消除或減輕CBCT 常見偽影的可行化探討與研究

鄒一方，于成群

（1 煙臺(tái)市煙臺(tái)山醫(yī)院設(shè)備科 山東 煙臺(tái) 264003）

（2 煙臺(tái)市煙臺(tái)山醫(yī)院影像科 山東 煙臺(tái) 264003）

隨著錐形束計(jì)算機(jī)斷層成像（cone beam computed tomography，CBCT）的應(yīng)用范圍不斷擴(kuò)大，其在臨床和研究領(lǐng)域中的重要性也日益凸顯。然而，CBCT 圖像中常常存在各種偽影，這對(duì)于正確解讀和診斷圖像帶來了挑戰(zhàn)。因此，尋找消除或減輕CBCT 常見偽影的可行方法成為重要的研究方向。CBCT 常見的偽影問題包括散射偽影、金屬偽影和運(yùn)動(dòng)偽影等[1]。為了解決這些問題，研究人員不斷探索和優(yōu)化CBCT 參數(shù)設(shè)置、圖像重建算法以及硬件設(shè)備和新技術(shù)的應(yīng)用。盡管已經(jīng)取得了一些進(jìn)展，但消除或減輕CBCT 常見偽影仍然是一個(gè)復(fù)雜的問題。本文旨在對(duì)消除或減輕CBCT 常見偽影進(jìn)行可行性探討與研究，為未來在臨床實(shí)踐中提供更可靠的CBCT 圖像支持。

1 CBCT工作原理

CBCT 是一種醫(yī)學(xué)影像技術(shù)，主要用于頭頸部、口腔頜面部以及其他需要高分辨率三維圖像的區(qū)域，其工作原理與傳統(tǒng)的CT類似，CBCT的工作原理的簡(jiǎn)要概述如下[1]。

1.1 錐形束發(fā)射

CBCT 系統(tǒng)使用一個(gè)旋轉(zhuǎn)的X 射線源發(fā)射一束錐形的X 射線束。與傳統(tǒng)CT 不同，CBCT 的X 射線束非常寬，覆蓋整個(gè)感興趣區(qū)域。

1.2 平行探測(cè)器

在旋轉(zhuǎn)中心對(duì)面的位置，放置一個(gè)平行于X 射線束的探測(cè)器陣列，包含大量探測(cè)器單元。這些探測(cè)器單元通過測(cè)量射線束經(jīng)過物體后的衰減程度來記錄X 射線的強(qiáng)度。

1.3 旋轉(zhuǎn)掃描

X 射線源和探測(cè)器陣列圍繞感興趣區(qū)域進(jìn)行旋轉(zhuǎn)掃描，通過多個(gè)角度的投影數(shù)據(jù)來獲取完整的三維信息。一般完成一次掃描需要20～60 s 不等。

1.4 數(shù)據(jù)采集和重建

探測(cè)器單元將獲得的衰減數(shù)據(jù)傳輸給計(jì)算機(jī)，再經(jīng)過復(fù)雜的算法進(jìn)行重建處理。這些算法利用了數(shù)學(xué)模型和逆向投影等技術(shù)，將投影數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成高分辨率的三維體素?cái)?shù)據(jù)，并生成用于顯示和分析的圖像。

2 CBCT常見的影像圖像偽影的介紹

2.1 偽影的定義

可理解為在成像過程中出現(xiàn)的所有不同類型的非隨機(jī)性干擾在圖像上的表現(xiàn)。其體現(xiàn)的是被檢查對(duì)象中本不存在的組織和病變。偽影的存在會(huì)嚴(yán)重妨礙觀察種植體、正常牙齒及周圍軟組織的分辨。提升了臨床醫(yī)師對(duì)于評(píng)估周遭骨質(zhì)缺如程度而行填補(bǔ)、根管填充治療等需高精度、個(gè)性化評(píng)估治療方案的難度[2]。

3 運(yùn)動(dòng)模糊偽影

3.1 形成機(jī)制和表現(xiàn)

當(dāng)球管在掃描及重建圖像過程中，被照體發(fā)生主觀或客觀不受控的運(yùn)動(dòng)導(dǎo)致投影數(shù)據(jù)不一致而產(chǎn)生的偽影稱運(yùn)動(dòng)偽影（motion blur），例如兒童和老年人大多存在著主觀上的害怕和客觀上的不受控，比如面部抽動(dòng)和帕金森病的情況。對(duì)于口腔頜面部解剖較為精細(xì)的部位，則會(huì)導(dǎo)致牙列不清、下頜神經(jīng)管關(guān)系模糊、根尖重影、特別是依靠CBCT 來定位和觀察的阻生齒等問題。極不利于臨床診斷和后續(xù)治療。

3.2 減少運(yùn)動(dòng)模糊偽影的方法

3.2.1 縮短檢查時(shí)間減少偽影 檢查前，不僅從主觀上安撫情緒、采用控制運(yùn)動(dòng)的介入物品和藥品以外，客觀上也要提供操作技術(shù)上的支持。主要是以提高球管轉(zhuǎn)速或更換較大寬度的探測(cè)器以降低圖像質(zhì)量和增加輻射劑量來增強(qiáng)時(shí)間分辨率，以此縮短掃描時(shí)間來減少運(yùn)動(dòng)偽影的產(chǎn)生[3]。大多數(shù)廠家研發(fā)的掃描設(shè)備都具有低劑量模式（ULD）通過降低毫安和圖像質(zhì)量來換取掃描速度的提升，以普蘭梅卡出廠的CBCT 為例，正常拍攝是電壓90 kV，電流6.3 mA，時(shí)間12 s，低劑量模式是電壓90 kV，電流4.1 mA，時(shí)間4 s，使檢查時(shí)間縮短至正常模式的三分之一，極大限度地減少了運(yùn)動(dòng)模糊偽影的產(chǎn)生。這需要在檢查時(shí)根據(jù)患者的適應(yīng)證來決定取舍，并不能一概而論，要靈活地調(diào)整參數(shù)來達(dá)到質(zhì)量和劑量的最優(yōu)化[4]。

3.2.2 運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)追蹤法 在CBCT 檢查過程中，要求患者對(duì)頭部保持固定不動(dòng)。但據(jù)統(tǒng)計(jì)，兒童和自主運(yùn)動(dòng)不受控的患者，其占比高達(dá)10%[5]。即使細(xì)微的運(yùn)動(dòng)也會(huì)對(duì)重組后的CBCT 圖像帶來較大影響。運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)追蹤的理論是指通過外部的設(shè)備進(jìn)行運(yùn)動(dòng)追蹤來獲取患者整個(gè)檢查過程的運(yùn)動(dòng)軌跡，然后利用數(shù)據(jù)恢復(fù)進(jìn)行運(yùn)動(dòng)校正并重建圖像。丹麥的Spin-Neto 等[6]通過在CBCT 裝置中使用視頻觀察（VO）和三維頭部跟蹤（HT）檢測(cè)機(jī)器人模擬頭部運(yùn)動(dòng)的準(zhǔn)確性。研究共模仿了人體頭部運(yùn)動(dòng)吞咽、震顫和前后運(yùn)動(dòng)在內(nèi)的共6 種運(yùn)動(dòng)方式高達(dá)百次，其中HT 正確檢測(cè)所有動(dòng)作，并以平均誤差量化動(dòng)作，證實(shí)了該方法的可行性。

4 金屬類偽影對(duì)臨床診療過程中的影響

4.1 金屬類偽影影響概述

CBCT 獲取的圖像除了直觀的閱覽外，利用設(shè)備自身所匹配的軟件進(jìn)行多種后處理，在頜面外科、整形、種植牙應(yīng)用和治療等方面也同樣發(fā)揮著重要的輔診作用。而金屬物質(zhì)產(chǎn)生的放射狀偽影和暗黑帶缺損可能會(huì)掩蓋關(guān)鍵的解剖部位或者形成類骨折線及缺損，從而影響正常疾病的診斷。特別是相鄰兩顆牙都進(jìn)行金屬類修復(fù)或填充治療時(shí)，偽影對(duì)輕微骨折線的影響更甚?？谇环N植體按材料不同大抵可分為：金屬、合金材料類；陶瓷材料類；碳素、高分子及復(fù)合材料等。其一，目前口腔種植體常用的材料主要是純鈦及鈦合金，生物活性陶瓷和氧化鋯等一些復(fù)合材料。這些植入物按治療部位和方式又可分為骨內(nèi)、骨膜下種植、根管內(nèi)種植等[7]。由于口腔內(nèi)相鄰結(jié)構(gòu)的重疊部分較多，金屬偽影會(huì)減少種植體周圍骨質(zhì)結(jié)構(gòu)的可視化，使植入或根管治療及術(shù)前規(guī)劃等效果大打折扣。其二，掃描獲取的圖像大多依靠廠家的后處理軟件來進(jìn)行更廣泛的治療和診斷。其輔助作用的基本原理是將掃描得到的原始圖像精準(zhǔn)識(shí)別出感興趣區(qū)齒類、軟組織、骨骼成分進(jìn)行分割并將其轉(zhuǎn)換成3D 模型。但如果受到了金屬偽影的干擾則會(huì)阻礙正常解剖結(jié)構(gòu)的識(shí)別，導(dǎo)致口腔內(nèi)骨質(zhì)和其他組織的正常分離，無法實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)醫(yī)療和個(gè)性化治療方案為臨床服務(wù)[8]。其三，由于CBCT 的口腔內(nèi)成像高分辨性、善于發(fā)現(xiàn)齒周早期病變的特點(diǎn)，當(dāng)臨床初診和常規(guī)X線（例如DR）、根尖片無法確診和評(píng)估時(shí)，CBCT 的獨(dú)特優(yōu)勢(shì)便得到更好的體現(xiàn)。例如外傷導(dǎo)致的牙折、牙槽骨輕微骨折等、特別是對(duì)正常牙齒和種植體的舌頰側(cè)和根尖分叉處的骨折及細(xì)小缺損的檢出率較高。如果不能良好地規(guī)避和減少病變周圍金屬偽影的影響，特別是牙齒本身行缺損修補(bǔ)、根管填充治療的骨折，其檢出難度也會(huì)大幅提升。

4.2 減少金屬類偽影的調(diào)試方案

曝光參數(shù)的設(shè)置：在CBCT 過程中，影響圖像整體質(zhì)量、空間分辨率及金屬偽影的主要參數(shù)有管電壓、電流、體素和成像視野等參數(shù)因X 射線束透過金屬物質(zhì)后光子發(fā)生衰減，使到達(dá)探測(cè)器的光子數(shù)量不足而產(chǎn)生優(yōu)先沿著最大衰減方向的亮暗條紋（光子饑餓效應(yīng)），基于該物理效應(yīng)基礎(chǔ)，想要減少或消除金屬偽影的產(chǎn)生則需要較常規(guī)曝光參數(shù)更有針對(duì)性的條件。比如原子序數(shù)高的金屬產(chǎn)生的偽影可能更強(qiáng)。Vasoncelos 等[9]在干燥且離體的下頜骨內(nèi)用不同的管電壓研究鈦和氧化鋯種植體金屬偽影的產(chǎn)生程度。實(shí)驗(yàn)證明，增加管電壓可有效減少兩種材料種植體的金屬偽影，并且氧化鋯種植體比鈦種植體產(chǎn)生更多的金屬偽影。而管電流的提升會(huì)使圖像內(nèi)每單位獲得電子數(shù)增加，有利于進(jìn)行過牙齒缺損修補(bǔ)、根管填充治療后微骨折的檢出，但對(duì)于高原子序數(shù)的物質(zhì)例如鋯，減少偽影的效果不理想。體素則是一個(gè)三維概念，其決定圖像中的空間分辨率的高低，體素越小則空間分辨率越高，圖像質(zhì)量越好。而小視野產(chǎn)生的金屬偽影數(shù)量要少于大視野。總結(jié)以上規(guī)律，在對(duì)不能進(jìn)行摘除金屬類植入物的患者進(jìn)行檢查時(shí)，可以適當(dāng)增加管電壓，稍微提高管電流并使用小體素和成像視野的曝光參數(shù)進(jìn)行成像。

4.3 去金屬偽影的技術(shù)前瞻

4.3.1 新型材料 正確的植入材料是整個(gè)口齒修復(fù)治療環(huán)節(jié)獲得成功的重要一步。本質(zhì)是為了提高患者的生活質(zhì)量，一勞永逸地代替舊齒進(jìn)行正常的生活功能。所以去金屬偽影最核心的是在其根源材料處做工作。高分子材料-聚醚醚酮（PEEK）作為一種性能優(yōu)異的特種工程塑料，其具有耐化學(xué)品腐蝕、耐磨性、耐輻照性、絕緣性穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn)[10]。作為一種射線透射材料，極大限度地避免了進(jìn)行CBCT 掃描時(shí)產(chǎn)生的金屬偽影，因其剛度與人體骨相當(dāng)，且隨著科技進(jìn)步發(fā)展，有望改善其惰性生物活性和優(yōu)化力學(xué)性能，此類材料的應(yīng)用領(lǐng)域和發(fā)展前景亦是不可估量。

4.3.2 能譜技術(shù) 其應(yīng)用最早是適用于常規(guī)CT 領(lǐng)域，基本概念為：球管發(fā)生的X 線是持續(xù)性的混合能量射線，因物體對(duì)X 線的吸收系數(shù)是指對(duì)各種不同能量X線吸收的總效應(yīng)。而能譜CT 成像是以兩種不同的能量進(jìn)行掃描，從而獲得從低能級(jí)到高能級(jí)各單一能級(jí)的單能譜圖像，可以估算出圖像中對(duì)比度、亮度的失真程度，利用算法加以修正，以此來減少金屬偽影，且隨著單能量的提升，金屬偽影也會(huì)隨之減少[11]。

4.3.3 人工智能深度學(xué)習(xí) 隨著科學(xué)技術(shù)不斷發(fā)展和計(jì)算機(jī)功能的提升，結(jié)合AI 進(jìn)行深度學(xué)習(xí)（DL）技術(shù)儼然成為圖像處理領(lǐng)域研究的熱門話題。對(duì)去除金屬偽影的研究大抵可分為有、無監(jiān)督學(xué)習(xí)兩方面。其中，有監(jiān)督學(xué)習(xí)對(duì)去除金屬偽影的實(shí)現(xiàn)價(jià)值較大，其本質(zhì)可以簡(jiǎn)單總結(jié)為人們常說的分類法，通過已有的訓(xùn)練樣本進(jìn)行訓(xùn)練并得到一個(gè)最優(yōu)模型，再利用這個(gè)模型將所有的輸入映射為相應(yīng)的輸出，對(duì)輸出進(jìn)行簡(jiǎn)單的判斷從而實(shí)現(xiàn)分類的目的并具有了對(duì)未知數(shù)據(jù)進(jìn)行分類的能力。醫(yī)學(xué)影像學(xué)利用成對(duì)的影像圖像進(jìn)行神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練，將其映射于與之訓(xùn)練相近的臨床場(chǎng)景。具體實(shí)施方法為利用卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行輔助，齊宏亮等[12]利用局部卷積進(jìn)行搭建正弦圖域，僅依賴于正弦圖中未受射束硬化污染區(qū)域有效像素進(jìn)行正弦圖修復(fù)，排除了受污染區(qū)域中無效信息的干擾，在不同金屬個(gè)數(shù)的局部視野牙科CT 圖像的實(shí)驗(yàn)中均取得了最大的PSNR 和SSIM 值，產(chǎn)生了最接近于金標(biāo)準(zhǔn)圖像的結(jié)果。證明了所提方法的可行性。值得進(jìn)一步深化研究。

5 小結(jié)

隨著前沿技術(shù)的不斷進(jìn)步，AI 深度學(xué)習(xí)技術(shù)、運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償算法和新興應(yīng)用材料的逐漸成熟給CBCT 的功能進(jìn)步提供了強(qiáng)大的后備支持。除了依靠硬件設(shè)施減少各類偽影的產(chǎn)生以外，合理地調(diào)控成像參數(shù)，借鑒正確的理論知識(shí)，利用現(xiàn)有的設(shè)備來最大限度地減少偽影，保證圖像質(zhì)量，降低輻射劑量才是放射技師應(yīng)該重視的關(guān)鍵點(diǎn)。綜上所述，對(duì)CBCT 消除和減少各類偽影的應(yīng)用研究具有非?，F(xiàn)實(shí)的意義。