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1、 14Vol. 5 No.2/ Feb. 2011CT系统散射校正方法综述胡战利夏丹桂建保邹晶戎军艳张其阳郑海荣摘 要 CT系统中普遍存在着X射线散射的现象。特别是在医学锥束CT中，由于采用面阵探测器，导致散射是重建图像质量下降的重要原因之一。散射降低了投影图像的对比度，对于医学诊断尤其是病灶的定性判断影响严重。因此，进行医学CT系统散射校正对提高重建图像质量具有重要的意义。本文首先分析了散射形成的物理过程和原理，同时对目前主要的几种散射校正方法进行了归纳总结，最后对散射校正研究的发展趋势进行了展望。关键词 散射校正；锥束CT；面阵探测器；图像对比度；医学诊断1 引言在过去二十年里，锥束CT成
2、像技术一直处于医学成像研究领域的前沿。锥束CT具有在治疗位置进行X线透视、摄片和容积成像的多重功能，对在线复位很有价值，成为目前图像引导放射治疗开发和应用的热点。在使用锥束CT进行透射线成像过程中，到达探测器的X射线包括两种成分，即：初始射线和散射射线。初始射线产生信号进而形成图像，散射射线产生噪声和图像伪影(主要表现为杯状伪影和条纹伪影)，降低图像对比度，导致重建CT值的不精确1-3。扇形束CT采用线阵探测器，仅受一维的散射影响，相对不会产生大量的散射线，安装准直器就能达到较好的散射抑制, 而锥形束CT由于采用面阵探测器，散射是二维分布的，因而接受散射线的照射要大得多，因此必须设法消除散射的
3、影响4-6。目前，国内外对如何减少散射对X线图像的影响已经有了许多研究工作。John M. Boone 曾将已发表的减少散射技术的文献归结为两种不同类型7：硬件校正和软件校正。所谓硬件校正，是指在X射线成像系统的各个仪器组件上添加一些校正工具，减少到达X线探测器的散射量达到散射校正目的的技术。它包括：X线准直器、经典的空气隙(air gap)方法、滤线器8-9、扫描狭缝技术、不透射线的铅条或铅板技术和铅条扫描技术等。软件校正方法，是指对已经得到的X射线投影图像，依据数字图像处理的方法，在计算机中通过对图像本身的分析和对被照物体的性质的估计，得出一个散射分布图，来进行散射校正。在锥形束CT中,
4、由于采用了面阵探测器，一些在二维CT中行之有效的散射校正方法，如准直器，已无法取得良好的效果。因此一直都是利用软件校正的方法进行散射校正。过去常用的软件校正的方法主要有：卷积法10-11、反卷积法12、蒙特 卡罗(Monte Carlo, MC) 模拟法13-16。在锥束CT系统中，由于散射是二维分布，单一的硬件校正或软件 校正方法都难以达到理想的效果，因此出现了硬件与软件组合的混合校正方法，如散射校正板方法17-20，初级射线调制校正方法14,21-23，频率调制与滤波方法等24。2散射形成的物理过程X射线与物质相互作用的过程有相干散射、光电效应、康普顿效应、电子对效应和光核反应。在医用和工
5、业CT的能量范围内主要是光电效应和康普顿效应，而电子对效应和光核反应不会发生，相干散射发生概率也只占整个作用的5以下25-26。康普顿效应是CT散射现象的主导作用。散射过程如图1所示35。图1康普顿散射示意图康普顿效应是以Arthur Holly Compton的名字命名的，他因为该发现获得了1927年诺贝尔奖。这是对于类似人体组织材料最重要的相互作用机制。在该相互作用中，入射光子受到偏转或散射，失去部分初始能量，如图1所示。这样，一次康普顿相互作用产生一个正离子、一个反冲电子以及一个散射光子。散射光子可能以0度到180度的任何角度 偏转。对低能X光子反散射占优势(偏转角大于90 度)，而高能
6、光子前向散射(偏转角小于90度)的概率更高。由于很宽的偏转角度，散射光子几乎不提供相互作用位置和光子路径的信息。由于康普顿散射，并不是所有到达探测器的X光子都是初始光子。取决于CT系统设计，部分被CT系统散射校正方法综述15探测到的信号来源于散射。这些散射光子使被探测信号偏离了X射线强度的真实测量结果，并导致重建图像中CT数偏移或阴影(或条纹)伪像27-30。图2是康普顿散射效应的示意性说明。让我们考虑以下情形，一个高衰减结构(用深色调椭圆形表示)位于被扫描物体(用浅色调不规则形状表示)内部。图中黑色实线箭头表示初始X光子，它们在探测器处的强度在图(b)中用黑实线画出。对应高衰减结构的位置，可
7、以看到被探测光子数量显著减少。现在考虑康普顿散射的影响。由于散射光子偏转角度是随机的，探测器接收到的散射光子分布是低频背景信号，如图中黑色虚线所示。与初始光子组合在一起，复合信号是对比度减少的投影，如点状线所示。注意复合信号的低谷位置(对应高衰减结构)明显比无散射情形高。由于散射的低频特性，他几乎不包含关于原始物体的信息。另一方面，它确实对投影的噪声有贡献。因此，康普顿散射的影响是对比度和信噪比的减少。3散射的硬件校正方法CT通常在X射线源出束口添加弧形滤波片。弧形滤波片的作用是对X射线进行预硬化，减少能谱的低能部分，使尽量多的高能射线通过，来减小散射。入射光子的能量越高，大角度散射的概率越小
8、，散射光子越具有前向性。因此，尽量减少低能射线，能够有效减少散射发生的概率。在笔形束和扇形束CT 中，最方便有效的一种散射抑制方法是加放准直工具。在探测器阵列前放置准直器或防散射滤线栅等，能够减轻散射的影响31。Endo等32实验结果表明，加放滤线栅能消除73散射，加放准直器则能消除88散射。经典的空气隙(Air gap)方法是增加被照物体与探测器的距离，进而减少散射成分的散射校正方法33-34。该方法在笔形束CT 中效果较好，不适用于锥束CT35。4散射的软件校正方法4.1卷积法为了估计和校正散射，Shaw等提出了卷积算法10-11。在此算法中，把得到的图像(包含原射线和散射线) 和合适的卷
9、积核(散射点扩展函数PSF) 进行卷积，然后和一个固定的加权值相乘得到散射图像。把得到的散射图像从原始图像中减去就得到原射线图像的第一位近似值。卷积的表达形式可以表示为：(1)其中， 是估计的散射量，它是物体最小厚度(Tmin)、厚度变化( T)、照射尺寸(FS)、光束能量(E)和空气隙(AG)的一个函数， 是散射强度， 是检测到的强度， 是散射点扩展函数。在和检测到的图像卷积之后，用估计的散射量 与之相乘就得到了散射图像。最后，从检测到的图像中减去散射图像就得到所需要的校正图像-原射线强度图像 。(2)从式(1)可知，散射查找表 的获取是本方法对实现散射校正的关键。为此，必需建立起各个实验条
10、件(曝光率，射线能量，源像距离，管电流量，辐射野面积)与图像灰度与散射系数之间的关系1。4.2反卷积法反卷积法与卷积法正好相反，它把散射估计成原始图像与一个核函数反卷积的结果。首先选择合适的散射点扩展函数，然后构造一与散射点扩展函数特性相反的频域滤波器对已变换到频域的图像进行滤波，并对滤波后的图像进行反卷积运算，将其变化到空间域而重现已部分地消除了散射的图像。卷积法和反卷积校正法对在与获取散射点扩展函数条件基本相同的条件下摄取的X 线投影数据进行处理，可以获得较好的结果，而对其它条件下得到的投影数据进行处理的效果还是很有限的12。这是因为随着人体厚度、X线焦点到探测器的距离、人体到探测器的距离
11、等的变化，散射点扩展函数也随之变化，针对这种情况，可采用以下方法提高校正精度：(1) 在散射点扩展函数中加入对X 线焦点-探测器距离、人体-探测器距离等的校正因子，对散射点扩展函数进行修正。因为散射强度是物体厚度，射线能量，投照野大小和空气间隙(人体-探测器距离) 的函数。(2) 对人体分部位确定散射点扩展图2康普顿散射作用的示意图 16Vol. 5 No.2/ Feb. 2011函数。尽管人体差异较大，但是，除胸腹部外，其他部位如头颅、颈部等在成年人中差别并不大，曝光条件变化不大，而且各部位的投照距离也基本固定，因此分部位确定散射点扩展函数进行散射校正的方法是可行的1。4.3结合散射模型的有
12、序子集凸面法针对滤波反投影法的重建图像，提出了结合散射模型的有序子集凸面法(Ordered Subsets Convex，OSC)36-37。在该方法中，将散射过程模型化为一个散射函数f ( x )，并在不同投影方向i 离散为f( i)，结合散射模型可达到在重建中进行散射校正的目的。此方法在滤波反投影重建过程中有较好的效果，但不适用于其他重建算法35。4.4MonteCarlo模拟法蒙特卡罗(Monte Carlo，MC)模拟方法采用计算机模拟来得到图像的散射分布，进而扣除散射影响，应用此方法的前提是要求已知被检测物的材料13-16。MC模拟的基本思想是：为了求解数学、物理、工程技术或生产管理
13、等问题，首先建立一个与求解有关的概率模型或随机过程，使它的参数等于所求问题的解，然后通过对模型或过程的观察或抽样实验来计算所求参数的统计特征，得到最后给出所求解的近似值。MC 散射校正法基本过程可总结为如下4步骤：1)采集n 幅投影图像，重建。对重建图像的每个体素，根据强度值分配相应的密度材料，转换为一个可用于MC 计算的体模；2)编写MC代码，模拟光子在MC体模内的传输过程，获取n 幅投影图像的散射粒子分布；3)在最初采集到的投影减去MC模拟获取的散 射投影，得到所需要的散射校正投影；4)用重建算法对扣除过散射的投影进行重建，最终的校正结果。常用的MC软件有EGS、Geant4 和FLUKA
14、 等38。MC 模拟散射校正法的优势在于模拟散射精度高；缺点在于MC 对粒子的模拟时间长，使得该方法在应用中存在着很大的局限性。近几年，随着计算性能的大幅提高，尤其是并行计算机运算能力的提升，MC 在CT 数据校正方面的应用也越来越广泛35。4.5模型估计法在软件类的散射校正方法中，还有一种模型估计法，从理想的模型出发，近似推导出散射的理论公式39。方法近似推导过程容易忽略一些重要的因素，较复杂，因此相对应用较少35。5混合散射校正方法5.1基于BSA的散射校正方法所谓散射校正板( Beam Stop Array, BSA) , 是一个有一定厚度和尺寸大小的有机玻璃板，在这个有机玻璃板上，均匀
15、排列着一系列等间隔等尺寸大小的气孔(气孔直径为3mm，相邻两气孔的圆心间距是11mm) 。在气孔里填充上铅，这就成为一个散射校正板。其具体实例见图3所示17-20。图3散射校正板结构示意图把这样一个散射校正板平行放置于平板探测器前面，由于铅块能够吸收大部分垂直散射校正板入射的X射线，这些射线都是初始射线，因此，在探测器上相应铅块部分测得的光强就是由散射射线产生的。由于散射射线强度空间变化缓慢, 空间频率较低5，因此可以通过对探测器得到的图像上相应铅块点的像素值进行整个平面的二维插值，从而得到一幅散射强度分布图。散射校正板的放置，有几种位置可供选择。(a)放在前准直器后面，紧贴准直器放置；(b)
16、放在被照物体前面，紧贴物体放置；(c)放在被照物体后面, 紧贴物体放置；(d)放置在探测器前面, 紧贴探测器放置。对于位置a、b，散射校正板放在物体前面，此时X射线先穿过散射校正板，穿过铅块部分的射线被吸收，剩余的X射线再穿过物体产生的散射强度分布，跟不加散射校正板直接穿过物体产生的散射强度CT系统散射校正方法综述17分布，是不同的；对于位置c，在X射线穿过物体以后，散射分布已经形成，此时再穿过散射校正板，则铅块主要吸收初始X射线，由此在探测器上相应的位置得到的就是散射X射线的强度；对于位置d，散射校正板贴近探测器放置，铅块不仅会吸收初始射线，还会吸收相当大一部分的散射线，也会改变散射的强度分布。图4基于BSA获取X线散射分布的几何结构D.L.Conover等人对基于BSA 散射校正方法的研究中采取位置a-将散射校正板放在前准直器后面， 紧贴准直器放置，其几何结构见图4
