楊 震 楊樹欣 高 磊 雷繼業(yè) 詹寧波 田林懷

目前，CT影像設(shè)備廣泛應(yīng)用于人體各個(gè)部位的檢查，在臨床疾病的診斷和治療中發(fā)揮越來越重要的作用。而CT影像設(shè)備都是由硬件和軟件兩部分組成，硬件是“軀殼”，軟件是“靈魂”，硬件的工作必須依靠軟件的支持。CT圖像的產(chǎn)生過程大致分為掃描、采集、重建運(yùn)算及圖像顯示，這些工作環(huán)節(jié)的正常與否直接影響到最終產(chǎn)生影像的質(zhì)量。而影像是診斷疾病的依據(jù)，是CT掃描機(jī)發(fā)展的最終目的。圖像偽影的形成原因多而且復(fù)雜，就目前的技術(shù)而言，偽影是不可能完全消除的，但是可以通過設(shè)備的設(shè)計(jì)、校準(zhǔn)和良好的使用方法來盡可能避免和減少偽影的出現(xiàn)[1-3]。本研究借助計(jì)算機(jī)軟件和硬件技術(shù)有效消除CT圖像偽影，提高圖像質(zhì)量。

1 CT成像基本原理

CT每掃描一次即可得到一個(gè)方程，經(jīng)過若干次掃描即得到一聯(lián)立方程。經(jīng)過計(jì)算機(jī)運(yùn)算(傅里葉轉(zhuǎn)換、反投影法等)可以解出這一聯(lián)立方程，從而求出每個(gè)體素的X射線吸收系數(shù)或衰減系數(shù)，將其排列成數(shù)字矩陣(digital matrix)，數(shù)字矩陣經(jīng)過數(shù)字、模擬轉(zhuǎn)換器(D/A)將數(shù)字矩陣中的每個(gè)數(shù)字轉(zhuǎn)變?yōu)橛珊诘桨撞煌叶鹊男》綁K即像素(pixel)，并按矩陣排列構(gòu)成CT圖像。

2 CT偽影種類及成因

偽影是指顯示在CT圖像中，但實(shí)際不存在的對(duì)應(yīng)原始物質(zhì)的結(jié)構(gòu)或圖案。偽影主要分為暗帶偽影(Dark bar)、杯狀偽影(Cupping)、圈狀偽影(Ring)、底紋偽影(Shading)和條紋偽影(Streak)。CT偽影形成原因包括：①物理原因，射線硬化效應(yīng)、部分容積效應(yīng)和欠采樣；②患者原因，患者運(yùn)動(dòng)和體內(nèi)植有金屬；③設(shè)備原因，探測(cè)器單元損害以及由于溫度變化、探測(cè)器靈敏度改變導(dǎo)致的漂移現(xiàn)象，以及取樣頻率等機(jī)器固有因素參數(shù)；④患者體位定位不當(dāng)，螺旋掃描時(shí)掃描螺距和重建層厚設(shè)置不當(dāng)[4-6]。

3 CT偽影消除方法

圖像偽影在臨床上多種多樣，如想評(píng)估圖像的偽影首先要搞清楚圖像偽影是來源于設(shè)備還是人為導(dǎo)致。人為造成的偽影有：患者運(yùn)動(dòng)偽影，設(shè)備沒有做空校偽影(圖像的一致性、線型較差)，參數(shù)選擇不當(dāng)導(dǎo)致的偽影(圖像的噪聲大)，人體特殊結(jié)構(gòu)引起的偽影(后顱腦引起的偽影)。以上這些情況同樣影響圖像的質(zhì)量，但是可以通過技術(shù)手段排除或者減輕。CT圖像偽影不能徹底消除，但可以通過技術(shù)手段將其消除或減輕，使其干擾降低到最小，或適當(dāng)調(diào)整窗寬、窗位，使其在診斷的窗寬、窗位范圍內(nèi)不顯示出來，可最大限度地降低其對(duì)臨床診斷的影響。

3.1 金屬偽影和患者可控運(yùn)動(dòng)偽影的消除

患者體內(nèi)的假牙、手術(shù)植入的金屬體、手術(shù)夾及項(xiàng)鏈等金屬均能導(dǎo)致X射線束硬度的改變，從而導(dǎo)致金屬偽影的產(chǎn)生。同時(shí)由于各金屬物體的密度、尺寸不同對(duì)X射線的吸收量也不同，會(huì)導(dǎo)致很強(qiáng)的黑色帶狀偽影。除了手術(shù)植入體外，其偽影若在掃描前對(duì)患者加以提醒則可避免。掃描過程中或掃描層次變換時(shí)，人體組織的運(yùn)動(dòng)同樣可以導(dǎo)致亮暗交錯(cuò)的偽影。掃描曝光前若對(duì)患者進(jìn)行提醒則可減少所造成的影響。如做肺部或腹部掃描時(shí)囑患者吸氣、屏住氣；做喉部或食道檢查曝光前告知患者不可吞咽。

3.2 患者不可控運(yùn)動(dòng)偽影的消除

患者器官的自身蠕動(dòng)及心臟的跳動(dòng)不受人體控制，消除這種偽影的方法是提高設(shè)備的時(shí)間分辨率。西門子二代雙源CT，有兩個(gè)X射線球管并對(duì)應(yīng)兩組128排探測(cè)器，兩個(gè)球管呈90o，交叉安裝在旋轉(zhuǎn)機(jī)架上，其機(jī)架旋轉(zhuǎn)速度可達(dá)0.25 s/r，時(shí)間分辨率為66 ms，管電壓為70～150 kV。此款CT機(jī)憑借其獨(dú)特的雙球管新技術(shù)，使掃描時(shí)間分辨率有了極大提高，可有效消除運(yùn)動(dòng)偽影

3.3 部分容積偽影的消除

減輕部分容積效應(yīng)偽影的方法是適當(dāng)選擇薄的層厚進(jìn)行掃描，但需注意薄層掃描會(huì)產(chǎn)生較大的圖像噪聲，減低低對(duì)比度分辨力，設(shè)置層厚為2 mm的圖像質(zhì)量較清晰(如圖1所示)。

圖1 容積效應(yīng)圖

3.4 射線硬化效應(yīng)產(chǎn)生偽影的消除

目前使用的CT設(shè)備X射線管發(fā)射的是全能譜X射線，成為CT成像的一個(gè)限度，這一限度是固有和不可逾越的，只有使用單色X射線束才可徹底消除硬化效應(yīng)偽影，但可用硬件和軟件相結(jié)合的方法最大限度地減輕[7-8]。

(1)硬件方法。X射線從球管到陣列探測(cè)器要經(jīng)過濾線柵、前固定準(zhǔn)直器、前可調(diào)準(zhǔn)直器、掃描物體、后可調(diào)準(zhǔn)直器及后固定準(zhǔn)直器。其中，前準(zhǔn)直器的作用是控制X射線束在與人體平行方向上的寬度從而控制掃描層厚度。圖像的層厚靈敏度剖面線取決于X射線管探測(cè)器，因此，準(zhǔn)直器孔徑?jīng)Q定了被檢體的厚度，層厚正是通過調(diào)節(jié)準(zhǔn)直器的孔徑來切換的。后準(zhǔn)直器的狹縫分別對(duì)準(zhǔn)每個(gè)探測(cè)器，使探測(cè)器只接收垂直于探測(cè)器方向的射線，盡量減少來自其他方向的散射產(chǎn)生的干擾。為了在劑量不增加的前提下有效地利用X射線，探測(cè)器孔徑寬度要略大于前準(zhǔn)直器寬度。準(zhǔn)直器是一種輻射衰減物質(zhì)，用以限制到達(dá)探測(cè)器組件的放射線角度分布，其作用是空間定位，即僅局限于某一空間單元的射線進(jìn)入探測(cè)器，而其他部分的射線則被屏蔽而不能進(jìn)入探測(cè)器。濾線柵可有效濾除能量較低的散射，濾除率約為73%，前、后準(zhǔn)直器可使散射線濾除率上升到88%[9]。因此，可通過在靠近球管焦點(diǎn)側(cè)過增加濾線柵和校準(zhǔn)前、后準(zhǔn)直器來濾除散射線而消除射線硬化效應(yīng)產(chǎn)生的偽影(如圖2所示)。

圖2 硬件方法示意圖

(2)軟件方法。在水模的成像中，通過中間射線會(huì)有更高的能級(jí)和距離，因此在未校正的情況下中心的CT值低于邊緣的CT值。通過軟件校正補(bǔ)償由于射線能級(jí)的變化造成的不均勻性，在校正過程中，通過測(cè)量不同位置的CT值來進(jìn)行驗(yàn)證，實(shí)現(xiàn)中心和邊緣的CT值一致(如圖3所示)。

圖3 軟件方法示意圖

3.5 欠采樣偽影的消除

絕大部分的欠采樣偽影可以通過控制掃描參數(shù)得以解決：①使用能反映所需部位圖像的最小FOV：②使用合適的重建算法和掃描時(shí)間。kernel H80，掃描時(shí)間為1.5 s的圖像空間分辨率最高，噪聲偽影最小(如圖4所示)。

圖4 欠采樣偽影圖

3.6 探測(cè)器余輝效應(yīng)導(dǎo)致偽影的消除

探測(cè)器余輝時(shí)間的長短決定了設(shè)備的單次采集時(shí)間，余輝時(shí)間越短陣列計(jì)算機(jī)單位時(shí)間內(nèi)通過通道采集的原始數(shù)據(jù)越多，允許的機(jī)架旋轉(zhuǎn)速度越大，設(shè)備的高對(duì)比度分辨率越高。CsJ探測(cè)器的余暉時(shí)間為3 ms，因其余暉時(shí)間最長，計(jì)算機(jī)單位時(shí)間采集數(shù)據(jù)最少導(dǎo)致圖像質(zhì)量較差，其圖像質(zhì)量不能滿足要求已淘汰。UFC超高速稀土陶瓷探測(cè)器的余輝效應(yīng)時(shí)間為0.002 ms，最短掃描時(shí)間＜0.4 s，且圖像質(zhì)量較好[10](如圖5所示)。

3.7 探測(cè)器原因?qū)е聜斡暗南?/h3>

設(shè)備自身原因?qū)е碌膫斡坝协h(huán)形偽影和線條狀偽影，校正設(shè)備偽影有下述兩種方法。

(1)通道A和通道B上的探測(cè)器對(duì)X射線的響應(yīng)強(qiáng)度不一致，由于每個(gè)探測(cè)器通道材料不均一性，漏電流和增益的不同，晶體和二極管的耦合以及晶體本身的缺陷等，使得每個(gè)通道對(duì)X射線的吸收和增益不同，導(dǎo)致探測(cè)器之間存在參數(shù)和余輝時(shí)間的差異。因此，要定期(3個(gè)月左右)進(jìn)行空氣校準(zhǔn)，從而保證采樣數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性(如圖6所示)。

圖6 空氣校正示圖

(2)Defective channel correction壞通道校正，通過相鄰?fù)ǖ罃?shù)據(jù)的差值彌補(bǔ)損壞的通道，壞通道是通過開機(jī)檢查和維修途徑發(fā)現(xiàn)并標(biāo)記，達(dá)到消除環(huán)形偽影的目的[11-12](如圖7所示)。

圖7 壞通道校正示圖

4 討論

為了獲得醫(yī)師滿意的圖像且患者受照輻射小，臨床技師須在掃描參數(shù)設(shè)置和圖像后處理方面注意細(xì)節(jié)，找到各參數(shù)的最佳平衡點(diǎn)。后處理圖像質(zhì)量與恰當(dāng)?shù)膾呙栌?jì)劃和數(shù)據(jù)采集直接相關(guān)，各種后處理技術(shù)有不同的優(yōu)缺點(diǎn)，并且計(jì)算機(jī)需要的時(shí)間長短也不一樣。不同的病變需要采用不同的后處理技術(shù)，不同的后處理技術(shù)需要采用不同的掃描計(jì)劃。掃描參數(shù)包括管電壓、管電流、旋轉(zhuǎn)時(shí)間、螺距及螺旋因子。管電壓(kV)越高X射線能量越大，穿透力越強(qiáng)；康普頓效應(yīng)越強(qiáng)，散射線越多，影像密度分辨力及信噪比(signal noise ratio，SNR)越低，空間分辨力及噪聲性偽影越高。而kV越低光電效應(yīng)越強(qiáng)，影像密度分辨力及SNR越高，空間分辨力越低[13]。管電流(mA)與X射線的量相對(duì)應(yīng)，mA越大，所獲圖像SNR越高，但輻射劑量也相應(yīng)增加。旋轉(zhuǎn)時(shí)間(s)可根據(jù)CT檢查的臨床要求進(jìn)行調(diào)整，常規(guī)胸部、血管和兒科檢查所需的旋轉(zhuǎn)時(shí)間較短，可以縮短掃描持續(xù)時(shí)間，減弱運(yùn)動(dòng)偽影。

在血管和心臟CT檢查中，需要縮短旋轉(zhuǎn)時(shí)間以獲得最佳的對(duì)比增強(qiáng)效果，并凍結(jié)心臟運(yùn)動(dòng)[14]。在大腦或腰椎常規(guī)檢查中使用的旋轉(zhuǎn)時(shí)間較長，因?yàn)樵谶@些檢查中患者運(yùn)動(dòng)可以忽略，或需要增加劑量和投照采樣來改善圖像細(xì)節(jié)。螺旋因子越小掃描相同部位所用時(shí)間越長，微小病灶越不易遺漏，Z軸空間分辨力及圖像反映實(shí)際結(jié)構(gòu)的真實(shí)性越高，但輻射劑量升高。在日常CT檢查工作中，如果單純用平掃檢查，則實(shí)質(zhì)臟器的漏診率高達(dá)40%，而確診率也只有30%。因此，利用組織器官的血供引入造影劑，再根據(jù)不同組織結(jié)構(gòu)和不同疾病對(duì)造影劑的吸收和分布特點(diǎn)及規(guī)律，從而更好地提高病變檢出率和圖像質(zhì)量[15]。

圖像后處理參數(shù)設(shè)置包括層厚、Increment、FOV、Kernel和窗值。層厚是指重建圖像的厚度，層厚越厚密度分辨力及SNR越高，空間分辨力越低。薄層可獲得更多的細(xì)節(jié)，但增加噪聲。圖像多所需的存儲(chǔ)空間大，尚可用來解釋解剖詳細(xì)結(jié)構(gòu)和三維圖像。厚層有較高的低對(duì)比劑分辨率，可較好地區(qū)分組織結(jié)構(gòu)，且有較低的噪聲等級(jí)；圖像少存儲(chǔ)和存檔簡(jiǎn)單，尚可用于進(jìn)行二維后處理的常規(guī)軟組織檢查。窄窗寬的對(duì)比度好，能清晰顯示肝病變；寬窗寬能顯示較多組織(如脂肪)，但是可能會(huì)掩蓋較小的肝病變；更高的窗位和更寬的窗寬可用于顯示骨結(jié)構(gòu)。

[1]王新治.西門子Sensation16 CT圖像偽影形成與檢修[J].中國醫(yī)學(xué)裝備,2013,10(2):78-79.

[2]李新華,李強(qiáng),張海寧,等.醫(yī)用CT的質(zhì)量控制和保證[J].醫(yī)療衛(wèi)生裝備,2004,25(7):39.

[3]陳革.CT圖像偽影與影像質(zhì)量控制[J].醫(yī)療裝備,2010,23(7):7-9.

[4]陳紅.CT成像質(zhì)量影響因素[J].中國衛(wèi)生產(chǎn)業(yè),2014(4):197-198.

[5]胡鵬志,周向明.CT偽影分析[J].醫(yī)學(xué)臨床研究,2002,19(4):317-318.

[6]孟偉,席建寧.淺談CT圖像偽影[J].醫(yī)療設(shè)備信息,2002,17(12):33.

[7]楊克檉,王余鋒.CT圖像偽影[J].醫(yī)療裝備,2006,19(5):16-17.

[8]何衛(wèi)紅,方向軍,彭建春,等.螺旋CT圖像常見偽影的分析和處理[J].中南醫(yī)學(xué)科學(xué)雜志,2011,39(6):692-694.

[9]許全盛,袁克虹,于麗娟,等.PET/CT圖像呼吸運(yùn)動(dòng)偽影校正研究進(jìn)展[J].中國生物醫(yī)學(xué)工程學(xué)報(bào),2009,28(4):573-580.

[10]郭剛.CT偽影故障的分析及處理[J].中國醫(yī)療設(shè)備,2012,27(6):132-134.

[11]1Barrett JF,Keat N.Artifacts in CT:recognition and avoidance[J].Radio Graphics,2004,24(6):1679-1691.

[12]Yazdi M,Beaulieu L.Artifacts in spiral X ray CT scanners:problems and solutions[J].International Journal of Biological Medical Sciences,2009,4(3):135-139.

[13]Hsieh J.Image artifacts:appearances causes and corrections.Computed tomography:principles design artifacts and recent advances[M].Bellingham Wash:SPIE Press,2003:167-240.

[14]王新治.西門子Sensation16 CT圖像偽影形成與檢修[J].中國醫(yī)學(xué)裝備,2013,10(2):78-79.

[15]張春玲,亓恒濤.多層螺旋CT圖像偽影的探討[J].泰山醫(yī)學(xué)院學(xué)報(bào),2006,127(15):425-427.