錐束CT成像質(zhì)量評(píng)價(jià)及影響因素分析

錐束CT成像質(zhì)量評(píng)價(jià)及影響因素分析這里用對(duì)比度分辨率、空間分辨率、噪聲、偽影作為評(píng)價(jià)錐束CT成像質(zhì)量的主要指標(biāo)，討論影響這四個(gè)指標(biāo)的主要因素。評(píng)價(jià)指標(biāo)對(duì)比度分辨率X射線CT成像重建的量是線衰減系數(shù)，它以長(zhǎng)度倒數(shù)為單位，與材料的電子密度近似成正比。線衰減系數(shù)是入射X射線能量的函數(shù)。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，如果射線平均能量未知，對(duì)于衰減弱的被檢物體，射線平均能量取加速電壓值的1/3；對(duì)于衰減強(qiáng)的被檢物體，射線平均能量取加速電壓值的2/3。

對(duì)比度分辨率又稱為低密度分辨率，用來(lái)評(píng)價(jià)從背景中分辨低對(duì)比度目標(biāo)的能力。對(duì)比度是指兩種材料衰減系數(shù)的差異。對(duì)比度分辨率通常定義為目標(biāo)材料與背景材料衰減系數(shù)差異的百分比。對(duì)比度分辨率還可以用對(duì)比度噪聲比（CNR）指標(biāo)來(lái)評(píng)價(jià)?？臻g分辨率空間分辨率又稱為高對(duì)比度分辨率，用來(lái)評(píng)價(jià)CT儀器區(qū)分細(xì)節(jié)的能力，通常分為層內(nèi)分辨率和層間分辨率。對(duì)于層內(nèi)分辨率通常用調(diào)制傳遞函數(shù)（MTF）來(lái)測(cè)量。MTF曲線表示系統(tǒng)對(duì)不同頻率的響應(yīng)，其橫坐標(biāo)為頻率（一般以每毫米線對(duì)數(shù)表示），縱坐標(biāo)為MTF值（MTF的高度被歸一化為1）。實(shí)際中，一般取MTF等于50%或者10%的頻率（分辨率）表示系統(tǒng)分辨率。在一些標(biāo)準(zhǔn)中，通常采用邊緣法或者線對(duì)卡法繪制系統(tǒng)的MTF曲線。

層間分辨率通常用切片靈敏度曲線（SSP——系統(tǒng)對(duì)理想薄片的系統(tǒng)響應(yīng)）來(lái)評(píng)價(jià)，在實(shí)際測(cè)試中，可以通過(guò)掃描間隔堆疊的高吸收薄片模體來(lái)評(píng)價(jià)。

需要說(shuō)明的是特征檢測(cè)能力不同于空間分辨率。比如一個(gè)CT系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)500納米的特征檢測(cè)，很可能無(wú)法達(dá)到相同的空間分辨率。特征的檢測(cè)能力取決于特征尺寸相對(duì)于幾何分辨率的大小、特征-基體的對(duì)比度差異、圖像質(zhì)量（信噪比等）和相鄰體素之間的影響（部分體積效應(yīng)）。對(duì)于單個(gè)孔隙、空洞或裂紋的最小檢測(cè)能力范圍通常應(yīng)該是實(shí)際像素尺寸的2到3倍。噪聲CT成像總是受噪聲影響。射線成像的噪聲主要有以下幾個(gè)來(lái)源：（1）固有的光子統(tǒng)計(jì)噪聲，它與發(fā)射和探測(cè)到的光子數(shù)相關(guān)；（2）探測(cè)器電子噪聲和散射噪聲等；（3）采用不同的處理數(shù)據(jù)方法帶來(lái)的噪聲。

在CT圖像中，統(tǒng)計(jì)噪聲導(dǎo)致每個(gè)體素CT灰度值上的隨機(jī)變化，從而降低密度分辨率。通過(guò)適當(dāng)延長(zhǎng)積分時(shí)間(或計(jì)數(shù))，使統(tǒng)計(jì)噪聲滿足CT成像檢測(cè)要求。偽影（偽像）CT偽影是指CT圖像上出現(xiàn)的與被測(cè)物體不符的虛假特征。所有的成像系統(tǒng)，都會(huì)出現(xiàn)偽影。有些偽影在CT物理學(xué)和數(shù)學(xué)中是固有的，并且無(wú)法消除。其它偽影是由于CT系統(tǒng)硬件或軟件設(shè)計(jì)存在不足，這些可以通過(guò)改進(jìn)設(shè)計(jì)來(lái)完善。常見的CT偽影包括：射束硬化、散射、部分容積效應(yīng)、光子饑餓、采樣不足、金屬偽影、運(yùn)動(dòng)偽影、數(shù)據(jù)截?cái)?、環(huán)形偽影、大錐角偽影等。CT圖像質(zhì)量影響因素先給出這些因素對(duì)四大評(píng)價(jià)指標(biāo)產(chǎn)生的影響變化圖。

系統(tǒng)幾何增加物體到探測(cè)器的距離可以減輕散射；增加射線源到探測(cè)器的距離，相當(dāng)于減少了每個(gè)探測(cè)器單元的光通量，因此噪聲水平增加。一般情況下，焦點(diǎn)的尺寸小于探測(cè)器尺寸，因此增加放大比能夠提高空間分辨率，繼續(xù)增加放大比，等效射束寬度增加，空間分辨率降低。焦點(diǎn)尺寸焦點(diǎn)變大，主要會(huì)導(dǎo)致空間分辨率降低。探測(cè)器單元像素大小探測(cè)器單元變大會(huì)出現(xiàn)部分容積效應(yīng)，導(dǎo)致對(duì)比度的下降。探測(cè)器單元變大增加光通量，噪聲降低，空間分辨率降低。

根據(jù)采樣定理，假設(shè)物體細(xì)節(jié)的最小直徑為d，測(cè)量區(qū)域的直徑為D，則要想探測(cè)最小的細(xì)節(jié)，探測(cè)器的數(shù)目最小為2D/d。物體大小物體增大，射線難以穿透，會(huì)增加散射、噪聲，因此分辨率也會(huì)有所降低。防散射柵防散射柵可以顯著減輕散射偽影，但隨著防散射柵厚度增加，光通量減少引起噪聲的增加。射線能譜X射線能量是線衰減系數(shù)差異及對(duì)應(yīng)對(duì)比度的主要決定因素，是重要的掃描參數(shù)。選擇低能量有利于提高對(duì)比度，但不利于細(xì)節(jié)特征檢出（降低了信噪比）。射線平均能量增加，穿過(guò)物體的光通量增加，因此噪聲降低。但能量增加到一定程度后，探測(cè)器的效率（DQE）會(huì)降低，因此噪聲增加。能量增加散射會(huì)增加，射線硬化減輕。如何折中選擇在很大程度上取決于特定檢測(cè)應(yīng)用。

對(duì)于X射線源，應(yīng)在保證焦點(diǎn)尺寸滿足要求的前提下，設(shè)置最大射束能量和管電流。所要求的電壓應(yīng)根據(jù)X射線穿過(guò)被檢物體的最長(zhǎng)路徑確定。為獲得最佳測(cè)量結(jié)果，衰減比宜設(shè)置為10%-20%。使用前置濾波片可獲得最佳灰度范圍。所有預(yù)濾波片都會(huì)降低射線強(qiáng)度。另外，前置濾波片可減小射束硬化的影響。劑量劑量主要會(huì)影響噪聲水平。單角度mAsmAs是管電流與曝光時(shí)間的乘積。假設(shè)投影方向數(shù)不變，增加mAs可以降低噪聲。假設(shè)總劑量不變，增加mAs意味著減少投影數(shù)，會(huì)引起采樣的不足，導(dǎo)致偽影。投影數(shù)在總劑量不變的前提下，增加投影數(shù)會(huì)降低單角度下的劑量，導(dǎo)致噪聲的增加。被測(cè)物體通常旋轉(zhuǎn)360°。理想情況下，投影分度數(shù)應(yīng)不少于π/2×矩陣大?。ㄍ队皵?shù)為奇數(shù)），其中矩陣大小即穿過(guò)采樣直徑或最大物體尺寸的體素個(gè)數(shù)。為獲得最佳重建圖像質(zhì)量，投影的數(shù)量應(yīng)大于π×矩陣大?。ㄍ队皵?shù)可以為奇數(shù)或者偶數(shù)）。重建體素尺寸一般情況下，令體素大小等于探測(cè)器單元大小除以放大比。超分辨重建可以在一定程度上提高空間分辨率。體素太大會(huì)產(chǎn)生部分容積效應(yīng)。由于大體素有平均效果，噪聲會(huì)降低。重建濾波器平緩的濾波器能起到降噪的效果。陡峭的濾波器能提高空間分辨率，但是也能放大噪聲。

下面這段評(píng)價(jià)醫(yī)學(xué)影像的話，也可以作為一個(gè)CT系統(tǒng)的評(píng)價(jià)原則：Amedicalimageisalwaysproducedforsomespecificpurposeortask,andtheonlymeaningfulmeasureofitsqualityishowwellitfulfillsthatpurpose.Anobjectiveapproachtoassessmentofimagequalitymusttherefores