锥束CT成像质量评价及影响因素分析

这里用对比度分辨率、空间分辨率、噪声、伪影作为评价锥束CT成像质量的主要指标，讨论影响这四个指标的主要因素。

• 对比度分辨率

X射线CT成像重建的量是线衰减系数，它以长度倒数为单位，与材料的电子密度近似成正比。线衰减系数是入射X射线能量的函数。根据经验，如果射线平均能量未知，对于衰减弱的被检物体，射线平均能量取加速电压值的1/3；对于衰减强的被检物体，射线平均能量取加速电压值的2/3。

对比度分辨率又称为低密度分辨率，用来评价从背景中分辨低对比度目标的能力。对比度是指两种材料衰减系数的差异。对比度分辨率通常定义为目标材料与背景材料衰减系数差异的百分比。对比度分辨率还可以用对比度噪声比（CNR）指标来评价。

• 空间分辨率

空间分辨率又称为高对比度分辨率，用来评价CT仪器区分细节的能力，通常分为层内分辨率和层间分辨率。对于层内分辨率通常用调制传递函数（MTF）来测量。MTF曲线表示系统对不同频率的响应，其横坐标为频率（一般以每毫米线对数表示），纵坐标为MTF值（MTF的高度被归一化为1）。实际中，一般取MTF等于50%或者10%的频率（分辨率）表示系统分辨率。在一些标准中，通常采用边缘法或者线对卡法绘制系统的MTF曲线。

层间分辨率通常用切片灵敏度曲线（SSP——系统对理想薄片的系统响应）来评价，在实际测试中，可以通过扫描间隔堆叠的高吸收薄片模体来评价。

需要说明的是特征检测能力不同于空间分辨率。比如一个CT系统可以实现500纳米的特征检测，很可能无法达到相同的空间分辨率。特征的检测能力取决于特征尺寸相对于几何分辨率的大小、特征-基体的对比度差异、图像质量（信噪比等）和相邻体素之间的影响（部分体积效应）。对于单个孔隙、空洞或裂纹的最小检测能力范围通常应该是实际像素尺寸的2到3倍。

• 噪声

CT成像总是受噪声影响。射线成像的噪声主要有以下几个来源：（1）固有的光子统计噪声，它与发射和探测到的光子数相关；（2）探测器电子噪声和散射噪声等；（3）采用不同的处理数据方法带来的噪声。

在CT图像中，统计噪声导致每个体素CT灰度值上的随机变化，从而降低密度分辨率。通过适当延长积分时间(或计数)，使统计噪声满足CT成像检测要求。

• 伪影（伪像）

CT伪影是指CT图像上出现的与被测物体不符的虚假特征。所有的成像系统，都会出现伪影。有些伪影在CT物理学和数学中是固有的，并且无法消除。其它伪影是由于CT系统硬件或软件设计存在不足，这些可以通过改进设计来完善。常见的CT伪影包括：射束硬化、散射、部分容积效应、光子饥饿、采样不足、金属伪影、运动伪影、数据截断、环形伪影、大锥角伪影等。

先给出这些因素对四大评价指标产生的影响变化图。

• 系统几何

增加物体到探测器的距离可以减轻散射；增加射线源到探测器的距离，相当于减少了每个探测器单元的光通量，因此噪声水平增加。一般情况下，焦点的尺寸小于探测器尺寸，因此增加放大比能够提高空间分辨率，继续增加放大比，等效射束宽度增加，空间分辨率降低。

• 焦点尺寸

焦点变大，主要会导致空间分辨率降低。

• 探测器单元像素大小

探测器单元变大会出现部分容积效应，导致对比度的下降。探测器单元变大增加光通量，噪声降低，空间分辨率降低。

根据采样定理，假设物体细节的最小直径为d，测量区域的直径为D，则要想探测最小的细节，探测器的数目最小为2D/d。

• 物体大小

物体增大，射线难以穿透，会增加散射、噪声，因此分辨率也会有所降低。

• 防散射栅

防散射栅可以显著减轻散射伪影，但随着防散射栅厚度增加，光通量减少引起噪声的增加。

• 射线能谱

X射线能量是线衰减系数差异及对应对比度的主要决定因素，是重要的扫描参数。选择低能量有利于提高对比度，但不利于细节特征检出（降低了信噪比）。射线平均能量增加，穿过物体的光通量增加，因此噪声降低。但能量增加到一定程度后，探测器的效率（DQE）会降低，因此噪声增加。能量增加散射会增加，射线硬化减轻。如何折中选择在很大程度上取决于特定检测应用。

对于X射线源，应在保证焦点尺寸满足要求的前提下，设置最大射束能量和管电流。所要求的电压应根据X射线穿过被检物体的最长路径确定。为获得最佳测量结果，衰减比宜设置为10%-20%。使用前置滤波片可获得最佳灰度范围。所有预滤波片都会降低射线强度。另外，前置滤波片可减小射束硬化的影响。

• 剂量

剂量主要会影响噪声水平。

• 单角度mAs

mAs是管电流与曝光时间的乘积。假设投影方向数不变，增加mAs可以降低噪声。假设总剂量不变，增加mAs意味着减少投影数，会引起采样的不足，导致伪影。

• 投影数

在总剂量不变的前提下，增加投影数会降低单角度下的剂量，导致噪声的增加。被测物体通常旋转360°。理想情况下，投影分度数应不少于π/2×矩阵大小（投影数为奇数），其中矩阵大小即穿过采样直径或最大物体尺寸的体素个数。为获得最佳重建图像质量，投影的数量应大于π×矩阵大小（投影数可以为奇数或者偶数）。

• 重建体素尺寸

一般情况下，令体素大小等于探测器单元大小除以放大比。超分辨重建可以在一定程度上提高空间分辨率。体素太大会产生部分容积效应。由于大体素有平均效果，噪声会降低。

• 重建滤波器

平缓的滤波器能起到降噪的效果。陡峭的滤波器能提高空间分辨率，但是也能放大噪声。