【讲座】螺旋CT的基本概念和参数（转）

螺旋CT的基本概念和参数

龚士明 中国人民解放军空军总医院高级工程师。

螺旋扫描(亦被称作体积扫描)是计算机断层成像术(CT)的最新进展。和常规的轴向扫描CT不同，螺旋扫描是在病人以匀速通过旋转的X射线球管的扫描野时进行的，运动的X射线扫描产生的路径是扫描床运动速度的函数，扫描路径形成一条螺旋线(如图1)，采集的数据通常称作螺旋数据。其显著优点是单次屏住呼吸就可以完成整个检查部位的扫描，且可以在任意想要的位置上重建图像，重建平面图像的数据用内插法从螺旋数据中获得。由螺旋扫描对图像质量影响的研究可以看出空间分辨率、低对比度分辨率、图像的一致性都不受螺旋扫描方式的影响，有影响的是象素的噪声和断层灵敏度曲线(Section Sensitivity Profile)。本文叙述螺旋CT的基本概念和参数，尤其是断层灵敏度曲线(SSP)。
一 螺旋CT和轴向CT的区别
为理解螺旋CT，可以与轴向CT扫描作比较。在轴向扫描时，X射线管球绕病人扫描一周产生一组数据，即一个层面(如图2a)。由于在采集数据时，扫描床是静止的，为了得到另一层面的数据，沿轴向移动扫描床一定的量，X射线管球再次绕病人扫描，每一层产生一幅图像。
在螺旋扫描中，当扫描床匀速通过X射线扫描野时，X射线管球连续曝光旋转，如图2b所示。和轴向扫描一样，X射线管球旋转两周，覆盖同样的范围。在螺旋扫描中，每扫描一周，床移动的距离称作螺距。不同于轴向扫描时产生的分离独立的数据组，螺旋扫描产生一组连续的体积数据，这就允许在重建中有新的选择。例如，螺旋扫描一周可产生多幅图像，并且可以在获取数据前或后分别确定处理的一些参数来获取各种要求的图像。在讨论这些选择性时，首先介绍螺旋CT扫描中的有关参数。
二 螺旋扫描中的有关参数
数据采集(Acquisition): 单次螺旋扫描中被扫描的整个体积数据;
周数(Revolutions): 一次数据采集中X射线管球的旋转周次;
层厚(Slice Thickness): 由准直器设定的X射线束的厚度(mm);
螺距(Pitch): X射线管球旋转一周时扫描床移动的距离(mm);
螺旋因子(Pitch Factor): 螺距与层厚相除所得因子(P/ST);
螺旋度(Helix%): 螺旋因子乘以100%;
第一张图像(First): 一次采集中重建的第一张图像;
最后一张图像(Last): 一次采集中重建的最后一次图像;
成像范围(Image Extent): 一次采集中成像的第一层面中点与成像的最后一层中点之间的距离(mm);
成像间隔(Image Index): 连续两张重建图像的层面中心点间的距离，即螺距除以每周成像数;
总成像数(Number): 一次采集后所有的重建图像数;
床移动范围(Couch Extent): 一次采集中扫描床长轴方向移动距离之和。
上述这些参数之间的关系如图3所示。
表1为图3所示的选定螺旋参数标称值。
三 螺距
螺距这术语最初通常用于说明一颗螺丝上两周之间的距离，增加螺距就增加螺旋两周之间的距离。螺旋因子是一无单位参数，由它来确定螺距。螺旋因子常选为: 1、1.25、1.5和2。这些参数之间的关系可用螺旋度这个术语来说明: 螺距等于层厚(螺旋因子等于1)意味着螺旋度是100%; 当螺距等于层厚1.25倍(螺旋因子等于1.25)时，螺旋度是125%; 采用1.5的螺旋因子就把螺旋度延伸到150%。这些关系可以从图4中看出。选择螺旋因子为1(即层厚等于螺距)，相邻的螺旋紧挨着; 选择螺旋因子为1.25，则两螺旋之间的距离比层厚增加了25%; 同样螺旋因子为1.5，则距离增加50%，用这种方式，可以控制螺纹跟螺纹之间的距离来达到要覆盖的体积。
由于螺旋的反复交替的特性(如图5所示)，每二转卷的后部与每二转卷的前部都互相间隔着，因此只要两螺旋旋转卷之间的距离不超过每一转卷的层厚，那么被扫描物体在Z-轴方向上采样数据合适，数据就能用来合成一幅横轴层面。有些CT扫描机为了进一步延伸覆盖面，在一次获取体积数据组时采用螺距因子为2(即200%的螺旋度扫描)。表2列出了各种螺旋因子下的螺距。
四 成像间隔
产生的图像数目取决于选择的成像间隔和床的移动。数据采集前螺旋参数的选择包括层厚和螺距。不同于轴向扫描CT，其图像的数目是重建的函数，因此可以在数据采集前或后设定。螺旋数据依据选择成像间隔，可以在一周内重建出一个或多个图像。下列公式表明螺距、每周成像数和成像间隔之间的转换关系:
螺距=螺旋因子×层厚
每周成像数=螺距/成像间隔
总成像数=数据获取周数×每周成像数+1若已知第一张和最后一张图像时扫描床的位置，那么: 成像范围=最后一张图像位置-第一张图像位置，表3中列出一个层厚为10mm，螺旋因子为1、1.25、1.5和2，一共扫描16个螺旋周时，螺距、成像间隔、成像范围和成像总数的例子。表3中也列出了这些参数的表达方程。
五 螺旋插值
当病人在检查床上移动通过扫描野时获取了螺旋数据，因此覆盖360o角的数据用常规的方式重建定会出现运动伪影，因为扫描中出现了病人的移动。为了消除这些伪影并为了重建扫描体积中的任意位置上的图像，必须从螺旋数据中合成平面(即轴向)数据，最终Z-轴向分辨率要受到层厚、螺距和为了特定位置的重建而采用的生成数据方法的影响。
合成平面数据最容易的逼近法是采用一种“滑动”滤波器于螺旋数据上形成投影数据，目的是仅仅选择关注的需要数据和界定数据对某一指定位置平面上反映贡献的程度，实际上也是一种卷积运算。为了得到合成的平面数据，这对螺旋数据的Z-轴加权法称作螺旋内插法，具有这种加权的功能部件通常称作螺旋内插器。
通常采用三种不同的螺旋内插器: 标准型、清晰型、超清晰型。为理解这些内插器功能，首先要明白层厚仍然是限制Z-轴向分辨率的因素。螺旋内插是给螺旋数据分段加权。作为一种建立数据的方法，这些数据就如在感兴趣的位置上进行轴向扫描测量得到的。对选定位置，投影数据加权后产生横截面的数据，每个横截面被限定在360o的数据组，由此重建图像。
图6提供的曲线表明三种螺旋内插和360o线性内插方法的比较，360o线性内插延伸到二周的数据。标准内插是一种改善的内插方法，使线性内插的范围减少到一周。
清晰内插器采用一个高阶、单边凸函数来增加分辨率。方法是对Z-轴向离开感兴趣区的数据进行负向加权，由于数据从二周内加权然后变为一周的数据。清晰内插器具有采用更多的内插数据的效果，也具有改变用于重建的投影数据加权作用的效果。超清晰内插器是高阶双边凸起的内插器，它对三周内的数据加权。这种超清晰内插器使用了最多的螺旋数据来形成要重建图像的平面数据而不牺牲Z-轴的分辨率。当然采用超清晰内插器要大大增加数据的计算量，增加图像的重建时间。
六 Z-轴分辨率
CT扫描的轴向(X-Y)平面分辨率通常都好于Z-轴分辨率，因为在扫描平面上的采样率大大超过层面和层面间的采样率。对于某一设定的层厚，损失了纵轴(Z-轴)的分辨率，因为在常规轴向扫描中，床的进动等于扫描层厚，Z-轴向结构信息的采样率不足，为了轴向分辨率等于层厚，那么两次轴向扫描间的距离至少是层厚的一半。
图7a说明通常轴向扫描时标准的多层扫描的参数，图7b表示为提高Z-轴分辨率而在多层扫描时把床的进动减少为层厚的一半，结果是扫描层面重叠，来改善Z-轴分辨率，但增加了病人剂量。
图8a表示螺旋扫描中两扫描层间的延伸。然而由于仅重建一幅图像，与图7a中床的进动等于层厚的轴向扫描相同，Z-轴分辨率同样降低了，更严重的是，采用差的螺旋内插器(如360o度线性内插)将使Z-轴分辨率更差。
图8b表示选定的成像间隔是每扫描一周产生二幅图像，这里层厚等于螺距，而成像间隔减为螺距的一半，这就产生了与图7b同样既改善Z-轴分辨率而不增加病人的剂量，也不延长通常轴向扫描时层间扫描的延迟。
对于选定的层厚，螺距和螺旋内插器的选择是螺旋层面灵敏度的关键，层面灵敏度是度量CT扫描机分辨层面内物体的能力，因此，对一幅图像Z-轴分辨率的度量是由那幅图像的层面灵敏度曲线确定的。图9a画出了100%螺旋度由扫描经标准、清晰、超清晰螺旋内插器处理得到的实际数据产生的层面灵敏度曲线。
如图9a所示，在100%螺旋度时，螺旋灵敏度曲线的全宽半高值(FWHM)和轴向扫描时的FWHM相当接近，可以看到采用清晰和超清晰内插器时全宽半高值还比轴向扫描时小一点，也就是说轴向分辨率没有变坏。
图9b所示在150%螺旋度时，采用标准、清晰、超清晰螺旋内插器处理产生的层厚灵敏度曲线，即在150%螺旋度时，螺旋内插器的层厚灵敏度曲线的FWHM和轴向扫描时的FWHM还是相当的。
因此，若要保持Z-轴分辨率，选择合适的螺旋内插器是极重要的，如图10所示，纵向分辨率由于采用360o度线性内插器而变差(为了使分辨率不变，采用的内插器宽度是需要宽度的2倍)，360o度线性内插器的FWHM超过层厚，引起Z-轴分辨率的降低，然而清晰内插器，层厚灵敏度曲线没有引起Z-轴分辨率变差。
Z-轴分辨率同样受到螺旋因子的影响，只要螺旋内插器产生的层厚灵敏度曲线的FWHM小于或大致等于层厚，那么Z-轴分辨率可保持不变。图10表示10mm层厚，螺距因子为1.5，360o螺旋内插器和清晰内插器的比较，这种情况下，Z-轴分辨率仍取决于层厚。
图11表示200%螺旋度时的情况，从这里很容易看出层厚不再是Z-轴分辨率的决定因素，因为此时FWHM值远大于层厚值。
七 临床关注问题
1. 层厚
在常规的轴向扫描中，准直的X射线束表示层厚，为了得到良好的Z-轴采样，通常采用薄的层厚，例如，胸部的高分辨率扫描需要更加薄的层厚来捕获潜在的肺结节。厚的层厚扫描通常用来达到病人的检查部位足够大，不至于漏掉某些病灶，通常腹部扫描中采用厚层扫描。
选择层厚的基本准则对于螺旋扫描也是一样，实际层厚(即层厚灵敏度曲线)受到所选择的螺旋内插器的影响，然而，即使采用螺旋因子为1.5，X射线束的厚度仍是影响图像层厚的主要因素。
2. 成像间隔
螺旋CT中，成像间隔既是一个可以扫描前设定，也可以扫描后再设定的参数，这意味着数据采集以后可以改变原始的成像间隔而不用重新扫描病人，见图12。例如，若用10mm层厚扫描病人，每10mm重建一幅图像，体积数据可以在重叠层面上再处理，数据仍然是10mm层厚。但它可以每5mm就重新处理，这样结果有50%的重叠，记住，准直的层厚总是作为原始数据组保留着。
3. 螺旋内插器
另一个影响Z-轴分辨率的参数是螺旋内插器。内插器把螺旋体积数据组用来重建轴向图像，并保证图像质量，选择合适的螺旋内插器可以改善Z-轴分辨率。当螺旋内插器由标准、清晰变到超清晰时，Z-轴分辨率提高。常规扫描中标准内插器通常用得最多，例如腹部扫描，清晰和超清晰内插器用边缘增强来提高图像分辨率。
清晰内插器用于解剖上需要薄层扫描，并减少图像间隔时作为用于如肺部、窦部、IAC或四肢的高分辨率扫描。采用超清晰这种高阶内插器会增加图像噪声，对于某些应用并不适合，此时标准内插器就可提供足够的Z-轴分辨率。
4. 螺旋因子
X射线管球每旋转一周病人床移动的距离称作螺距，螺距与层厚之间的关系就是螺旋因子，定义为螺距除以层厚，见图13。
采用1.0的螺旋因子，例如头部的弯曲部分或血管的弯曲部分。增加螺旋因子就增加了扫描的覆盖区域，同时减少了扫描时间，例如用1.5的螺旋因子，每旋转一周，床的移动的距离比准直器限定的层厚度超过50%，选用层厚10mm，螺旋因子为1.5，则每旋转一周床进动15mm，用于胸部、腹部、骨盆的扫描很理想，这些快的扫描时间用于造影剂的最大增强，改善血管和组织的清晰度。具有快速扫描时间的能力，提高了图像的质量，消除了运动伪影，而且一次憋气能完成螺旋扫描的数据获取(如图14)。由于螺旋扫描快速采集的体积数据和计算机功能的大大增加，使得三维重建，多平面、任意方向的重建均能实现，可以显示三维的血管造影，模拟口腔全景摄影(且能对牙床进行多剖面重建)，模拟内窥镜技术等等，大大增强了CT的应用范围。