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第二節(jié) 多層螺旋CT設(shè)備的基本結(jié)構(gòu)與成像原理

一、多層螺旋CT設(shè)備的基本結(jié)構(gòu)
多層螺旋CT,包括4層、16層、64層及以上層數(shù)的螺旋CT,其中4層螺旋CT于1998年由部分CT掃描機(jī)制造商在北美放射年會(huì)上首先推出,基于單層螺旋CT有較大改進(jìn)。經(jīng)過幾年的臨床使用,其優(yōu)點(diǎn)和發(fā)展前景已得到國際公認(rèn)。簡(jiǎn)單說來,多層螺旋CT的設(shè)計(jì)思想是基于單層螺旋的概念,來源于單層螺旋CT臨床實(shí)踐的需要,而它的發(fā)展則是來自雙排探測(cè)器技術(shù)。
1.單層螺旋CT的限制與雙層螺旋CT
自20世紀(jì)80年代末90年代初螺旋CT掃描方法問世以來,由于其掃描速度快、一次掃描覆蓋范圍大,已在臨床影像的CT檢查中占有了重要的位置。在單層螺旋掃描方法中,采用大的螺距可增加掃描覆蓋范圍,但隨之而來的是縱向分辨力的降低、圖像質(zhì)量下降,這使得某些檢查如大面積創(chuàng)傷患者所需要的大范圍掃描,以及部分CT掃描的功能如CT血管造影、三維成像和多平面重組難以實(shí)現(xiàn)或成像質(zhì)量不佳。對(duì)于大面積創(chuàng)傷患者,有時(shí)需要做大范圍的、多個(gè)臟器的掃描檢查,由于單層螺旋掃描的覆蓋范圍還是有限,不能適應(yīng)這類患者的檢查。在CT血管造影檢查中,由于需要檢查的血管范圍較長(zhǎng),如能一次掃描完成全部所需的檢查范圍,不但可以減少對(duì)比劑的用量,還可改善各種后處理成像的圖像質(zhì)量。所有這些的制約因素都是由于單層螺旋掃描只采用一排探測(cè)器,X線管發(fā)出的射線只有一小部分被用來掃描成像,射線的利用效率很低。在單層螺旋掃描方法中,雖然采用了180°線性內(nèi)插算法來取代360°線性內(nèi)插算法,縱向分辨力有所提高,但噪聲卻因此增加。在一個(gè)既定的掃描范圍內(nèi),掃描速度還不夠快,特別是一些年老體弱需要屏氣掃描的患者,無法在單層螺旋掃描方法中實(shí)現(xiàn)。1992年,CT-Twin機(jī)率先采用了雙排探測(cè)器技術(shù),使掃描架做一次360°旋轉(zhuǎn)能同時(shí)獲得兩層掃描數(shù)據(jù)。與單層螺旋掃描相比,雙層螺旋的掃描覆蓋率增加了50%,而成像的質(zhì)量與單層螺旋掃描相同。實(shí)驗(yàn)表明,單層螺旋和雙層螺旋在密度分辨力、噪聲等成像性能方面無明顯差別,在180°線性內(nèi)插算法圖像重建時(shí),兩者的 z軸分辨力也無明顯的差別。單層螺旋和雙層螺旋兩者在結(jié)構(gòu)上的主要差別是后者增加了一排探測(cè)器(圖1-2-1)。
圖1-2-1 機(jī)架結(jié)構(gòu)示意圖
A.單層螺旋CT掃描機(jī)架結(jié)構(gòu);B.雙層螺旋CT掃描機(jī)架結(jié)構(gòu)
單層螺旋射線束的扇形角是69°,探測(cè)器的間距是1.0mm,機(jī)架孔徑70cm;雙層螺旋射線束的扇形角是51°,探測(cè)器的間距為1.2mm,機(jī)架孔徑同為70cm。雙層螺旋掃描由于掃描范圍覆蓋率增加一定程度上改善了單層螺旋CT縱向分辨率低、時(shí)間分辨力低等問題,但最終是多層螺旋CT掃描機(jī)的出現(xiàn),使上述這些要求完全成為現(xiàn)實(shí)。
2.多層螺旋CT
多層螺旋CT的探測(cè)器由很多排組成,其成像過程以及參數(shù)方面與單層、雙層螺旋CT相比也有所不同,主要的差別有以下幾個(gè)方面:準(zhǔn)直器的使用、射線束的寬度和螺距(圖1-2-2、圖1-2-3)。
圖1-2-2 射線束和探測(cè)器
單、雙層螺旋CT的射線束和探測(cè)器的寬度
圖1-2-3 多層螺旋CT數(shù)據(jù)采集方式示意圖
X線束由前準(zhǔn)直器準(zhǔn)直后,經(jīng)被掃描物體的衰減投射于多排探測(cè)器陣列。對(duì)單排探測(cè)器而言,其射線束的寬度等于掃描所得的層厚寬度,但在多排探測(cè)器掃描時(shí),掃描射線束的寬度并不決定掃描后得到的層厚,其最后所得的層厚是由探測(cè)器的寬度決定。如一次多層螺旋掃描,采用的射線束寬度為8mm,投射到4排探測(cè)器上可以是4層2mm的層厚,或者是2層4mm、1層8mm的層厚。從理論上說,如果不考慮探測(cè)器陣列的間隙,所采用的探測(cè)器陣列的寬度等于掃描所得的層厚(圖1-2-4),并可以用式1-2-1表示:
d(mm)=D(mm)/N
式1-2-1
式1-2-1中d是層厚或探測(cè)器的寬度,D是射線束寬度,N是所使用探測(cè)器的排數(shù)。在單層螺旋CT中射線束的寬度等于探測(cè)器的寬度,而在多層螺旋CT中探測(cè)器的寬度只等于1/N射線束的寬度,理論上這種掃描射線束的應(yīng)用,增加了掃描的覆蓋率。一般而言,探測(cè)器的排數(shù)越多,掃描覆蓋范圍越大。
多層螺旋CT中由于探測(cè)器排數(shù)的增加,X線的輻射形狀也必須做相應(yīng)改變。在單層螺旋掃描中,從X線管發(fā)出的射線束在 z軸方向成扇形,而垂直于 z軸方向則是一個(gè)很窄的射線束(與所選層厚相等),我們稱之為扇形束;在多層螺旋掃描中,由于 z軸方向探測(cè)器排數(shù)增加,垂直于 z軸方向的射線束必須增寬(圖1-2-5),以覆蓋增加的探測(cè)器陣列,這種射線束形狀被稱之為“小孔束”。小孔束在 z軸方向增加了輻射的距離,并且射線傾斜的角度也相應(yīng)增大,與單層螺旋掃描相比,圖像重建的內(nèi)插算法也必須相應(yīng)隨之改變,這一內(nèi)容將在多層螺旋圖像重建部分重點(diǎn)討論。
圖1-2-4 多層(4層)螺旋掃描數(shù)據(jù)采集方法示意圖
3.多層螺旋CT的螺距
在單層螺旋掃描中,螺距(pitch)是射線束寬度與床速的比值,而在多層螺旋掃描中螺距的確定則完全不同,一些研究和各個(gè)廠家所采用的多層螺旋掃描螺距的定義有所出入,如一種確定螺距的方法認(rèn)為多層螺旋掃描螺距的定義是:
式1-2-2
這種確定螺距的方法有些簡(jiǎn)單化,可能無法包括多層螺旋掃描中出現(xiàn)的所有情況。另外,如果我們按照單層螺旋CT螺距的定義來確定多層螺旋CT的螺距,也會(huì)遇到一些問題,首先我們必須得加上“單”“雙”和“四”這些變量。也就是說,四排探測(cè)器CT掃描螺距1是指掃描機(jī)架旋轉(zhuǎn)一周檢查床移動(dòng)一個(gè)層厚的距離,身體的各部分只接受一次掃描,螺距1對(duì)患者而言,是得到了同樣的射線劑量和同樣的圖像質(zhì)量。因此,20mm的射線束對(duì)于雙層螺旋掃描方式,可得到兩個(gè)10mm層厚的圖像,對(duì)于多層螺旋掃描,可得到四個(gè)5mm層厚的圖像。又例如,我們還是采用掃描機(jī)架旋轉(zhuǎn)一周距離的層厚來定義螺距,此處層厚指非螺旋掃描方式掃描的層厚,那么四排探測(cè)器掃描螺距0.75也可等于螺距3(4×0.75=3)。用這種方法定義螺距雖然比較簡(jiǎn)單,但有時(shí)易引起混亂,如螺距3可以是一個(gè)3,兩個(gè)1.5,四個(gè)0.75或八個(gè)0.375。而且用這種方法定義螺距也有悖于以前有關(guān)螺距的概念,即增加螺距、噪聲增加、圖像質(zhì)量下降,螺距3概念在以前螺旋掃描中也并不存在,但螺距3在雙排探測(cè)器掃描中,它的圖像質(zhì)量是有所改善的,在四排探測(cè)器掃描中,圖像質(zhì)量卻是最好的。上述有關(guān)螺距爭(zhēng)論的關(guān)鍵所在是在多層螺旋掃描方式中,射線束的寬度永遠(yuǎn)要大于探測(cè)器實(shí)際采集的寬度,但是有一點(diǎn)是確切無疑的,即在單層螺旋掃描中,螺距等于1時(shí)僅得到一層圖像,而在雙層螺旋和多層螺旋掃描方式中,得到的是多層圖像。
圖1-2-5 一維與二維探測(cè)器陣列示意圖
A.一維探測(cè)器陣列,射線源幾乎與探測(cè)器平行;B.小孔束射線,一次旋轉(zhuǎn)掃描覆蓋范圍增加
由于多層螺旋CT探測(cè)器排數(shù)的增加,使原來螺距定義引入了新的含義,在多層螺旋掃描中,式1-2-3和式1-2-4中兩種螺距的概念是存在的并且有所差別。
式1-2-3
射線束螺距的概念與單層螺旋CT螺距的概念接近,即螺距的變化與患者的輻射劑量直接相關(guān)。
式1-2-4
層厚螺距是根據(jù)層厚的寬度確定的,它與射線束螺距有下述的關(guān)系:
層厚螺距=層厚數(shù)×射線束螺距
式1-2-5
因此,層厚螺距3應(yīng)該等于單層螺旋掃描的螺距0.75,層厚螺距6等于單層螺旋的螺距1.5。從患者的輻射劑量考慮,單層螺旋CT的螺距1,等于四排探測(cè)器的多層螺旋掃描射線束螺距1,或者層厚螺距4。例如,多層螺旋4×5mm的層厚,床速是20mm/次旋轉(zhuǎn),患者接受的射線劑量應(yīng)該等于單層螺旋5mm層厚和床速5mm/次旋轉(zhuǎn)。
4.多層螺旋CT的圖像重建
在非螺旋CT掃描中,射線束的投影完全是一個(gè)垂直的平面,圖像的重建可以直接采用投影的數(shù)據(jù),不需做任何的修正。我們也已經(jīng)了解了單層螺旋掃描的圖像重建處理方法,因?yàn)槭窃谶\(yùn)動(dòng)中獲得掃描數(shù)據(jù),它是一個(gè)螺旋狀的掃描數(shù)據(jù)段,對(duì)于水平面的圖像重建來說,無法直接采用某一個(gè)斷面的投影數(shù)據(jù),必須先采用數(shù)據(jù)的內(nèi)插,然后才能按照非螺旋掃描圖像重建的方法重建成水平面圖像。
多層螺旋掃描的圖像重建,基本還是采用了線性內(nèi)插的方法,但因?yàn)槎鄬勇菪龗呙杼綔y(cè)器排數(shù)增加,X線管發(fā)出的是孔束射線而不是以前的扇形束,它的射線路徑加長(zhǎng),射線束的傾斜度也加大,在水平面圖像的重建平面沒有可利用的垂直射線。另外,由于采用多排探測(cè)器和掃描時(shí)檢查床的快速移動(dòng),如果掃描螺距比值選擇不當(dāng),會(huì)使一部分直接成像數(shù)據(jù)與補(bǔ)充成像數(shù)據(jù)交疊,使可利用的成像數(shù)據(jù)減少,圖像質(zhì)量下降(圖1-2-6)。
圖1-2-6 螺距選擇與射線利用率的關(guān)系示意圖
螺距選擇不當(dāng),使直接掃描數(shù)據(jù)與補(bǔ)充數(shù)據(jù)部分重疊,降低了射線利用率,影響了成像質(zhì)量
為了避免上述可能出現(xiàn)的情況,多層螺旋的掃描和圖像重建,一般要注意螺距的選擇并在重建時(shí)進(jìn)行必要的修正。目前多層螺旋CT圖像的重建方法主要有以下三種:
(1)掃描交疊采樣的修正:
又稱為優(yōu)化采樣掃描(optimized sampling scan)是通過掃描前的螺距選擇和調(diào)節(jié)縮小 z軸間距,使直接成像數(shù)據(jù)和補(bǔ)充成像數(shù)據(jù)分開(圖1-2-7)。
圖1-2-7 優(yōu)化采樣掃描示意圖
采用優(yōu)化采樣掃描后,使直接掃描數(shù)據(jù)和補(bǔ)充成像數(shù)據(jù)分開
(2) z軸濾過長(zhǎng)軸內(nèi)插法:
這是一種基于長(zhǎng)軸方向的 z軸濾過方法。該方法是在掃描獲得的數(shù)據(jù)段內(nèi)確定一個(gè)濾過段,濾過段的范圍大小根據(jù)需要選擇,選擇的范圍大小又被稱為濾過寬度(filter width,F(xiàn)W)(圖1-2-8),在選定的濾過段內(nèi)的所有掃描數(shù)據(jù)都被作加權(quán)平均化處理。其濾過參數(shù)寬度和形狀,通常可影響圖像的 z軸分辨力、噪聲和其他方面的圖像質(zhì)量。
圖1-2-8  z軸濾過長(zhǎng)軸內(nèi)插法示意圖
z軸濾過長(zhǎng)軸內(nèi)插法可以使沿長(zhǎng)軸方向掃描數(shù)據(jù)平均化
(3)扇形束重建:
單排探測(cè)器掃描所獲得的數(shù)據(jù),一般都采用扇形束重建算法。在多排探測(cè)器掃描方法中,是將孔束射線平行分割模擬成扇形束后,再使用扇形束算法進(jìn)行圖像的重建。在多層螺旋掃描重建方法中,利用孔束射線模擬扇形束重建算法又被稱為多層錐束體層成像算法(the algorithem of multislice cone-beam tomography,MUSCOT)。如上所述,在射線束螺距小于1或者層厚螺距小于4時(shí),會(huì)出現(xiàn)數(shù)據(jù)的重疊,所以,多層螺旋層厚螺距選擇要避免使用4或6之類的偶數(shù)整數(shù),但為了避免誤操作,多數(shù)廠家已在螺距設(shè)置中采用限制措施避免這種選擇的出現(xiàn)。
5.多層螺旋CT的探測(cè)器
多層螺旋CT的基本結(jié)構(gòu)同第三代CT,與單層螺旋CT相比兩者最主要的差別是探測(cè)器系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)(DAS)和計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的改變。目前生產(chǎn)探測(cè)器的材料一般都采用轉(zhuǎn)換效率高的稀土陶瓷,由于商業(yè)上的原因,我們目前還無法確認(rèn)材料的成分。多層螺旋CT探測(cè)器的排列大致可分為兩類:等寬型(對(duì)稱型)和不等寬型(不對(duì)稱型)探測(cè)器陣列。兩類不同排列組合的探測(cè)器陣列各有利弊。等寬型探測(cè)器排列的層厚組合較為靈活,但是外周的探測(cè)器只能組合成一個(gè)寬探測(cè)器陣列使用,并且過多的探測(cè)器排間隔會(huì)造成有效信息的丟失。而不等寬型探測(cè)器的優(yōu)點(diǎn)是在使用寬層厚時(shí),探測(cè)器的間隙較少,射線的利用率較高,因?yàn)闊o法產(chǎn)生數(shù)據(jù)的探測(cè)器間隙較少,缺點(diǎn)是層厚組合不如等寬型探測(cè)器靈活。另外,在單排探測(cè)器時(shí)掃描射線束是一束窄束射線,它與探測(cè)器之間可以不考慮射線束的角度問題,而在多排探測(cè)器情況下,投射到探測(cè)器的射線束是一束較寬的、有一定角度的寬束射線,對(duì)于平面布局的探測(cè)器而言,探測(cè)器接收到的射線會(huì)產(chǎn)生切斷效應(yīng),即所謂的“死角”(dead angle),在多排探測(cè)器的設(shè)計(jì)中,為提高射線的利用效率,通常是采用了弧形排列。
6.數(shù)據(jù)采集通道
單層螺旋CT或以前的非螺旋CT掃描機(jī),通常只有一個(gè)數(shù)據(jù)采集通道(或稱數(shù)據(jù)采集系統(tǒng),DAS),而多層螺旋CT則有數(shù)個(gè)甚至數(shù)百個(gè)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng),它們之間根據(jù)層厚選擇的需要,通過電子開關(guān)切換,進(jìn)行不同的組合,形成數(shù)據(jù)采集的輸出。多層螺旋CT的DAS工作時(shí),長(zhǎng)軸方向的探測(cè)器形成多個(gè)通道同時(shí)采集數(shù)據(jù),所有收集到的數(shù)據(jù)可以疊加。如果是16排探測(cè)器(每排探測(cè)器1.25mm)全部利用,可獲得4幅5mm層厚的圖像或2幅10mm層厚的圖像。利用后準(zhǔn)直器將位于中心處的兩個(gè)探測(cè)器各遮蓋一半,可獲得2幅0.625mm的薄層圖像。每個(gè)通道分別包括 1、2、3排探測(cè)器,可分別獲得 1.25mm、2.5mm、3.75mm層厚的4幅圖像。
7.其他一些硬件和設(shè)計(jì)的改進(jìn)
對(duì)X線管采用雙焦點(diǎn)設(shè)計(jì),提高了X線管的使用效率,增加了信息量,從而改善了圖像質(zhì)量。利用陽極接地的方法加大X線管散熱率,使X線管連續(xù)曝光時(shí)間延長(zhǎng),以適應(yīng)螺旋CT連續(xù)長(zhǎng)時(shí)間掃描的需要。
在高壓發(fā)生器方面,除使用效率高的中頻發(fā)生器以外,還把液態(tài)絕緣介質(zhì)改為固態(tài),使高壓發(fā)生器的體積大大縮小,重量大為減輕,從而減輕了掃描機(jī)架旋轉(zhuǎn)時(shí)自身的重量(以前的高壓發(fā)生器都是分離的,現(xiàn)在,特別是低壓滑環(huán)的螺旋CT掃描機(jī),都將中頻高壓發(fā)生器移入機(jī)架內(nèi))。另外,由于多層螺旋CT的掃描速度相當(dāng)快,機(jī)架旋轉(zhuǎn)一周的時(shí)間可縮短至0.5秒以下,機(jī)架高速旋轉(zhuǎn)時(shí)的離心力很大,液態(tài)油浸式高壓發(fā)生器容易發(fā)生漏油,而固態(tài)發(fā)生器的應(yīng)用則從根本上杜絕了這種可能性。
以前的數(shù)據(jù)傳送方式多采用碳刷和滑環(huán)接觸傳送數(shù)據(jù),該方法的缺點(diǎn)是碳刷上易積灰塵,影響數(shù)據(jù)的傳送,在重建后的圖像上產(chǎn)生噪聲,滑環(huán)轉(zhuǎn)速越快,灰塵越多。現(xiàn)在,有些廠家在多層螺旋CT掃描機(jī)上采用了無線電射頻方法傳送數(shù)據(jù),數(shù)據(jù)的傳送速度可比碳刷傳送方式快10倍,且無灰塵,不會(huì)因灰塵產(chǎn)生圖像噪聲。
在單層螺旋CT滑環(huán)掃描方式中,滑環(huán)的旋轉(zhuǎn)采用馬達(dá)皮帶傳動(dòng)。該方法的缺點(diǎn)是最大轉(zhuǎn)速受傳動(dòng)方式的限制,旋轉(zhuǎn)速度的精確性不夠,以及一次掃描投影數(shù)據(jù)采樣數(shù)有限。馬達(dá)皮帶傳動(dòng)最快轉(zhuǎn)速為800毫秒,每秒的采樣數(shù)最多為1 000個(gè)投影數(shù)據(jù)。而在多層螺旋CT掃描機(jī)上,一些廠家采用了線性馬達(dá)(直線電機(jī))或稱磁旋轉(zhuǎn)技術(shù),還有一些廠家采用了直接聯(lián)動(dòng)技術(shù)。這些技術(shù)的傳動(dòng)裝置沒有皮帶和其他連接部件,類似于高速列車上的傳動(dòng)裝置,兩個(gè)旋轉(zhuǎn)部件之間采用電子導(dǎo)通的方法旋轉(zhuǎn)。因此,傳動(dòng)的精確性提高,并且不產(chǎn)生摩擦,最快轉(zhuǎn)速可達(dá)500毫秒以下,每秒采樣數(shù)據(jù)超過2 000個(gè)。
8.智能掃描方式和亞秒、亞毫米技術(shù)
對(duì)于較長(zhǎng)范圍的螺旋掃描,必須要涉及人體的不同部位,而有一些人體部位的體厚和密度往往相差較大,所以使用相同的條件掃描不同的部位是不合理的。新的智能掃描方式,能在掃描過程中連續(xù)變換掃描條件,對(duì)不同的密度、體厚部位,使用不同的掃描條件,從而達(dá)到優(yōu)化、智能掃描的目的,并且降低了掃描時(shí)不必要的射線劑量。智能掃描是利用透過患者的射線測(cè)量裝置,用預(yù)先設(shè)定的計(jì)算機(jī)程序?qū)崟r(shí)監(jiān)控,并不斷反饋控制射線的劑量,最后達(dá)到智能掃描的目的。
以前螺旋掃描通常采用全掃描方式,即掃描機(jī)架旋轉(zhuǎn)一周(360°)為一個(gè)數(shù)據(jù)采集周期,現(xiàn)在有些廠家生產(chǎn)的CT掃描機(jī)采用不完全掃描方式,即只用一周掃描的一部分(240°)數(shù)據(jù)用來成像,從而縮短了掃描時(shí)間,提高了時(shí)間分辨力。另外,由于新設(shè)計(jì)的、高效的固體探測(cè)器,掃描的層厚可達(dá)1mm以下,被稱為是亞毫米層厚掃描技術(shù)。
9.多層螺旋CT的相關(guān)問題
(1)旋轉(zhuǎn)時(shí)間和單層獲得率:
機(jī)架圍繞患者旋轉(zhuǎn)360°稱為旋轉(zhuǎn)時(shí)間,以前單層螺旋CT掃描旋轉(zhuǎn)時(shí)間都是1秒,但目前的多層螺旋CT掃描大都提供亞秒掃描方式,最短可達(dá)0.5秒以下,另外,由于多層螺旋一次掃描可獲數(shù)層圖像。因此,對(duì)于多層螺旋CT掃描而言,將有一個(gè)新的概念,即單層獲得率。單從字面意義上說,這一概念非常簡(jiǎn)單,它是每秒所獲得的圖像數(shù)。譬如,采用0.5秒掃描,多層螺旋CT可得4層圖像,以1秒計(jì)算則為8層。單層獲得率反映了多層螺旋CT掃描機(jī)的探測(cè)器利用率和掃描速度,我們利用單層獲得率公式進(jìn)一步討論這一問題。
式1-2-6
如果旋轉(zhuǎn)時(shí)間為0.5秒,一次旋轉(zhuǎn)獲得4層圖像,那么,每秒鐘得8層圖像;如果旋轉(zhuǎn)時(shí)間為0.8秒,那么,每秒鐘只得5層圖像。
(2)探測(cè)器間隙和射線利用率:
多層螺旋CT相鄰兩排探測(cè)器之間的間隔稱為探測(cè)器間隙。掃描時(shí),X線絕大部分由探測(cè)器接收,有部分則被投射于探測(cè)器的間隙上,這部分射線無法被利用。對(duì)于多層螺旋CT而言,較為重要的是探測(cè)器之間間隙的數(shù)量,而不是間隙之間的距離,探測(cè)器數(shù)量越多,間隙越多,射線利用率也就越低。由于各廠家探測(cè)器的數(shù)量差別較大,這一點(diǎn)顯得尤為重要。
(3)螺距與成像質(zhì)量:
單層螺旋掃描時(shí)重建圖像平面的數(shù)據(jù)并非是掃描所采集的平面,為了得到一個(gè)平面數(shù)據(jù),采用了360°和180°線性內(nèi)插,如圖1-2-9所示,360°線性內(nèi)插是采用了圖中s間的數(shù)據(jù),而180°線性內(nèi)插則是采用了s/2間的數(shù)據(jù),數(shù)據(jù)兩點(diǎn)之間的距離被稱為z間距(z-gap)。單層螺旋掃描時(shí),增加螺距掃描覆蓋范圍增大,但同時(shí)圖像質(zhì)量下降。
圖1-2-9 360°和180°線性內(nèi)插采用不同的數(shù)據(jù)點(diǎn)
在多層螺旋掃描中,z間距由螺距和探測(cè)器陣列的寬度決定,當(dāng)螺距變化時(shí), z軸采樣的結(jié)果發(fā)生變化,多層螺旋的掃描數(shù)據(jù)之間可產(chǎn)生交疊。螺距2∶1時(shí)內(nèi)插兩點(diǎn)的 z間距是d,它的位移是某個(gè)實(shí)線螺旋到下一個(gè)實(shí)線螺旋,虛線螺旋也幾乎并行走向,結(jié)果在這部分被采用的 z間距范圍內(nèi),數(shù)據(jù)產(chǎn)生高度重疊,或稱之為冗余數(shù)據(jù)。由于 z軸采樣間距未改變,使掃描數(shù)據(jù)重疊,體現(xiàn)不出多層螺旋掃描的優(yōu)勢(shì)。螺距增加至3∶1時(shí), z間距為d/2,由于 z軸采樣間距縮短,掃描覆蓋范圍增加,另由于 z間距小于螺距,圖像質(zhì)量也改善。從上述的分析我們得知,多層螺旋掃描螺距的選擇非常重要,它直接關(guān)系到 z軸采樣的效率與掃描的覆蓋范圍。一般而言,螺距與掃描覆蓋率、圖像質(zhì)量是矛盾的,要增加掃描覆蓋范圍,必須使用大的螺距;而提高圖像質(zhì)量,需采用較小的螺距,實(shí)際使用中這兩種情況必須折中考慮。
10.多層螺旋CT的優(yōu)點(diǎn)
多層螺旋CT與單層螺旋CT相比有許多優(yōu)點(diǎn),其中最主要的是X線輸出的效率提高。①掃描范圍覆蓋率增加,掃描速度提高,減少了患者的等待時(shí)間,單位時(shí)間內(nèi)可以檢查更多的患者。由于增加了探測(cè)器的排數(shù),能在較短的時(shí)間內(nèi)獲得較大范圍的掃描覆蓋率。②由于一次掃描能同時(shí)得到多層掃描數(shù)據(jù),并且與X線的劑量無關(guān),因而提高了X線的利用效率和X線管的使用壽命。有文獻(xiàn)報(bào)告(Kopecky)認(rèn)為一個(gè)X線管的使用壽命大約是20萬秒?次,如果使用四排探測(cè)器掃描,可獲得的圖像為80萬幅(單層螺旋掃描一次獲一幅圖像,多層螺旋掃描一次可獲得四幅圖像),再如果使用0.5秒掃描方式(掃描架旋轉(zhuǎn)速度加快,2次旋轉(zhuǎn)/s),可獲得160萬幅圖像。③成像所需射線總量減少。由于改進(jìn)了成像重建算法, z軸方向用于圖像重建的數(shù)據(jù)利用率提高,與單層螺旋相比,約可減少40%的曝光量。④散射線劑量降低,這是因?yàn)樵诙鄬勇菪鼵T掃描中全影對(duì)半影的比值增加,特別在薄層掃描中更是如此。薄層掃描因?yàn)槌上竦膰?yán)格要求很少有散射線,而多層螺旋CT則可做0.5mm層厚的掃描。⑤在0.5mm層厚的掃描中,多層螺旋CT掃描的空間分辨力改善,在體素三個(gè)方向( xyz)產(chǎn)生幾乎相等的空間分辨力(各向同性),這也為多平面和三維重建圖像質(zhì)量的改善提供了保證。
二、CT成像的基本原理與圖像重建方法
(一)CT掃描數(shù)據(jù)的獲取和成像過程
CT掃描和數(shù)據(jù)的采集是指由CT成像系統(tǒng)發(fā)出的一束具有一定形狀的射線束透過人體后,產(chǎn)生足以形成圖像的信號(hào)被探測(cè)器接收,所產(chǎn)生的掃描數(shù)據(jù)與最終形成圖像的空間分辨力、偽影密切相關(guān)。在成像系統(tǒng)中,基本組成或必備的條件是具有一定穿透力的射線束和產(chǎn)生并接收衰減射線的硬件設(shè)備,其中,對(duì)射線束的要求包括它的形狀、大小、運(yùn)動(dòng)的路徑和方向。筆形X線束以直線平移的方式透過人體,并采集透過人體后的衰減射線信號(hào),數(shù)次平移后,X線管和探測(cè)器旋轉(zhuǎn)1°進(jìn)行下一次采集,這個(gè)過程不斷重復(fù),直至完成180°一個(gè)層面的數(shù)據(jù)采集,然后進(jìn)入下一個(gè)層面的采集,最終完成所需檢查部位所有層面的掃描。上述的一次掃描采樣,X線管發(fā)出的X線束中實(shí)際上只有小部分被采用,我們先暫時(shí)稱它為一個(gè)潛像(view),因?yàn)閄線束中的每一條X線都被人體衰減,進(jìn)而落到探測(cè)器上產(chǎn)生投影,探測(cè)器再將透過人體該層面的衰減信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)。一個(gè)潛像產(chǎn)生一個(gè)投影,故筆形束CT的一次掃描也可被看成產(chǎn)生一個(gè)投影,又因?yàn)槿客高^人體的射線都將產(chǎn)生投影,所以一條X線只產(chǎn)生一個(gè)投影中的很小一部分。根據(jù)CT掃描的術(shù)語,X線產(chǎn)生、穿透和接收的過程也被稱為“采樣”,一個(gè)層面、一幅圖像的產(chǎn)生,需要在被掃描層面不同的位置進(jìn)行一組采樣,才能滿足圖像重建的要求。
現(xiàn)在使用的CT掃描機(jī),一般有兩種不同的數(shù)據(jù)采集方法,一種是逐層采集法,另一種是容積數(shù)據(jù)采集法。逐層采集是X線管圍繞患者旋轉(zhuǎn),探測(cè)器同時(shí)接收采樣數(shù)據(jù),然后X線管停止旋轉(zhuǎn),檢查床移到下一個(gè)掃描層面,重復(fù)進(jìn)行下一次掃描,一直到全部預(yù)定的部位掃描完成。其間每一次只掃描一個(gè)層面。容積數(shù)據(jù)采集法是螺旋CT掃描時(shí)采用的方法,即患者屏住呼吸,在X線管曝光期間,檢查床同時(shí)不停頓單向移動(dòng)并采集數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)采集的第一步,如前所述,X線管和探測(cè)器圍繞患者旋轉(zhuǎn),根據(jù)不同的空間位置,探測(cè)器依據(jù)穿過患者的衰減射線采集數(shù)據(jù),這一相對(duì)衰減值可由式1-2-7計(jì)算:
式1-2-7
一般來說,一幅CT圖像需要幾百個(gè)采樣數(shù)據(jù),而每一個(gè)采樣數(shù)據(jù)由衰減射線構(gòu)成,所以,一次掃描全部衰減射線可有下述關(guān)系式:
衰減射線總量=采樣數(shù)×每次采樣射線量
在考察采樣過程中,我們還必須注意下述的情況:
(1)X線管與探測(cè)器是一個(gè)精確的準(zhǔn)直系統(tǒng)。
(2)X線管和探測(cè)器圍繞患者旋轉(zhuǎn)是為了采樣。
(3)X線管產(chǎn)生的射線是經(jīng)過有效濾過的。
(4)射線束的寬度是根據(jù)層厚大小設(shè)置嚴(yán)格準(zhǔn)直的。
(5)探測(cè)器接收的是透過人體后的衰減射線。
(6)探測(cè)器將接收到的衰減射線轉(zhuǎn)換為電信號(hào)(模擬信號(hào))。
綜上所述,CT掃描成像的基本過程是由X線管發(fā)出的X線經(jīng)準(zhǔn)直器準(zhǔn)直后,以窄束的形式透過人體被探測(cè)器接收,并由探測(cè)器進(jìn)行光電轉(zhuǎn)換后送給數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)進(jìn)行邏輯放大,而后通過模數(shù)轉(zhuǎn)換器作模擬信號(hào)和數(shù)字信號(hào)的轉(zhuǎn)換,由信號(hào)傳送器送給計(jì)算機(jī)作圖像重建,重建后的圖像再由數(shù)模轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換成模擬信號(hào),最后以不同的灰階形式在監(jiān)視器上顯示,或以數(shù)字形式存入計(jì)算機(jī)硬盤,或送到激光相機(jī)打印成照片供診斷使用。依據(jù)CT掃描的過程,其最終形成一幅CT圖像可分為下述八個(gè)步驟:
(1)患者被送入機(jī)架后,X線管和探測(cè)器圍繞患者旋轉(zhuǎn)掃描采集數(shù)據(jù),其發(fā)出的X線經(jīng)由X線管端的準(zhǔn)直器高度準(zhǔn)直。
(2)射線通過患者后,源射線被衰減,衰減的射線由探測(cè)器接收。探測(cè)器陣列由兩部分組成,前組探測(cè)器主要是測(cè)量射線的強(qiáng)度,后組探測(cè)器記錄通過患者后的衰減射線。
(3)參考射線和衰減射線都轉(zhuǎn)換為電信號(hào),由放大電路進(jìn)行放大;再由邏輯放大電路根據(jù)衰減系數(shù)和體厚指數(shù)進(jìn)行計(jì)算、放大。
(4)經(jīng)計(jì)算后的數(shù)據(jù)送給計(jì)算機(jī)前,還需由模數(shù)轉(zhuǎn)換器將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào),然后再由數(shù)據(jù)傳送器將數(shù)據(jù)傳送給計(jì)算機(jī)。
(5)計(jì)算機(jī)開始處理數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)處理過程包括校正和檢驗(yàn),校正是去除探測(cè)器接收到的位于預(yù)定標(biāo)準(zhǔn)偏差以外的數(shù)據(jù);檢驗(yàn)是將探測(cè)器接收到的空氣參考信號(hào)和射線衰減信號(hào)進(jìn)行比較。校正和檢驗(yàn)是利用計(jì)算機(jī)軟件重新組合原始數(shù)據(jù)。
(6)通過陣列處理器的各種校正后,計(jì)算機(jī)進(jìn)行成像的卷積處理。
(7)根據(jù)掃描獲得的解剖結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù),計(jì)算機(jī)采用濾過反投影重建算法重建圖像。
(8)重建處理完的圖像再由數(shù)模轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換成模擬圖像,送到顯示器顯示,或送到硬盤暫時(shí)儲(chǔ)存,或由激光相機(jī)打印成照片。
(二)X線的衰減和衰減系數(shù)
如前所述,當(dāng)X線通過患者后產(chǎn)生衰減,根據(jù)Lambert Beer定律衰減,其通過人體組織后的光子與源射線是一個(gè)指數(shù)關(guān)系,在CT成像中是利用了衰減的射線并重建成某一層面的圖像。衰減是射線通過一個(gè)物體后強(qiáng)度的減弱,其間一些光子被吸收,而另一些光子被散射,衰減的強(qiáng)度通常與物質(zhì)的原子序數(shù)、密度、每克電子數(shù)和源射線的能量大小有關(guān)。另外,單一能譜和多能譜射線在CT掃描中的衰減也不一樣,單一能譜又稱單色射線,其光子都具有相同的能;多能譜射線或多色射線中的光子具有的能量則各不相同。在CT掃描中的衰減也與物質(zhì)的原子序數(shù)、密度和光子能量有關(guān)。
CT的成像是利用了X線的衰減特性,這一過程與X線的基本特性有關(guān)。在一均質(zhì)的物體中,X線的衰減與該物質(zhì)的行進(jìn)距離成正比。如設(shè)比例常數(shù)為μ,X線的行進(jìn)路程為dX,穿過該物質(zhì)后X線強(qiáng)度為dI,則:
dI=-μdX
式1-2-8
將式1-2-8進(jìn)行不定積分運(yùn)算,其路徑dX被看作是X線所通過物質(zhì)的厚度,并以d表示,則該式可寫成:
I=I 0e -μd
式1-2-9
式中I是通過物體后X線的強(qiáng)度,I 0是入射射線的強(qiáng)度,e是Euler's常數(shù)(2.718),μ是線性吸收系數(shù),d是物體厚度,這是X線通過均勻物質(zhì)時(shí)的強(qiáng)度衰減規(guī)律,也被稱為線性衰減系數(shù)公式。
在CT中,線性衰減系數(shù)μ值相對(duì)較重要,因它與衰減量的多少有關(guān),計(jì)量單位是cm -1。根據(jù)等式I=I 0e -μd我們可以得到線性衰減系數(shù)μ值,即:
I=I 0e -μd
I/I 0=e -μd
ln I/I 0=-μd
ln I 0/I=μd
μ=(1/d)?(ln I 0/I)
式1-2-10
式中l(wèi)n是自然對(duì)數(shù),因在CT中I和I 0都是已知的,d也是已知的,根據(jù)上式就可求得μ值。
此處我們以單一能譜射線為例(圖1-2-10),4個(gè)水模衰減相等,每個(gè)衰減量為20%,入射光子數(shù)假定是1 000,衰減后的光子數(shù)則為410,此處,射線的能量假設(shè)不變,即入射光子能為88keV,通過物體后的光子能也是88keV。
圖1-2-10 單能射線束通過水模時(shí)的等比例衰減
我們知道,在CT中采用的X線發(fā)出的是多色射線譜,它通過物體后的衰減和單色射線譜不同,并非是指數(shù)衰減,而是既有質(zhì)的改變也有量的改變(圖1-2-11)。圖1-2-11中,平均光子能為40keV的1 000個(gè)光子,經(jīng)衰減后光子數(shù)減少,能量增加到57keV,其中第一個(gè)水模衰減最大,射線的能量增加,使通過物體后的射線硬化。在實(shí)際應(yīng)用中,我們不能簡(jiǎn)單地將等式I=I 0e -μd直接應(yīng)用于CT多色射線譜的射線衰減,而只能用一大致相等的方法來滿足這一等式。
圖1-2-11 多能射線束通過水模時(shí)的衰減
根據(jù)X線的基本特性,我們已知道X線的吸收和散射有光電效應(yīng)和康普頓效應(yīng),那么衰減可以用式1-2-11表示:
I=I 0e -(μ pcd
式1-2-11
式中μ p是光電效應(yīng)吸收的線形衰減系數(shù),μ c是康普頓效應(yīng)吸收的線形衰減系數(shù)。光電效應(yīng)主要發(fā)生在高原子序數(shù)組織中,在某些軟組織和低原子序數(shù)的物質(zhì)中則作用較小;康普頓效應(yīng)是發(fā)生在軟組織中,在密度有差別的組織中康普頓效應(yīng)的作用則有所不同。另外,光電效應(yīng)與射線能量大小有關(guān),而康普頓效應(yīng)并非像光電效應(yīng)那樣隨能量的增加而增加。
式1-2-9和式1-2-10是X線衰減的基本公式,在實(shí)際應(yīng)用中,我們不僅要知道X線的強(qiáng)度,還要知道光子數(shù)。根據(jù)式1-2-9,我們可以通過計(jì)算求得通過組織后衰減的光子數(shù)。將光子數(shù)N取代式1-2-9中的I,即可得到衰減后的光子數(shù):
N=N 0e -μd
式1-2-12
式中N是通過組織后衰減的光子數(shù),N 0是入射光子數(shù), d是組織的厚度,μ是組織衰減系數(shù)等于 μ pc,e是常數(shù)。
式1-2-11是均質(zhì)物體的衰減公式,在實(shí)際情況中,X線的衰減還與物質(zhì)的密度和原子序數(shù)有關(guān),即密度越大,原子序數(shù)越高,X線的衰減越大,掃描X線穿過人體組織時(shí),各處的密度往往是不均勻的。則X線的強(qiáng)度公式可寫為:
I=I 0e -(μ 12nd
式1-2-13
或:
N=N 0e -(μ 12nd
式1-2-14
(三)CT值
CT值或稱為CT數(shù),是重建圖像中一個(gè)像素的數(shù)值(圖1-2-12)。
在實(shí)際應(yīng)用中該值是一個(gè)相對(duì)值,并以水的衰減系數(shù)作為參考。CT值的計(jì)算如式1-2-15:
式1-2-15
圖1-2-12 左圖為CT掃描原始數(shù)據(jù),與射線的衰減有關(guān);重建成數(shù)字圖像后衰減值由CT值表示
式中μ 組織是組織的吸收系數(shù),μ 是水的吸收系數(shù),k是常數(shù)。在CT發(fā)明的早期階段,k值是500,因此每個(gè)CT值的百分比標(biāo)尺為2%,后為便于計(jì)算,將k值定為1 000,每個(gè)CT值的百分比標(biāo)尺則成為1%,并將水的吸收作為參考值,在CT應(yīng)用中水的CT值為0。CT值的大小與組織的線性衰減系數(shù)有關(guān),每一個(gè)對(duì)應(yīng)的數(shù)值都可用相應(yīng)的灰階表示。一般地說,軟組織的μ值接近水的μ值,肌肉的μ值約比水μ值高5%,而脂肪的μ值約比水μ值低10%,腦灰白質(zhì)間的μ值差約0.5%,比水μ值高約3.5%,骨的μ值約為水的兩倍。在CT的實(shí)際應(yīng)用中,我們將各種組織包括空氣的吸收衰減值都與水相比較,并將致密骨定為上限+1 000,將空氣定為下限-1 000,其他數(shù)值均表示為中間灰度,從而產(chǎn)生了一個(gè)相對(duì)吸收系數(shù)標(biāo)尺。人體大部分組織除致密骨和肺外,其CT值基本都位于-100~+100之間。后來CT在臨床上的作用被確認(rèn)后,人們?yōu)榱思o(jì)念亨斯菲爾德的不朽功績(jī),將這一尺度單位命名為HU,現(xiàn)在臨床應(yīng)用中,均采用HU作為CT值的測(cè)量單位。
線性衰減系數(shù)μ值的衰減受射線能量大小和其他一些因素的影響,射線能量改變后可產(chǎn)生穿透后光子衰減系數(shù)的變化,如電子能在60keV、84keV和122keV時(shí),水的線性衰減系數(shù)可分別為0.206、0.180和0.166,同時(shí)光子能量大小也會(huì)影響CT值。通常,CT值的計(jì)算是根據(jù)73keV時(shí)的電子能計(jì)算的,即CT掃描時(shí)有效射線能為230kVp,通過27cm厚的水模后得到的電子能。在這種情況下,水的吸收系數(shù)是0.19cm -1。假定這時(shí)骨的吸收系數(shù)為0.38cm -1,常數(shù)k值是1 000,那么我們可以根據(jù)CT值計(jì)算公式,分別算出骨和水的CT值。
CT掃描一般都使用較高的千伏值(120~140),這主要是因?yàn)椋孩贉p少光子能的吸收衰減系數(shù);②降低骨骼和軟組織的對(duì)比度;③增加穿透率,使探測(cè)器能夠接收到較高的光子流。使用較高的千伏值可增加探測(cè)器的響應(yīng)系數(shù),例如頭顱掃描中,顱骨和軟組織之間的吸收差,可對(duì)顱骨邊緣軟組織內(nèi)的小病灶進(jìn)行顯示并減少射線束硬化偽影。由于CT值受射線能量大小的影響,在CT掃描機(jī)中采取了一些措施,如CT值校正程序,從而保證了CT值的準(zhǔn)確性。
(四)圖像重建方法
1.反投影法
反投影法又稱總和法或線性疊加法。它是利用所有射線的投影累加值計(jì)算各像素的吸收值,從而形成CT圖像,或者說是某一點(diǎn)(像素)的(吸收)值正比于通過這一點(diǎn)(像素)射線投影的累加。
本文以圖1-2-13為例說明反投影法的圖像重建過程。假設(shè)一個(gè)物體由四個(gè)像素組成,這四個(gè)像素分別由四個(gè)方塊表示。設(shè)原圖像投影值如A所示,其各方向投影總和過程如B~E所示。圖像的背景強(qiáng)度等于某投射角各投影值之和,本例的背景強(qiáng)度為10,計(jì)算中將總和值減去背景強(qiáng)度,再將各吸收系數(shù)除以最大公約數(shù),即得各像素的吸收系數(shù)值如F~H所示。
圖1-2-13 反投影法圖像重建求解過程示意圖
反投影法最主要的缺點(diǎn)是成像不夠清晰,需花大量的計(jì)算時(shí)間并且分辨力不夠,目前已不采用這種算法成像。但這種方法卻是CT其他成像算法的基礎(chǔ)。
2.迭代法
迭代法又稱逐次近似法。迭代法包括代數(shù)重建法、迭代最小平方法和聯(lián)立方程重建法,本節(jié)以代數(shù)重建法以點(diǎn)概面進(jìn)行介紹。
代數(shù)重建法首先對(duì)一幅圖像的各像素給予一個(gè)任意的初始值,并利用這些假設(shè)數(shù)據(jù)計(jì)算射線束穿過物體時(shí)可能獲得的投影值,然后用這些計(jì)算值和實(shí)際投影值比較,根據(jù)兩者的差異獲得一個(gè)修正值,再用這些修正值修正各對(duì)應(yīng)射線穿過物體后的諸像素值。如此反復(fù)迭代,直到計(jì)算值和實(shí)測(cè)值接近并達(dá)到要求的精度為止。
在圖1-2-14中,我們以四個(gè)像素為例(圖1-2-14),對(duì)代數(shù)重建法迭代的過程做一簡(jiǎn)單介紹。迭代法早在1956年被用于太陽圖像的重建,后來被亨斯菲爾德用于EMI-1型頭顱CT掃描機(jī)中,出于下述一些原因,目前的臨床用CT掃描機(jī)已不采用這種重建方法。
(1)由于量子噪聲和患者的運(yùn)動(dòng),射線總和較難準(zhǔn)確獲得。
(2)因?yàn)榈柙谌客队皵?shù)據(jù)都獲得后才能進(jìn)行,重建耗時(shí)太長(zhǎng)。
(3)要獲得更真實(shí)的圖像,需采用比像素?cái)?shù)還多的投影總數(shù)。
3.解析法
解析法包括二維傅立葉重建法和濾波反投影法,它們都是采用投影來重建圖像。目前的CT掃描機(jī)基本都采用這兩種圖像重建方法。
濾波反投影法也稱卷積反投影法,它的成像方法是在反投影之前,對(duì)所有的投影數(shù)據(jù)進(jìn)行濾過或卷積,使結(jié)果的圖像沒有所謂的“星月狀”(starlike)暈偽影(圖1-2-15)。其成像的過程大致可分成三步:首先是獲取全部的投影數(shù)據(jù)并作預(yù)處理。在這一過程的開始是先取得各投影數(shù)據(jù)的衰減吸收值并將其轉(zhuǎn)換成重建所需的形式,如果數(shù)據(jù)中有射線硬化產(chǎn)生,同時(shí)將其校正。經(jīng)過預(yù)處理的數(shù)據(jù)又稱為原始數(shù)據(jù)(raw data),該原始數(shù)據(jù)可存入硬盤,在需要時(shí)可再取出為重建圖像用。其次是將所得數(shù)據(jù)的對(duì)數(shù)值與濾波函數(shù)進(jìn)行卷積,其間須通過大量的數(shù)學(xué)運(yùn)算,同時(shí)采用的濾波函數(shù)還須考慮圖像的分辨力和噪聲等(圖1-2-16)。通常,高分辨力的算法可使解剖結(jié)構(gòu)的邊緣得到增強(qiáng)并改善分辨力,但噪聲也相應(yīng)增加。最后,進(jìn)行反投影,并根據(jù)系統(tǒng)顯示的不同選定矩陣大小(512×512和1 024×1 024),現(xiàn)在經(jīng)濾波后的原始數(shù)據(jù)被反投影成像并可通過監(jiān)視器顯示。通常,重建后圖像的大小與是否采用放大(zoom)有關(guān);圖像的亮度與X線通過物體后的衰減有關(guān)。
圖1-2-14 迭代法圖像重建過程
圖1-2-15 濾波反投影法
A.反投影法卷積前;B.反投影法卷積后
圖1-2-16 濾波反投影示意圖
A.卷積前投影像;B.卷積后投影像
傅立葉重建的基本方法是用空間和頻率的概念表達(dá)一幅圖像的數(shù)學(xué)計(jì)算方法。假定有一張X線照片,那么我們可將該照片看成是一幅空間圖像,也就是說,在空間概念中不同的解剖結(jié)構(gòu)是由灰階來表示的。一幅X線照片的空間圖像可由f(x,y)表示,并可用傅立葉變換的方法轉(zhuǎn)換成由頻率F(μ,v)表示的圖像,經(jīng)過運(yùn)算再將頻率圖像用反傅立葉變換的方法轉(zhuǎn)換成空間圖像(圖1-2-17、圖1-2-18)。
采用傅立葉方法重建圖像有下述優(yōu)點(diǎn):首先,一幅頻率圖像可采用改變頻率的幅度來做圖像的處理,如邊緣增強(qiáng)、平滑處理;其次,這種處理方法能被計(jì)算機(jī)的工作方法接受;再次,頻率信號(hào)有利于圖像質(zhì)量的測(cè)試,如采用調(diào)制傳遞函數(shù)(MTF)的方法。
傅立葉重建的理論基礎(chǔ)是投影切片定理,即一個(gè)θ角的物體投影的一維傅立葉變換,等于該物體的二維傅立葉變換沿θ角的一個(gè)切片。目前,仍有一些CT掃描機(jī)采用傅立葉重建方法,其基本的重建方法和過程如下(圖1-2-19):
(1) 被掃描的物體由函數(shù) f(x,y)表示。
(2)掃描物體獲取投影數(shù)據(jù),根據(jù)重建的要求,至少旋轉(zhuǎn)180°,以獲得一組足夠的掃描投影數(shù)據(jù),此時(shí)的掃描投影為空間圖像。
(3)用傅立葉變換的方法,將每一束投影轉(zhuǎn)換為頻率圖像。這時(shí)的圖像除了專業(yè)人員能看懂外,對(duì)診斷毫無用處。
圖1-2-17 傅立葉變換圖像重建步驟
圖1-2-18 左圖是以空間方法表示的常規(guī)X線照片,右圖為頻率圖像
圖1-2-19 濾波反投影法圖像重建過程框圖
(4)采用快速傅立葉變換法,頻率圖像必須通過一個(gè)長(zhǎng)方形格柵轉(zhuǎn)換,格柵的陣列大小按要求必須以幾何級(jí)數(shù)遞增,即 2、4、8、16、32、64、128、256等,最后通過內(nèi)插完成傅立葉變換。
(5)轉(zhuǎn)換后的頻率圖像,再通過反傅立葉變換,成為一幅空間圖像。在傅立葉重建方法中,一般不需采用濾過,這主要是由于內(nèi)插而不再需用濾過方式。
解析法與迭代法相比有兩個(gè)優(yōu)點(diǎn):在成像速度方面,因?yàn)閳D像重建的時(shí)間與被重建圖像的大小和投影數(shù)有關(guān),解析法要快于迭代法;在精確性方面,根據(jù)數(shù)據(jù)利用的情況,解析法也優(yōu)于迭代法。但迭代法能用于不完整的原始數(shù)據(jù),而解析法則不能。
2009年北美放射學(xué)年會(huì)后,一些高端CT制造商相繼推出迭代重建算法,其實(shí),CT發(fā)明初期由于該算法計(jì)算復(fù)雜,反復(fù)迭代需用數(shù)學(xué)模型,并且需要運(yùn)算速度快的計(jì)算機(jī)支持,最終未投入市場(chǎng)使用。近年來計(jì)算機(jī)技術(shù)飛速發(fā)展,CT廠商推出改良的迭代重建算法,通過反復(fù)多次迭代可減少圖像偽影,改善圖像質(zhì)量,根據(jù)不同應(yīng)用一般可降低輻射劑量30%~70%。目前常用的迭代算法名稱分別為:自適應(yīng)統(tǒng)計(jì)迭代重建(adaptive statistical iterative reconstruction,ASIR)及基于模型的迭代重建(model based iterative reconstruction,MBIR),圖像空間迭代重建(iterative reconstruction in image space,IRIS)及原始數(shù)據(jù)域迭代重建(sinogram affirmed iterative reconstruction,SAFIRE),自適應(yīng)低劑量迭代(adaptive dose reduction iterative,ADRI),以及 iDose 技術(shù)等。
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