CT系統探測器中心區域損壞對成像影響的校正

胡潔，王浩文，齊宏亮（通信作者）

廣州華端科技有限公司 （廣東廣州 510670）

CT技術在醫學影像診斷、工業無損檢測、生物技術等領域有著廣泛的應用。CT技術的原理是X線球管和探測器圍繞被成像物體進行圓周掃描獲得一系列投影數據，傳輸到計算機中，利用特定的圖像重建算法重建出物體層層CT圖像，CT圖像中顯示該層物體內部結構信息，再將諸多連續層的CT圖像疊放起來形成物體三維影像結構。CT的成像精度將影響對成像物體內部結構的判斷和圖像后處理。CT系統的機械運動誤差、溫度環境、濕度環境、X線球管質量、探測器缺陷等是影響CT成像精度的主要因素，其中，探測器缺陷是影響CT成像的重要因素，也是定期需要校正或更換的高精度高價值部件。

CT中的探測器上布滿緊密排列的探測元，探測元用于接收穿過成像物體后的剩余X線信號，是構成投影圖像的基礎。探測器上探測元的損壞會造成重建出的CT圖像含有明顯的環形偽影。若損壞的探測元在探測器的一側，當損壞面積不大的情況下，可通過利用損壞數據兩側的正常數據進行插值來估計損壞數據；當損壞面積比較大的情況下，可利用圓周掃描后的投影數據冗余特性進行恢復。當壞死的諸多探測元位于探測器中心位置時，該種情況少有研究。本研究針對這一問題，從硬件結合算法的角度提出行之有效的措施。

1 理論基礎

1.1 中心切片定理

CT圖像重建的理論基礎是中心切片定理。中心切片定理表述如下：二維物體在某一角度下的平行投影的一維傅里葉變化等價于二維物體的二維傅里葉變換在該角度下的一條直線。具體變換過程見圖1。

圖1 中心切片定理

中心切片定理在實際運用過程中，傅里葉空間采樣點映射在笛卡爾坐標系中并不是落在柵格交點，需要插值計算，插值計算誤差會造成圖像空間分辨力下降，信息丟失。有學者提出了替代算法，如濾波反投影（filtered backprojection，FBP）重建算法。

1.2 FBP重建算法

平行束CT系統幾何結構簡單，該模式下的 FBP重建算法是扇形束CT和錐形束CT圖像FBP算法的理論基礎。它的重建步驟見圖2。

圖2 FBP算法實現步驟

平行束下的濾波反投影公式為：

在實踐中，由于X線球管的特殊設計，X線通常是扇形束的。平行束和扇形束存在對應的幾何關系，因此只需要把扇形束投影數據重新排序為平行束投影數據，再利用中心切片定理就可以得到扇形束FBP重建算法[1-2]。

直線型探測器的濾波反投影重建公式為：

2 探測器中心區域損壞下的成像解決方案

2.1 較少探測元損壞

當探測器中心區域上只有一個或者幾個探測元連續損壞，當前角度采集到的投影數據中的“壞死”數據可由兩旁正常數據通過插值計算獲得。如圖3所示，圖3（a）是探測器無損情況下的投影數據，共均勻采集360°內360張一維投影數據羅列而成；圖3（b）在圖3（a）中投影數據的采集條件下模擬探測器上1個探測元壞死情況下所得到的投影數據；圖3（c）是未經算法校正利用FBP算法重建得到的CT圖像，可見，圖像中含有明顯且嚴重的環形偽影；圖3（d）是經算法插值校正利用FBP算法重建得到的CT圖像，可見，對壞死數據進行插值校正可重建出無偽影的圖像質量。

圖3 投影數據及其重建的CT圖像

但當探測器中心區域上有5個探測器連續壞死時，通過算法插值校正再利用FBP算法重建得到的CT圖像，其中心區域仍有殘留偽影，效果不理想。因為，插值區域范圍越大，插值精度越低，從而影響CT圖像重建結果。未校正和校正后的重建圖像見圖4。

圖4 壞損探測元數量為5時的重建圖像

2.2 較多探測元損壞

當探測器上有幾個甚至幾十個連續損壞，利用2.1中的插值算法進行數據插值再進行重建，重建質量大幅度降低。同時，壞死區域中的數據在所有投影數據中均找不到其對應的冗余數據。通過分析CT成像領域中探測器偏置模式下的采集模式（簡稱half-fan），可以通過將探測器朝著某一側水平移動，直到X線中心線不會照射到壞死探測元上，然后繼續用half-fan成像算法[3-4]重建可得到良好圖像質量。以2.1中探測器中心5個探測元發生故障為例，若將探測器向左側進行偏移，至少需要偏移2.5個探測元的長度，從而使得X線中心線右側部分的探測器都是完好無損的，便可使用half-fan成像算法重建CT圖像。值得說明的是，此時壞死數據可進行線性插值，方便后續算法的濾波操作。

3 小結

本研究針對CT中探測器中心位置探測元損壞這一問題，從算法結合硬件的角度提出解決方案，較好地解決了CT圖像環形偽影問題，節省了更換探測器成本。未來，科研重點將面向錐形束CT中探測元損壞下的CT圖像重建研究。