低剂量高清图像

1.3.5　低剂量高清图像

CT的图像质量是一个综合指标，它主要包含4个关键部分，空间分辨率（spatial resolution），低对比度分辨率（low contrast resolution），图像噪声（image noise）和伪影（artifacts）。空间分辨率是指在高对比度的情况下鉴别微细的能力，即显示最小体积病灶或结构的能力。低对比度分辨率又称密度分辨率（density resolution），定义是当细节与背景之间具有低对比度时，将一定大小的细节从背景中鉴别出来的能力。图像噪声是指当一个均匀物体被扫描时，在一个确定的感兴趣区（region of interest，ROI）范围内，每个像素的CT值（HU）并不相同而是围绕一个平均值波动产生的CT值的变化。伪影是由于设备或病人造成的，是指原本被扫描物体并不存在而在图像上却出现的各种形态的影像。每一个因素都能直接影响图像的评价结果，并直接关系到医疗诊断的准确性。在宝石能谱CT的设计过程中，充分考虑到这4个因素，在降低噪声和伪影的同时能够分辨更近组织密度的结构。实现这个功能，不是仅仅靠增加球管和探测器排数能解决的，而是需要整个影像链的革新。

众所周知，宝石探测器的余晖效应（afterglow effect）仅仅是GOS探测器的1/4，有助于提高图像空间分辨率和降低噪声，从而增加对低对比度的敏感性，促进临床中低剂量技术的应用。宝石探测器拥有业界最快的初始速度，比GOS探测器快100倍，初始速度的提高可以提高图像的空间分辨率。而宝石探测器的立方晶体结构赋予了探测器良好的通透性和均匀性，进而保证光谱的一致性，通过降低光谱伪影提高图像质量并减少噪声。其次，重新设计的数据采集系统（DAS），DAS在数据重建的过程中决定着重建的信息量，革新后的DAS系统增加了图像的视野数，有助于提升图像质量。宝石能谱CT使用了全新的动态变焦球管:新一代独有的动态变焦球管可以动态改变球管的焦点大小和位置，可以根据不同临床应用自动选择匹配的焦点大小，从而为临床带来更出色的图像质量。同时，动态变焦的球管可以使宝石能谱CT在做能谱扫描时保持稳定的X射线光焦点大小，这是能谱扫描的一个关键技术（图1.9）。

图1.9　宝石能谱CT的动态变焦球管

注解:不同于传统的双灯丝设计，能谱CT采用单灯丝动态变焦设计（图①），可以动态改变球管的焦点大小和位置（图②），根据不同临床应用自动选择匹配的焦点大小，从而为临床带来更出色的图像质量。

除了具备X射线球管、探测器技术及CT系统设计的革新，图像重建算法的进步也是能谱CT的一个显著优势。解析重建（analytic reconstruction，AR）和迭代重建（iterative reconstruction，IR）是CT图像重建的两种基本方法。滤过反投影（filtered back projection，FBP）是解析重建的主要算法，代数重建算法（algebraic reconstruction technique）是迭代重建中常用的算法。FBP是基于解析重建方式，图像重建具有闭合形式的解，其过程是反求公式，每组投影数据都要经过校准、滤波、反投影、加权，当最后一组采集的投影数据处理完成，整个重建过程结束并产生最终重建的图像。FBP重建速度较快，但它要求每次投影测量数据是精确定量的和完全的，X射线光子统计波动对它有很大影响，它对噪声和伪影都很敏感，当辐射剂量降低或投影数据采集不足时，重建出的图像质量就会很差。因此使用FBP就不能大幅度降低辐射剂量。

能谱CT配置的自适应统计迭代重建技术（adaptive statistical iterative reconstruction，ASiR）的数学基础是迭代算法。迭代重建可以在低信噪比（signal noise ratio，SNR）的发射数据集利用FBP重建得到的图像质量极差时仍然重建出高质量的图像。迭代重建的基本重建原理如下:对于某个重建视角，首先在估计的物体图像上通过“前后投影”计算一个综合投影，这是对沿着该视角的衰减的第一次估计，但存在较大误差。这种估计尽可能地模拟真实CT系统中X射线光子穿过物体并到达探测器的过程，通过将X射线光子的初始位置设置在一个小区域而非单独的点来模拟有限的焦点大小；在X射线光子和物体相互作用的建模过程中，通过计算光子在轻微不同方向和位置进入体素的路径长度来考虑重建像素的大小和尺寸（而不是一个假想的点）；采用相同的方式，探测器单元的大小和形状通过探测器响应函数来建模。将综合投影与实际测量的投影相比较，两者间的差异代表了当前估计需要校正的量，图像校正的目的是使误差最小化。在校正过程中，由有限光子统计导致的投影测量波动也被考虑了，同时也评估每个独立测量中的光子统计并将这个信息用于图像校正过程。如果某个体素值与周围体素的值显著不同，这种差异不能反映病人真实的解剖结构，更可能是由于统计波动或图像噪声引起的，即使是一个小血管也应该和血管树相连而非一个孤立的像素。当所有这些信息被考虑的时候，当前的重建图像就被校正了，这个图像再通过以上的综合和校正过程来获得一个更新的图像，当重建图像和原始投影数据一致时，迭代就会中止，经过多次迭代和校正更新就会重建出高质量和低噪声的图像。ASiR重建技术在图像校正过程中采用了系统设计模型，系统设计模型主要针对另一种重要的噪声来源—统计波动，分析了测量中存在的每个独立光子的统计特征，并与已知的统计分布进行迭代比较，有效地降低因统计波动引起的图像噪声，为对噪声控制要求较高的检查带来显著好处，比如更低剂量的检查、肥胖病人、更薄层厚等，也就是说，通过降低重建图像中的噪声能获得剂量上的优势，因此在相同噪声水平下，扫描剂量可以显著降低（图1.10）。

图1.10　FBP和ASiR重建技术在腹部成像中的比较

注解:图①为原始FBP重建图像，噪声约为13.4；图②为30%FBP＋70%ASiR重建图像，噪声约为8.4；ASiR重建技术利用迭代的方法可以对噪声进行抑制和校正，得到更加清晰的图像。

在Hara AK等［17］的临床研究中，ASiR的辐射剂量比FBP降低32%～65%时图像质量不会下降；Prakash P等［18］在腹部应用ASiR的辐射剂量比FBP降低25.1%，同时图像噪声明显下降，在胸部［19］ASiR的辐射剂量比FBP降低27.6%，同时图像噪声下降，不过在ASiR重建的图像中有39%出现了轻微斑点状伪影，但对诊断并没造成明显影响；Heilbron BG等［20］在冠状动脉CTA检查中使用ASiR使辐射剂量降低到1mSv以下；Marin D等［21］在低管电压的情况下发现应用ASiR可以在降低辐射剂量的同时保证图像质量；Vorona GA［22］等在小儿腹部增强成像研究中发现使用40%ASiR可以降低平均约33%的辐射剂量，而对诊断没有明显影响。以上的研究证明，在与FBP辐射剂量相同的情况下迭代重建可以提高图像质量（空间分辨力和密度分辨力），在与FBP图像噪声一致时迭代重建可明显降低辐射剂量但不会牺牲图像质量。

综上所述，宝石能谱CT具备了高清，高分辨率的特点，能在显著降低射线剂量的同时提供详尽的解剖信息、物质成分信息及临床应用功能。

（吕培杰　王天佑　高剑波）