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XCT mastery Monthly - 精通X射線CT月刊是由Francesco Iacoviello博士發(fā)起、撰寫并發(fā)布的，旨在給大家分享X射線CT相關(guān)的使用技巧、潛在竅門及經(jīng)驗見解。每期都會深入探討 XCT實踐中面臨的挑戰(zhàn)和解決方案，涵蓋以下主題：

圖像優(yōu)化：學(xué)習(xí)實現(xiàn)清晰CT 掃描的技巧。

故障排除：掌握克服常見 CT 問題和偽影的策略。

高級技術(shù)：探索前沿方法和軟件功能。

工作流程效率：探索簡化 CT 流程并節(jié)省時間的方法。

社區(qū)討論：加入討論，分享您的經(jīng)驗和疑問。

深入探討X射線計算機

斷層掃描偽影

（環(huán)狀偽影示例）

一、 XCT偽影為何重要？

二、射束硬化：“杯狀”與“條狀”偽影

射束硬化可以說是CT成像中最普遍的基于物理的偽影之一。它源于CT掃描儀產(chǎn)生的X射線束的多色性（如下圖1）。

圖1. 單色與多色X射線束穿透物體后效果示例

有X射線管輻射的X射線束并非由能量完全相同的光子組成；相反，它是一個能量譜。當(dāng)此光束穿過物體時，較低能量（較軟）的X射線比較高能量（較硬）的X射線更容易被衰減（吸收或散射）。這種對低能光子的優(yōu)先吸收導(dǎo)致X射線束在穿過物體時平均能量增加——因此稱為“射束硬化”。

CT中的重建算法通常假設(shè)使用的是單色（單能量）X射線束（圖1）。當(dāng)射束硬化效應(yīng)違背了這一假定時，衰減數(shù)據(jù)就會出現(xiàn)不一致，從而導(dǎo)致偽影。

射束硬化主要以兩種方式表現(xiàn)：

杯狀偽影（Cupping Artefact）：在相對均勻、致密的物體（如頭部或圓柱形模體）圖像中，物體中心顯得比外圍人為更暗（CT值更低）。這使得物體在其密度分布上呈現(xiàn)“杯狀”或碟形外觀。這是因為穿過物體中心的光束路徑最長，因此變得“更硬”，導(dǎo)致中心區(qū)域的衰減被低估。（圖2左側(cè)）

條狀偽影（Inter-Petrous Streaks）：圖像中兩個致密物體之間（如顱骨巖骨之間或金屬植入物周圍（在醫(yī)學(xué)CT中）經(jīng)常出現(xiàn)黑色條紋或條帶。這些暗帶旁邊也可能出現(xiàn)亮條紋。這是因為同時穿過兩個致密物體的光束顯著硬化，導(dǎo)致沿該路徑的衰減被低估，相比之下，僅穿過其中一個物體或較軟組織的路徑則不會。（下圖2右側(cè)）。

圖2. 射束硬化偽影說明

有幾種方法可用于最小化射束硬化偽影：

1、硬件解決方案

過濾（Filtration）：在X射線管處添加過濾器（例如，薄銅片、鋁片、錫片等），通過在低能光子到達樣本前將其部分移除，幫助“預(yù)硬化”光束。這使得光束更有效地接近單色。

更高kVp：使用更高的管電壓峰值（kVp）會產(chǎn)生更高的平均X射線束能量，不易發(fā)生硬化。但這可能會降低圖像對比度。

2、軟件矯正

射束硬化校正算法：大多數(shù)現(xiàn)代CT掃描儀都包含復(fù)雜的軟件算法，試圖校正射束硬化。這些算法可以線性化衰減數(shù)據(jù)或迭代重建圖像，以考慮光束的多色性。

雙能CT（DECT）：這種先進技術(shù)涉及在兩種不同的X射線能量水平下采集數(shù)據(jù)。通過分析在這些能量下的衰減差異，可以更好地區(qū)分材料，并顯著減少射束硬化效應(yīng)。可以重建虛擬單色圖像，有效消除多色光束問題。

3、樣本定位與技術(shù)

盡可能避免掃描非常厚且致密的區(qū)域。使用適當(dāng)?shù)膾呙枰曇埃‵OV）和重建核。

三、 條狀偽影

雖然射束硬化是條狀偽影的一個主要原因，但它們也可能源于其他幾個來源。這些偽影表現(xiàn)為圖像上不正確的亨氏（HU）值的窗寬、條紋或條帶，通常從高對比度區(qū)域發(fā)出。

1、光子不足（噪聲引起的條紋）：當(dāng)X射線束穿過樣本非常致密的部分時，到達探測器的光子數(shù)量可能變得極低。這種“光子不足”導(dǎo)致投影數(shù)據(jù)噪聲非常大。在重建過程中，這種高噪聲會被放大并反投影到圖像中，成為顯著的條紋，通常出現(xiàn)在衰減最大的方向上。

2、金屬偽影：金屬物體（例如，牙科填充物、手術(shù)夾、假體裝置、脊柱內(nèi)固定物）的存在是導(dǎo)致嚴(yán)重條狀偽影的一個眾所周知的原因。這是由于極端的束硬化（金屬具有非常高的衰減系數(shù)）、光子不足、散射以及金屬邊緣效應(yīng)的共同作用。產(chǎn)生的條紋可能非常嚴(yán)重，以至于使周圍的解剖結(jié)構(gòu)無法診斷。（下圖3）。

圖3. 金屬偽影

3、患者運動：如果患者/物體在掃描過程中移動（無論是自主移動（并非樣本本身：））還是非自主移動，如呼吸或心臟運動），不同投影采集的數(shù)據(jù)會變得不一致。重建算法會誤解這種不一致性，導(dǎo)致條紋、模糊或重影偽影，尤其是在高對比度界面周圍。（如下圖4）

圖4. 樣本運動偽影。

4、部分容積效應(yīng)：雖然并不總是條紋，但當(dāng)體素包含具有非常不同衰減值的材料混合物（例如，致密骨和軟組織）時，產(chǎn)生的CT值是一個平均值。如果這種情況發(fā)生在尖銳、傾斜取向的界面上，有時會導(dǎo)致條紋狀或帶狀外觀。（如下圖5）

圖5. 部分容積效應(yīng)。

處理條狀偽影很大程度上取決于其原因：

1、對于光子不足：

（1）增加管電流和/或管電壓：更高的管電流（mA）增加光子數(shù)量，而更高的kVp增加光子穿透力。

（2）自適應(yīng)過濾/管電流調(diào)制：現(xiàn)代掃描儀可以根據(jù)物體在不同投影下的衰減自動調(diào)整管電流，讓更多的光子透過更致密區(qū)。

（3）迭代重建和深度學(xué)習(xí)算法：這些先進的重建技術(shù)能更有效地處理噪聲數(shù)據(jù)，并且與傳統(tǒng)的濾波反投影（FBP）相比，可以顯著減少條狀偽影。

2、對于金屬偽影：

（1）金屬偽影減少（MAR）軟件：專門的算法旨在識別和校正由金屬引起的損壞數(shù)據(jù)。這些算法可能涉及用插值替換受影響的投影數(shù)據(jù)或使用迭代方法。

（2）雙能CT：與射束硬化一樣，DECT有助于區(qū)分金屬和組織，并在更高能量下生成虛擬單色圖像，減少金屬引起的條紋。

（3）增加管電壓：提高對金屬的穿透力。

（4）薄層掃描：有時有助于隔離偽影。

3、對于患者運動（醫(yī)學(xué)CT）：

（1）患者溝通與固定：清晰的指令、舒適的體位和固定裝置可以減少自主運動。

（2）更快的掃描時間：現(xiàn)代多探測器CT（MDCT）掃描儀提供非常快速的采集，最大限度地減少運動機會。

（3）心電門控/呼吸門控：對于心臟和胸部成像，心電門控將數(shù)據(jù)采集與心臟周期同步，而呼吸門控則在特定呼吸階段采集數(shù)據(jù)。

（4）運動校正算法：一些高級軟件可以進行回顧性運動偽影校正。

四、 環(huán)狀偽影：不需要的圓圈

環(huán)狀偽影，顧名思義，是疊加在CT圖像上的圓形或同心圓環(huán)圖案，通常以旋轉(zhuǎn)軸為中心。它們是基于掃描儀的偽影的典型例子。

環(huán)狀偽影主要由CT掃描儀中的探測器故障或校準(zhǔn)錯誤引起：

（1）探測器漂移/增益變化：如果一個或多個探測器元件校準(zhǔn)失常，即它們對給定X射線強度的響應(yīng)持續(xù)高于或低于其相鄰元件，這種誤差會在所有角度上反投影，從而產(chǎn)生一個環(huán)。

（2）有缺陷的探測器元件：一個不工作或間歇性工作的探測器元件也會導(dǎo)致讀數(shù)不一致，產(chǎn)生環(huán)狀偽影。

（3）污染：在極少數(shù)情況下，CT管孔徑或探測器窗口上的外來物質(zhì)（如一滴造影劑）可能導(dǎo)致環(huán)狀圖案。

本質(zhì)上，來自一個或多個探測器元件的任何系統(tǒng)性誤差，若未通過校準(zhǔn)程序校正，都可能導(dǎo)致這些偽影。

環(huán)狀偽影通常非常明顯（下圖6）：

（1）它們表現(xiàn)為尖銳的、完整的或部分的圓圈。

（2）它們以掃描儀的等中心點為中心。

（3）它們可能很細(xì)微或非常顯著，有時會掩蓋下方的解剖結(jié)構(gòu)/樣本特征。

（4）如果多個探測器像素受到影響，可能會出現(xiàn)多個環(huán)。

圖6. 環(huán)狀偽影示例

預(yù)防和校正環(huán)狀偽影通常涉及CT掃描儀的維護和校準(zhǔn)：

（1）探測器校準(zhǔn)：定期且徹底地校準(zhǔn)探測器陣列是最關(guān)鍵的預(yù)防措施。這包括空氣校準(zhǔn)（在光束中沒有物體時進行校準(zhǔn)）和通常的模體校準(zhǔn)，以確保所有探測器元件都能準(zhǔn)確、均勻地響應(yīng)。

（2）軟件校正：許多掃描儀具有旨在檢測和校正輕微探測器變化的軟件算法。這些算法可以在正弦圖（原始數(shù)據(jù)）中識別有故障的探測器讀數(shù)，并用相鄰正常工作的探測器的插值替換它們。（如下圖7）

圖7. 用于減輕環(huán)狀偽影的軟件校正。

（3）探測器更換/維修：如果某個探測器元件持續(xù)故障且校準(zhǔn)/軟件校正不足，則可能需要服務(wù)工程師進行維修或更換。

（4）清潔：確保CT組件，包括X射線管窗口和探測器蓋，清潔且無障礙物。

五、 混疊（欠采樣）偽影：

莫爾條紋的冒名者

混疊偽影，有時稱為欠采樣偽影，發(fā)生在物體中的精細(xì)細(xì)節(jié)或銳利邊緣未被探測器系統(tǒng)足夠充分地采樣時。這種不充分的采樣會導(dǎo)致高頻信號在重建圖像中被錯誤地表示為低頻信號，從而產(chǎn)生失真（圖8）。

圖8. 混疊偽影示例

奈奎斯特采樣定理指出，要準(zhǔn)確表示一個信號，必須以至少其最高頻率分量兩倍的速率進行采樣。在CT中：

（1）投影采樣不足（角度欠采樣）：如果樣本旋轉(zhuǎn)時采集的投影視圖太少，可能會遺漏或誤解精細(xì)細(xì)節(jié)，導(dǎo)致從銳利邊緣或致密物體發(fā)出的細(xì)條紋。這在較老舊的掃描儀或快速協(xié)議（CT掃描中的“快速協(xié)議”是指優(yōu)化的工作流程和成像技術(shù)，以提高速度，而不一定是單一的通用協(xié)議）中更常見。

（2）射線采樣不足（空間欠采樣）：如果探測器像素相對于被成像的細(xì)節(jié)過大，或者每個投影的采樣數(shù)過低，就可能發(fā)生混疊。這在成像具有規(guī)則高頻結(jié)構(gòu)的物體（如具有緊密間隔條的測試模型）時，會導(dǎo)致類似莫爾條紋的圖案（波浪狀或斑馬條紋圖案）。

本質(zhì)上，掃描儀“觀察”得不夠充分或不夠詳細(xì)，無法準(zhǔn)確捕獲物體的結(jié)構(gòu)。

混疊偽影可表現(xiàn)為：

（1）從致密結(jié)構(gòu)邊緣發(fā)出的細(xì)條紋或放射狀線條。這些通常出現(xiàn)在掃描物體的外圍。

（3）莫爾圖案：波浪狀或幾何圖案，特別是在成像具有周期性結(jié)構(gòu)的物體時，如果這些結(jié)構(gòu)比采樣間隔更精細(xì)。

（3）整體銳度損失或沿傾斜邊緣出現(xiàn)“階梯狀”圖案。

圖9. CT數(shù)據(jù)中混疊偽影的圖示。Step = 5 和 step = 10 分別僅使用原始數(shù)據(jù)的10%和20%進行重建。您可以看到使用太少投影產(chǎn)生條紋的效果。由Rigaku提供

最小化混疊涉及確保充足的數(shù)據(jù)采樣：

（1）增加投影數(shù)量：每次旋轉(zhuǎn)采集更多視圖（更高的角度采樣）有助于緩解，但這可能會略微增加掃描時間或劑量?，F(xiàn)代掃描儀通常為大多數(shù)應(yīng)用提供足夠的投影采樣。

（2）使用更小的視野（FOV）或放大重建：將重建聚焦在更小的區(qū)域可以有效提高該區(qū)域的采樣密度。

（3）更薄的層厚和更小的探測器像素：更高的空間分辨率能力（更小的探測器，更薄的重建層厚）本質(zhì)上意味著能更好地采樣精細(xì)細(xì)節(jié)。

（4）重建卷積核（又稱濾波函數(shù)）：雖然不能直接防止混疊，但更平滑的重建核有時可以掩蓋混疊偽影的出現(xiàn)，但代價是空間分辨率。更銳利的卷積核可能會加重它們。

（5）掃描儀設(shè)計：現(xiàn)代CT掃描儀通常采用探測器配置和采集協(xié)議設(shè)計，以最小化典型成像中的混疊。然而，在高分辨率研究應(yīng)用或成像具有精細(xì)圖案的樣本時，它仍然可能是一個問題。

六、結(jié)語

Francesco Iacoviello 是倫敦大學(xué)學(xué)院 (UCL) 化學(xué)工程系 EIL X 射線設(shè)施的實驗經(jīng)理。他于 2012 年在意大利錫耶納大學(xué)獲得礦物學(xué)和地球科學(xué)博士學(xué)位，之后前往巴西圣保羅大學(xué)，擔(dān)任該校海洋研究所的 X 射線衍射專家和實驗室經(jīng)理。Francesco 于 2015 年加入 EIL，他的研究領(lǐng)域廣泛，涵蓋從電化學(xué)裝置到頁巖氣巖石、碳捕獲和儲能系統(tǒng)以及微隕石等地質(zhì)材料的多尺度 X 射線計算機斷層掃描表征。

眾星聯(lián)恒在Francesco Iacoviello博士的授權(quán)下將其XCT Mastery Monthly系列翻譯為中文并傳播，旨在讓更多的人了解X射線CT相關(guān)的使用技巧、潛在竅門及經(jīng)驗見解，及打造一個專業(yè)的交流社區(qū)。

科學(xué)研究與產(chǎn)業(yè)的交流互動，是推動產(chǎn)業(yè)發(fā)展的重要動力。眾星聯(lián)恒作為EUV-X射線核心部件及解決方案供應(yīng)商，我們秉承著“技術(shù)無界·產(chǎn)業(yè)共生”為核心理念，一直致力于打造開放包容的交流平臺，不僅希望將優(yōu)秀成果引入中國，也致力于把中國的科研成果推向世界。