CT的密度分辨率

计算机断层扫描（CT）的图像质量可以用图像噪声、空间分辨率和低伪影含量等参数来描述。低对比可探测能力（lowcontrastdetectability，LCD），有时也称为低对比度分辨率（lowcontrastresolution）或密度分辨率，通常也被认为是一个关键参数。

低对比可探测能力是所有断层成像中最重要的性能指标之一。正是由于这一高质量的性能指标，才使得CT早在20世纪70年代取得了快速的突破性进展。

然而，对于低对比可探测能力（LCD），与其他图像质量参数相比有决定性的区别：例如，与空间分辨率（或称空间分辨力，参见：CT的空间分辨率）相反，它不是一个定义良好的图像度量，不容易客观测量。本文将解释低对比可探测能力的概念、如何测量以及评估中的陷阱。

图1ACATPHAN体模或具有相应低对比度测试插入件的类似体模可用于确定低对比度可检测性

图1B直径为mm的CATPHAN模体的低对比度插入物；以及直径和对比度分别在2-15mm和3-10HU范围内的周期性插入物，作为低对比度可检测性试验模型的示例。

密度分辨率和图像噪声

一般来说，每次测量都有一定的误差范围，所有测量值都在真实值附近波动。在CT中，测量的值是由物体引起的衰减，由其Hounsfield（HU）值表示。CT图像的每个体素是由扫描对象引起的各个衰减的测量值。因此，如果重复对同一物体进行CT扫描，扫描总是会产生与此体素稍有不同的CT值。如果扫描一个同质物体，如水模，图像中的每个体素可以解释为同一材质的独立测量。因此，均质物体的CT扫描可以解释为同时对相同材料进行的许多独立测量。所有体素值将围绕真实值波动。

测量误差直接在图像中可见，通常称为图像噪声。如果进行了足够多的测量，则测量值的平均值接近真实值。在CT图像中，可以通过评估图像中足够大的均匀感兴趣区域（ROI）并计算该感兴趣区域中的标准差和平均值来估计图像噪声和真实HU值。只有当图像噪声足够小时，才能检测到较小的衰减差异。

一般来说，LCD的目的是描述CT系统在背景下检测低对比度物体的性能。理想情况下，可以定义一种客观的测试方法，例如，使用模型来评估LCD扫描仪的特性。

在当前实践中，LCD通常是通过测量具有不同尺寸和不同密度的物体的低对比度体模来定义。图1显示了具有相应低对比度（LC）插入件的典型测试体模。然后，可以指定使用某种扫描方案在特定剂量水平下可以看到哪个插入物。样本规格可能如下所示：5mm，3HU

11.0mGyCTDIvol（mmCATPHAN模型，10mm切片宽度，kV，典型体部扫描模式）。这意味着当使用具有11.0mGy剂量的标准体部方案扫描LC插入物的mmCatphan体模（根据32cm体模中的CTDIvol）时，评估人员应该能够看到5mm，3HU的插入物。

问题的关键在于，我们假定自己有能力看到某种低对比度的结构，因为对于个人来说，这是一项非常主观的任务。使用可视化方法很难获得具有一定置信度的统计客观数据。

放射科医生不会对图像进行统计评估

统计性能参数通常被认为是系统LCD性能的指标[1，2]，并制定了相应的标准。然而，LCD不仅取决于与对比度差相关的噪声，而且还取决于病变和周围组织的大小和形状。在日常实践中，这一切都归结为人类观察者能在图像中看到什么——诊断将基于观察者能识别什么。如果图像噪声太高，低对比度的物体或病变就会隐藏在噪声后面。有经验的观察者比没有经验的观察者更能看穿噪声。因此，除了图像噪声水平外，观察者的体验也会影响LCD[3]。然而，观察者体验只是影响LCD的众多因素之一（表1）。

为了能够对CT扫描仪的LCD性能进行有效的比较，除了扫描仪本身之外，所有影响LCD的参数都必须保持恒定。很明显，如果可能的话，这是一项相当具有挑战性的任务。

表1影响LCD的因素

观察者

经验；他/她如何消除偏见；他/她的目标是什么

扫描参数

剂量和剂量分布；准直

重建参数

层厚；卷积核；面内分辨率

读取条件

环境光；显示器；窗口功能

评估

有多少观察者；有多少人必须检测插入物；他们是否必须只检测最小的或所有较大的插入物

模型

制造质量；再现性；插入模式

扫描仪

探测器；剂量效率；伪影抑制；散射辐射

低对比度物体

密度；尺寸；形状；背景材料

LCD规格的不同方法

缺乏明确的客观方法来评估LCD的一个原因是，不同的制造商使用不同的方法来定义其系统的LCD性能。这些方法可分为三种不同的类别：

保守的方法

乐观的方法

骗人的把戏（MonkeyBusiness）

因此，LCD涉及到某个物体的规格，由观察者“被看到”。如上所述，测量本身是一个统计过程，特别是当超出可探测性的极限时，它会自动得出结论，不是每个观察者都能在每幅图像中看到病变。甚至会有使用相同扫描仪和相同扫描参数获取的图像，其中相同的观察者会在一次扫描中看到插入物，但在另一次扫描中看不到。

图2左：CATPHAN体模的LC插入物采用标准体部协议进行扫描，采用SOMATOMDefinitionAS+，CTDIvol为11.0mGy，重建层厚为10mm。50%的观察者能在超过50%的数据集中检测到5mm，3hHU的插入（橙色箭头）。因此，西门子将SOMATOMDefinitionAS+的LCD明确为5mm，3HU

11.0mGy。

下：CATPHAN体模的LC插入物采用标准体部协议进行扫描，采用SOMATOMDefinitionAS+，CTDIvol为17.0mGy，层厚为10mm。噪声水平显著降低，这一次50%的观察者可以在超过50%的数据集中检测到3mm，3HU的插入（箭头）。

不同的制造商对“看到病变”的含义有不同的看法。西门子采用非常保守的方法。10位有经验的观察者阅读了10个独立获取的数据集，这些数据集用相同的参数测量。对于指定剂量水平，至少50%的观察者必须在至少50%的数据集中检测低对比度对象。此外，西门子还专门使用标准临床扫描协议来确定LCD。

其他制造商可能采用乐观的方法通常使用更软的标准来确定其系统的LCD。如果包含的观察者较少，他们更乐观，并且使用更软的标准进行评估，将导致更好的LCD结果。

当然，我们必须记住，通过在定义良好的模体中测量LCD，相同的病变模式总是在同一位置，这样观察者就知道该去哪观察。即使对一个有着最好意图的观察者来说，也很难消除偏见。测量值的评估方式甚至会对结果产生重大影响。甚至可以应用比西门子目前使用的更严格的规则，例如，所有从15mm到所需插入的连续插入都必须在所有情况下都被所有观察者检测到。仅此需求将大大降低所有扫描仪的LCD规格，而不需要更改任何设备参数。另一方面，简单放松一些规则可以获得更好的LCD值。基于图3，西门子还可以通过放松规则来指定2mm、3HU

11.0mGy的LCD，这样至少一个观察者必须检测插入物，而不需要更改任何其他内容。

虽然“乐观方法”至少可以通过在数据表中指定评估方法来证明，但对LCD的“优化”进一步导致MonkeyBusiness。采集协议和重建参数总是可以调整，这样LCD值会得到显著的改善，但结果与临床完全无关。

一个例子是使用临床常规中从未使用过的扫描协议，并且设计的只是在非常低剂量下提供良好的LCD。这可以通过引入特殊的X射线滤波器或准直器来实现，这些滤波器或准直器仅适用于在所建立的CTDIvol和LCD测试模体中测量良好的LCD。另一种方法是设计针对这个特殊任务优化的特殊重建卷积核，而这些任务在临床环境中从未使用过。

最后，必须记住，所有优化LCD工作的技巧都只在定义的模体中工作，但是这些数字在看真实的病人时将毫无意义。

图3由10个不同的有经验的观察者检测到的mmCATPHAN模型的最小低对比度密度为3HU的插入物，数据来自SOMATOMDefinitionAS+（典型的体部协议，kV，11.0mGy）。即使是有经验的观察者之间也会有很大的差异，这取决于他们消除偏见的程度，因为所有的观察者都知道插入的地方。两个读者可以检测到2毫米的插入物，而另一个观察者只能看到8毫米的插入物。

魔鬼在细节中

在数据表中，通常只能找到几个指定LCD的值，而无需确切说明如何获得这些值。本文的目的是解释LCD是什么，如何测量，以及它的局限性和潜在的缺陷。

需要考虑的是，鉴于难以以一定的置信度获得统计客观数据，因此没有普遍接受和明确定义的确定LCD的方法。影响LCD的参数很多，并非所有参数都与CT系统有关。如果参数不保持恒定，则基于这些值比较CT系统的性能是错误的。

最重要的是，只要制造商没有解释他究竟如何确定LCD，并且只要CT用户不提出正确的问题，这些规格将完全没有意义。

目前正在国家和国际层面努力标准化实践中使用的一些方法。一种方法是通过使用数学模型观察者研究[4]来标准化评估，以至少从等式中消除这种不确定性。

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