螺旋CT图像纵向分辨力分析.doc

综述）
螺旋CT图像纵向分辨力分析
余晓锷 林意群
(第一军医大学生物医学工程系, 广东 广州 510515)

[摘 要] 本文综述了螺旋CT的纵向分辨力的表达方式、影响因素，探讨了改善螺旋CT纵向分辨力的方法。
[关键词] 纵向分辨力；层灵敏度剖面线；螺距；重叠重建
The analysis for longitudinal resolution in spiral CT
YU Xiao-e , KANG Li-li

Abstract: This paper summarizes the description and the affection factors of the longitudinal resolution in spiral CT, the improvement method for longitudinal resolution is discussed.
Key words: longitudinal resolution; section sensitivity profile; pitch; overlapping slice reconstruction

1 引言
螺旋CT是一种通过快速扫描法采集螺旋体积数据的新技术，它的出现标志着CT成像技术的又一次飞跃。螺旋CT在临床上已得到了广泛的应用其图像质量的大多数指标，如空间分辨力、密度分辨力、均匀性和线性度等与常规CT基本相同，但螺旋CT图像的层灵敏度剖面线有一定程度的增宽变形。螺旋CT的高对比度分辨力和低对比度分辨力均得到对比和分析[1-2]，但螺旋CT的纵向分辨力国内文献报道的还不多。而纵向分辨力在高对比度CT中是一个重要的因素，它的下降会导致容积效应的增加，这样会影响CT影像的临床诊断，尤其在CTA中表现更甚[3-5]。因此了解螺旋CT中纵向分辨力的特性及改善纵向分辨力的方法是十分重要的。

2 衡量纵向分辨力的依据[6]：
[本文作者] 余晓锷 讲师。Email:yxe@ （如需软盘请发Email）
林意群 教授。
在传统CT中系统的点扩展函数（PSF：point spread function）由探测器组的响应函数决定，而在螺旋CT决定PSF的除探测器组的响应函数外，诊视床的运动函数也起着决定作用。在CT设备中层灵敏度剖面线SSP（section sensitivity profile）的定义是沿着诊视床运动方向并通过机架旋转中心直线所决定的PSF。因此，SSP一般作为描述纵向分辨力的依据。SSP描述切层体素的侧面轮廓，决定了Z轴方向体素的大小及特性，代表相邻层面的相互影响，其理想形状应为矩形，在传统CT中的SSP即接近矩形，其灵敏度分布曲线的半值全宽（FWHM：full width at half maximum）等于层厚，此时的部分容积效应几乎等于零。而螺旋CT的SSP呈一正态分布曲线，也即SSP形态变差，但在实际应用中发现即便在螺旋CT中SSP有很大程度的下降，但如果用FWTM来衡量它们，其结果反映得并不明显，因此又开始采用FWTM（full width at one-tenth of the maximum）来衡量纵向分辨力，同时另一种方法也开始应用，即高斯曲线1/10的面积处（FWTA：full width at tenth area）SSP的FWTM代表图像的纵向分辨力。三种描述方法参见图1。
图2 插值算法对纵向分辨力的影响
图1 衡量纵向分辨力的三种方法

3 螺旋CT图像中影响纵向分辨力的主要因素：
（1） 插值算法对纵向分辨力的影响。螺旋CT采集的是容积数据，在容积扫描数据获得以后，即可在Z轴的任何位置以任意层厚和间隔重建。由于任何3600的扫描数据,如直接重建均可导致切层厚度不匀或倾斜或产生伪影，即所谓会产生部分容积效应,因而需要用内插方法将原始数据转换为平面扫描数据,再据此形成所需的图像。目前在螺旋CT中常用的有1800内插算法和3600线性内插算法。在3600线性内插算法中，采集的数据范围是2´3600，这样虽然噪声有所下降，但SSP却比原先增宽了30%，而在1800线性插值算法中，收集数据的范围是2´（1800+扇形角度），运用这种算法时，噪声为插值前的1.15倍，但SSP却比较接近于传统CT[7-8]。当然这种对比的前提是螺距不要选得过大。插值算法对纵向分辨力的影响参见图2[7]。
（2） 诊视床的步进距离（feed）对纵向分辨力的影响。在螺旋CT中定义诊视床的步进距离为龙门架旋转3600时诊视床所移动的距离。不难想象，feed取得越大，在单位时间内扫描体积越长，患者所接受计量也越小。但feed与螺旋CT中SSP是密切相关的。已有理论证明螺旋CT中的SSP等于传统扫描下的SSP（矩形函数）与病人诊视床运动函数的卷积[9]（图3）。病人诊视床运动函数在应用3600线性内插算法是边长等于2d（d等于步进距离feed）的等边三角形，当应用1800线性插值算法则为边长等于d的等边三角形。因此，在算法固定的前提下，feed选取得越大，SSP增宽得越明显[8]（图4和图5）。
图3 螺旋CT中SSP的图形表达方式

图5 1800LI插值方法feed对纵向分辨力的影响180
图4 3600LI插值方法feed对纵向分辨力的影响

4 提高纵向分辨力的有效方法：
（1） 回顾性重建提高图像的纵向分辨力。螺旋CT由于在床的运动过程中采集数据，使得图像的SSP有一定程度的下降，但螺旋扫描获得的投影数据是沿着患者纵轴的连续数据，所以可以任意提取所需层面的投影数据进行重建，无需再次扫描，因此在实质上我们可以利用回顾性重建的特性提高螺旋CT的纵向分辨力。在回顾性重建中重建间隔（reconstruction interval）的设置十分关键。首先必须从全局考虑，选取折中的条件，一般要考虑图像的处理时间、待观察图像的层数、提高图像的纵向分辨力等等。重建间隔选取得小，则图像处理时间，图像的层面都会增大，但纵向分辨力却会提高。当重建间隔小于层厚时，就意味着原始扫描数据要重复利用来重建断层图像，这就是所谓的重叠重建（overlap reconstruction）Urban等研究表明[10]，对连续采集的数据进行50%的重叠重建时，可以提高10%的小病灶检出率。如图6所示[11]，假设一个小病灶正位于相邻两层的交界处，如果不进行重叠重建，则会遗漏病灶，但如果进行50%的重叠重建，则病灶正好落在重叠重建后的粗线的那一层面中。

b
a

图6 a图没有重叠重建，b图是50%的重叠重建

（2） 重叠重建的优化设置。重叠重建提高了纵向分辨力，那么是否对数据的重叠率越高，纵向分辨力就越好呢？回答是否定的。Wang.G等人对此问题进行了理论的推导分析。分析中把纵向分辨力（FWTM）看作是螺距（pitch）和重建层数（n）的函数。对不同螺距下重建不同层面的纵向分辨力进行了计算，其结果如表1所示[12]。从表1我们可以得出以下几个结论：（1）螺距越小，为了充分利用扫描数据，提高纵向分辨力，所重建的层数就应越多。一般说来，当p£ 1时，建议重建3~5个层面，当p>1时，建议重建2个层面。（2）FWTM并非总是随n单调下降。从表中可以看出，当p=2时，重建2层时（n=2）的FWTM最小。

表1 纵向分辨力随螺距（pitch）和重叠层数（n）的变化值
Pitch\n
1
2
3
4
5
0.33
9.9
6.9
6.5
6.2
6.0
0.67
10.1
7.5
6.9
6.9
6.7
1.0
10.3
7.9
7.7
7.7
7.7
1.33
10.6
8.7
8.7
8.7
8.7
1.67
11.0
9.9
9.9
9.9
9.9
2.0
11.8
11.0
11.2
11.2
11.2

5 结论：
在理论上分析螺旋CT的SSP呈现高斯分布形态，其纵向分辨力比传统CT纵向分辨力差，下这个结论时忽略了两个方面的问题，一方面是在传统CT中要获得好的纵向分辨力，诊视床的步进距离必须设置得非常小，但这样会导致病人受辐射剂量增大，因此在临床中采用得非常少，结果是传统CT的最佳纵向分辨力几乎不能够获得。另一方面在螺旋CT中可以利用重叠重建提高纵向分辨力，体积数据的重建间隔可以任意选取，也可以选得非常小，其代价仅仅是运算量加大，但纵向分辨力也大大地提高了。Wang等人对两种类型的CT进行了对比[9]，得出结论是螺旋CT除了可以快速获取数据以外，它的另一优点是纵向分辨力好于传统CT的纵向分辨力。

参考文献：
1. Crawford CR , King KF. Computed tomography scanning with simultaneous patient translation. Med Phys.17:967-982 ,1990
2. W.A.Kalender, K.King. Physical performance scanning with simultaneous patient translation.Med.Phys.18:910-915,1991
3. P.Costello,W.Anderson,and D.Blume, Pulmonary nodule: Evaluation with spiral volumetric CT,Radiology 179,975-976，1991
4. D.Dupuy,P.Costello,and C.Ecker,Spiral CT of the pancreas Radiology 183,815-818。
5. Napel SA,Marks MA,Rubin GD et al. CT angiography with spiral CT and maximum intensity projection. Radiology 185:607-610，1992
6. Kalender WA,Principles of spiral CT,American Medical Publ,Madison,Wisc
7. Polacin A,Kalender WA,Marchal G: Evaluation of section sensitivity profiles and image noise in spiral CT Radiology 185:29-35,1992
8. Kalender W,Polacin A Physical performance characteristics of spiral CT scanning. Med Phys 18:910-915,1991
9. Wang G,Vannier MW Longitudinal resolution in volumetric x-ray CT-analytical comparison between conventional and helical CT. Med Phys 21:429-433,1994
10. Urbin GD, Dake MD,et al Detection of focal hepatic lesions with spiral CT:Comparison of 4-and 8-mm interscan spacing. AJR Am J Roentgenol 160:783-785,1993
11. Brink JA, Heiken JP, Wang G et al:Spiral(helical)CT:Principles and technical considerations. Radiographics 14:919-924,1994
12. G.Wang,J.A.Brink Theoretical TWTM values in helical CT Med Phys 21:753-754,1994