X-CT图像数据采集的方向性

朱学功

X-CT（computed tomography）断层扫描成像即用一维的投影经过重建产生一个二维图像，所谓的投影即为初始的X-射线和人体相互作用后的那部分X-射线，

这个过程主要表现为吸收、散射和投射，如图1所示。图1中A事件表示被人体吸收的X-射线，B和E表示没有和人体相互作用透射的X-射线事件，C和D是发生散射的X-射线事件。对X-射线成像来说，只有被人体组织吸收或者直接穿过人体组织并被人体后面的探测器探测到的X-射线对成像有贡献，而图1中所示的C和D事件由于在人体组织中发生了大角度的散射，或者被准直器阻挡，对成像没有贡献，或者造成图像的本底。

图1 X线投影形成示意图

但是，要得到人体完整的信息，需要在多少个角度上采集投影数据呢？从原理上讲，X-CT成像只要采集0°～180°的数据就可以了，因为是对称的。但是实际上并非如此。这里涉及到X-CT数据采集时准直器和探测器的几何关系，如图2所示。如果定义光源入射窗口上的准直器形成的空间的宽度为W1和探测器阵列的宽度为W2。W1可以在一定范围内变化，但是W2在设备设计阶段确定后就不能变了。从图2可以看到，X射线在人体内的切片并不完全是矩形，而是一个楔形，所以，重建时需要对数据做预处理，把它转化成矩形，这种情况在数据采集一周的起始和终点尤其重要。所以0°和180°数据采集并进行相加后才能用于重建。但是两者数据相加后的包络线仍然不是矩形，如图3上右边第三个图所示。

图2 CT扫描中准直器和探测器的几何关系示意图

图3 0°和180°数据采集时重建图像的理论和实验结果比较

用这样的数据进行重建之后的图像和物体的外轮廓之间不一致。例如，图3中下面对圆盘所成的像，由于边缘的提取出现的偏差，形成的影像更像铁饼而不是圆盘。这种边缘不锐的现象称为X-CT成像时的半伪影，主要由X射线光源的大小，以及成像系统的边缘效应，加上成像系统中散射引起的量子噪声等综合结果造成的。

由于上面提到的问题，在0°～180°和180°～360°采集的数据实际上存在差别，使得物体的外轮廓成为楔形而非矩形。所以，CT图像数据的采集具有方向性，需要采集360°范围内，甚至更大角度内的数据，才能消除在被成像物体的两边采集数据时，存在着光源和探测器之间的距离不完全相等引起的误差，造成的数据采集的非对称性。

综上所述，理论上完全重建一个X-CT图像，只需要采集180°范围内的数据即可。实际上要根据不同的CT结构，进行具体分析，根据图像重建的需要，决定数据采集的范围。例如，第三代CT完全重建需要的角度范围是230°，如图4所示；第四代CT的采集的角度范围通常是450°～500°，如图5所示。滑动环的CT就没有这个要求，完整的360°采集就可以了。但是，为了减少边缘效应，采集数据的范围还是设置成>360°的范围。

图4 第三代CT扫描原理图

图5 第四代CT扫描原理图

[1]赵强.医学影像设备[M]. 上海：第二军医大学出版社，2000.

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[4]秦维昌.医学影像设备学[M].北京：人民军医出版社，2006.

[5]吉强，洪洋.医学影像物理学[M].第3版. 北京：人民卫生出版社，2010.