CT數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)故障偽影常見原因分析及處理

袁保鋒，陳晗梅，李鄭，張正東

揚(yáng)州大學(xué)附屬醫(yī)院 影像科，江蘇 揚(yáng)州 225001

引言

CT圖像偽影是指在成像過程中產(chǎn)生的與被掃描組織結(jié)構(gòu)無關(guān)的異常影像[1]。這些異常影像降低了圖像質(zhì)量，甚至影響臨床診斷[2]。CT數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)（Data Acquisition System，DAS）作為CT主要組成部分，其故障或性能下降常常導(dǎo)致圖像偽影的產(chǎn)生。以我院CT為例，在日常工作中常常遇到一些DAS故障偽影。其實(shí)只需要對DAS有所了解，識別各種數(shù)據(jù)采集故障偽影的特征，就可有針對性地進(jìn)行排查，確定偽影來源及原因，采取有效矯正措施或更換相關(guān)故障器件，抑制或消除偽影。

1 DAS原理

1.1 DAS

狹義DAS包含探測器通道，多路轉(zhuǎn)化器、模/數(shù)轉(zhuǎn)換器(Analog/Digital Converter，A/D)及接口電路等[3]。探測器通道主要由前置放大器、對數(shù)放大器、積分器構(gòu)成。廣義的DAS包括探測器及DAS，探測器主要有兩種：一種是固體探測器，由閃爍體及光電接受器組成，也叫閃爍探測器；另一種是氣體探測器，可收集氣體電離電荷，記錄其產(chǎn)生的電壓信號。CT DAS工作原理是：探測器將X射線能量轉(zhuǎn)化為電信號,探測器通道將探測器輸出的微弱電信號放大處理，轉(zhuǎn)換成投影數(shù)據(jù)信號。再經(jīng)A/D轉(zhuǎn)為數(shù)字信號，由接口電路入計(jì)算機(jī)處理。另外DSA還接受來自參考探測器的信號。隨著電子電路高度集成，DAS已與探測器集成為一個整體，CT中大多沒有獨(dú)立的DAS[3]。

1.2 DAS故障偽影表現(xiàn)

CT數(shù)據(jù)采集故障偽影在圖像上一般表現(xiàn)為：定位像上一條或多條直線狀偽影，粗細(xì)不一，密度或高或低或不均勻[4]。橫斷位上表現(xiàn)為以重建中心為圓心的單個圓環(huán)或多個同心圓環(huán)[5]，有時表現(xiàn)為圓弧，且密度與粗細(xì)與定位像上直線偽影基本一致[6]，一般環(huán)內(nèi)外圖像顯示均正常[7]。環(huán)狀偽影主要由于DAS對X射線不正常響應(yīng)導(dǎo)致。引起這種響應(yīng)不理想的原因有：探測器采集單元及探測器通道故障[8]、DAS的不穩(wěn)定性[9]、數(shù)據(jù)采集單元的不一致性等[10]。

2 故障研究

2.1 DAS故障偽影

2.1.1 故障設(shè)備及偽影現(xiàn)象

故障設(shè)備為西門子64排螺旋CT Definition AS，定位像左側(cè)出現(xiàn)直線低密度偽影，如圖1a所示，橫斷位圖像上出現(xiàn)低密度圓環(huán)偽影，如圖1b所示，圓環(huán)內(nèi)外圖像正常，不是所有圖像均有，偽影交替出現(xiàn)，位置相對固定?？諝庑?zhǔn)后重新掃描，偽影沒有改善，空氣掃描定位像上表現(xiàn)黑白相間的直線狀偽影，橫斷位圖像上黑白相間交替圓環(huán)形偽影。

圖1 DAS故障偽影

2.1.2 分析及解決方案

偽影特點(diǎn)：定位像上條狀偽影，橫斷位上圓環(huán)偽影，空氣掃描表現(xiàn)為高信號；頻發(fā)，位置在圖像中基本固定；偽影交替出現(xiàn)；查看LOG文件沒有明顯報(bào)錯提示。查看上次空氣校準(zhǔn)時間，距離上次校準(zhǔn)僅僅3～4 h，非長時間不做空氣校準(zhǔn)所致。根據(jù)偽影形狀及特征基本判斷為DAS系統(tǒng)故障。

解決方案：進(jìn)入設(shè)備維修界面，利用運(yùn)行設(shè)備數(shù)據(jù)通道輸出檢測工具進(jìn)行檢測，發(fā)現(xiàn)通道299數(shù)據(jù)明顯異常，如圖1c所示，首先懷疑為DAS故障，因該機(jī)器DAS已與探測器集成為若干Module模塊，通道299對應(yīng)第19塊Module，如圖1d所示，將其更換到最邊緣位置，校準(zhǔn)后重新掃描，偽影位置伴隨Module模塊位置發(fā)生變化。確定Module模塊故障，將故障Module模塊放置在探測器最邊緣位置，臨時設(shè)置屏蔽故障通道，偽影暫時消失，保證機(jī)器暫時使用，訂新的Module模塊，更換后機(jī)器恢復(fù)正常。

2.2 探測器 表面異物偽影

2.2.1 故障設(shè)備及偽影現(xiàn)象

故障設(shè)備為西門子CT Definition AS，偽影如圖2a所示，胸部掃描肺窗圖像中間兩條高密度圓弧偽影，不是封閉圓環(huán)，在軟組織窗中表現(xiàn)不明顯。交替出現(xiàn)。在圖像中位置基本固定。掃描水模較低窗位時同樣交替出現(xiàn)兩圓弧偽影，空氣校準(zhǔn)后偽影沒有改善。

圖2 探測器表面異物偽影

2.2.2 偽影分析與處理

偽影特點(diǎn)：圓弧偽影，密度不均勻；頻發(fā)，位置固定，交替出現(xiàn)；LOG文件沒有明顯報(bào)錯提示。偽影形狀及特征與案例2.1相似，判斷為DAS系統(tǒng)導(dǎo)致。

解決方案：首先進(jìn)行空氣校準(zhǔn)，再掃描偽影沒有明顯改善。將水模原始數(shù)據(jù)導(dǎo)入重建計(jì)算機(jī)，重建圖像無偽影出現(xiàn)，排除了重建系統(tǒng)軟件故障。進(jìn)入維修Service界面，利用運(yùn)行設(shè)備自身探測器數(shù)據(jù)采集校驗(yàn)工具進(jìn)行檢測，發(fā)現(xiàn)通道503、523數(shù)據(jù)明顯異常，如圖2b所示，首先懷疑為通道板故障，將兩個通道對應(yīng)Module模塊32、33更換到其他位置，校準(zhǔn)后重新掃描，偽影位置沒有變化，僅僅密度發(fā)生變化，排除該位置Module模塊故障。打開機(jī)架，測量DAS電源電壓均正常，排除DAS電源故障。排除過程中發(fā)現(xiàn)探測器表面上面兩處殘留造影劑，如圖2c所示，至此原因得以明確，該偽影系探測器殘留造影劑所致。用純酒精將探測器表面造影劑擦除，然后校準(zhǔn)設(shè)備，再次掃描，偽影消除。

2.3 參考探測器故障偽影

2.3.1 故障設(shè)備及偽影現(xiàn)象

故障設(shè)備為東芝64排螺旋CT Aquilion，橫斷位圖像上多層同心圓環(huán)偽影，軟組織窗上表現(xiàn)為兩個低密度同心圓環(huán)偽影，如圖3a所示，肺窗上表現(xiàn)為密集同心圓環(huán)偽影，如圖3b所示，且圓環(huán)密度不均勻。圓環(huán)內(nèi)圖像密度整體變低，且不均勻。偽影位置固定，基本所有圖像均有。空氣校準(zhǔn)后偽影沒有明顯改善。

2.3.2 偽影分析與處理

偽影特點(diǎn)有如下四點(diǎn)：多層同心圓環(huán)；位置在圖像中固定，基本所有圖像均出現(xiàn)；圓環(huán)內(nèi)圖像CT值降低；LOG文件沒有明顯報(bào)錯提示。因圓環(huán)偽影且伴隨圓環(huán)內(nèi)圖像CT值降低，且球管已曝光50萬秒次，懷疑球管輸出不穩(wěn)定所致。

圖3 參考探測器故障偽影

解決方案：進(jìn)入維修界面，利用運(yùn)行設(shè)備自身輸出檢測工具進(jìn)行檢測，發(fā)現(xiàn)不同掃描條件球管射線量輸出均正常，如圖3c所示，基本可以排除球管故障，然后檢測通道板故障，將異常數(shù)據(jù)對應(yīng)的數(shù)據(jù)通道板更換到其他位置，校準(zhǔn)后重新掃描，偽影沒有變化，排除該位置數(shù)據(jù)通道板故障。檢測DSA輸出數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)部分輸出數(shù)據(jù)異常，如圖3d所示，DSA除了接受探測器采集單元的數(shù)據(jù)，另外還接受來自參考探測器的信號，因此懷疑參考探測器故障，更換新的參考探測器，校準(zhǔn)后掃描偽影不再出現(xiàn)。

3 討論

CTDAS偽影產(chǎn)生的主要原因如下：

（1）探測器單元故障。偽影一般表現(xiàn)為單個或多個細(xì)環(huán)偽影，與故障單元個數(shù)相對應(yīng)。圓環(huán)密度均勻，環(huán)內(nèi)外圖像一般均正常，偽影位置及密度相對較固定?？諝庑?zhǔn)后偽影無改變，用設(shè)備自帶探測器數(shù)據(jù)采集校驗(yàn)工具進(jìn)行檢測，可以發(fā)現(xiàn)壞的通道，然后排除通道板故障，可以確認(rèn)探測器單元故障。處理方法是更換故障探測器單元。

（2）探測器通道板故障。通常是積分板故障或性能不穩(wěn)定導(dǎo)致，一般表現(xiàn)為單個或多個圓環(huán)偽影[11]，如圖1b所示，有時也會表現(xiàn)為圓弧。偽影密度可高可低或高低不均勻分布,偽影位置固定，密度可有變化[12]。進(jìn)行空氣校準(zhǔn)后，偽影有時可以消除或能減輕，但一段時間后會再次出現(xiàn)。將壞的通道板更換位置時，偽影的位置隨之改變。處理方法如案例2.1所述，一般臨時處理方法是將故障通道板更換到探測器邊緣位置，然后用軟件屏蔽的壞通道，暫時消除或減輕偽影。最終需更換故障通道板。

（3）A/D轉(zhuǎn)換板故障。因通常多塊探測器通道板共用一塊A/D轉(zhuǎn)換板，因此A/D轉(zhuǎn)換板故障時常表現(xiàn)為多環(huán)偽影，各個環(huán)等距分布[13]。如同探測器通道板，故障A/D轉(zhuǎn)換板位置移動時，偽影隨之移動。用機(jī)器自帶探測器數(shù)據(jù)采集校驗(yàn)工具進(jìn)行檢測時可以發(fā)現(xiàn)壞的通道[14]。用軟件查原始數(shù)據(jù)，可發(fā)現(xiàn)數(shù)據(jù)有規(guī)律的增高或減低。處理方法是更換壞的A/D轉(zhuǎn)換板。

（4）探測器單元的不穩(wěn)定性。偽影一般表現(xiàn)為環(huán)形或弧形偽影。探測器單元性能主要包括增益、熱噪聲、輸入與輸出之間的非線性以及不同程度的功能退化。隨著溫度和時間的變化，探測器單元中的電子熱噪聲也會變化、探測器的輸入輸出線形關(guān)系也退化，并且不同單元的退化程度不同。一般解決方法為每天空氣校準(zhǔn)一次，去除探測器單元的不穩(wěn)定性，減少環(huán)境溫度對探測器單元的影響。

（5）探測器內(nèi)部響應(yīng)不一致。探測器越做越寬，目前在Z軸方向的長度最寬達(dá)16 cm，而在X軸方向上的寬度只有1 mm左右。理想的探測器響應(yīng)是射線無論射入探測器內(nèi)部的什么位置，探測器的增益都相同。由于探測器老化，可能導(dǎo)致探測器響應(yīng)隨內(nèi)部位置不同而改變?？僧a(chǎn)生顯著的同心環(huán)形和弧形偽影。

（6）探測器表面異物。如案例2.2所述，表現(xiàn)為單個或多個圓環(huán)偽影，偽影粗細(xì)與異物所占探測器單元有關(guān)，與案例2.1偽影相似，區(qū)別是改變探測器單元或通道板位置，偽影位置及形狀不會有改變。清除異物后即可恢復(fù)正常。

（7）氙壓不足。出現(xiàn)在采用氣體探測器CT上，圖象質(zhì)量下降，伴隨多環(huán)偽影，環(huán)的密度和正常圖像相差不大[15]。校準(zhǔn)后環(huán)形偽影可消失。圖象質(zhì)量有所改變，但不久又出現(xiàn)環(huán)形偽影及圖象質(zhì)量繼續(xù)下降。用軟件查原始數(shù)據(jù)值全部降低，處理方法為補(bǔ)充氙氣或更換探測器。目前CT基本采用閃爍探測器，該偽影基本不會出現(xiàn)。

（8）參考探測器故障偽影。探測器通道除了接受探測器的信號還接受參考探測器的信號，參考探測器故障時，偽影表現(xiàn)變化比較多，一般圖像密度不均勻，圖像常常變暗，可伴有圓環(huán)偽影，如案例2.3所述。

雖然DAS故障偽影通常表現(xiàn)為圓環(huán)或圓弧，不同部件故障產(chǎn)生的偽影仍有不同，比如采集單元故障一般圓環(huán)密度較均勻，而探測器通道積分板故障一般圓弧密度不均勻，且偽影密度可發(fā)生變化，A/D轉(zhuǎn)換板故障一般產(chǎn)生多個等距圓環(huán)。因此只需識別各種數(shù)據(jù)采集故障偽影的特征，以及設(shè)備自帶的檢測工具來觀察數(shù)據(jù)輸出情況，進(jìn)行針對性的排查，采取有效矯正措施。