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CT图像伪影及处理方法

　　【摘要】 介绍了CT常见图像伪影、产生原因以及相应的处理方法，旨在帮助影像医技人员及工程技术人员对CT伪影有进一步的认识。
【关键词】 CT； 图像； 伪影
CT图像伪影是指CT图像中重建数据与物体实际衰减系数之间的差异，或指的是受检体中根本不存在，而图像中显示出来的影像。根据CT图像伪影的来源，可以分为：与CT成像技术及CT机器有关的伪影、病人有关的伪影以及螺旋CT特有的伪影。CT图像伪影严重降低了CT图像的质量，有时让放射科医生无法诊断或引起误诊，甚至导致医疗事故。
1 与CT成像技术及CT机器有关的伪影
　线束硬化
产生机制：X射线不是单能的，是包含一系列频率的波动。当连续谱能的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。CT所建立的图像，是物质的衰减系数在人体的横断薄层的分布情况，即相当于人体组织密度的分布情况。射线硬化就相当于降低了物质的吸收密度，必然会影响CT图像的质量。
形成伪影：线束硬化会产生暗带和条状伪影，杯状伪影两种类型的伪影。前者是指当X线球管沿着不同的方向对某一物体进行扫描时，在密度不均匀组织横断面图像上的两个致密结构之间，或者是出现在注射对比剂后的造影剂浓度不同的血管间）会出现暗带和条纹伪影；后者是指均匀物质中间的CT值比边缘部分的CT值低，造成中间黑、边缘白的情况。
减少伪影的方法：①配置的X射线过滤器；②线束硬化矫正软件来减少线束硬化；对颅底伪影，也可以通过操作者采用薄层扫描以减少。
　部分容积效应
产生机制：在同一扫描层面内含有2种以上不同密度而又相重叠的物质时,则在同一个探测器上有着多种密度的检测数据，输出信号为检测数据的平均值，所得的CT值不能如实反映其中任何一种物质的CT值, 这种现象即为部分容积效应。形成伪影：部分容积效应对图像的影响一般是带状和条状伪影。在Z轴方向解剖结构变化快、复杂的部位容易发生部分容积效应，如在扫描后颅窝时，常常会出现的条状伪影就为部分容积效应所导致。
减少伪影的方法：①最有效最直接的方法是采用薄层扫描；②用软件矫正的方法。
图3 采用7mm层厚扫描
图4 采用3mm层厚扫描
　光子不足
产生机制：扫描高度衰减的区域或参数选择不正确时，会产生严重的条纹伪影。这主要是由于穿过病人到达探测器的光子不足, 也就是探测器采集的样本不足，图像噪声过大产生所导致。在CT图像的预处理过程中， 投影噪声和测量光子成反比，光子越少，噪声越大，滤波后投影噪声被进一步放大。在CT图像的重建中，反投影过程将这些波动非常明显的采样映射为图像中亮或暗的直线, 形成严重的条纹伪影。
形成伪影：光子不足导致的伪影是严重的条纹，在图像中表现为或亮或暗直线。在人体组织体积体积较厚、对X线有高度衰减的的部分，比如心脏附近、臀部和肩关节，尤其是肩关节。
减少伪影的方法：光子不足的条纹伪影可以有多种方法抑制。如在扫描过程中增加管电流，将会克服光子不足这一问题，但是当线束经过较少衰减部位时，病人将会接受不必要的剂量。为此，现在的CT机上一般有管电流调制技术和自适应滤波法技术。另外，注意病人摆位、优化扫描参数也可以有效克服光子不足引起的伪影。
　环状伪影
产生机制：在第3代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。如果连续若干相邻的通道存在差异, 伪影以带状形式出现在图像中。假如某个探测器由于数据差异，逐渐偏离了正常CT值，那么每一采集帧被反投影为一条直线，在整个采集中持续存在误差产生一组到旋转中心距离固定的直线, 直线尾部被抵消而形成一个环。
形成伪影：在常规投影中，每通道误差代表固定强度的一条直线，环形伪影的强度是由固定通道误差所产生的，无论对于平行的X线束还是扇形X线束，它反比与于圆环半径。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。
减少伪影的方法：① 完善数据采集和处理系统，不同CT 厂家有各自的技术流程；② 图像后续处理。
　散射伪影
产生机制：X 射线在穿透人体的过程中同人体组织的原子间发生了比较复杂的相互作用，如光电效应、康普顿散射效应和电子对效应。散射光子通常偏离原射线的传播路径而被其它的探测器接收，这导致探测器接受的信号有一部分来源于散射，得到的信号偏离了X线强度的真实值。
形成伪影：散射效应降低了图像的对比度，增加了噪声，在图像中表现为低频条状伪影，如图9。
减少伪影的方法：① 使用准直器；② 软件校正技术。
　欠采样伪影
产生机制：根据香农定律，为了避免产生混淆，原始数据采集频率必须等于或大于被采样信号最高频率的2倍。CT信号采样中, 对于某一方向X线束，当探测器径向和角度采样间距明显大于像素尺寸时, 称为该方向欠采样。不足的采样帧数或在一个帧中过大采样间隔都会产生混叠条状伪影。
形成伪影：第三代CT信号的采集最大频率受到X线球管焦点尺寸、扫描仪几何形状、探测器单元尺寸等因素限制，不能满足香农定律。由于投影采样不足，导致计算机对相关锐利边缘和小物体信息的记录丢失，在锐利边缘附近容易观察到混淆条纹伪影。
减少伪影的方法：① 基于位置校正的1/4探测器偏移法和飞焦点技术；② 自适应帧合成技术等。
　与X线球管相关的伪影
① X线球管放电伪影
产生机制：X线管老化会重复发生放电现象，此时，管电流和管电压会发生明显下降，导致光子输出严重降低或消失。因此，一个或多个投影数据受到影响，导致伪影产生。
形成伪影：X线管放电导致的伪影实质上是光子不足、低剂量所造成，为条纹状。
减少伪影的方法：对于X线管放电不严重的CT机，可以用算法校正消除条纹伪影，如合成投影技术、自适应滤波技术等。对于经常放电的球管，最佳方法是替换之。
　　② X线球管转子抖动伪影
产生机制：如果CT机发生X线管转子抖动的故障现象，则会出现X线束偏离实际理想位置，形成X线管转子伪影。形成伪影：X线管转子抖动会导致图像出现大面积的条纹伪影。
减少伪影的方法：对有X线管转子抖动现象的球管，及时进行修复替换故障部分可解决此伪影。
2 与病人有关的伪影
　病人运动
产生机制：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。通常扫描病人时，病人的心脏跳动、呼吸运动、胃肠蠕动等生理运动会使被测物体进入或离开扫描平面，造成上述伪影。造影剂的不当使用也会导致运动伪影。
形成伪影：病人的运动导致图像产生阴影或条纹状伪影，并且伪影的严重程度和病人运动方向有关。
减少伪影的方法：减少运动伪影可以从病人和机器两方面考虑。比如：①对于最常见的呼吸运动，可以指导病人呼气、吸气；②可以给病人注射镇静剂；③加快机器扫描速度；④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；⑤心电门控技术；⑥应用特殊的重建技术，如运动伪影校正算法。
　金属伪影
产生机制：当扫描病人身体部分附带有金属物体时候，会产生严重的金属伪影。金属伪影形状随着金属物体的形状和密度不同而变化，可产生上述的射线硬化效应、部分容积效应、光子不足等，另外，金属物体的运动更容易产生伪影。
形成伪影：金属物体主要表现为大投影数据引起的从金属区域发出的高密度条状伪影。
减少伪影的方法：①在扫描开始前，通常要求病人取下可移动的金属物体; ②对于不能移动的东西，例如牙齿填充物，假肢以及外科金属夹，可采用一定的机架角度避免金属进入扫描范围; ③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; ④应用金属伪影的软件校正也可减少金属伪影，但有效性有时是有限的，因为尽管条纹远离被移走的金属埋植物，但是仍然会有金属组织界面周围细节的丢失，而通常这些细节都是诊断所感兴趣的区域。
　投影数据不完全伪影
产生机制：对于大多数CT机而言，机架孔径尺寸和FOV大小是不一样的，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。因此，产生伪影。
形成伪影：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。
减少伪影的方法：① 将病人精确放置在扫描中心，如做胸腹部扫描时可让病人把手臂抱着头部；② 采用软件算法校正。
3 螺旋CT伪影
产生机制：在CT及其物理特性保持不变的情况下, 螺旋扫描与常规扫描的CT图像伪影是相同的，如上述的几种伪影也有可能在螺旋CT中产生。但是，由于螺旋CT的X线球管曝光和病床进动同时进行的独特扫描方式以及内插算法的重建计算方式，导致了螺旋CT伪影。
形成伪影：螺旋CT采集的数据是非同一平面的数据,需要用插值算法对其进行整合,使之成为同一平面投影数据之后,再进行图像重建,特别是在对纵轴方向上有一定梯度的目标物体扫描成像时,会产生典型的阶梯状伪影。在横断面其表现为阶梯样,在多平面重组和3D成像中表现为斑马样条纹。
减少伪影的方法：① 被扫描物体的中心线要与扫描中心重和; ② 尽量采取小螺距或薄层扫描; ③ 采用合适的插值算法。
产生CT伪影的原因有很多，除了上述成像技术及机器有关伪影外，环境、人为因素也影响着CT图像质量。CT伪影降低了图像质量，给影像医生带来了不必要的麻烦，甚至造成误诊。所以，必须对CT伪影的产生原因有一定的认识，才能用合理的方法，如调节扫描方式、扫描时间等降低伪影，达到诊断要求。
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