螺旋CT图像处理技术浅析
作者：张建平 赵明新
单位：张建平 北京丰台铁路中心医院放射科(100071)；赵明新 北京铁路总医院CT室
关键词：
螺旋CT图像处理技术浅析
螺旋CT图像后处理的质量受控于整个容积数据采集方式，技术条件和成象方法。现介绍螺旋CT图像后处理的基本原理、技术和方法达到对图像质量的控制。螺旋CT图像后处理象有多种方法，图像质量主要受数据采集质量的影响。缺乏采集数据不可能建立复杂的MPR(多层重组)，3D(三维)图像。因此，制作高质量MPR和3D图像最重要的是数据采集。
1 技术基础
螺旋CT图像的空间分辨率主要受三个参数的影响：
, 百拇医药
1.1 准直器宽度
这是最重要条件。螺旋CT至少要有1、2、3、5、7、8、10mm中4种可调节的宽度，宽度减小，到达检测器的光子减少。
1.2 螺距(pitch)
即病人平移速度与准直器宽度之比，现在可用的螺距值范围在1∶1到2∶1之间。机架每旋转360°病人平移一个准直器宽度，螺距值为1，平移2个准直器宽度，螺距值为2。增加螺距并不影响图像噪声，因为不同螺距值到达检测器的光子量相同。
1.3 螺旋内插算法(interpolation)
这种数学处理需在曝光之后从螺旋体积数据中提取轴位数据。在两种线性内插算法应用于螺旋扫描：一种是360°线性内插或称宽内插，需要机架旋转2圈，720°的数据合成一幅轴位图像。另一种是180°线性内插算法或称薄内插，需要2×(180°+CT扇角)约440°的数据。由于180°线性内插合成图像需要较少的数据，相对扫描时间较短，减少了图像的模糊度使分辨率提高。另外，180°内插使用较少的数据重建图像，光子量少，因此噪声比360°内插要高[1]。
, 百拇医药
这两种线性内插对有效的层厚度影响如下：
表1 两种线性内插对有效的层厚度影响(准直器5mm)
一般CT
螺旋CT
360°线性内插
螺旋CT
180°线性内插
螺距1.0
%加厚
螺距2.0
%加厚
5.0mm
, http://www.100md.com
0
-
-
6.3mm
26
10.8mm
116
5.0mm
0
6.5mm
30
现在螺旋CT有许多内插算法更方便地供临床选用如：标准的、三维的、锐利的、高锐利的等。
, http://www.100md.com
准直器，螺距与内插算法对空间分辨率及噪声的影响如表2。 表2 准直器、螺距与内插算法对空间分辨率及噪声的影响
空间分辨率
噪声
准直器↓
↑
↑
螺距↑
↓
-
360°→180°内插
↑
↑
, http://www.100md.com
影响图像噪声的参数是重建算法，改变重建算法能降低图像噪声。如：软组织、标准、高细节、骨重建几种重建方法，图像噪声依次有所增加。螺旋CT使用低噪声重建既软组织重建会使图像噪声减少，密度分辨率提高，使空间分辨率降低。三维成像强调低噪声，特别在平面内的分辨率比Z轴分辨率大2～20倍时，损失较小的空间分辨率，保持较高的密度分辨率有重要意义。
螺旋CT扫描提供较大范围的容积数据，且能够在Z轴上任意位置上重建横断面图像，使断面间的部分容积效应减到最小，极大地提高了小病灶的检测能力。另外，用螺旋CT图像所做的多重重组和三维图像会消去阶梯样伪影，使解剖关系显示更清楚。
2 图像后处理方法
普通CT已经应用了多层重组和三维成像技术[2]，而螺旋CT所提供的连续容积数据使多层重组和三维成像技术精度更大，应用更广，优点更多。三维成像能从各种角度观察解剖关系，避免了横断面图像的局限性。以动脉造影为例，常规血管造影看不到的血管，三维CT血管造影却能看到。螺旋CT三维成象首先需要产生轴位图像，然后将多幅轴位图像堆积在一起，再用成像算法对堆积的轴位图像进行数学处理，产生新的二维、三维图像。这些图像是在消除了一些轴位图像信息后产生的，因此不能再在三维图像上重组轴位图像。制作适合于临床应用的图像，必须弄清螺旋CT有那些成像技术，在成像过程中会得到或失掉什么信息。目前有下列几种螺旋CT图像后处理技术：
, 百拇医药
2.1 多层重组和曲面重组技术(multi and curved planar reformations)
多层重组是在堆积的轴位图像上进行冠状、矢状、斜向单层面的重组。它可以按任意方向重组图像，显示有关的解剖关系，图像清楚。由于动脉走行并不局限于某一平面，因此在单一重组平面所看到的动脉很少。曲面重组则能显示在一个层面不能看到的肿瘤血管。方法为在一个轴位层面、重组层面或三维画面划出曲线，命令它作出曲面重组，然后按曲线的要求延伸成一幅展开的二维曲面图。多层和曲面重组保留所有X线衰减信息，不损害三维像上的重叠血管，能看到腹主动脉瘤的瘤栓，区分偏心性钙化，评估病变性质。由于不显示相邻体素，图像颇具可信性。若选面不精确则易造成假象或丢失病变。曲面重组不使用其它平面图像的笛卡尔(Cartesian)坐标系统，因此在评估组织相关位置时决不要在曲面图上测量距离。曲面图像要与轴位或三维图像结合起来观察。
2.2 表面成像技术(threshold shaded surface display)
, 百拇医药
表面成像多应用螺旋数据显示肌肉、骨骼系统[3]，特别在组织重叠区、动脉分枝区能显示复杂、细腻的三维关系图。表面成像是在规定的阈值内(窗位、窗宽)将相邻的像素由计算机处理成表面图像，然后对图像灰度译码[4]，产生一种虚拟的非常漂亮的雕塑样表面图像。表面显示是三维成像最简化形式，它用二进制的形式在阈值处理上失去了很多X线衰减信息。显示是在所选的阈值内外的象素间转换。表面显示主要受二种限制：①血管狭窄的检查受所选阈值的影响；②不能区别阈值内有不同衰减的组织，如钙化与造影剂。表面显示可用多个阈值去做，并可用不同的彩色显示不同的衰减组织。
2.3 最大密度投影技术(maximum intensity projection)
螺旋CT血管造影的出现使最大密度投影(MIP)得以广泛应用[5]。它从预先选好的角度对二维图像里所碰到的最大密度进行译码[6]，不同的衰减反映出不同的灰度，象表面显示那样呈现没有梯形伪影的平滑的图像。这在区别动脉粥样钙化和造影剂是极重要的。低级的MIP当轴位按一定的间隔制成多个MIP时从单一图像上不能看到深度的关系，只有以电影的方式观察才能体会到深度的关系。
, http://www.100md.com
最大密度投影和表面成像受高密度组织如骨、金属移植物、密度增强组织的影响。由于MIP只选择最亮的象素成像，而高衰减组织的CT值要高出这些象素的CT值，这样就遮蔽了衰减较少的组织。若衰减较少的组落在所选阈值上或高衰减物质离靶血管较近则使靶血管变模糊。要克服这种影响在做MIP之前使用手动或半自动技术消除高衰减组织。手控技术依靠操作者的解剖知识，在每个轴位层面选择兴趣区。虽然这种技术会耗费时间但它能最大限度地控制要保留或要消除什么组织。最快的方式是用手控切割，把整个容积分成多个厚度，在每一个厚度上完成MIP再划出兴趣区，然后在典型的层面进行延伸成像。半自动技术用三维链接识别阈值内相邻的象素，在消除了高衰减组织的典型层面上手控种植象素点，这些点在规定阈值内进入相邻的象素，一旦认出就指定CT值。腹主动脉CT血管造影要从相邻的腹部组织中区分整个动脉瘤是很费力的。
2.4 容积成像技术(volume rendering)
CT血管造影用容积成像是最新的技术。它对容积内CT值的直方图进行分析并给组织指定灰度或色彩。它需要性能强大的计算机和复杂的软件，并要对成像曲线有深入的了解。现在最快的计算机图形工作站使容积成像得到发展。它从扫描台通过局域网接收建好的轴位图像再做图像处理。高级容积成像在成像前不需要切割像，不损失阈值信息，所有深度、表面及有关X线衰减信息都被转换。另外高级容积成像能产生透视图，可观察血管、气管、胃肠道[7]。
, 百拇医药
2.5 透视成像(perspective rendering)
透视成像既CT模拟内窥镜(simulate endoscopy)，它用容积数据由外向内逐步放大的观察方法辨别管腔组织的变化。它的近点图像比远点图像要大[7]，可以不断深入，产生一种在容积数据内能无限延伸的内窥镜效果。透视成像从外部观察并无意义而进入数据内才显示组织形态。透视成像与其他三维成像相比，由于它不需要数据编辑不被外部图像所覆盖而能显示组织间结构，所以更具吸引力。要制成高质量的内窥镜图像必须在螺旋数据采集时保持人体不动，用2～3mm层厚，1～1.5螺距，5mm的间隔，并根据要求选择合适的曝光条件和内插算法进行扫描。扫描后用1～2mm间隔进行重建再作内窥镜成像。即使如此，不自主的器官移动会产生不规则多边伪影而使气管或血管壁不连续，失去诊断价值。
综上所述，不同的螺旋CT设备的图像后处理有不同的分类方法，如二维、三维、四维或多层重组(multiplanar reformation)、曲面重组(curved planar reformation)、表面成像(chaded surface display)、最大密度投影(maximum intensity projection)、容积成像(volume rendering)、透视成像(perspectiver endering)等。笔者认为二维是X+Y组成的平面图像，三维是X+Y+Z组成的空间图像或立体图像，四维是空间+时间组成的图像。宏观上看螺旋CT所采集的是一种空间图像，X+Y+Z的容积数据。图像后处理是在整个容积数据里进行的虽然可以用多种方向成像，整体上是三维成像。若将某一层面的一个点与另一层面非同一X，Y，Z轴上的一点连接成像称作四维成象，加进数据采集的不同时限因素则是一种微观解释。
, 百拇医药
参考文献
1 Polacin A,Kalender WA,Marchal G.Evaluation of section sensitivity profile and image noise in spiral CT.Radiology，1992;185:29
2 Fishman EK,Magid,Ney DR,et al.Three Dimensional Imaging.Radiology，1991;181:321
3 Totty WW.Complex musculoskekeletal anatomy:analysis using three dimensional surface reconstruction.Radiology，1984;150:173
4 Magnusson M,Lenz R,Danielsson PE.Evaluation of methods for shaded surface display of CT volumes.Comput Med imaging Graph，1991;15:247
, 百拇医药
5 Napel S,Marks MP,Rubin GD,et al.CT angiography with spiral CT and maximum intensity projection.Radiology，1992;185:607
6 Keller PJ,Drayer BP,Fram EK,Williams KD,Dumoulin CL,Souza SP.MR angiography with two dimensional acquisition and three dimensional display.Radiology，1989;173:527
7 Rubin GD，Beaulieu CF,Argiro V,et al.Perspective volume rendering of CT and MR images:applications for endoscopic imaging.radiology，1996；199:321
(1999-06-22 收稿), http://www.100md.com
单位：张建平 北京丰台铁路中心医院放射科(100071)；赵明新 北京铁路总医院CT室
关键词：
螺旋CT图像处理技术浅析
螺旋CT图像后处理的质量受控于整个容积数据采集方式，技术条件和成象方法。现介绍螺旋CT图像后处理的基本原理、技术和方法达到对图像质量的控制。螺旋CT图像后处理象有多种方法，图像质量主要受数据采集质量的影响。缺乏采集数据不可能建立复杂的MPR(多层重组)，3D(三维)图像。因此，制作高质量MPR和3D图像最重要的是数据采集。
1 技术基础
螺旋CT图像的空间分辨率主要受三个参数的影响：
, 百拇医药
1.1 准直器宽度
这是最重要条件。螺旋CT至少要有1、2、3、5、7、8、10mm中4种可调节的宽度，宽度减小，到达检测器的光子减少。
1.2 螺距(pitch)
即病人平移速度与准直器宽度之比，现在可用的螺距值范围在1∶1到2∶1之间。机架每旋转360°病人平移一个准直器宽度，螺距值为1，平移2个准直器宽度，螺距值为2。增加螺距并不影响图像噪声，因为不同螺距值到达检测器的光子量相同。
1.3 螺旋内插算法(interpolation)
这种数学处理需在曝光之后从螺旋体积数据中提取轴位数据。在两种线性内插算法应用于螺旋扫描：一种是360°线性内插或称宽内插，需要机架旋转2圈，720°的数据合成一幅轴位图像。另一种是180°线性内插算法或称薄内插，需要2×(180°+CT扇角)约440°的数据。由于180°线性内插合成图像需要较少的数据，相对扫描时间较短，减少了图像的模糊度使分辨率提高。另外，180°内插使用较少的数据重建图像，光子量少，因此噪声比360°内插要高[1]。
, 百拇医药
这两种线性内插对有效的层厚度影响如下：
表1 两种线性内插对有效的层厚度影响(准直器5mm)
一般CT
螺旋CT
360°线性内插
螺旋CT
180°线性内插
螺距1.0
%加厚
螺距2.0
%加厚
5.0mm
, http://www.100md.com
0
-
-
6.3mm
26
10.8mm
116
5.0mm
0
6.5mm
30
现在螺旋CT有许多内插算法更方便地供临床选用如：标准的、三维的、锐利的、高锐利的等。
, http://www.100md.com
准直器，螺距与内插算法对空间分辨率及噪声的影响如表2。 表2 准直器、螺距与内插算法对空间分辨率及噪声的影响
空间分辨率
噪声
准直器↓
↑
↑
螺距↑
↓
-
360°→180°内插
↑
↑
, http://www.100md.com
影响图像噪声的参数是重建算法，改变重建算法能降低图像噪声。如：软组织、标准、高细节、骨重建几种重建方法，图像噪声依次有所增加。螺旋CT使用低噪声重建既软组织重建会使图像噪声减少，密度分辨率提高，使空间分辨率降低。三维成像强调低噪声，特别在平面内的分辨率比Z轴分辨率大2～20倍时，损失较小的空间分辨率，保持较高的密度分辨率有重要意义。
螺旋CT扫描提供较大范围的容积数据，且能够在Z轴上任意位置上重建横断面图像，使断面间的部分容积效应减到最小，极大地提高了小病灶的检测能力。另外，用螺旋CT图像所做的多重重组和三维图像会消去阶梯样伪影，使解剖关系显示更清楚。
2 图像后处理方法
普通CT已经应用了多层重组和三维成像技术[2]，而螺旋CT所提供的连续容积数据使多层重组和三维成像技术精度更大，应用更广，优点更多。三维成像能从各种角度观察解剖关系，避免了横断面图像的局限性。以动脉造影为例，常规血管造影看不到的血管，三维CT血管造影却能看到。螺旋CT三维成象首先需要产生轴位图像，然后将多幅轴位图像堆积在一起，再用成像算法对堆积的轴位图像进行数学处理，产生新的二维、三维图像。这些图像是在消除了一些轴位图像信息后产生的，因此不能再在三维图像上重组轴位图像。制作适合于临床应用的图像，必须弄清螺旋CT有那些成像技术，在成像过程中会得到或失掉什么信息。目前有下列几种螺旋CT图像后处理技术：
, 百拇医药
2.1 多层重组和曲面重组技术(multi and curved planar reformations)
多层重组是在堆积的轴位图像上进行冠状、矢状、斜向单层面的重组。它可以按任意方向重组图像，显示有关的解剖关系，图像清楚。由于动脉走行并不局限于某一平面，因此在单一重组平面所看到的动脉很少。曲面重组则能显示在一个层面不能看到的肿瘤血管。方法为在一个轴位层面、重组层面或三维画面划出曲线，命令它作出曲面重组，然后按曲线的要求延伸成一幅展开的二维曲面图。多层和曲面重组保留所有X线衰减信息，不损害三维像上的重叠血管，能看到腹主动脉瘤的瘤栓，区分偏心性钙化，评估病变性质。由于不显示相邻体素，图像颇具可信性。若选面不精确则易造成假象或丢失病变。曲面重组不使用其它平面图像的笛卡尔(Cartesian)坐标系统，因此在评估组织相关位置时决不要在曲面图上测量距离。曲面图像要与轴位或三维图像结合起来观察。
2.2 表面成像技术(threshold shaded surface display)
, 百拇医药
表面成像多应用螺旋数据显示肌肉、骨骼系统[3]，特别在组织重叠区、动脉分枝区能显示复杂、细腻的三维关系图。表面成像是在规定的阈值内(窗位、窗宽)将相邻的像素由计算机处理成表面图像，然后对图像灰度译码[4]，产生一种虚拟的非常漂亮的雕塑样表面图像。表面显示是三维成像最简化形式，它用二进制的形式在阈值处理上失去了很多X线衰减信息。显示是在所选的阈值内外的象素间转换。表面显示主要受二种限制：①血管狭窄的检查受所选阈值的影响；②不能区别阈值内有不同衰减的组织，如钙化与造影剂。表面显示可用多个阈值去做，并可用不同的彩色显示不同的衰减组织。
2.3 最大密度投影技术(maximum intensity projection)
螺旋CT血管造影的出现使最大密度投影(MIP)得以广泛应用[5]。它从预先选好的角度对二维图像里所碰到的最大密度进行译码[6]，不同的衰减反映出不同的灰度，象表面显示那样呈现没有梯形伪影的平滑的图像。这在区别动脉粥样钙化和造影剂是极重要的。低级的MIP当轴位按一定的间隔制成多个MIP时从单一图像上不能看到深度的关系，只有以电影的方式观察才能体会到深度的关系。
, http://www.100md.com
最大密度投影和表面成像受高密度组织如骨、金属移植物、密度增强组织的影响。由于MIP只选择最亮的象素成像，而高衰减组织的CT值要高出这些象素的CT值，这样就遮蔽了衰减较少的组织。若衰减较少的组落在所选阈值上或高衰减物质离靶血管较近则使靶血管变模糊。要克服这种影响在做MIP之前使用手动或半自动技术消除高衰减组织。手控技术依靠操作者的解剖知识，在每个轴位层面选择兴趣区。虽然这种技术会耗费时间但它能最大限度地控制要保留或要消除什么组织。最快的方式是用手控切割，把整个容积分成多个厚度，在每一个厚度上完成MIP再划出兴趣区，然后在典型的层面进行延伸成像。半自动技术用三维链接识别阈值内相邻的象素，在消除了高衰减组织的典型层面上手控种植象素点，这些点在规定阈值内进入相邻的象素，一旦认出就指定CT值。腹主动脉CT血管造影要从相邻的腹部组织中区分整个动脉瘤是很费力的。
2.4 容积成像技术(volume rendering)
CT血管造影用容积成像是最新的技术。它对容积内CT值的直方图进行分析并给组织指定灰度或色彩。它需要性能强大的计算机和复杂的软件，并要对成像曲线有深入的了解。现在最快的计算机图形工作站使容积成像得到发展。它从扫描台通过局域网接收建好的轴位图像再做图像处理。高级容积成像在成像前不需要切割像，不损失阈值信息，所有深度、表面及有关X线衰减信息都被转换。另外高级容积成像能产生透视图，可观察血管、气管、胃肠道[7]。
, 百拇医药
2.5 透视成像(perspective rendering)
透视成像既CT模拟内窥镜(simulate endoscopy)，它用容积数据由外向内逐步放大的观察方法辨别管腔组织的变化。它的近点图像比远点图像要大[7]，可以不断深入，产生一种在容积数据内能无限延伸的内窥镜效果。透视成像从外部观察并无意义而进入数据内才显示组织形态。透视成像与其他三维成像相比，由于它不需要数据编辑不被外部图像所覆盖而能显示组织间结构，所以更具吸引力。要制成高质量的内窥镜图像必须在螺旋数据采集时保持人体不动，用2～3mm层厚，1～1.5螺距，5mm的间隔，并根据要求选择合适的曝光条件和内插算法进行扫描。扫描后用1～2mm间隔进行重建再作内窥镜成像。即使如此，不自主的器官移动会产生不规则多边伪影而使气管或血管壁不连续，失去诊断价值。
综上所述，不同的螺旋CT设备的图像后处理有不同的分类方法，如二维、三维、四维或多层重组(multiplanar reformation)、曲面重组(curved planar reformation)、表面成像(chaded surface display)、最大密度投影(maximum intensity projection)、容积成像(volume rendering)、透视成像(perspectiver endering)等。笔者认为二维是X+Y组成的平面图像，三维是X+Y+Z组成的空间图像或立体图像，四维是空间+时间组成的图像。宏观上看螺旋CT所采集的是一种空间图像，X+Y+Z的容积数据。图像后处理是在整个容积数据里进行的虽然可以用多种方向成像，整体上是三维成像。若将某一层面的一个点与另一层面非同一X，Y，Z轴上的一点连接成像称作四维成象，加进数据采集的不同时限因素则是一种微观解释。
, 百拇医药
参考文献
1 Polacin A,Kalender WA,Marchal G.Evaluation of section sensitivity profile and image noise in spiral CT.Radiology，1992;185:29
2 Fishman EK,Magid,Ney DR,et al.Three Dimensional Imaging.Radiology，1991;181:321
3 Totty WW.Complex musculoskekeletal anatomy:analysis using three dimensional surface reconstruction.Radiology，1984;150:173
4 Magnusson M,Lenz R,Danielsson PE.Evaluation of methods for shaded surface display of CT volumes.Comput Med imaging Graph，1991;15:247
, 百拇医药
5 Napel S,Marks MP,Rubin GD,et al.CT angiography with spiral CT and maximum intensity projection.Radiology，1992;185:607
6 Keller PJ,Drayer BP,Fram EK,Williams KD,Dumoulin CL,Souza SP.MR angiography with two dimensional acquisition and three dimensional display.Radiology，1989;173:527
7 Rubin GD，Beaulieu CF,Argiro V,et al.Perspective volume rendering of CT and MR images:applications for endoscopic imaging.radiology，1996；199:321
(1999-06-22 收稿), http://www.100md.com