漫话CT（六） CT常见伪影及其处理

CT 图像伪影 (artifact) 是指重建图像上与实际解剖结构不相符的密度异常变化。CT 图像比传统平扫X线更容易出现伪影，这是因为 CT 图像是由成千上万独立的原始测量数据重建而得,而计算机重建的一个假设性前提是这些原始数据是精确而稳定的,故任何不精确的和不稳定的原始数据均会对 CT 图像造成很大的影响。

CT 伪影主要会造成 3 个方面的问题:

1. 使图像质量下降,甚至无法分析;

2. 掩盖病灶,造成漏诊;

3. 出现假病灶,造成误诊

伪影按照形状及来源，可有以下分类 

本篇文章将对不同类型的CT 图像伪影产生的机理和成因进行分析，介绍避免、抑制和消除CT 常见图像伪影的技术和方法。

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基于系统物理结构的图像伪影

1.1线束硬化（beam hardening）

当连续能谱的 X 射线经过人体时,能量较低的 X 线优先被吸收,高能量 X 射线较易穿透，在射线传播过程中，平均能量变高，射线逐渐变硬，称之为线束硬化效应。线束硬化会产生暗带和条状、杯状伪影。

对于射线硬化导致的伪影，在使用领结过滤器外，可增加使用 X 射线过滤器或者利用迭代重建算法提高不同物质边界的识别度硬化；对颅底伪影，也可以通过操作者采用薄层扫描的方法。

1. 2    部分容积效应（partial volume）

是指CT图像上各个像素的数值代表相应单位组织全体的平均CT值，它不能如实反映该单位内各种组织本身的CT值。例如，X线球管旋转过程中只在某些角度照射到这个器官的一部分，而在另一些角度又完全照射不到。导致A器官的一小部分被误归纳入B器官。

部分容积效应的修正可以用薄层扫描，但有可能增大噪音，这时可以多扫描几张，然后取平均值。

1.  3  光子不足 （photon starvation）

穿过病人到达探测器的光子不足，投影噪声迅速增大。比如X射线旋转过程中，X射线从病人肩部的左边入射，但无法穿透到右边，抵达探测器的光子不足，而产生伪影。

对于光子不足的条纹伪影可以有多种方法抑制。可使用滤波：当衰减超过指定阈值时，在进行反投影之前加用平滑滤波。也可以动态调整管电流，在X光球管通过较厚部位时使用较大的管电流。 

1. 4 欠采样伪影 （undersampling）
根据Nyquist采样定理，原始数据的采样频率必须等于/大于被采样信号最高频率的2倍。CT采样中当径向和角度采样间距明显大于像素大小时，称为该方向欠采样。采样间隔过大可能导致计算机对与尖锐边缘和小物体的信息配准错误，显示为细条状混叠伪影（aliasing）从密集结构的边缘向远处辐射。

对于欠采样伪影可通过基于位置校正的1/4探测器偏移法和飞焦点技术和自适应帧合成技术等来进行处理。

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基于患者本身的图像伪影

2. 1 病人运动 （patient motion）

在CT 扫描数据采集过程中,若该断层内被测物发生移位,将导致投影数据不一致,而产生运动伪影。病人的运动导致图像产生模糊、双重图像或条纹状伪影,并且伪影的严重程度和病人运动方向有关。

对于减少运动伪影则可以从病人和机器两方面考虑， 比如:

1. 指导病人呼气、吸气;

2. 可以给病人注射镇静剂;

3. 通过球管扫描的开始位置与运动的方向对齐,使运动伪影最小化;

4. 心电、呼吸门控技术;

5. 应用特殊的重建技术,如运动伪影校正算法等。

2. 2 金属伪影 （metallic materials）

X线被高密度物质如假牙、手术夹、电极等作用后急剧衰减，导致对应的投影数据失真，丢失周围的密度组织X线衰减信息所致。表现为从金属区域发出的条状伪影。 

对于对于金属伪影的处理,则可以在扫描开始前,取下金属物体;对于不能取下的,可采用一定的机架角度避免金属进入扫描范围;对于当不能避开的金属物,可用提高kV 值,可减少线束硬化效应, 或采用薄层将会减少部分容积伪影。也可选用金属伪影消除算法进行重建。

2. 3 不完全投影（incomplete projections）

当被扫描物有一部分在扫描区域外时,则会出现部分投影数据被截断, 不能充分被利用于图像重建。投影不完全可产生被截断的投影在截断物体边界明亮的条纹伪影,投影数据截断越大,伪影越多。例如肥胖的受检查者，腹部扫描时，只照射到手的一部分，而没有完全包括手。

投影数据不完全而导致的伪影,首先应将病人精确放置在扫描中心,然后采用软件算法校正。

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 基于扫描器的图像伪影

3. 1 环形伪影 （ring artifact）

在螺旋 CT 中,会由于一个或多个探测器通道性能差异而出现同心圆环形或圆弧伪影。环形伪影的强度是由固定通道误差所产生的, 靠近中心的探测器误差最大,所产生的圆环信号最亮,靠外周的探测器误差越小,所产生的圆环信号越暗。

如出现环形伪影，应联系厂家工程师对探测器模块进行维修或更换。

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螺旋和多层扫描产生的伪影

4.1 螺旋扫描方式在轴位图像上的伪影（helical artifacts in the axial plane）

沿着Z轴进行螺旋扫描，对于在Z方向上形状变化很快的结构（比如头顶），内插算法会导致Z方向上的结构产生伪影。随着螺距的增大，伪影的影响增大。如今，由于CT具有大量的探测器且如果设置螺距小于1，这种伪影已很少见。

4.2 锥形伪影和风车伪影（cone beam & windmill artifacts）

随着探测器使用的排数增加，CT使用更宽的准直宽度。因此，X射线束变为锥形而不是扇形，且每个检测器在围绕患者旋转时所成像的区域都是体积而不是平坦的平面。生成的伪影类似于偏心物体的部分体积。这个情况在图像边缘特别明显。使用现代扫描仪的锥束重建算法已可以纠正此伪影。

与螺距和层厚等扫描参数的设置有关，差值是导致风车伪影的根本原因。 

 4.3 阶梯伪影和斑马伪影（stair step artifact & zebra artifact）

在多排探测器行CT锥束扫描中，投影平面（从X射线源到探测器的行定义出的平面）与轴平面不完全平行（除了最中间垂直那行探测器）。在最简单的2D FBP重建中，每条检测器行的投影平面根据它们与旋转中心相交的位置分配给最近的轴向平面。如果在轴向平面和投影平面之间在Z方向上存在有一定梯度的目标物体时，则将生成条纹以及阶梯状伪影。

可以使用薄层扫描，或使用自适应多平面重建（Adaptive Multiple Plane Reconstruction, AMPR）减少这些伪影，AMPR使用倾斜平面进行重建。

 

鸣谢：广东高州市人民医院 曾华驱

参考资料

螺旋CT 图像常见伪影的分析和处理 何卫红等 中南医学科学杂志 2011 第39 卷第6 期

The Causes of CT Artifacts 文之 武汉大学人民医院放射科 2018

Identifying Image Artifacts, Their Causes, and How to Fix Them. James M. Kofler AAPM 2016 annual meeting

https://www./radiology-trainees/frcr-physics-notes/ct-artefacts

Barrett, J.F. and N. Keat, Artifacts in CT: Recognition and Avoidance. RadioGraphics, 2004. 24(6): p. 1679-1691.

Boas, F.E. & Fleischmann, D. CT artifacts: causes and reduction techniques. Imaging in Medicine, 2012. 4(2): p:229-240.