。 点珠位于 Y 轴上距模体中心 20mm 远的上、下的位置 处，在 Z 轴方向上距线对卡中心的距离为 2.5 和 10mm 。在以前的CTP528 模块 上，点珠和线对卡一样排列在 Z 轴上

用于点扩展函数和 MTF 的点珠源

       利用脉冲源可检测 CT 系统的点源响应函数。打印脉冲源邻近区域的数字图 像。用这些数字数据可得到脉冲源引起的CT 值的两维分布图。点扩展函数数字 数据最适合的曲线决定点扩展函数的 FWHM (半高宽)。计算脉冲响应函数几个 不同分布的平均值，得到系统的平均点扩展函数。这些数字数据与傅立叶转换方 程式结合， 可评估 CT 系统(MTF)的 2 维空间频率响应特性。碳化钨点珠的直 径为 0.011 英寸或 0.28mm。因为点珠的尺寸小于像素尺寸，所以不需对其进行 补偿。然而，有一些 MTF  (调制传递函数) 被设计成对其进行补偿。

以上的示意图显示如何将点扩展函数(PSF)纵栏(Y 轴) 求和， 而得到线扩展 函数(LSF)横栏(X 轴)。

                                                                                  空间频率(Lp/cm)

由 LSF  (线扩展函数) 数据的傅立叶转换而得到 MTF  (调制传递函数)曲线。 一般这个操作是由软件自动完成。有一些 CT 自带的软件可以计算 Catphan 模体 上点珠图像的 MTF  (调制传递函数)。

       许多制造厂商都会把自动化 MTF 软件放入仪器的标准软件包里。因为点珠 被置于和水密度不同的环氧树脂本底环境里， 所以软件必须输入本底值。选择 0.28mm 作为点珠的尺寸。由于点珠产生的密度曲线图和金属丝或圆柱体的十字 交叉部分产生的密度曲线图不一样，所以实际差别在目前 CT 机上并不明显。

用于断层灵敏度曲线的点珠源

这个模块里的点珠可用来计算断层灵敏度曲线(SSP)

       上图显示了点珠在 3 维重建中将如何生成一个卵形目标。在半高宽(FWHM) 时，卵形目标的长度显示为灵敏度曲线(SSP)。通过点珠的矢状或冠状重建， 这个测量在很多系统上可以很容易地得到。重建中的点珠图像显示为一根小线 条。通过设置 FWHM  (使用在扫描断层几何特性里讲到的方法) 来测量点珠图 像得到的灵敏度曲线(SSP) 的 Z 轴长度。如果 CT 机没有测量矢状或冠状位面 里的 Z 轴长度的功能， 灵敏度曲线(SSP)也可以这样得到： 增加或旋转断层来 包含点珠， 然后在正轴和负轴床的方向上对点珠进行重建(使用最小层厚进行扫 描)，再测量每层点珠图像的 CT 峰值。作为 Z 轴床位置的函数，从点珠 CT 峰 值的测量可得到 FWHM 值。

21 线对/厘米高分辨率线对卡

       21 线对/厘米高分辨率线对卡可用于分辨率检测，它的分辨率量程从 1 个线 对/厘米到 21 个线对/厘米。在 21 线对检测中， 卡的精度是+0.5 线对，更低的线 对检测中的精度更好。

       卡是用2mm 厚的铝片制成的， 包含在环氧树脂中。由于断层厚度的选择的关系， 归一到平均体积大小， 对比度水平将不同。

CTP515 低对比度模块，有外圈和内圈对比度靶块

模块中的低对比靶块的尺寸和对比度如下：

外圈靶块尺寸                  内圈靶块尺寸

2.0mm                               3.0mm

3.0mm                               5.0mm

4.0mm                               7.0mm

5.0mm                               9.0mm   

6.0mm

7.0mm

8.0mm

9.0mm

15.0mm

外圈和内圈靶都有三种对比度水平：

0.3%

0.5%

1.0%

       给定了靶块对比度的值，但是在检测对比度性能前， 需要重新确定靶块的实 际对比度。测量感兴趣区得到实际的对比度， 然后测量邻近的本底区域。对几个 扫描区的测量值取平均值，去确定靶块的实际对比度。同时测量邻近背景区域对 靶区的测量也是很重要的， 因为“杯状”和“帽状”效应可导致各扫描区域之间 的 CT 值不同。 感兴趣区不要太靠近边缘。 感兴趣区的直径至少要有 4×4 个像 素。因为低对比度测量存在“噪音”，所以应取多个扫描区域测量值的平均值。 注意 mAs 的设置，因为随着 X 线曝光量的增加，光子量也将增加。利用在各种 噪声水平下视觉能分辨的靶区尺寸来评估对比度细节曲线上的信息。在每组对比 度里所有靶的对比度都是来自同样单一的混合物， 那样能确保所有靶区的对比度 是相同的。下面的等式可用来将测量对比度和尺寸转换为其它规格的对比度和尺 寸。

(测量对比度) *  (视觉能分辨出的最小靶直径) =常数

例如： 5mm直径 @ 0.3% = 3mm直径 @ 0.5%

除了外圈靶区 (靶的 Z 轴尺寸比最大层厚还要长)，CTP515 低对比模块还 包括内圈靶区 (靶的 Z 轴尺寸比层厚要短)。内圈靶区位于模块的内部检测圆里。

       内圈靶和对比度是 1.0%的外圈靶一样，来自同样的混合体。 因为他们都来 自一样的混合体， 所以在内圈靶实际对比度的测量上， 外圈靶可以用来确立对比 度值。 内圈靶的 Z 轴方向的长度是 3，5 和 7mm，直径分别为 3，5，7，和 9mm。 内圈靶可见性的评估有助于理解 CT 机的不同螺旋成像设置， 以及这些设置在低 对比度的背景下是如何影响小物体的可见性的。

CTP486  图像均匀性模块

       图像均匀性模块是一个均匀材质的模块。这种物质的 CT 值在标准扫描方案 中，与水的密度的偏差在 2%  (20H)内。典型的 CT 报告值从 5 H 到 18 H。这 个模块用来测量空间均匀性，CT 平均值和噪声。CT 系统的精度由感兴趣区(ROI)内的 CT 平均值和相应的CT 值标准偏差来衡量。这些测量取自扫描区内不同地 方。

       设定同样大小的 ROI  区， 分别测量均匀图象中心和周围上、下、左、右四 个方向上给定的感兴趣区(ROI)内的大量点(比如 1000) 的 CT 平均值和 CT 值标准偏差。观察以前图像的数据变化和相关邻近区域的数据变化。

       通过扫描均匀性模块可测量空间均匀性。观察上图显示像素的一排或几排的 CT 值剖面轮廓平均值上下的趋势走向。选择一条从模块一侧到另一侧的剖面曲 线。由于 CT 机的边缘效应， 具有代表性的曲线将是从模块 2cm 处开始。通过测 量曲线上的 CT 最大值和CT 最小值，使用下面的方程可得系统的整体均匀性：

CT 值的“杯状”或“帽状”现象表明系统需要进行重新标定。

检测模块的安装和拆分

       对于大多数的应用，不需要把模块从模体上拆下来。如果要把模块从模体上 拆下来，请遵照下面的步骤。

       1 、在拆之前要注意安装板块在体架里的位置。

       2 、将体架里固定安装板的四个黄铜螺母取走。

       3 、让模体带有柱头螺栓的那一面朝下，用 2 到 4 个支撑物支撑，以防止柱头螺 母从表面滑落。 (应在模块和外套之间注入一些水溶性润滑剂以减少阻力—译者 注)

       4 、用一个硬的物块，比如木棒，将模块从体架中顶出。

       要将模块安装进体架中，使用在它顶部的内部对准插槽。当模块插入体架中 时，体架的插槽要对准模块槽口。第 5 页的示意图显示模块在模体中的正确位置。

可选模体套环

       注意：在 Catphan 箱子上安装一个环套到 Catphan 模体上之前， 必须使用病 人固定带或其它重物，以确保箱子在床上是安全的。当模体安装好后， 如果箱子 在床上不安全， 则箱子、模体和套环可能会从床缘上掉下去。

以下的可选套环设计成用于标准 20cm 的 Catphan 体架上。

CPT299   21.5 直径， 特氟纶套环模拟骨的高吸收特性

CPT539   30 直径套环，材料为图像均匀性物质

CPT540   35 直径套环，材料为图像均匀性物质

CPT579   25-35 长半径椭圆套环，材料为图像均匀性物质

CPT599   45-55 长半径椭圆套环，材料为图像均匀性物质

CPT326   32 直径套环，丙烯酸材料

       环套设计成可在直径为 20cm 的 Catphan 体架上滑动， 如下面的示意图一样。 由于体架材料和均匀性套环之间缺少润滑，套环在体架上可能移动不太容易。 这 时可加上一些润滑油以减少阻力。

可选模体框架：

CTP536 同心/离心架

       CTP536  同心/离心架直径为 35cm，每个可放置一个 Catphan 模块。按照前 页将检测模块从 20 ㎝体架里移出的方法。 将选择的模块插入 CTP536 架子里。 要改变模块在 CTP536 体架中的位置， 比如从正心位置到离心位置， 则可按如下 所示旋转内部元件：

CTP541 16cm 体架

       CTP541  (16cm) 体架可放置三个 Catphan 模块。按照前页的方法， 将检测模块 从 20cm体架里移出。 然后将所选择的模块插入 CTP536 体架中。

CTP541 16cm 体架，已安装 CTP401 ，CTP528 和 CTP486 模块

剂量模体

CTP553 和 CTP554 剂量模体是按照“食品和药物管理局中心心”对设备的要求 和放射健康规章设计的，详细请看 1020.33 号文件。

剂量模体可按照“模体位置摆放”一节里，以相同的步骤和注意事项安装在 Catphan 箱子里。模体架子上的小洞可安上一个 1/2”或 13mm 直径的剂量探头。

注意

       确保在将 32cm 剂量模块安装到模体箱子前，Catphan 箱子在床上是稳定的， 如有需要增加重量以平衡箱子。

质量控制计划示例

       以下所示为一个 QA 计划示例。当然要作出适合自己部门的 QA 计划，则需 要参考当地的管理要求和你的医师、物理师的需要。这仅是一个示例而已。在 CT 系统最初安装和经过大的维修(比如更换管球)后，必须执行所有的检测项 目。 在机器维护后应执行每周一次的检测项目。

建议的检测频率

自动电脑分析程序

       Catphan 模体的独特设计使得它可由自动质量控制程序控制分析。放射影像科 学协会(IRIS)开发了一个通用的 QA 程序，用于 CT 性能参数测量和分析，可 测量以下的性能：

       空间分辨率(调制传递函数)

       噪声和图像均匀性

       层厚和像素尺寸

       CT 值线性(CT#线性，输入-输出关系)

       对比度检测性能(C-D 模式)

       病人定位和扫描增量精度