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详谈宝石能谱CT在减少金属伪影方面的进展

作者:2015-08-17 10:16文章来源:未知

  目前,金属植入术已经被广泛地应用于临床,如颅内血管病变中动脉瘤介入治疗的弹簧圈栓塞、金属假牙或牙内填充物、穿刺活检的穿刺针、心脏起搏器和骨科置换的人工关节及金属螺钉等,这些带有金属植入物的患者的CT 图像诊断已经成为放射科医生日常工作的一部分。临床检查患者体内的金属植入物时,通常使用CT 扫描观察图像,并进行术后情况的评估,然而随着金属植入物而出现的伪影会导致图像质量下降,医生难以判断其断层的结构,术后的评估和治疗均会受到严重影响,因此临床医生需要质量较高的扫描图像以减少金属伪影带来的困扰。宝石能谱CT 的出现解决了这一问题,它采用全新的探测器及扫描、重建方法,通过选取和观察质量最佳单能量图像,并结合使用金属伪影的消除技术(metal artifacts reductionsystem,MARs),能够进一步降低金属植入物带来的伪影影响,本文将对已取得的研究进展进行总结。

  1 CT 伪影的概念及种类

  CT 伪影是指CT 机在扫描或者重建图像的过程当中,各种不同类型的干扰在图像当中的体现,它在图像中所对应的位置是实际患者体内所不存在的影像。导致伪影的原因主要来源于两大类,一是来自于CT 机本身的成像原理和技术原因,如部分容积效应伪影、散射伪影、放射线束硬化伪影、光子不足伪影、不完全投影伪影、欠采样伪影、换装和带状伪影、锥形伪影等;二是来自于被扫描物体或人的属性,如运动伪影(点头运动、吞咽动作、呼吸运动、心跳及胃肠蠕动等)和金属伪影(各种体内或体外金属物品)。

  2 CT 金属伪影产生的原因及影响

  在对体内含有金属植入物的患者进行CT 扫描后,显示出的图像往往会有伪影,这在实际金属所处位置中不存在,但是会在扫描图像中显示,与CT 成像技术和患者机体等因素有关。图像中的金属伪影多呈条索状或放射状,传统CT 采用的混合能量射线所产生的X 线是由不同能量级的光子组成,这种混合能量的X 线穿过人体组织或金属物体时后会产生衰减,能量较低的光子首先被吸收,能量较高的光子存留,因此X 线的平均能量水平不断增加,进而产生硬化伪影,此外还会产生来自散射辐射及量子噪声等因素的伪影,而金属植入物的厚度和形状以及包括管电压、管电流和准直器宽度等扫描参数都能影响伪影的干扰程度。此外,金属植入物的材料不同所产生的伪影也不尽相同,例如含有钴铬合金会的植入物会产生明显的射线束衰减和伪影,而钛金属材料则在图像中引起的伪影最少。植入物材料成像衰减越小,产生的错误投射数据就越小,因此伪影也相应减少。由于X 线穿过高密度金属植入物时会产生严重的能量衰减,进而降低图像质量,失去了相应组织的准确数据,得出的图像对比度低,组织结构细节显示不清,对组织感兴趣区域的真实情况呈现不佳,甚至会产生假象,很难满足临床对术后评估的需求。

  3 宝石能谱CT 成像特点

  宝石能谱CT 可以解决伪影较重的问题,其单能量图像和金属伪影的消除技术能有效减少金属植入物在CT 图像上的伪影。通过能量水平的调节,可以获得不同的单能量图像,选择其中金属植入物、周围组织、骨骼结构最清晰的图像进行观察分析。以往CT扫描中由于金属物的影响不能真实显示的部分,都可以呈现出来,在伪影减少程度、金属结构清晰度和噪信比这三方面,重建的单能量图像质量显著优于原来的混合能量图像。宝石能谱CT 具有较高的扫描速度、最新的物体探测器以及优化度较高的扫描方式,实现了在常规混合能量X 线图像中获得不同能量级的单能图像,进而减少了在X 射线在穿透人体组织时因能量不纯而产生的散射、反射,使之减少金属和硬化伪影。相比混合能量图像,宝石CT 单能技术是通过单球管实现的,使用瞬时切换电压的高压发生器,管电压完成80 kVp和140 kVp 的瞬时(0.5 ms)切换,达到“三同”(即同时、同源、同向),其独有的能谱栅成像技术能够真正做到40~140 keV 获得不同的单能量图像。相对于传统CT 的稀土陶瓷探测器,宝石CT 的探测器所采用的材料使光电转换速度加快,为宝石能谱CT 单能成像提供了硬件基础。然而宝石CT 能谱扫描具有一定的局限性,由于CT 使用宽带能谱光,其所测量的物体的X 线吸收系数具有不确定性,因为同一个物体在机体不同厚度的物质中,所表现出的吸收系数有差异,即“能谱硬化效应”,会在影像中表现出骨骼间带状伪影。

  4 扫描方法

  采用能谱扫描(GSI)模式:管电压在0.5 ms 周期内完成80 kVp 和140 kVp 的瞬时切换, 管电流固定为600 mA,层厚为0.625 mm,准直宽度为40 mm,螺距为0.984∶1,X 线管旋转速度为0.8 r/s。

  5 宝石能谱CT 在减少金属伪影中的应用

  通过宝石CT 的能谱扫描,获得带有金属植入物患者的图像后,使用能谱分析软件对扫描图像进行分析,40~140 keV 获得任意一单能量图像。而单能量图像不同能量水平的具有不同的特征,近期研究显示,由于低能量水平的X 线(40~65 keV)穿透力低,易被吸收,导致图像对比度增强,但噪声也同时增高,图像质量较差;稍高能级(70~100 keV)单能图像有所改善,相对低能量X 线伪影对图像的影响减轻,但仍较混合能量严重;高能量水平的X 线(110~140 keV)穿透力高,金属植入物引起的伪影减除效果明显,图像的噪声减低,但对比度减弱,软组织的层次对比欠佳。最近一项研究显示,显示金属植入物最清晰的单能量为105 keV。因此,最佳单能量的选择要考虑诸多因素,才能够既最大程度消除金属伪影带来的影响,又兼顾临近组织的显示,从而满足临床诊断的需求。金属伪影消除技术(MARs)技术也可以较好地减轻金属植入物所产生的伪影,提高图像质量。但是其去伪影的实际效果与金属植入物的大小、形状以及材质有关,比如金属假牙的伪影较重,在消除时需要结合单能量图像重建和伪影消除重建技术,而部分金属物的伪影消除只需要重建单能量图像即可。此外,单个金属物或是形状规则的金属物在单能量成像后或是结合MARs 技术后,其伪影明显减少,图像质量显著改善。而如果有多个或是形状不规则的金属物,使用以上技术后伪影的消除效果不是很明显。在此种方法下,最佳单能量的选择仍然是存在变化的。在选择较高能量水平的X 线时,图像中金属伪影的消除程度较高一些,结合使用MARs 技术后,金属伪影减少程度明显提高,但是金属植入物在图像中会出现边缘锯齿化,与植入物本身的形状存在误差,MARs 技术在纠正这方面的图像失真上还需要继续完善。有文献报道MARs 技术可以有效去除大关节(膝关节、髋关节)置换术后金属假关节的伪影,这有待进一步研究。由此可见在临床工作中,宝石CT 利用能谱成像技术虽然可以有效减除各种金属植入物的伪影,其最佳单能量图像的选择并无绝对明确数值,在实际应用中应充分考虑个体化因素,灵活掌握。而利用单能量加MARs 重组方式可以消除较大面积的高密度伪影,但同时也会使金属植入物形状失真,并产生较多低密度线束状伪影,不利于观察周围软组织情况,影响临床诊断。总之,能谱成像技术所提供的是一系列单能43量图像,最佳单能量水平的选择有所差异,并适时地结合MARs 技术才能更加有效去除不同金属植入物所产生的金属伪影,提高图像质量,为临床提供更多的诊断信息。

  6 扫描剂量

  在进行CT 检查过程中,图像质量固然重要,患者所接受的辐射剂量也是不可忽视的考虑因素,很多近期文献已阐述宝石能谱CT 所采用的瞬时电压切换的扫描方法与常规CT 的扫描方法的辐射剂量并无明显差别,在部分身体部位的扫描中,宝石能谱CT扫描比传统CT 辐射剂量甚至更高,但是目前没有研究在去除伪影的扫描中宝石能谱CT 和传统CT 辐射剂量的比较。

  7 其他去除伪影的方法

  为了克服伪影给图像质量带来的困扰,提出了很多种方法来纠正这一现象,近年来随着CT 探测器技术及数据重建的软件的不断提高,CT 拥有了更薄的扫描层厚、更高的管电压及更大的管电流,有一些方法可以达到减少部分金属伪影的目的,如采用物理预滤器、优化扫描参数以及后处理算法进而减少伪影的方法也层出不穷。其中具有代表性的有如下几种:①双能矫正法,即扫描时利用两种不同能量的X 射线分别照射待检查物体,目的是为了选定能量水平,并确定被照射物在此能量下的X 线衰减系数分布,从而减少CT 图像中的伪影影响, 这种方法虽然能取得提高图像质量的效果,但其缺点不可忽视:因复杂的扫描方法而造成成像效率降低,无法适应繁多的临床工作量。②滤波片校正方法,其减轻伪影的原理是把金属滤波片加设在探测器的前方和射线源的出口处,金属滤波片所起到的作用是吸收存在于放射线中的低能光子和散射光子,进而减小了X 射线的能谱宽度。③迭代校正法,是通过反复的迭代计算来校正伪影的存在,多次的计算导致数据量巨大,且过程繁复不易操作,并不能在实际工作中实现。④作插值算法,其下的方法也是多种多样,包括线性插值法、多项差值法等,但这些差值算法都必须经过再投影根据阈值分离出的金属存在区域的方式来确定金属伪影投射在投影数据空间中的范围,然后还需要借助后处理功能来获取校正后的数据,在整个获取数据的步骤中,所有得到的信息仅仅是用来确定金属伪影投射在CT图像中所呈现的范围,而被金属植入物伪影所遮盖的有用信息则需要通过更多复杂的方法来恢复,增大并增加了这些数据的计算量以及计算难度。由此可见,尽管这些方法可以取得一定消除或减轻金属伪影的效果,但是由于操作方法不简易、耗时过长并增加了患者所接受的辐射剂量等原因,因此在实际临床诊断工作中很难得到广泛应用。

  8 小结

  为更大程度地减少CT 扫描图像中的金属伪影,使用宝石能谱CT 可以获得较好的效果,减少了医生观察和诊断的困扰,也有着良好的术后评估价值。相对于其他去伪影的方法,宝石能谱CT 较方便,用时少,并在消减伪影的同时也能保证图像分辨力。在未来,宝石能谱CT 很可能成为带有金属植入物患者术后复查的主要手段,但最佳的单能量能级的选择仍然受植入物材质、人体条件的差异制约,很难得出统一标准。此外,宝石能谱CT 具有极高的组织成分区分能力,在提供水、碘、钙基不同成像条件下,实现初步的物质来源分析,并在早期肺栓塞、心血管斑块性质的判定及肿瘤组织的定性分析等方面取得进展。相信宝石CT 凭借其能谱技术的多方面优势会在临床工作中得到广泛使用,能够丰富辅助检查的手段,为临床诊断工作提供更有力的帮助。

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