来源：爱影之家 “伪影”一词源于拉丁文“arte factum”，原意为“用技巧制造的（某种物体）”。在影像学中，“伪影”是指在图像中非真实的结构体。这些结构体在真实解剖和病理结构中不存在，正常情况也不应出现，因此我们也更不希望看到它们。CT图像伪影产生的原因通常是由于测量数据的不完美，或者多种物理因素导致的投影数据判读错误。由于大多CT图像重建仍然基于滤波反投影法[1]，因此伪影不单单像常规X光照相那样影响局部，还会影响到整幅图像。例如，一根细小的金属丝造成的条状伪影会覆盖金属丝本身位置以及其周边很大区域。 射线硬化伪影中最著名的莫过于“Hounsfield bar”了。其表现为一条黑暗的条状伪影，出现于颅底颞骨水平，遮盖了脑干中间部分的图像（图1A）。在CT扫描过程中，球管发出的多色X射线包含不同能量的光子，其衰减大小与光子的能量有关，并且对高能量光子衰减较少。因此，X射线穿越物质前后，其能量谱特征并不一致。经物质衰减后，能量谱中含有高能量光子更多，低能量光子更少。然而，最终在探测器上测量到的衰减信号则是对所有能量的平均。因此，在例如两处高密度骨结构之间的部分就会在重建图像中呈现出低密度块状或条状伪影。 硬化伪影效应的程度取决于物质的原子组成、尺寸、以及成像球管电压。与软组织相比，高原子量的物质，例如骨骼中的钙质，对射线硬化的影响更加显著。低球管电压产生的光子峰值能量较低，这也会加重硬化伪影。除了致密骨，高浓度碘对比剂或金属植入物也可能会造成严重的硬化伪影。 为了获得均匀的软组织图像，硬化伪影校正算法已经被常规应用于软组织部分的CT图像数据处理。但同时对软组织、骨骼等进行硬化伪影校正还需要使用更加复杂的算法，例如迭代重建。 西门子CT系统提供了针对性的校正算法，可以近乎完美地去除头部的射线硬化伪影。不仅如此，西门子还提供专门的心脏成像校正算法，同时将软组织和骨骼这两种物质的影响考虑在内[2]。 图1: 射线硬化伪影： Hounsfield bar表现为一条黑暗的条状伪影，出现于颅底颞骨水平，遮盖了脑干中间部分的图像（图1A）。图1B显示的是与图1A相同层面，但对射线硬化伪影进行了校正。 部分容积伪影发生于当高对比度结构边缘（例如骨或金属）部分进入到探测器单元，并影响某一探测通道的时候。这时该探测器单元记录的信号是投影束经过的高对比度物体以及背景组织的累积衰减。这种现象既存在于扫描平面内，也同样会发生在z方向上。这样得到的图像并不准确，因为信号虽然是经测量得到的，但CT图像却是由投影衰减总和经滤波反投影算法获得的[1]。因此，部分容积伪影会呈现为典型的条状伪影，与射线硬化伪影看上去十分类似。 目前多层CT探测器单元宽度很小，欠采样伪影仅发生金属和高密度钙化物体边缘。因此建议使用更小的准直，因为对物体边缘进行更精细数据采样可以显著减少部分容积伪影。所有西门子CT系统都配备了亚毫米准直扫描模式，在采集高密度结构时应当得到使用。 图2 部分容积效应。左侧为5mm层厚的数据，可见明显的部分容积效应，右图为2mm的数据，薄层数据的部分容积效应明显减少。 CT图像是某一部位的投影数据重建得来的。在扫描期间，物体或者病人的运动将导致数据采集前后不一致，进而产生典型的条状伪影、模糊、或者重影（图2A）。因此，对于某些重要的检查，扫描方案需要使用专门的运动矫正算法来抑制这些伪影的影响（图2B）。 一般来说，提高机架旋转速度是减少运动伪影的首选方案。在此方面，西门子公司的SOMATOMDefinition Flash 和Edge系统提供了每圈0.28秒的超高旋转速度，足以定格任何生理变化过程。其专用的心脏重建算法可以显示出心脏周边如细小冠状动脉等亚毫米结构。通过运用同步采集的ECG心电信号来确定最佳的采集时间窗口以及180?的半扫描采集数据，图像的时间分辨率得到了大幅度提升。使用双源扫描技术SOMATOMDefinition Flash系统的时间分辨率还可以进一步的提升，甚至在无法合作患者或者儿童中都不会发现运动伪影的存在。在此基础上，西门子最新一代双源CT将机架旋转速度进一步提升，可以保证大多数患者在无需闭气的条件下就可以进行扫描。 图2: 由于呼吸和心脏运动在胸部扫描中产生的运动伪影（图2A）。通过运动伪影校正算法改进后的图像（图2B）。 CT系统采集的数据来自于有限的探测器通道。螺旋CT重建算法需要在z方向上插值以获得轴位平面投影。与用理想无限精确网格采集的数据相比，有限数据插值会在高对比度物体处，比如骨骼等，不可避免地引入误差。伪影表现为在高密度物体附近的风车状伪影（图3A），并且当沿轴向翻阅图像时出现伪影绕中心旋转的现象。 螺旋伪影可以通过改进z方向的采样方式进行有效抑制。西门子公司专有的z-Sharp技术采用先进的z轴双倍采样技术彻底克服了困扰多层CT的这一技术难题（图3B）。与其他厂商仍在使用的固定低螺距提高采样率的方案相比，西门子公司领先一步的z-Sharp技术允许螺距在大范围内连续调节以适应临床需求的扫描速度[3]。因此，z-Sharp技术比其它技术更先进，消除螺旋伪影效果更佳。z-Sharp可以在配备著名的STRATON球管的所有CT平台上使用。 图3: 未使用z-Sharp时出现的螺旋或称风车状伪影（图3A）。使用z-Sharp后风车状伪影消失（图3B）。 锥束伪影是在从多层CT投影采集平面近似到真正平行平面的过程中产生的。随着探测器z轴方向宽度增加，采集平面的偏离角也会增加，从而导致更明显的锥束伪影。因此，这种伪影往往从旋转中心向外逐渐增强，在外边缘处变现最为强烈，例如在肋骨附近。对于该问题西门子公司多层CT扫描系统提供了有效的锥束校正或者锥束重建方法，在需要时根据探测器的排数予以使用。 近来一些CT厂商推出的产品一味追求宽探测器覆盖，这无疑将大大增加锥束伪影以及散射伪影。这种由过宽的探测器带来的负面影响可能超过了宽探测器带来的临床优势，反不及提升图像采集速度能够更高效地解决大范围覆盖的临床需求。 金属伪影可以认为是前面描述的所有伪影现象的共同作用。其特殊的表现会与金属的成分、形状、大小以及位置有关。一般来说，与探测器通道的分辨率相比，从组织到金属的过渡变化往往过于剧烈。因此部分容积效应或者欠采样误差是金属伪影的成因，其表现为金属边缘出现窄的条状伪影。 当金属物体尺寸增加时，X射线的衰减会进一步加剧，射线硬化效应则更加明显。除此之外，金属物后的探测器通道接收的信号也会变得非常微弱，以至于淹没于噪声中而无法读取。这两个效应都会严重地损害大尺寸金属物体处的图像质量。在扫描时，选取更高的球管电压会减弱射线硬化效应同时提高探测器的信号强度，因为更高能量的光子穿过物体时的衰减更少。然而选取更高的球管电流mAs却不会显著改善图像质量，反而会增加辐射剂量。 智能的自动曝光控制技术，比如西门子公司的CAREDose4D技术就在计算最佳mAs设置过程中排除了金属物体的影响，因为其除了会导致更高的辐射剂量以外，并不会对图像质量产生影响。目前在SOMATOMDefinition Flash, SOMATOM Definition Edge, 全系列的SOMATOM Definition AS，以及现在的SOMATOMPerspective家族产品上配置的双能量扫描方式同样也可以通过计算单能谱图像的方式（一种形式的高级射线硬化校正算法）有效地消除金属伪影（图4）。另外，所有的西门子CT系统还配备了先进原始数据滤波技术来减少噪声干扰的影响。 图4: 由金属植入物引起的伪影（图4A）。基于双能量的去金属伪影方法（MAR）在140keV下的单能谱图像（图4B）。使用MAR后金属假体的VRT图像（图4C）。 如果物体在扫描机架内但却超出了成像扫描视野，从CT原始数据与重建图像的关系可知，这将会导致伪影的产生。如果重建算法没有将这些因素考虑在内，那么当病人体型超过了最大扫描视野或者手臂放在体侧就可能会在视野边缘处产生高密度的伪影（图5A）。西门子最新研发的CT系统自动开启高级外插类算法（HDFoV）可以在很大程度上减少这些伪影（图5B）。 同时，西门子CT系统还提供了特殊的重建技术来更加精确的显示处于扫描视野外的物体。该功能对放疗方案规划尤为重要，因为治疗方案需要根据准确的受检部位CT值进行设计。而往往由于放疗定位装置等因素，部分病人检查部位会位于扫描视野之外。在CT扫描过程中存在着多种引起伪影的因素，这也就意味着我们需要同样多种多样的解决方案，以提供更加明晰的诊断结果。 图5: 未经伪影校正的患者超扫描视野图像（图5A）。与图5A相同层面利用HDFoV技术重建图像（图5B）。 参考文献： [1] Kalender WA: Computed Tomography, Publicis MCD: 22ff(2000). [2] Herman GT, Trivedi SS. A Comparative Study of TwoPostreconstruction Beam Hardening orrection Methods, IEEE Transactions onMedical Imaging. 1983 Sep; Vol MI-2; No3: 128-135. [3] Flohr T, Stierstorfer K, Raupach R, Ulzheimer S, BruderH. Performance evaluation of a 64-slice CT system with z-flying focal spot.Rofo. 2004 Dec;176(12):1803-10. |
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