什么是硬化线束伪影？

原创 赵喜同学

在CT成像中，伪影一词适用于重建图像中的 CT 值与对象的真实衰减系数（图1 ）之间的任何系统差异。CT 图像本质上比传统的平片更容易出现伪影，因为图像是从大约一百万个独立探测器测量值的数量级重建的。重建技术假定所有这些测量值都是一致的，因此任何测量误差通常会在重建图像中反映为伪影（更多内容，参见：）。

按照伪影的来源可以分为四类：

(a) 基于物理的伪影，由获取 CT 数据所涉及的物理过程产生；

(b) 基于患者的伪影，由患者运动或患者体内或表面存在金属材料等因素引起；

(c) 基于扫描仪的伪影，扫描仪功能缺陷导致；

(d) 螺旋和多截面伪影，由图像重建过程产生。

图1 随着光子能量的增加，线性衰减系数在减小。与较低能量光子相比，在较高光子能量中通过的光子数量更多，并且所有物质对低能量X射线的衰减比高能量物质更强。高能光子比低能光子更容易穿过组织，因为高能光子不太可能与物质相互作用。这种效应大部分与光电效应有关。随着光束的衰减，剩余的能量更少，平均能量更高。

今天我们重点聊一下线束硬化伪影。

X射线束由具有一定能量范围的单个光子组成。当光束穿过一个物体时，它变得“更硬”，也就是说，它的平均能量增加了，因为低能光子比高能光子被吸收得更快（图 2）。这种效果会导致两种类型的伪影：所谓的杯状伪影以及图像中密集对象之间出现的暗带或条纹。

图2 当X射线束通过水时改变其能谱。平均能量随深度增加而增加。（已重新调整衰减光谱的大小，使其与未衰减光谱的大小相等。）

这是一个有助于理解线束硬化的类比：

假装我在游泳池里游泳。我是X射线束，水池是被扫描的身体部位。当我游泳时，我会在穿过游泳池时失去能量；我越游越累。如果我在水中游泳，我消耗的能量比在果冻中游泳时要少。同样，X 射线在穿过金属或骨骼时会比穿过肌肉或器官时更快地失去能量或“硬化”。

图片源自网络

线束硬化伪影的表现

杯状伪影

穿过均匀圆柱形体模中间部分的 X 射线比穿过边缘的 X 射线更硬化，因为它们穿过更多材料。随着光束变得更硬，它的衰减率会降低，因此当光束到达探测器时，它会比未硬化时的预期强度更高。

图3 X射线束通过均匀圆柱体模时，在有线束硬化和无线束硬化的情况下获得的衰减剖面。

因此，最终的衰减曲线不同于没有线束硬化的理想曲线（图 3）。整个体模的 CT值分布显示出特征性的杯形（图 4a）。

图4 在没有校正（a）和校正（b）的情况下，通过均匀水模型中心获得的CT值分布图。

条纹和暗带

线束硬化会在两个高衰减物体（如金属、骨骼、碘对比度或钡）之间产生暗条纹。它们还可以沿单个高衰减物体的长轴产生暗条纹。亮条纹与暗条纹相邻。这些伪影是后颅窝和金属植入物的一个特殊问题。

导致条纹伪影的另一个大问题是康普顿散射。基本上，散射会导致X射线光子改变方向并改变能量。这意味着光子最终可能会进入一个与它们应该进入的不同的探测器。当散射光子最终进入一个通常只有很少光子的探测器时，问题较大。例如，如果金属植入物阻挡了所有光子，则相应的探测器元件将仅探测散射光子。

图5 模拟扫描没有（顶行）和（底行）线束硬化，显示沿最大衰减线出现暗条纹，而在其他方向出现亮条纹。还请注意，“腹部”表面下方的Hounsfield单位略有减少，这是由线束硬化引起的。这被称为杯状伪影，通过现代扫描仪内置的线束硬化校正进行校正。

使用多色X射线源可以看到线束硬化。当X射线穿过人体时，低能X射线光子更容易衰减，而剩余的高能光子则不那么容易衰减。因此，光束传输不遵循单色X射线所见的简单指数衰减。这是骨、碘或金属等高原子序数材料的一个特殊问题。与水等低原子序数材料相比，这些高原子序数材料在较低能量下显著增加了衰减。（对于低能X射线，衰减主要是由于光电效应，并与Z4/E3成正比，其中Z是原子序数，E是能量。在高能情况下，衰减主要是由于康普顿散射，并与1/E成正比。）康普顿散射导致X射线光子改变方向（和能量），因此最终在不同的探测器中。当散射光子最终进入探测器时，这会产生最大的误差，否则探测器中的光子会非常少。特别是，如果金属植入物阻挡了所有光子，那么相应的探测器元件将仅检测散射光子。随着探测器排数的增加，散射也变得更加显著。

因此，对于高度衰减的X射线束，线束硬化和散射都会导致检测到比预期更多的光子，导致沿最大衰减线出现暗条纹。此外，FBP中使用的高通滤波函数夸大了相邻探测器元件之间的差异，在其他方向上产生明亮条纹。

在非常不均匀的横截面中，图像中两个密集对象之间可能会出现暗带或条纹。这种类型的伪影既可能出现在身体的骨骼区域，也可能出现在使用造影剂的扫描中。在图6 所示的胸部和盆腔扫描中，造影剂或金属植入物在附近的解剖结构中造成了可能被误认为疾病的伪影。

在更高的管电压下扫描会产生更硬的X射线束，从而减少束硬化伪影。此外，金属对高能光子更“透明”，因此不太可能阻挡所有光子，从而减少散射伪影。然而，折衷是在高千伏时组织对比度较小。

图6 CT图像显示，由于造影剂或金属的线束硬化效应，出现条纹伪影。

假性增强

肾囊肿的假性增强是指静脉注射造影剂后，单纯性肾囊肿的Hounsfield单位虚假增加。这是由线束硬化和散射引起，即使它没有与线束硬化更典型相关的条纹。同样的机制是导致头颅CT上头颅内部密度增加的原因。

由于线束硬化和散射，被高密度材料环绕包围的区域变得更亮（图5的最后一列）。理解这一现象的一种方法是类比图5的第三列。就在3个植入物形成的黑色条纹内，有一个明亮的三角形。这与在高密度环内看到的明显高密度非常类似。

假性增强随着距离增强肾组织的距离而变化。在较小的囊肿中有更多的假性增强，CT值测量应尽可能远离增强的肾组织。在常规CT中，可看到高达28 HU的假性增强。这可以通过双能量CT降低。然而，它并没有被消除，因为双能量CT只能给出近似的单能图像，并且不能校正散射（图7）。

图7 假性增强。用潜入造影剂瓶中的水试管制成的体模，用常规扫描 (a) 和用碘定量 (b) 的 DECT 扫描。使用常规 CT (a) 观察到由于假性增强导致的伪影 HU 值峰值（平均值/SD 42.3/7.4 HU）；DECT 能够在没有任何 HU 数字提升的情况下防止这种伪影；碘定量工具可正确识别碘浓度，而不受假性增强现象的影响。70 岁男性患者，常规 CT 平扫左肾小囊肿高密度 (c)。肾造影期 (d) DECT 显示，尽管人为增加 HU值 (19.7 HU)，但病变缺乏碘含量（碘浓度 - 0.6 mg/mL）。

边缘梯度效应

边缘梯度效应（Edge Gradient Effect）会导致不规则形状的物体产生条纹伪影或阴影（亮和暗），这些物体与周围结构的密度有明显差异。一个常见的临床例子是当钡和空气在胃中彼此相邻时产生的伪影。

图8 该图像中肝脏左叶的不规则阴影（用箭头表示）是由边缘梯度效应和线束硬化共同引起。伪影源于胃中空气和钡之间的明显密度差异。

边缘梯度效果的伪影在很大程度上是不可避免的，但通过更薄的切片会有所减少。使用低 HU 值的口服造影剂（中性 HU 造影剂代替钡悬浮液或水）可以消除胃肠道的条纹伪影。

用于最小化线束硬化的内置功能

制造商通过使用过滤、校准校正和线束硬化校正软件来最小化线束硬化。

过滤（Filtration）：一块衰减的扁平材料，通常是金属材料，用于通过在光束通过患者之前过滤掉低能量成分来“预硬化”光束。一个额外的“蝴蝶结”滤波器进一步硬化了光束的边缘，这将穿过患者的较薄部分。（更多内容参见：）。

准直校正（Calibration correction）：制造商使用各种尺寸的体模校准扫描仪。这允许通过针对患者不同部位的线束硬化效应定制的补偿来校准探测器。图 3b 演示了通过这种方式在模型中消除杯状伪影。由于患者的解剖结构从未与圆柱形校准体模完全匹配，因此在临床实践中可能存在轻微的残余杯状伪影或轻微的“杯状”伪影，由于过度矫正而导致中心 CT 值较高。

线束硬化校正软件（Beam hardening correction software）：现代扫描仪执行简单的线束硬化校正，假设在给定测量衰减的情况下，线束硬化的平均量。然而，原子序数较高的材料（如金属）会导致线束硬化量高于平均值，因此无法完全纠正。这可以通过迭代重建来解决。第一次迭代使用未校正的投影数据重建。然后使用Hounsfield单位截止点检测金属和骨骼，并对其进行正向投影，以确定每个探测器测量中存在多少骨骼和金属。然后，该信息用于对每个探测器元件执行自定义线束硬化校正。

在重建骨骼区域的图像时可以应用迭代校正算法。这有助于最大限度地减少脑部扫描中骨-软组织界面的模糊（图9），并减少非均匀横截面中暗带的出现（图 10）。

图9 未经骨校正（a）和骨校正（b）重建的颅骨模型的CT图像

图10 后颅窝的CT图像显示，当仅应用校准校正时，致密物体之间出现暗条带（a），当同时应用迭代波束硬化校正时，伪影减少（b）。

双能量扫描（CT Dual Energy Scan）：双能量CT通过在两种不同能量下扫描来减少线束硬化效应。该信息可用于导出虚拟单色图像，该图像不会受到光束硬化效应的影响。然而，双能CT产生的虚拟单色图像假设X射线吸收光谱具有理想形状，没有K边界，这显然只是一个近似值。（关于双能量的实现方法，参见：）。

避免硬化线束伪影的操作-有时可以通过患者定位或倾斜机架来避免扫描骨骼区域。选择适当的扫描视野非常重要，以确保扫描仪使用正确的校准和线束硬化校正数据，并且在某些系统上使用适当的蝶形滤波器。

在某些情况下，特定的硬化线束伪影校正算法可以抑制一些伪影，参见：更多干货，关注XI区！

参考文献：

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Marino M A , Silipigni S , Barbaro U , et al. Dual Energy CT Scanning in Evaluation of the Urinary Tract. Current Radiology Reports, 2017, 5(10):46.

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2022年8月8日

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原标题：《什么是硬化线束伪影？》

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