螺旋CT 图像环形伪影产生机制及处理方法

何卫红 方向军 邓承健 范锟 南华大学附属第二医院放射科 （衡阳 421001）

计算机断层摄影装置（CT）电子技术、医学技术、计算机技术的综合体，技术发展迅猛，目前在各大型医院得到广泛应用。但是在图像质量方面，图像伪影的存在一直影响着图像质量，其中环形伪影是现代CT 机较为常见的故障。环形伪影不仅影响了图像的质量，还给图像噪声处理以及图像分割等后续处理造成困扰，降低了图像的识别能力和测量精度。引起环形伪影的因素有很多，要排除此类故障，应该仔细查找其产生的原因，有时可能是几个因素互相联系或同时存在，必须按其工作原理的思路，逐步检查，直至最后找到故障所在，使CT 机图像得到完全恢复。从广义上讲，图像伪影是指实际物体被扫描时，重建后的图像中出现了在实物中不存在的成分。本文主要阐述环形伪影产生的机制及抑制环形伪影产生的几种常见方法。

1.资料与方法

1.1 一般资料

本文收集本院181 位患者不同类型和不同程度CT 图像环形伪影病例，进行系统研究，其中头部扫描74 例，胸部扫描45 例，腹部扫描42 例，其他部位20 例。

1.2 检查方法

本院所用CT 设备为荷兰Philips 计算机断层扫描系统（Philips Brilliance 16 slice），球管为热容量8M HU 的金属陶瓷液态轴承球管，管电压为100 KV、120KV、140KV，管电流为30～500mA，层厚层距为1mm、2mm、3mm、5mm，单圈360度旋转速度为0.42～1.0s，扫描体位为横断位、冠状位，最大扫描视野FOV 为500mm。

2.结果

在181 例CT 图像伪影中，按照伪影产生的不同机制进行分类：①基于探测器模块的环形伪影73 例占40%；②基于数据采集系统故障的环形伪影29 例占16%；③基于X 射线不足的环形伪影27 例占15%；④基于准直器的环形伪影52例占29%，详见图1-4。

图1. 基于探测器模块

图2. 基于数据采集系统

图3. 基于X 射线不足

图4. 基于准直器

3.讨论

3.1 环形伪影的产生原因

①探测器通道相应不一致性[1]。由于探测器加工工艺的限制，或长期使用的老化，各个探测器单元的效率和灵敏度不可能存在完全一致，导致在同等强度X 射线的照射下不同的阵列探测器单元输出的电流信号也存在差异。

②探测器通道故障，探测器某一个通道损坏，会出现严重的单环伪影[2]。

③数据采集系统故障，数据采集系统电源故障，积分板损坏，积分板接触不良等原因引起，导致采集到的投影数据与真实投影数据不一致，从而使CT 图像中产生环形伪影[3]。

④ X 射线光子不足，这种情况会导致CT 图像出现浓淡不均的多环伪影。

⑤准直器，补偿器故障及X 线管窗口异物等。与探测器通道故障相似，会导致CT 图像产生严重的环形伪影。

3.2 环形伪影的特征

①具有一定的宽度。CT 系统中有一个探测器通道异常，对应着重建图像中就会出现一个像素宽度的狐或环，那么它的正弦图中对应着一个像素的竖线。由于CT 中使用的探测器价格昂贵，通常采用高采样频率扫描技术来实现高分辨率成像。那么一个异常探测器所致伪影的宽度与高频采样的插值次数相等，如果是多个连续的探测器异常，那么则在正弦图和重建图像中表现为多个连续的条带和环带[4]。

②同一伪影灰度不均匀。对于数据采集系统积分板电路参数的变化所致的环形伪影，由于射线通过扫描工件的路径长度不同，伪影的严重程度不同，从而导致图像中环形伪影不是均匀的全环，而可能是狐或亮暗不均的环[5]；同理，投影正弦图中则表现为间断的或者灰度不均匀的竖条。

③可能具有一定的周期性。为了提高探测器通道响应的一致性，通常CT 系统将多个探测器组成探测器模块。Klaus J.engel 在对探测器串扰分析时，提出探测器模块边界与模块内部差异，信号的模块边界更容易被吸收，使得探测器模块边界通道响应不一致，从而导致重建图像上产生了等间距的单个分散环形伪影，投影正弦图则产生等间距的直线。

3.3 抑制环形伪影产生的方法

在以上所述的原因中，其中造成CT 图像环形伪影最常见，最复杂的因素是数据采集系统（DAS）故障。下面从成像原理来介绍两种常用的处理方法[6]。

①从扫描方式角度

文献中提出的校正算法的基本思想是：具有响应不一致性的探测器通道之所以会影响重建图像，产生环状伪影，关键是其在扫描过程中始终采集同一根射线受被检物质调制后携带的信号，这样反投影时，该探测器通道具有的响应不一致性通过这些信号在重建矩阵固定位置形成以这根射线为切线，以旋转中心为中心的环，所以在扫描过程当中，采用一定的扫描方式，使具有响应不一致性的通道能采集不同射线携带的信号，在原始投影采集环节即将探测器系统响应不一致性平均分布到整个采样序列，避免其集中在投影序列的固定位置，那么环形伪影可以得到抑制[7]。

②重建图像的校正

基于投影正弦图的校正，能够有效地抑制环状伪影，经过校正之后CT 图像可能还存在残余的环状伪影。另外，终端用户有时并不能获得CT 系统采集的原始数据，仅仅获得重建后的CT图像，所以无法进行投影正弦图的校正，为了去除CT 图像上的环状伪影，此时需要图像后处理校正法。其思路是将CT 图像从直角坐标系f(x, y)转换到极坐标系p(r, θ)，环形伪影存在以下特点：环状伪影是以图像中心0 为圆心的同心圆环。基于环状伪影特点，不难发现，若将直角坐标系中的CT 图像f(x, y)转换为极坐标系中图像p(r, θ)，环形伪影将会由同心圆环转换为竖直方向的线状伪影，此时的特征类似于投影正弦图，因此采用类似上述正弦图的处理方法，去掉极坐标图像上的竖直的线状伪影，得到新的图像P(r, θ)。然后再将极坐标P(r, θ)转换为直角坐标F(x, y)，就是被校正后的CT 图像，f(x, y)变换成p(r, θ)，所用公式为：x=r cos θ，y=r sinθ；P(r, θ)转换为F(x, y)，所用的公式为θ=arc tan(y/x)，r=√(x²+y²)。在坐标变换过程中，为了尽量少的损失空间分辨率，径向和角度方向的采样间隔必须足够小，在图像f(x, y)中，若像元间距Δx=Δy，可以取r=Δx，θ=Δx/m（m ≥2）[8]。

综上所述，影响CT 图像伪影的因素复杂多样，我们只有正确的认识伪影产生的原因和特征，才能采取有效的方法抑制或消除伪影，提高CT图像的质量，进而有利于对病变作出正确诊断。

[1] 黄苏红. CT 环形伪影校正方法研究 [D].重庆大学 2011.

[2] 李俊江，路宏年，李保磊.X 射线图像增强器像元响应不一致的分析及校正[J].光学技术，2006，32（5）

[3] Kowalski G.Suppression of ring artifacts in CT fan-beam scanners[J].IEEE Trans on Nucl Sci,1978,NS 25(5)

[4] Beat Munch, Pavel Trtik, Federica Marone,et al.. Stripe and ring artifact removal with combined wavelet-Fourier filtering[J].Optics Express, 2009 17(10)

[5] 李保磊，杨民，傅健，等.两种CT 成像环状伪影校正方法[J].光学学报，2009，29（7）

[6] 谭采云.第三代X 线 CT 环形伪影分析[J].牡丹江医学院学报，2001，22（2）

[7] Barrett, Keat N.Artifacts in CT:recognition and avoid-ance[J].RadioGraphics,2004,24(6):1679-1691

[8] 余晓锷，罗君芳，陈武凡.基于弦图的CT 图像环形伪影校正.第四军医大学学报.2009.207-209