X-CT圖像數(shù)據(jù)采集的方向性

朱學(xué)功

X-CT（computed tomography）斷層掃描成像即用一維的投影經(jīng)過重建產(chǎn)生一個(gè)二維圖像，所謂的投影即為初始的X-射線和人體相互作用后的那部分X-射線，

這個(gè)過程主要表現(xiàn)為吸收、散射和投射，如圖1所示。圖1中A事件表示被人體吸收的X-射線，B和E表示沒有和人體相互作用透射的X-射線事件，C和D是發(fā)生散射的X-射線事件。對(duì)X-射線成像來說，只有被人體組織吸收或者直接穿過人體組織并被人體后面的探測(cè)器探測(cè)到的X-射線對(duì)成像有貢獻(xiàn)，而圖1中所示的C和D事件由于在人體組織中發(fā)生了大角度的散射，或者被準(zhǔn)直器阻擋，對(duì)成像沒有貢獻(xiàn)，或者造成圖像的本底。

圖1 X線投影形成示意圖

但是，要得到人體完整的信息，需要在多少個(gè)角度上采集投影數(shù)據(jù)呢？從原理上講，X-CT成像只要采集0°～180°的數(shù)據(jù)就可以了，因?yàn)槭菍?duì)稱的。但是實(shí)際上并非如此。這里涉及到X-CT數(shù)據(jù)采集時(shí)準(zhǔn)直器和探測(cè)器的幾何關(guān)系，如圖2所示。如果定義光源入射窗口上的準(zhǔn)直器形成的空間的寬度為W1和探測(cè)器陣列的寬度為W2。W1可以在一定范圍內(nèi)變化，但是W2在設(shè)備設(shè)計(jì)階段確定后就不能變了。從圖2可以看到，X射線在人體內(nèi)的切片并不完全是矩形，而是一個(gè)楔形，所以，重建時(shí)需要對(duì)數(shù)據(jù)做預(yù)處理，把它轉(zhuǎn)化成矩形，這種情況在數(shù)據(jù)采集一周的起始和終點(diǎn)尤其重要。所以0°和180°數(shù)據(jù)采集并進(jìn)行相加后才能用于重建。但是兩者數(shù)據(jù)相加后的包絡(luò)線仍然不是矩形，如圖3上右邊第三個(gè)圖所示。

圖2 CT掃描中準(zhǔn)直器和探測(cè)器的幾何關(guān)系示意圖

圖3 0°和180°數(shù)據(jù)采集時(shí)重建圖像的理論和實(shí)驗(yàn)結(jié)果比較

用這樣的數(shù)據(jù)進(jìn)行重建之后的圖像和物體的外輪廓之間不一致。例如，圖3中下面對(duì)圓盤所成的像，由于邊緣的提取出現(xiàn)的偏差，形成的影像更像鐵餅而不是圓盤。這種邊緣不銳的現(xiàn)象稱為X-CT成像時(shí)的半偽影，主要由X射線光源的大小，以及成像系統(tǒng)的邊緣效應(yīng)，加上成像系統(tǒng)中散射引起的量子噪聲等綜合結(jié)果造成的。

由于上面提到的問題，在0°～180°和180°～360°采集的數(shù)據(jù)實(shí)際上存在差別，使得物體的外輪廓成為楔形而非矩形。所以，CT圖像數(shù)據(jù)的采集具有方向性，需要采集360°范圍內(nèi)，甚至更大角度內(nèi)的數(shù)據(jù)，才能消除在被成像物體的兩邊采集數(shù)據(jù)時(shí)，存在著光源和探測(cè)器之間的距離不完全相等引起的誤差，造成的數(shù)據(jù)采集的非對(duì)稱性。

綜上所述，理論上完全重建一個(gè)X-CT圖像，只需要采集180°范圍內(nèi)的數(shù)據(jù)即可。實(shí)際上要根據(jù)不同的CT結(jié)構(gòu)，進(jìn)行具體分析，根據(jù)圖像重建的需要，決定數(shù)據(jù)采集的范圍。例如，第三代CT完全重建需要的角度范圍是230°，如圖4所示；第四代CT的采集的角度范圍通常是450°～500°，如圖5所示?；瑒?dòng)環(huán)的CT就沒有這個(gè)要求，完整的360°采集就可以了。但是，為了減少邊緣效應(yīng)，采集數(shù)據(jù)的范圍還是設(shè)置成>360°的范圍。

圖4 第三代CT掃描原理圖

圖5 第四代CT掃描原理圖

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