【第四期】深入探讨X射线计算机断层扫描伪影

点击蓝字，关注我们

XCT mastery Monthly - 精通X射线CT月刊是由Francesco Iacoviello博士发起、撰写并发布的，旨在给大家分享X射线CT相关的使用技巧、潜在窍门及经验见解。每期都会深入探讨 XCT实践中面临的挑战和解决方案，涵盖以下主题：

图像优化：学习实现清晰CT 扫描的技巧。

故障排除：掌握克服常见 CT 问题和伪影的策略。

高级技术：探索前沿方法和软件功能。

工作流程效率：探索简化 CT 流程并节省时间的方法。

社区讨论：加入讨论，分享您的经验和疑问。

深入探讨X射线计算机

断层扫描伪影

（环状伪影示例）

一、 XCT伪影为何重要？

二、射束硬化：“杯状”与“条状”伪影

射束硬化可以说是CT成像中最普遍的基于物理的伪影之一。它源于CT扫描仪产生的X射线束的多色性（如下图1）。

图1. 单色与多色X射线束穿透物体后效果示例

有X射线管辐射的X射线束并非由能量完全相同的光子组成；相反，它是一个能量谱。当此光束穿过物体时，较低能量（较软）的X射线比较高能量（较硬）的X射线更容易被衰减（吸收或散射）。这种对低能光子的优先吸收导致X射线束在穿过物体时平均能量增加——因此称为“射束硬化”。

CT中的重建算法通常假设使用的是单色（单能量）X射线束（图1）。当射束硬化效应违背了这一假定时，衰减数据就会出现不一致，从而导致伪影。

射束硬化主要以两种方式表现：

杯状伪影（Cupping Artefact）：在相对均匀、致密的物体（如头部或圆柱形模体）图像中，物体中心显得比外围人为更暗（CT值更低）。这使得物体在其密度分布上呈现“杯状”或碟形外观。这是因为穿过物体中心的光束路径最长，因此变得“更硬”，导致中心区域的衰减被低估。（图2左侧）

条状伪影（Inter-Petrous Streaks）：图像中两个致密物体之间（如颅骨岩骨之间或金属植入物周围（在医学CT中）经常出现黑色条纹或条带。这些暗带旁边也可能出现亮条纹。这是因为同时穿过两个致密物体的光束显著硬化，导致沿该路径的衰减被低估，相比之下，仅穿过其中一个物体或较软组织的路径则不会。（下图2右侧）。

图2. 射束硬化伪影说明

有几种方法可用于最小化射束硬化伪影：

1、硬件解决方案

过滤（Filtration）：在X射线管处添加过滤器（例如，薄铜片、铝片、锡片等），通过在低能光子到达样本前将其部分移除，帮助“预硬化”光束。这使得光束更有效地接近单色。

更高kVp：使用更高的管电压峰值（kVp）会产生更高的平均X射线束能量，不易发生硬化。但这可能会降低图像对比度。

2、软件矫正

射束硬化校正算法：大多数现代CT扫描仪都包含复杂的软件算法，试图校正射束硬化。这些算法可以线性化衰减数据或迭代重建图像，以考虑光束的多色性。

双能CT（DECT）：这种先进技术涉及在两种不同的X射线能量水平下采集数据。通过分析在这些能量下的衰减差异，可以更好地区分材料，并显著减少射束硬化效应。可以重建虚拟单色图像，有效消除多色光束问题。

3、样本定位与技术

尽可能避免扫描非常厚且致密的区域。使用适当的扫描视野（FOV）和重建核。

三、 条状伪影

虽然射束硬化是条状伪影的一个主要原因，但它们也可能源于其他几个来源。这些伪影表现为图像上不正确的亨氏（HU）值的窗宽、条纹或条带，通常从高对比度区域发出。

1、光子不足（噪声引起的条纹）：当X射线束穿过样本非常致密的部分时，到达探测器的光子数量可能变得极低。这种“光子不足”导致投影数据噪声非常大。在重建过程中，这种高噪声会被放大并反投影到图像中，成为显著的条纹，通常出现在衰减最大的方向上。

2、金属伪影：金属物体（例如，牙科填充物、手术夹、假体装置、脊柱内固定物）的存在是导致严重条状伪影的一个众所周知的原因。这是由于极端的束硬化（金属具有非常高的衰减系数）、光子不足、散射以及金属边缘效应的共同作用。产生的条纹可能非常严重，以至于使周围的解剖结构无法诊断。（下图3）。

图3. 金属伪影

3、患者运动：如果患者/物体在扫描过程中移动（无论是自主移动（并非样本本身：））还是非自主移动，如呼吸或心脏运动），不同投影采集的数据会变得不一致。重建算法会误解这种不一致性，导致条纹、模糊或重影伪影，尤其是在高对比度界面周围。（如下图4）

图4. 样本运动伪影。

4、部分容积效应：虽然并不总是条纹，但当体素包含具有非常不同衰减值的材料混合物（例如，致密骨和软组织）时，产生的CT值是一个平均值。如果这种情况发生在尖锐、倾斜取向的界面上，有时会导致条纹状或带状外观。（如下图5）

图5. 部分容积效应。

处理条状伪影很大程度上取决于其原因：

1、对于光子不足：

（1）增加管电流和/或管电压：更高的管电流（mA）增加光子数量，而更高的kVp增加光子穿透力。

（2）自适应过滤/管电流调制：现代扫描仪可以根据物体在不同投影下的衰减自动调整管电流，让更多的光子透过更致密区。

（3）迭代重建和深度学习算法：这些先进的重建技术能更有效地处理噪声数据，并且与传统的滤波反投影（FBP）相比，可以显著减少条状伪影。

2、对于金属伪影：

（1）金属伪影减少（MAR）软件：专门的算法旨在识别和校正由金属引起的损坏数据。这些算法可能涉及用插值替换受影响的投影数据或使用迭代方法。

（2）双能CT：与射束硬化一样，DECT有助于区分金属和组织，并在更高能量下生成虚拟单色图像，减少金属引起的条纹。

（3）增加管电压：提高对金属的穿透力。

（4）薄层扫描：有时有助于隔离伪影。

3、对于患者运动（医学CT）：

（1）患者沟通与固定：清晰的指令、舒适的体位和固定装置可以减少自主运动。

（2）更快的扫描时间：现代多探测器CT（MDCT）扫描仪提供非常快速的采集，最大限度地减少运动机会。

（3）心电门控/呼吸门控：对于心脏和胸部成像，心电门控将数据采集与心脏周期同步，而呼吸门控则在特定呼吸阶段采集数据。

（4）运动校正算法：一些高级软件可以进行回顾性运动伪影校正。

四、 环状伪影：不需要的圆圈

环状伪影，顾名思义，是叠加在CT图像上的圆形或同心圆环图案，通常以旋转轴为中心。它们是基于扫描仪的伪影的典型例子。

环状伪影主要由CT扫描仪中的探测器故障或校准错误引起：

（1）探测器漂移/增益变化：如果一个或多个探测器元件校准失常，即它们对给定X射线强度的响应持续高于或低于其相邻元件，这种误差会在所有角度上反投影，从而产生一个环。

（2）有缺陷的探测器元件：一个不工作或间歇性工作的探测器元件也会导致读数不一致，产生环状伪影。

（3）污染：在极少数情况下，CT管孔径或探测器窗口上的外来物质（如一滴造影剂）可能导致环状图案。

本质上，来自一个或多个探测器元件的任何系统性误差，若未通过校准程序校正，都可能导致这些伪影。

环状伪影通常非常明显（下图6）：

（1）它们表现为尖锐的、完整的或部分的圆圈。

（2）它们以扫描仪的等中心点为中心。

（3）它们可能很细微或非常显著，有时会掩盖下方的解剖结构/样本特征。

（4）如果多个探测器像素受到影响，可能会出现多个环。

图6. 环状伪影示例

预防和校正环状伪影通常涉及CT扫描仪的维护和校准：

（1）探测器校准：定期且彻底地校准探测器阵列是最关键的预防措施。这包括空气校准（在光束中没有物体时进行校准）和通常的模体校准，以确保所有探测器元件都能准确、均匀地响应。

（2）软件校正：许多扫描仪具有旨在检测和校正轻微探测器变化的软件算法。这些算法可以在正弦图（原始数据）中识别有故障的探测器读数，并用相邻正常工作的探测器的插值替换它们。（如下图7）

图7. 用于减轻环状伪影的软件校正。

（3）探测器更换/维修：如果某个探测器元件持续故障且校准/软件校正不足，则可能需要服务工程师进行维修或更换。

（4）清洁：确保CT组件，包括X射线管窗口和探测器盖，清洁且无障碍物。

五、 混叠（欠采样）伪影：

莫尔条纹的冒名者

混叠伪影，有时称为欠采样伪影，发生在物体中的精细细节或锐利边缘未被探测器系统足够充分地采样时。这种不充分的采样会导致高频信号在重建图像中被错误地表示为低频信号，从而产生失真（图8）。

图8. 混叠伪影示例

奈奎斯特采样定理指出，要准确表示一个信号，必须以至少其最高频率分量两倍的速率进行采样。在CT中：

（1）投影采样不足（角度欠采样）：如果样本旋转时采集的投影视图太少，可能会遗漏或误解精细细节，导致从锐利边缘或致密物体发出的细条纹。这在较老旧的扫描仪或快速协议（CT扫描中的“快速协议”是指优化的工作流程和成像技术，以提高速度，而不一定是单一的通用协议）中更常见。

（2）射线采样不足（空间欠采样）：如果探测器像素相对于被成像的细节过大，或者每个投影的采样数过低，就可能发生混叠。这在成像具有规则高频结构的物体（如具有紧密间隔条的测试模型）时，会导致类似莫尔条纹的图案（波浪状或斑马条纹图案）。

本质上，扫描仪“观察”得不够充分或不够详细，无法准确捕获物体的结构。

混叠伪影可表现为：

（1）从致密结构边缘发出的细条纹或放射状线条。这些通常出现在扫描物体的外围。

（3）莫尔图案：波浪状或几何图案，特别是在成像具有周期性结构的物体时，如果这些结构比采样间隔更精细。

（3）整体锐度损失或沿倾斜边缘出现“阶梯状”图案。

图9. CT数据中混叠伪影的图示。Step = 5 和 step = 10 分别仅使用原始数据的10%和20%进行重建。您可以看到使用太少投影产生条纹的效果。由Rigaku提供

最小化混叠涉及确保充足的数据采样：

（1）增加投影数量：每次旋转采集更多视图（更高的角度采样）有助于缓解，但这可能会略微增加扫描时间或剂量。现代扫描仪通常为大多数应用提供足够的投影采样。

（2）使用更小的视野（FOV）或放大重建：将重建聚焦在更小的区域可以有效提高该区域的采样密度。

（3）更薄的层厚和更小的探测器像素：更高的空间分辨率能力（更小的探测器，更薄的重建层厚）本质上意味着能更好地采样精细细节。

（4）重建卷积核（又称滤波函数）：虽然不能直接防止混叠，但更平滑的重建核有时可以掩盖混叠伪影的出现，但代价是空间分辨率。更锐利的卷积核可能会加重它们。

（5）扫描仪设计：现代CT扫描仪通常采用探测器配置和采集协议设计，以最小化典型成像中的混叠。然而，在高分辨率研究应用或成像具有精细图案的样本时，它仍然可能是一个问题。

六、结语

Francesco Iacoviello 是伦敦大学学院 (UCL) 化学工程系 EIL X 射线设施的实验经理。他于 2012 年在意大利锡耶纳大学获得矿物学和地球科学博士学位，之后前往巴西圣保罗大学，担任该校海洋研究所的 X 射线衍射专家和实验室经理。Francesco 于 2015 年加入 EIL，他的研究领域广泛，涵盖从电化学装置到页岩气岩石、碳捕获和储能系统以及微陨石等地质材料的多尺度 X 射线计算机断层扫描表征。

众星联恒在Francesco Iacoviello博士的授权下将其XCT Mastery Monthly系列翻译为中文并传播，旨在让更多的人了解X射线CT相关的使用技巧、潜在窍门及经验见解，及打造一个专业的交流社区。

科学研究与产业的交流互动，是推动产业发展的重要动力。众星联恒作为EUV-X射线核心部件及解决方案供应商，我们秉承着“技术无界·产业共生”为核心理念，一直致力于打造开放包容的交流平台，不仅希望将优秀成果引入中国，也致力于把中国的科研成果推向世界。