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CT图像伪影 伪影的主要表现形式与系统设计相关的伪影与球管相关的伪影与探测器相关的伪影受检者引起的伪影 1 CT图像伪影 伪影的主要表现形式 2 CT图像伪影 定义伪影是指在CT成像过程中 所有不同类型的非随机性干扰在图像上的表现 即受检体中根本不存在的组织或病灶的影像 CT系统从原理上看将比X线摄影产生更多的伪影 CT图像是通过大量投影产生的反投影原理使测量数据的误差在重建图像时常常被放大常见的伪影多表现为以下几种典型类型 条纹 阴影 环形或弧形 混杂伪影 3 CT图像伪影 条纹伪影条纹伪影通常是因采样过程中信号的突然跳跃而使信号不一致产生的 条纹伪影不一定平行 经常表现为横穿图像的明显直线 可能是亮的 也可能是暗的 还有亮 暗同时出现的情况 通常情况下 条状伪影不易造成误诊 条状伪影将影响图像可分辨性 降低图像质量 4 CT图像伪影 5 CT图像伪影 阴影伪影产生原因也是投影数据的不一致性 与条纹伪影不同 此时的信号没有尖锐的非连续性 是一种CT值渐变的 形状相对较直的伪影 没有清晰的边界 经常出现在高对比度组织附近 阴影可以是亮的或暗的 可以限于局部 也可能覆盖整个器官 使图像的CT值出现广泛偏差 伪影显现的范围和严重程度与发生错误的通道和错误的程度有关 阴影伪影不容易识别 完全可能导致误诊 6 CT图像伪影 环形 弧形伪影如果信号误差不只出现在一次滤波投影中 而是出现在滤波投影函数的某个固定位置 这样 由直线的多次旋转映射可以形成一个环形的伪影 如果出现的角度较小 就映射为不完全的环形伪影 一般是较为完整的环形 弧形伪影可视为不完整的环形 完整的环形伪影对诊断的危害较小 但不同长度 宽度和弧度的弧形伪影则很容易产生误诊 7 CT图像伪影 同样的误差在不同的探测器通道产生的伪影的严重程度有区别 靠近中心的伪影信号高 靠近外围的信号低 8 CT图像伪影 与系统设计相关的伪影混叠伪影部分容积效应散射引起的伪影射线硬化伪影 9 CT图像伪影 混叠伪影 10 CT图像伪影 探测器单元的时域特性可以用一个宽度为 幅度为1的矩形窗函数来近似 一个探测器单元的频域特性为这是一个sinc函数 主瓣频率成分在之间 影响光强分布的最大空间频率的因素还包括球管焦点尺寸 扫描装置的几何结构 受检组织的特性等因素 11 CT图像伪影 用于采样的探测器间距T越小采样频率 1 T 越高 根据奈奎斯特采样定理 离散采样的频率要大于等于被采样信号的最高空间频率的2倍 原始信号才可以从采样中无失真地恢复 探测器阵列对连续信号的采样间隔必须小于等于探测器单元宽度的一半 实际情况 T 混叠导致的条纹伪影在重建图像中清晰可见 12 CT图像伪影 解决方法第四代CT扫描方式的提出对固定探测器单元得到的信号进行采样 其采样频率可以取得较高 可满足采样定理的要求 很难安排可行和有效的准直器用于抑制散射光子 成像系统对球管输出的波动变得非常敏感 探测器偏移法焦点偏转法 13 CT图像伪影 探测器偏移法设计时使探测器阵列的中分线与旋转中心不重合 而是保持1 4个探测器单元宽度的距离 如果在一个方向上进行一次投影采样 在该方向的反方向上再进行一次投影采样 第二次采样的每个采样值相当于在第一次采样的每相邻两个值中间再取了一个值 14 CT图像伪影 15 CT图像伪影 缺点 A 需要进行反方向的两次投影扫描 两次扫描的角度要求相差准确的180 如果中间出现受检者的体动会严重影响校正效果 B 除中心射线外 其他位置采样率加倍只是近似得到 探测器单元离中心越远 插入采样点的偏移量越大 C 投影信号的实际最大空间频率比仅考虑探测器单元效应的理想情况要大 16 CT图像伪影 焦点偏转法在一个正常的投影扫描中得到一组采样值 然后让探测器阵列与球管一起绕旋转中心转一个小的角度 使得新位置时的每个探测器单元正好处于前次扫描时它与相邻单元的中间 接着球管的焦点再回到最初扫描的位置 并开始新一次的扫描 校正效果要优于 探测器偏移法 17 CT图像伪影 部分容积伪影 效应 球管的焦点大小在1mm数量级 而断层的厚度多在3 10mm 有时会出现某些结构在一些角度扫描时不进入有效扫描范围 而在另一些角度扫描时进入扫描范围 这些组织结构称为部分容积 或者说 在同一探测器上有一部分是高密度的检测数据 另一部分是低密度的检测数据 而探测器的输出数据是两部分数据的平均值 18 CT图像伪影 因探测器的输出信号不能准确反映人体某一组织的真实密度而导致的伪影称为部分容积伪影 常表现为条纹伪影 层厚是决定部分容积效应的关键因素 层厚越大 产生部分容积效应的可能性越高 解决方法 最佳方法是先对受检部位用厚层进行粗扫描 厚度可设置为5 10mm 一旦发现部分容积效应 即转为薄层重新扫描测量 薄层一般取1 3mm范围的层厚 软件算法也可实现部分容积伪影的消除 19 CT图像伪影 散射引起的伪影进入探测器的光子既包括初始光子也包括散射光子 散射光子使探测器检测到虚假的信号导致图像中像素CT值的偏离 最终形成伪影 伪影表现为阴影或不规则的条纹伪影 散射光子的方向随机 能量较低 进入探测器只会增加图像的噪声水平 降低信噪比和图像的对比度分辨率 20 CT图像伪影 解决方法 减少散射伪影的现实方法是使用准直器 置于受检者与探测器之间的后准直器能将绝大部分散射光子吸收 第三代CT的珊形准直器 吸收散射光子的效果非常理想 软件校正算法也是常用的有效方法 散射光子形成的信号是典型的低频信号 利用安置在初始射线平面之外的探测器单元作为散射校正测量单元 测量的结果为图像校正提供参考 再通过适当的算法消除散射伪影 21 CT图像伪影 射线硬化伪影形成原理射线硬化的根本原因在于物质对射线的衰减系数与射线的能量有关 对高能射线有较低的衰减系数 对低能射线有较高的衰减系数 对一均匀密度的理想柱体照射非单能的X线 低能的射线首先被吸收 高能的射线则穿透物体 射线深入物体的距离越长 剩下的射线硬度越高 穿透性越好 这就是所谓的硬化效应 22 CT图像伪影 伪影表现射线硬化伪影最典型的是 杯状 伪影 表现为均匀物质图像中间黑 边缘白 沿不同的方向对某一物体进行扫描 当射线通路的长短变化时 容易造成伪影 杯状 伪影常与某种组织的病理特征相像 容易导致误诊 解决方法采用一定的滤过器使得射线束的能量集中于高能部分 通过设计软件的方法消除杯状伪影 23 CT图像伪影 与球管相关的伪影 24 CT图像伪影 偏焦点辐射形成原理由阳极反射 或发射 的电子称为二次电子 二次电子的大部分在管电压的作用下返回阳极 但撞击的位置就不一定在焦点上 焦点周围的焦晕上撞击电子密度低 但也会发出射线 在进入探测器后形成半影 导致图像对比度的下降 25 CT图像伪影 伪影表现可引起图像边缘的模糊 属于阴影伪影 伪影完全有可能导致误诊 解决方法在球管辐射窗外加装准直器或滤过窗 但不能完全消除半影伪影 只能将其影响限制在一定的范围内 通过软件设计校正伪影 但算法复杂 26 CT图像伪影 管内放电导致的伪影形成原理当球管空间中存在某种杂质 在管电压作用下可能导致暂时的短路 这个现象称为管内放电 管内放电时 一般出现电流的瞬时显著增加和电压的显著下降 管内放电瞬时输出的射线光子数和光子能量都会显著减少 27 CT图像伪影 伪影表现如果单次瞬时放电只涉及一个角度上的投影 将出现直线形 亮暗不一 疏密不同的条纹伪影 解决方法不能由硬件方法进行补偿 过程较短 频率较低的放电形成的伪影可以用算法实现条纹伪影的消除 管内放电在短时间内重复出现 系统将取消扫描过程 28 CT图像伪影 阳极转子抖动阳极转子以8000 10000r min的速度旋转 由于机械装置的磨损 转子不能维持同样的稳定性和准确性 阳极转子在高速旋转过程中产生摇摆 所辐射的线束位置偏离了重建算法设计时假定的理想位置 产生不规则的亮点晃动形状的伪影 解决方法 更换有问题的部件 29 CT图像伪影 与探测器相关的伪影 30 CT图像伪影 探测器单元间的差异形成原因探测器单元性能主要包括增益 热噪声 输出与输入之间的非线性以及不同程度的功能退化 探测器的增益由于制造工艺有所差异 这种差异还会随着时间而改变 随着温度和时间的变化 探测器单元中的电子热噪声也会变化 随着探测器使用时间的延长 器件逐步老化 探测器的输入输出线性关系也可能退化 并且不同单元间的退化程度不同 上述性能退化在特定探测器单元上的表现多数是稳定一致的 31 CT图像伪影 伪影表现探测器单元间稳定的性能差异将导致环形或弧形伪影的出现 补偿方法为补偿不同探测器单元形成的通道的增益改变 临床上多使用空气扫描的校正技术 每天都要完成一次空气扫描 在不同的扫描条件下分别进行 空气扫描得到的增益校正均值去除临床上扫描受检者的实际数据 在闪烁晶体材料中掺入某些杂质 可显著改善探测器性能的稳定性 基于数字信号处理和数字图像处理技术的某些算法对伪影的补偿也很有效 32 CT图像伪影 探测器的余晖和初始速度原理对一个闪烁晶体探测器进行一段时间的射线照射后 如果切断照射源 探测器的输出并不会立即归零 而是存在一个随时间逐步下降的过程 这就是探测器的余晖现象 残余信号将维持几毫秒到几百毫秒 晶体发光的衰减过程可以分解为多个时间常数的指数衰减过程的和 其中时间常数非常短的分量称为探测器的初始速度 时间常数较长的分量称为探测器的余晖 33 CT图像伪影 表现初始速度影响图像的空间分辨率 但程度较轻微 多表现为大对比度处图像的轻微模糊 一般不会导致误诊 余晖导致图像的伪影 多表现为环形或弧形伪影 解决方法在闪烁晶体中掺入稀土成分 可以在相当程度上消除余晖现象 通过算法设计进行余晖伪影的校正 34 CT图像伪影 探测器响应的内部位置不一致性原理探测器在z轴方向的长度一般超过30mm 而在x轴方向上宽度只有1mm左右 理想的探测器响应是指 射线无论射入探测器内部的什么位置 探测器的增益都相同 所有可能导致探测器响应随内部位置变化的因素通称 老化 或 退化 结果常常是探测器内部增益随位置不同而改变 35 CT图像伪影 36 CT图像伪影 伪影表现显著的同心环形和弧形伪影 解决方法改善探测器单元的构成材料和设计制造工艺 在扫描带斜面结构的受检物体时选择薄层 一般在3mm以下 用算法实现伪影校正 37 CT图像伪影 受检人体引起的伪影原因人体的呼吸运动 肠胃的蠕动 心脏的跳动 体动会导致断层内组织的移动 收缩或膨胀 断层外的某些组织结构会在扫描期间移入或移出成像的FOV 表现一般属于不规则的条状或阴影伪影 或使某些组织结构的边缘模糊而导致误诊 38 CT图像伪影 解决方法要求患者屏住呼吸以减少呼吸运动伪影 运用呼吸运动监测设备监测呼吸信号修正图像的重建过程 缩短扫描时间 对扫描方案的改进或对投影重建过程进行补偿的算法也可在一定程度上削弱伪影 设法减小采样误差最大的某些投影对重建图像的贡献 扇束进行一圈扫描时在扫描开始和结束时的测量误差最大 因此可使用加权函数 在扫描开始和结束时数值接近0 在扫描中间部分函数取最大值为1 对投影数据进行校正 39 CT图像伪影 金属伪影原理金属物体可以产生射线硬化效应和部分容积效应 金属物体是高衰减物 在数据采集时容易发生超出数据采集电路下限的问题 当被扫描物体中有大量金属时 投影信号的幅度很高 在滤波后将超出数字信号处理芯片的动态范围 40 CT图像伪影 伪影表现同射线硬化效应和部分容积效应 当超出数据采集电路下限的问题时 会出现与光子数不足类似的伪影 表现为高密度条纹 解决方法高kVp设置可以减少硬化效应 薄层扫描可以降低部分容积效应 使用类似骨校正算法以减少伪影 综合硬化校正和自适应噪声滤波方法可提高图像质量 用临近无金属区域的投影