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研究生:龔永權
研究生(外文):Yung-Chuan Kung
論文名稱:小兒低劑量全脊椎攝影影像處理之研究
論文名稱(外文):Study of Image Processing for Low Dose Whole-Spine Examination in Pediatric
指導教授:蘇振隆蘇振隆引用關係
學位類別:碩士
校院名稱:中原大學
系所名稱:生物醫學工程研究所
學門:工程學門
學類:生醫工程學類
論文種類:學術論文
論文出版年:2018
畢業學年度:106
語文別:中文
論文頁數:114
中文關鍵詞:全脊椎攝影輻射劑量影像處理影像品質
外文關鍵詞:whole spine radiographyradiation doseimage processingimage quality
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脊椎側彎,顧名思義就是脊椎構造不對稱,形成向側面彎曲的現象。好發於青少年,主要診斷方式為身體理學檢查或影像檢查。影像檢查以全脊椎X光攝影檢查為主,對於需長期追蹤接受輻射曝露檢查的青少年而言,會擔心接受輻射劑量的多寡。本研究之目的,尋找較佳之曝露參數及影像處理模式,在合理抑低的原則下,有效的降低輻射劑量。
本研究利用小兒類人形假體依臨床現行條件為基礎下,來建立調降條件參數,調降與輻射劑量影響關係較大之mAs為主。並輔以影像處理技術(含Log值轉換、直方圖等化、中值濾波器等技術)優化影像以提升影像品質,現行條件約為75kVp、25mAs,研究以不同攝影曝露參數及儘可能最低的情況下且不影響醫師診斷,所建立之條件約可降至70kVp、10mAs。以所建立之調降條件參數,實際運用於70位臨床病人攝影檢查來獲得X光影像。評估方面,除了比較其調降輻射劑量外,並藉由歐盟出版之小兒放射診斷影像品質評估準則之影像品質分數(IQS)及主觀特徵評估(VGA)進行定性評估及定量評估之工作,再加上比較影像處理前後之訊雜比,以瞭解本研究之實用性。
研究結果顯示,於調降條件前、後在脊椎側彎角度量測方面並無明顯差異。假體在不同曝露參數模式下及調降參數至儘可能最低的情況下,處理後之影像與原始影像比較,整體平均對比訊雜比提升分別約20.5%及11%,影像優值於處理前後最大差異百分比分別達49.38%及32.20%。實驗所建立之攝影參數及影像處理模型,應用於假體及臨床病人,所得到之影像與原始影像比較,結果顯示影像品質評估皆無統計上明顯差異。定量評估方面所有調降條件之影像整體平均對比訊雜比值及整體平均優值皆比現行條件之影像優值來的高。輻射劑量方面調降條件後劑量由0.303mSv降為0.201mSv,整體輻射曝露劑量減少33.66%。
由結果顯示本研究經由調降攝影條件參數及影像處理優化後之影像,並不會影響臨床醫師診斷,且能夠降低病人所接受到的輻射曝露劑量及輻射風險。研究結果所得之曝露參數及影像處理技術加以整合後,應可以運用於臨床檢查使用,未來影像處理的系統如能更成熟應用及整合,輻射曝露劑量的下降幅度空間應該可以在更大。
Scoliosis usually occurs in young people, and is defined as the asymmetry of spine structure, and consisting of a lateral curvature. Physical examination and radiographic examination are the two current medical methods for diagnosing of scoliosis. As for the radiographic examination, whole spine radiography is usually performed. Scoliosis patients of young age may need long-term follow-up by the whole spine radiography during their treatment periods, and radiation doses coming from the repeated studies will be the concern. In this study, we provide suitable exposure techniques and image processing algorithms to further reduce the radiation dose as low as reasonably achievable without compromising clinical diagnosis.
The study was aimed to expose the pediatric anthropomorphic phantom with current routine clinical protocols first (75 kVp, 25 mAs), and then progressively reduced the exposure parameters (mainly mAs) to the lowest to acquire X-ray images. After acquiring images with lower dose, image processing algorithms including log transformation, histogram equalization, and median filter were performed to further improve image quality. From this investigation, we modifying the exposure parameters and reducing the exposures parameters, and found that the lowest possible dose without compromising image interpretation is 70 kVp and 10 mAs. We further served as this exposure parameter as the basis to perform the whole spine radiographic examinations on 70 patients. Comparisons of radiation dose, image quality score (IQS), visual grading analysis (VGA) were performed before (routine protocol) and after exposure parameter modifications. In addition, comparisons of contrast-to-noise ratios (CNRs) and figure of merits (FOMs) for the images before and after applying image processing were also performed to investigate the feasibility of this study.
The results showed that there were no significant difference of the spinal angulation measurements between the images acquired using exposure parameters before and after modification. For the assessments of the feasibility of applying image processing algorithms on the lower dose images, CNRs were increased as compared to the images without image processing (20.5% and 11% increased for modifying exposure parameters and reducing the dose to the lowest, respectively). And FOMs were also increased after image processing as compared to the images without image processing (maximum of 49.38% and 32.20% increased for modifying exposure parameters and reducing the dose to the lowest, respectively). There was no significant difference of the qualitative image quality with image processing between the images acquired using exposure techniques before and after modifications for both phantom and patients. For qualitative evaluation, both CNR and FOM were higher for the image acquired using exposure techniques after modification. As for the radiation dose investigations, averaged effective dose was significantly reduced from 0.303 mSv to 0.201 mSv, with the reduction of 33.66 % of the dose of the current protocol.
In conclusion, exposure doses for the whole spine radiography can be reduced without compromising clinical diagnosis when reducing exposure parameters and applying suitable image processing algorithms. If image processing algorithms develop further well and integrate well into clinical applications, radiation dose may be further reduced in the future.
摘要 I
Abstract III
謝誌 V
目錄 VI
圖目錄 X
表目錄 XIII
第一章、緒論 1
1-1 前言 1
1-2 研究背景 1
1-3 文獻回顧 4
1-4 研究目的 9
1-5 論文架構 9
第二章、理論基礎 11
2-1 脊椎側彎 11
2-2 脊椎側彎的檢查 13
2-2-1 理學檢查方法 13
2-2-2 影像檢查方法 14
2-2-3 影像檢查攝影技術原理 14
2-3 Cobb角度定義 16
2-4 脊椎側彎的治療 17
2-5 影像處理原理 18
2-5-1 ImageJ影像處理軟體介紹 18
2-5-2 影像Log 值轉換(Log transformation) 19
2-5-3 直方圖正規化(Histogram Normalization) 20
2-5-4 直方圖等化(Histogram Equalization) 21
2-5-5 中值濾波器(Median Filter) 21
2-6 輻射曝露劑量 23
2-6-1 管電壓(tube voltage, kVp) 23
2-6-2 管電流乘積(tube current-exposure time product, mAs) 24
2-6-3 有效劑量 (Effective dose) 24
2-6-4 合理抑低(As Low As Reasonably Achievable,ALARA) 25
2-6-5 影像品質(Image Quality) 26
2-7 影像品質評估方法 27
2-7-1 定性評估方法(主觀評估方法) 27
2-7-2 定量評估方法(客觀評估方法) 30
2-8 劑量評估方法 30
2-9 統計方法 32
第三章、研究架構與方法 33
3-1 研究材料及設備 33
3-1-1 10歲類人形假體 33
3-1-2 類人形片段假體(Anthropomorphic phantoms) 33
3-1-3 蒙地卡羅運算軟體(PCXMC 2.0) 35
3-1-4 數位放射攝影X光機 37
3-2 研究架構及流程 38
3-3 研究方法 39
3-3-1 評估臨床小兒全脊椎攝影之條件參數及建立條件表 39
3-3-2 全脊椎攝影曝露條件最佳化參數建立 40
3-3-3 Cobb角度量測評估 42
3-3-4 影像處理系統模型建立及品質評估 44
3-3-5 影像處理模型處理設定之參數 46
3-3-6 全脊椎攝影曝露條件最佳化應用於臨床病人 46
第四章、結果與討論 49
4-1 臨床現行攝影參數調查結果 49
4-2 全脊椎攝影曝露條件最佳化參數表建立結果 49
4-3 Cobb角度量測驗證結果 52
4-4 不同影像處理模型影像品質結果 53
4-5 假體影像處理前後品質評估結果 54
4-5-1不同曝露參數模式影像處理前後品質評估結果 54
4-5-2漸進式調降曝露參數影像處理前後品質評估結果 57
4-6 假體影像處理前後影像品質結果討論 59
4-7 臨床病人影像處理前後品質評估結果 61
4-8 臨床病人整體影像品質評估及劑量評估結果 63
4-8-1 定性評估結果 63
4-8-2 定量評估結果 65
4-8-3 輻射劑量曝露評估結果 65
4-9 臨床病人影像品質結果討論 67
4-10 研究的限制 68
第五章、結論與未來展望 70
5-1 結論 70
5-2 未來展望 71
參考文獻 73
附錄 76


圖目錄
圖1.1 全脊椎攝影之照射範圍及X光影像示意圖 3
圖1.2 不同攝影技術所獲得之X光影像 5
圖1.3 EOS技術示意圖 6
圖1.4 EOS技術之全脊椎X光影像 6
圖1.5 Cobb angle測量示意圖 11
圖2.1 脊椎側彎Adam式前彎測驗理學檢查 13
圖2.2 X光訊號透過電荷元件耦合轉換為電子訊號 14
圖2.3 全脊椎X光影像合成示意圖 15
圖2.4 數位放射攝影技術全脊椎攝影技術檢查示意圖 16
圖2.5 傅立葉頻譜轉換示意圖 20
圖2.6 直方圖等化示意圖 21
圖2.7 中值濾波器的處理運算原理 22
圖2.8 中值濾波器影像處理示意圖 23
圖2.9 評分的解剖構造相關位置如圖上編號所示 28
圖2.10 Visual Grading Analysis(VGA)score 評分方式說明 29
圖2.11 感興趣區域圈選位置假體與人體示意圖 31
圖3.1 10歲小孩類人形假體(CIRS, Ilbert ATOM, Model 706-D) 34
圖3.2 類人形片段假體解剖各部分區塊 34
圖3.3 PCXMC 2.0 定義射束與照野幾何的使用者介面 35
圖3.4 PCXMC 2.0 模擬X光機能譜的使用者介面 36
圖3.5 PCXMC 2.0 給予輻射輸出量的使用者介面 36
圖3.6 數位放射攝影X光機系統 37
圖3.7 研究實驗架構流程圖 38
圖3.8 小兒假體攝影照像擺位姿勢與照相長度參數設定 42
圖3.9 類人形片段假體模擬脊椎側彎擺位姿勢 43
圖3.10 類人形假體模擬脊椎側彎之X光影像 43
圖3.11 不同攝影條件影像之直方圖及灰階值分佈圖 44
圖3.12 影像處理系統模型及品質評估流程圖 45
圖3.13 全脊椎X光照射攝影檢查流程圖 47
圖3.14 體厚量測前後解剖位置示意圖 48
圖4.1 固定管電壓調整管電流乘積之影像評估評分及影像優值之關係 50
圖4.2 固定管電流乘積調整管電壓之影像評估評分及影像優值之關係 51
圖4.3 不同影像處理模型下所得之影像結果及品質變化結果 54
圖4.4 假體在不同曝露攝影參數及感興區區域影像處理前後與對比雜訊比關係55
圖4.5假體在不同曝露攝影參數及感興區區域整體影像處理前後平均對比雜訊比關係56
圖4.6 曝露攝影參數與有效劑量(mSv)之間關係變化 56
圖4.7 小兒假體在不同攝影參數影像處理前後優值變化差異百分比關係 57
圖4.8 小兒假體在曝露攝影參數漸進式調降影像處理前後與平均對比雜訊比關
係 58
圖4.9 攝影曝露參數漸進式調降與有效劑量之間變化關係 58
圖4.10 小兒假體在曝露攝影參數漸進式調降的影像處理前後優值差異百分比變
化 59
圖4.11 相同攝影條件原始影像與處理後之影像結果 60
圖4.12 高曝露條件原始影像與低曝露條件處理後影像結果 60
圖4.13 影像處理前後優值之變化 61
圖4.14 調降條件所得之影像 62
圖4.15 影像處理前後Visual Grading Analysis(VGA)評分 63
圖4.16 現行條件與調降條件影像平均CNR關係 66
圖4.17 現行條件與調降條件影像平均優值關係 66
圖4.18 輻射敏感器官在調降條件曝露前後之有效劑量 67

表目錄
表1.1 過去研究調查全脊椎攝影檢查的劑量分布 7
表2.1 Cobb angle與脊椎側彎之定義與治療建議 13
表2.2 脊椎側彎嚴重程度與Cobb角度大小對照表 17
表2.3 人體各組織器官加權因數 25
表3.1 數位放射攝影X光硬體規格一覽表 37
表3.2 以10歲小兒為基準所調查之放射師現行臨床曝露攝影參數表 39
表3.3 固定管電壓調整管電流,固定管電流調整管電壓參數表 41
表3.4 小兒假體模擬攝影曝露參數表 41
表3.5 影像處理參數設定表 46
表4.1 不同體厚現行攝影曝露參數條件對照表 49
表4.2 不同體厚調降條件參數攝影條件表 51
表4.3 為三位觀測者角度量測結果 52
表4.4 不同影像處理模型與影像優值結果之關係 53
表4.5 影像品質評分(Image Quality Score,IQS)結果 64
表4.6 主觀特徵評估Visual Grading Analysis(VGA)score結果 64
表4.7 臨床病人攝影檢查所接受之曝露器官劑量及有效劑量 67
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