計算機斷層成像技術 , 即 CT ( Computed Tomog raphy)在臨床醫學上的套用是 20 世紀醫療技術進步的重要標誌之一。自誕生以來, CT 掃描方式發生了巨大的變化 , 二維 C T 從單一探測器的平行束遞增發展到多探測器扇形束旋轉掃描 ;三維C T 則從最早的單排螺旋 C T 發展為多排探測器掃描同時給出 8 -16 層數據的多層螺旋 C T , 近幾年使用面陣探測器的錐束 CT 也逐漸進入實用階段。相對於其它的幾何結構, 錐束 CT 系統具有空間解析度高、 數據採集時間短 、 射線利用效率高等顯著。
基本介紹
- 中文名：錐束CT
- 外文名：cone beam volumect
技術背景,技術分類,相關器械,幾何結構,展望,
技術背景
隨著螺旋多層面 C T 的出現 , 醫用 C T 正在向著螺旋錐束 C T 轉變。 從螺旋錐束數據來重建圖像有許多優點 , 但是這種成像方式在數學上比較複雜 , 技術實現也有相當的難度 。當前 x 一射線計算機斷層攝影術是一個非常活躍的學術領域 . 19 9 8 年出現的多層 面螺旋 C T被認為是 e T 發展歷史上的一個里程碑 。 隨著螺旋 M sc T 的迅速發展 , 螺旋錐束 c T 將是醫用 X 射線 C T 的未來 。 因為錐束方法可 以快速採集數據 , 獲得較高的圖像解析度 , 更好地利用輻射 , 並有硬體實現基礎 。 因此在材料 、 生物和醫學研究中引起越來越多的注意。 多層面螺旋 CT 與螺旋錐束 CT的主要區別是在前者中錐角不是很重要的 , 而後者由於要使用相當多排的探測器 , 必須考慮錐角效應 。 因為在當前的多層面螺旋 C T 中錐角只是一個很小角度 , 在圖像重建中可 以被忽略 。 在不久的將來 , 小錐角可擴展到中等錐角 。 因此 , 我們應 當考慮錐束修正 。 最後 , 對於頗大的錐角 , 重建算法必須對錐角效應做出有效的補償。
技術分類
錐束 CT 系統使用的面陣探測器可以分成兩大類 : ( 1)基於電荷耦合器件 ( CCD)的探測器 ;(2)基於薄膜電晶體 ( TFT)的探測器 ( 平板探測器)。平板探測器按將 X 射線轉換成電信號的方式不同又可以分為直接轉換型和間接轉換型, 而CCD 探測器則都是間接轉換型的 。
目前的錐束 CT 系統主要有兩種幾何結構 :一種的掃描射線束是完整的錐束, 採用標準的錐束重建算法 ;另一種的掃描射線束為半個錐束 , 使用修改過的重建算法 , 這種結構主要用於新興的乳腺檢查系統中。
相關器械
面陣探測器
CCD 探測器的發展已經比較成熟而且價格較為低廉 , 在早期的錐束 CT 系統中曾被使用。但其用於錐束C T 系統有許多缺點 。CCD 探測器由閃爍體和 CCD 晶片組成 , 閃爍體和CCD 晶片之間使用光耦合 , 這一光耦合系統通常由透鏡或光纖構成 , 而 CCD 晶片比閃爍體小。這種光學系統減小了到達 CCD 晶片的光子數 , 從而增加了噪聲 、 降低了圖像質量 ;還導致了圖像的幾何失真和光線的散射 ;另外 , CCD 晶片本身的熱噪聲也在一定程度上降低了圖像質量 。CCD 探測器由於需要光學系統因而厚度較大 , 這在使用中也是一個很大的不便。
在間接轉換型平板探測器中 , X 射線光子在閃爍體層轉換成可見光 , 再通過光敏二極體將可見光轉換成電荷信號 ,由 TFT 陣列讀出 。由於產生的可見光向各個方向發射 , 另外可見光在閃爍體內傳播時還會發生散射 , 因此在一點產生的可見光子會被鄰近的幾個TFT 單元探測到 , 從而降低了探測器的空間解析度 。直接轉換型平板探測器使用一層無定型硒將 X射線光子直接轉換成存儲在電容中的電荷 , 再由TFT 陣列讀出 。在一點產生的電荷在電場作用下向一個確定方向移動 , 移動過程中不存在散射的影響 , 因此直接轉換型平板探測器的空間解析度都比較高。
平板探測器和要成的像有同樣大小的尺寸 , 因而探測器系統不會造成幾何失真 。探測器的厚度都很小 , 這也正是它被稱為 “平板” 探測器的原因 。平板探測器的讀數裝置是和探測器結合在一起的 ,本身就具有提高空間解析度的優勢 。不過 , 大面積平板探測器在近幾年才出現 , 目前還在發展中且價格較高 。第一代的平板探測器的尺寸在 20cm ×20cm 左右 , 存在薄膜電晶體面板缺陷點較多 、 探測器噪聲大等諸多缺陷[ 5] 。新一代的平板探測器尺寸已可達43cm ×43cm , 性能也有了很大的改進。目前使用平板探測器的 CT 系統已經逐漸進入實用階段 , 很有希望成為下一代C T系統的代表。
幾何結構
目前的平板探測器 CT 系統主要有兩種幾何結構 :錐束系統和半錐束系統 。
錐束系統
錐束系統的套用比較廣泛 , 主要用於兩個方向 :醫學檢查和工業無損檢測 。由這兩個套用方向的特點不同 , 通常它們分別使用兩種不同的機械結構 :機架式結構和立式結構 。但這不是絕對的 , 立式結構在醫學檢查中也有少量套用 。
錐束系統的套用比較廣泛 , 主要用於兩個方向 :醫學檢查和工業無損檢測 。由這兩個套用方向的特點不同 , 通常它們分別使用兩種不同的機械結構 :機架式結構和立式結構 。但這不是絕對的 , 立式結構在醫學檢查中也有少量套用 。
機架式平板探測器C T 系統
機架式平板探測器 CT 系統是在普通醫用 C T系統的基礎上改造而成的。這種系統使用現有醫用 CT 機的機械設備 、 X光源和控制系統 , 僅將原有的探測器更換為平板探測器 , 修改了控制軟體和重建軟體 。由於目前醫用C T 機已經有成熟的產品 , 架構這樣的系統比較方便 。另外 , 由於 CT 最廣泛的套用還是在醫學中 ,而機架式的幾何結構最適合於醫學檢查使用 , 因此這種幾何結構的平板探測器 C T 系統在目前研究中的使用也比較多。
機架式平板探測器 CT 系統是在普通醫用 C T系統的基礎上改造而成的。這種系統使用現有醫用 CT 機的機械設備 、 X光源和控制系統 , 僅將原有的探測器更換為平板探測器 , 修改了控制軟體和重建軟體 。由於目前醫用C T 機已經有成熟的產品 , 架構這樣的系統比較方便 。另外 , 由於 CT 最廣泛的套用還是在醫學中 ,而機架式的幾何結構最適合於醫學檢查使用 , 因此這種幾何結構的平板探測器 C T 系統在目前研究中的使用也比較多。
立式平板探測器 CT 系統
立式平板探測器 C T 系統的幾何結構, 這種系統的射線源和探測器都是固定的 , 而將待測物置於一個可旋轉的轉台上由於這種幾何結構需要旋轉被測物 , 所以不大適合用於醫學檢查 , 但在工件的無損檢測中則非常適用 , 立式結構可以檢查質量很大的工件且有著很好的幾何位置穩定性 。
錐束系統中散射射線的影響
CT 系統中不可避免地會有散射射線的影響 ,錐束系統的套用通常要求較高的成像質量 , 因此必須設法消除散射的影響 。散射包括背散射和來自物體的散射 , 背散射的影響通常可以通過安裝吸收屏基本消除 , 來自待測物的散射通常是使用探測器前加準直器的方法抑制 , 本文中提到的 “散射” 如無特殊說明則指來自待測物的散射 。線陣探測器僅受一維的散射影響 , 安裝準直器就能達到較好的散射抑制 , 但平板探測器的散射是二維的 , 影響比線陣探測器要大得多 。目前對散射的影響已經有了許多研究工作 , 主要研究問題有兩個:如何評估探測器接受到的數據中散射射線的多少如何在重建的圖像中儘量減小散射射線的影響 。
立式平板探測器 C T 系統的幾何結構, 這種系統的射線源和探測器都是固定的 , 而將待測物置於一個可旋轉的轉台上由於這種幾何結構需要旋轉被測物 , 所以不大適合用於醫學檢查 , 但在工件的無損檢測中則非常適用 , 立式結構可以檢查質量很大的工件且有著很好的幾何位置穩定性 。
錐束系統中散射射線的影響
CT 系統中不可避免地會有散射射線的影響 ,錐束系統的套用通常要求較高的成像質量 , 因此必須設法消除散射的影響 。散射包括背散射和來自物體的散射 , 背散射的影響通常可以通過安裝吸收屏基本消除 , 來自待測物的散射通常是使用探測器前加準直器的方法抑制 , 本文中提到的 “散射” 如無特殊說明則指來自待測物的散射 。線陣探測器僅受一維的散射影響 , 安裝準直器就能達到較好的散射抑制 , 但平板探測器的散射是二維的 , 影響比線陣探測器要大得多 。目前對散射的影響已經有了許多研究工作 , 主要研究問題有兩個:如何評估探測器接受到的數據中散射射線的多少如何在重建的圖像中儘量減小散射射線的影響 。
錐形束噪聲的影響
經驗和理論上平板錐束 CT 系統的噪聲性能的研究應包括體素噪聲 、 噪聲功率譜 ( NPS)、 探測量子效率 ( DQE)。J . H . Siewerdsen 和 D . A . Jaffray 提出將表現 2 維圖像特徵的 NPS 分析方法完全擴展到 3 維的情況[ 20] , 並提出了 n 維時 NPS 分析的通用框架 , 包括了在系統線性性和穩定性限制下NPS 收斂性和歸一化的重要考慮。系統的噪聲導致了最終重建圖像質量的下降 ,如何減小圖像中噪聲的影響是一個很有意義的問題 。N . Nakamo ri 等人使用小波分析的方法去除噪聲影響取得了很好的效果。他們的初步實驗結果表明使用小波分析去除噪聲的方法在不降低 CT圖像質量的情況下可以將劑量降至 1/10 以下 。
經驗和理論上平板錐束 CT 系統的噪聲性能的研究應包括體素噪聲 、 噪聲功率譜 ( NPS)、 探測量子效率 ( DQE)。J . H . Siewerdsen 和 D . A . Jaffray 提出將表現 2 維圖像特徵的 NPS 分析方法完全擴展到 3 維的情況[ 20] , 並提出了 n 維時 NPS 分析的通用框架 , 包括了在系統線性性和穩定性限制下NPS 收斂性和歸一化的重要考慮。系統的噪聲導致了最終重建圖像質量的下降 ,如何減小圖像中噪聲的影響是一個很有意義的問題 。N . Nakamo ri 等人使用小波分析的方法去除噪聲影響取得了很好的效果。他們的初步實驗結果表明使用小波分析去除噪聲的方法在不降低 CT圖像質量的情況下可以將劑量降至 1/10 以下 。
半錐束平板探測器CT 系統
半錐束平板探測器 CT 系統用於乳腺成像檢查 , 這是一項新興的技術。待檢查的患者俯臥在平台上, 而 X射線源和平板探測器在平台下方旋轉。來自射線源的 X 射線經過準直產生半錐形的射線束, 因此不能直接使用錐束重建算法, B .Chen 等人對此提出了修正的公式。半錐束型系統中同樣存在著散射和噪聲的影響 , 但是由於這種系統的用途是進行乳腺檢查 , 目前的試驗結果表明在沒有進行散射和噪聲影響校正時成像質量已經可以滿足要求, 在這種系統中一個很重要的考慮是如何在保證圖像質量的前提下減少射線劑量。
半錐束平板探測器 CT 系統用於乳腺成像檢查 , 這是一項新興的技術。待檢查的患者俯臥在平台上, 而 X射線源和平板探測器在平台下方旋轉。來自射線源的 X 射線經過準直產生半錐形的射線束, 因此不能直接使用錐束重建算法, B .Chen 等人對此提出了修正的公式。半錐束型系統中同樣存在著散射和噪聲的影響 , 但是由於這種系統的用途是進行乳腺檢查 , 目前的試驗結果表明在沒有進行散射和噪聲影響校正時成像質量已經可以滿足要求, 在這種系統中一個很重要的考慮是如何在保證圖像質量的前提下減少射線劑量。
展望
目前平板探測器 CT 系統已經逐步進入實用階段 , 可以達到比傳統的 C T 系統更高的空間解析度 , 而密度解析度也接近傳統 CT 的水平 , 成為一項很有發展前景的技術 。進一步提高平板探測器C T 的密度解析度是下一步亟需解決的問題 。平板探測器 CT 系統的射線利用效率高 , 這一點有著很重要的現實意義 。在醫學 CT 中這意味著可以減小患者檢查時接受的劑量 , 在工業 CT 中則可以加快檢測速度 、 提高檢測效率 。特別是新興的用於乳腺檢查的半錐束 CT 系統 , 它的目標是取代X 射線照相檢查技術 , 因此如何在一次照相受到的劑量範圍內達到能夠反映病變的解析度是一個非常有意義的研究方向 。平板探測器 CT 系統中散射的影響非常嚴重 ,目前在 X 射線能量較低時可以通過安裝準直設備達到較好的散射抑制 , 但使用高能 X 射線時如何抑制散射還是個有待解決的問題 。平板探測器 CT 系統的性能分析沿用了傳統C T 的分析方法 , 原有的用於二維的分析方法也有了擴展到三維情況的工作 。在重建算法中對散射 、噪聲等因素的影響進行校正對提高系統的性能有巨大的影響 , 算法中的校正工作還需進一步完善 。正如扇形束掃描方式取代了平行束一樣 , 錐束掃描方式取代多層螺旋掃描將會是 CT 發展的必然結果 , 而平板探測器 CT 系統正是錐束 CT 的最佳候選者 。我們相信平板探測器錐束 CT 系統必將有著廣闊的前景。
