X-CT圖像數據采集的方向性

朱學功

X-CT（computed tomography）斷層掃描成像即用一維的投影經過重建產生一個二維圖像，所謂的投影即為初始的X-射線和人體相互作用后的那部分X-射線，

這個過程主要表現為吸收、散射和投射，如圖1所示。圖1中A事件表示被人體吸收的X-射線，B和E表示沒有和人體相互作用透射的X-射線事件，C和D是發生散射的X-射線事件。對X-射線成像來說，只有被人體組織吸收或者直接穿過人體組織并被人體后面的探測器探測到的X-射線對成像有貢獻，而圖1中所示的C和D事件由于在人體組織中發生了大角度的散射，或者被準直器阻擋，對成像沒有貢獻，或者造成圖像的本底。

圖1 X線投影形成示意圖

但是，要得到人體完整的信息，需要在多少個角度上采集投影數據呢？從原理上講，X-CT成像只要采集0°～180°的數據就可以了，因為是對稱的。但是實際上并非如此。這里涉及到X-CT數據采集時準直器和探測器的幾何關系，如圖2所示。如果定義光源入射窗口上的準直器形成的空間的寬度為W1和探測器陣列的寬度為W2。W1可以在一定范圍內變化，但是W2在設備設計階段確定后就不能變了。從圖2可以看到，X射線在人體內的切片并不完全是矩形，而是一個楔形，所以，重建時需要對數據做預處理，把它轉化成矩形，這種情況在數據采集一周的起始和終點尤其重要。所以0°和180°數據采集并進行相加后才能用于重建。但是兩者數據相加后的包絡線仍然不是矩形，如圖3上右邊第三個圖所示。

圖2 CT掃描中準直器和探測器的幾何關系示意圖

圖3 0°和180°數據采集時重建圖像的理論和實驗結果比較

用這樣的數據進行重建之后的圖像和物體的外輪廓之間不一致。例如，圖3中下面對圓盤所成的像，由于邊緣的提取出現的偏差，形成的影像更像鐵餅而不是圓盤。這種邊緣不銳的現象稱為X-CT成像時的半偽影，主要由X射線光源的大小，以及成像系統的邊緣效應，加上成像系統中散射引起的量子噪聲等綜合結果造成的。

由于上面提到的問題，在0°～180°和180°～360°采集的數據實際上存在差別，使得物體的外輪廓成為楔形而非矩形。所以，CT圖像數據的采集具有方向性，需要采集360°范圍內，甚至更大角度內的數據，才能消除在被成像物體的兩邊采集數據時，存在著光源和探測器之間的距離不完全相等引起的誤差，造成的數據采集的非對稱性。

綜上所述，理論上完全重建一個X-CT圖像，只需要采集180°范圍內的數據即可。實際上要根據不同的CT結構，進行具體分析，根據圖像重建的需要，決定數據采集的范圍。例如，第三代CT完全重建需要的角度范圍是230°，如圖4所示；第四代CT的采集的角度范圍通常是450°～500°，如圖5所示。滑動環的CT就沒有這個要求，完整的360°采集就可以了。但是，為了減少邊緣效應，采集數據的范圍還是設置成>360°的范圍。

圖4 第三代CT掃描原理圖

圖5 第四代CT掃描原理圖

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