基于平板探测器的锥束CT系统综述
文章编号:1007-1482(2004)01-0065-06?综述?基于平板探测器的锥束CT系统综述
唐杰,张丽,高文焕
(清华大学工程物理系粒子信息获取与处理国家专业验室,北京 100084)
【摘要】:锥束CT系统和二维扇束、平行束CT系统相比具有空间分辨率高、投影数据采集时间
短、射线利用效率高等优点,但由于算法运算量大和工程实现上的困难以往一直没能在实际中
应用,随着近几年硬件和算法的发展,锥束CT已经进入实用阶段,而平板探测器则是最适合
锥束CT的探测器。本文对目前平板探测器锥束CT系统的发展状况做了综述,讨论了平板探测
器用于锥束CT系统的优越性,对各种平板探测器锥束CT系统的几何结构和应用中的问题进行
了比较和讨论,最后对平板探测器锥束CT未来的发展进行了展望。
【关键词】:锥束CT;平板探测器;几何结构;射线散射
【中图分类号】:O572121+2 【文献标识码】:A
R evie w of Cone-Beam CT Systems B ased on
Flat Panel Detector
TAN G Jie,ZHAN G Li,GAO Wen-huan
(Department of Engineering Physics,Tsinghua University,Beijing100084)
【Abstract】:Compared with2D fan-beam or parallel-beam CT,cone-beam CT system is able to
achieve higher special resolution and better utilization of photons.It also requires less scan time.How2
ever,it had not come into practical application because of the difficulties in algorithms and technology.
With the development of hardware and algorithms,cone-beam CT has become practical in recent
years.Flat-panel detector is the best candidate for cone-beam CT.Here we discuss the advantage
of flat-panel detector.Then we summarize the flat-panel cone-beam CT systems at present and
make a discussion and comparison of them.
【K eyw ords】:cone-beam CT;flat-panel detector;geometry;scatter
1 引言
计算机断层成像技术,即CT(Computed To2 mography)在临床医学上的应用是20世纪医疗技术进步的重要标志之一。自诞生以来,CT扫描方式发生了巨大的变化,二维CT从单一探测器的平行束递增发展到多探测器扇形束旋转扫描;三维CT则从最早的单排螺旋CT发展为多排探测器扫描同时给出8-16层数据的多层螺旋CT,近几年使用面阵探测器的锥束CT也逐渐进入实用阶段。相对于其它的几何结构,锥束CT系统具有空间分辨率高、数据采集时间短、射线利用效率高等显著的优点[1]。
锥束CT系统使用的面阵探测器可以分成两大类:(1)基于电荷耦合器件(CCD)的探测器;
(2)基于薄膜晶体管(TF T)的探测器(平板探测器)。平板探测器按将X射线转换成电信号的方式不同又可以分为直接转换型和间接转换型,而CCD探测器则都是间接转换型的。第二节简单介绍了这两大类面阵探测器的工作原理和特点,指出了平板探测器的优越性。
目前的锥束CT系统主要有两种几何结构:一种的扫描射线束是完整的锥束,采用标准的锥束重建算法;另一种的扫描射线束为半个锥束,使用修
收稿日期:2004-02-20
作者简介:唐杰(1981-),男,清华大学工程物理系,在读博士研究生;研究方向:粒子信息获取与处理56
中国体视学与图像分析 2004年 第9卷 第2期
CHI NESE JOURNAL OF STEREOLOGYAND I MAGE ANALYSIS Vo119No12Jun12004
改过的重建算法,这种结构主要用于新兴的乳腺检
查系统中。第三节详细介绍了这两种结构及其应用中的问题。
第四节对平板探测器CT 的现状和前景进行了讨论。
2 面阵探测器简介
锥束CT 系统使用的两大类面阵探测器如图1所示
。
图1
直接转换和间接转换型X 射线探测器。
CCD 探测器的发展已经比较成熟而且价格较
为低廉,在早期的锥束CT 系统中曾被使用[2]。但其用于锥束CT 系统有许多缺点。CCD 探测器由闪烁体和
CCD 芯片组成,闪烁体和CCD 芯片之间使用光耦合,这一光耦合系统通常由透镜或光纤构成,而CCD 芯片比闪烁体小,如图2所示。这种光学系统减小了到达
CCD 芯片的光子数,从而增加了噪声、降低了图像质量;还导致了图像的几何失真和光线的散射;另外,CCD 芯片本身的热噪声也在一定程度上降低了图像质量。CCD 探测器由于需要光学系统因而厚度较大,这在使用中也是一个很大的不便[3]。
图2 CCD 探测器结构示意图
平板探测器的结构如图3所示。在间接转换型
平板探测器中,X 射线光子在闪烁体层转换成可见
光,再通过光敏二极管将可见光转换成电荷信号,由TF T 阵列读出。由于产生的可见光向各个方向发射,另外可见光在闪烁体内传播时还会发生散射,因此在一点产生的可见光子会被邻近的几个TF T 单元探测到,从而降低了探测器的空间分辨率。直接转换型平板探测器使用一层无定型硒将X 射线光子直接转换成存储在电容中的电荷,再由TF T 阵列读出。在一点产生的电荷在电场作用下向一个确定方向移动,移动过程中不存在散射的影响,因此直接转换型平板探测器的空间分辨率都比较高[4]。
图3 平板探测器示意图
(a )间接转换型 (b )直接转换型
平板探测器和要成的像有同样大小的尺寸,因
而探测器系统不会造成几何失真。探测器的厚度都很小,这也正是它被称为“平板”探测器的原因。平板探测器的读数装置是和探测器结合在一起的,本身就具有提高空间分辨率的优势。不过,大面积平板探测器在近几年才出现,目前还在发展中且价格较高。第一代的平板探测器的尺寸在20cm ×20cm 左右,存在薄膜晶体管面板缺陷点较多、探测器噪声大等诸多缺陷[5]。新一代的平板探测器尺寸已可达43cm ×43cm ,性能也有了很大的改进[6]。目前使用平板探测器的CT 系统已经逐渐进入实用阶段,很有希望成为下一代CT 系统的代表。
3 平板探测器CT 系统的几何结构及应用中
的问题
目前的平板探测器CT 系统主要有两种几何结构:锥束系统和半锥束系统。311 锥束系统
锥束系统的应用比较广泛,主要用于两个方向:医学检查和工业无损检测。由这两个应用方向
66中国体视学与图像分析 2004年 第9卷 第2期
的特点不同,通常它们分别使用两种不同的机械结构:机架式结构和立式结构。但这不是绝对的,立式结构在医学检查中也有少量应用。
31111 机架式平板探测器CT 系统
机架式平板探测器CT 系统是在普通医用CT 系统的基础上改造而成的,它的几何结构如图4所示。这种系统使用现有医用CT 机的机械设备、X 光源和控制系统,仅将原有的探测器更换为平板探测器,修改了控制软件和重建软件。由于目前医用CT 机已经有成熟的产品,架构这样的系统比较方便。另外,由于CT 最广泛的应用还是在医学中,而机架式的几何结构最适合于医学检查使用,因此这种几何结构的平板探测器CT
系统在目前研究中的使用也比较多[5,7-16]。
图4 机架式平板探测器CT 系统的几何结构
由于重力的作用
,安装射线源和探测器的C 形机架会有微小的变形,机架的旋转轴位置也会随之变化,这种晃动对重建的结果有一定的影响, D.A.Jaffray 和J.H.Siewerdsen 等人对这种影响进行了研究,通过实验测量获得系统几何位置的偏差曲线并进行校正,取得了较好的实验结果[14]。
31112 立式平板探测器CT 系统
立式平板探测器CT 系统的几何结构如图5所示,这种系统的射线源和探测器都是固定的,而将待测物置于一个可旋转的转台上[17,18,5]。
图5 立式平板探测器CT 系统的几何结构
由于这种几何结构需要旋转被测物,所以不大适合用于医学检查,但在工件的无损检测中则非常适用,立式结构可以检查质量很大的工件且有着很好的几何位置稳定性。
31113 锥束系统中散射射线的影响
CT 系统中不可避免地会有散射射线的影响,锥束系统的应用通常要求较高的成像质量,因此必须设法消除散射的影响。散射包括背散射和来自物体的散射,背散射的影响通常可以通过安装吸收屏基本消除,来自待测物的散射通常是使用探测器前加准直器的方法抑制,本文中提到的“散射”如无特殊说明则指来自待测物的散射。线阵探测器仅受一维的散射影响,安装准直器就能达到较好的散射抑制,但平板探测器的散射是二维的,影响比线阵探测器要大得多。目前对散射的影响已经有了许多研究工作,主要研究问题有两个:如何评估探测器接受到的数据中散射射线的多少;如何在重建的图像中尽量减小散射射线的影响。
3111311 散射射线量的评估
我们定义
:
S PR =
散射射线量
透射射线量
以此作为散射射线量的定量评估。
M.Endo ,T.Tsunoo 等人提出了一种测量散射百分比的铅盘方法[19]。这种方法如图6所示,在待测模型前的射线中轴线上安放铅盘以阻止透射X 射线进入平板探测器,探测器上铅盘的阴影区测量值即散射射线计数。为了测得中轴线投影点的散射射线,需要铅盘直径为0,实验中铅盘的直径从10mm 到50mm 以10mm 的步长增加,然后由10-50mm 的结果外推到0mm 获得中心点的散射计数。在安装了准直器或滤线栅和没有安装准直设备的情况下分别测得中轴线投影点的散射计数,在不安装铅盘时测得该点的散射和透射射线总计数,然后由此计算SPR 。
图6 铅盘法测散射量的几何关系示意图
7
62004年 第9卷 第2期 唐杰等:基于平板探测器的锥束CT 系统综述
3111312散射射线的抑制方法
平板探测器中散射射线也可以通过在探测器前安装准直设备如准直器、防散射滤线栅等以减轻影响,这些设备在X射线能量不高时(几十到二百KV左右)效果很好。M.Endo等人的实验结果如表1所示[19],从中可以看出散射射线的影响非常大,而安装了准直设备后则有了很大的改善。X. Tang等人的实验也指出使用防散射滤线栅可以将散射量减小到原来的一半[9]。
表1 M1Endo,T1Tsunoo等人的实验结果
无准直工具滤线栅准直器散射计数1030170110
透射计数530320480
SPR119401530123散射射线的影响可以通过在X射线管前安装
遮线筒减轻。遮线筒可以除去大部分无法穿透待测物体的低能X射线光子,减轻能谱硬化造成的伪影。另外,X.Tang等人提出,遮线筒提高了透射X射线束中光子的均匀性,使散射更加均匀,从而可以获得更高质量的图像[9]。
安装准直设备后探测器计数会大为减少,这样在降低散射影响的同时也降低了信噪比。D.L. Conover等人提出了一种在锥束体CT中抑止X射线散射的实用算法[10],可以用于解决这个问题。他们在获取投影数据时不安装准直设备,而CT扫描过程中每隔一定角度额外测一组安装了准直设备的投影数据,然后在算法中进行根据测得的校正投影进行校正。这种方法可以极大地提高锥束CT图像的质量。实验结果表明,在获得校正投影的角度步长为90°时,算法仍然有非常好的抑止散射的能力,这就是说在整个扫描过程中只需要额外采集4次校正投影就能达到很好地抑制散射。
31
114 锥形束噪声的影响
经验和理论上平板锥束CT系统的噪声性能的研究应包括体素噪声、噪声功率谱(N PS)、探测量子效率(DQ E)。J.H.Siewerdsen和D. A.Jaf2 fray提出将表现2维图像特征的N PS分析方法完全扩展到3维的情况[20],并提出了n维时N PS分析的通用框架,包括了在系统线性性和稳定性限制下N PS收敛性和归一化的重要考虑。
系统的噪声导致了最终重建图像质量的下降,如何减小图像中噪声的影响是一个很有意义的问题。N.Nakamori等人使用小波分析的方法去除噪声影响取得了很好的效果[21]。他们的初步实验结果表明使用小波分析去除噪声的方法在不降低CT 图像质量的情况下可以将剂量降至1/10以下。
312 半锥束平板探测器CT系统
半锥束平板探测器CT系统用于乳腺成像检查,这是一项新兴的技术[22-24]。其几何结构如图7所示,待检查的患者俯卧在平台上,而X射线源和平板探测器在平台下方旋转。
图7 半锥束平板探测器CT系统的几何结构
来自射线源的X射线经过准直产生半锥形的射线束,因此不能直接使用锥束重建算法, B. Chen等人对此提出了修正的公式[23]。
半锥束型系统中同样存在着散射和噪声的影响,但是由于这种系统的用途是进行乳腺检查,目前的试验结果表明在没有进行散射和噪声影响校正时成像质量已经可以满足要求,在这种系统中一个很重要的考虑是如何在保证图像质量的前提下减少射线剂量。
313 各种锥形束系统的比较
表2对各种平板探测器CT系统进行了比较。
86中国体视学与图像分析 2004年 第9卷 第2期
表2 各种平板探测器CT系统使用的几何结构比较
锥形束系统
机架式立式
半锥束系统旋转部分X射线源和探测器待测物X射线源和探测器主要用途医学检查工件无损检测乳腺检查重建算法锥束重建算法锥束重建算法修正的锥束重建算法几何结构稳定性存在旋转稳定性问题好好
散射和噪声的考虑需要较多考虑需要较多考虑不需要考虑太多射线剂量的要求较高不高很高
4 讨论和结论
目前平板探测器CT系统已经逐步进入实用阶段,可以达到比传统的CT系统更高的空间分辨率,而密度分辨率也接近传统CT的水平,成为一项很有发展前景的技术。进一步提高平板探测器CT的密度分辨率是下一步亟需解决的问题。
平板探测器CT系统的射线利用效率高,这一点有着很重要的现实意义。在医学CT中这意味着可以减小患者检查时接受的剂量,在工业CT中则可以加快检测速度、提高检测效率。特别是新兴的用于乳腺检查的半锥束CT系统,它的目标是取代X射线照相检查技术,因此如何在一次照相受到的剂量范围内达到能够反映病变的分辨率是一个非常有意义的研究方向。
平板探测器CT系统中散射的影响非常严重,目前在X射线能量较低时可以通过安装准直设备达到较好的散射抑制,但使用高能X射线时如何抑制散射还是个有待解决的问题。
平板探测器CT系统的性能分析沿用了传统CT的分析方法,原有的用于二维的分析方法也有了扩展到三维情况的工作。在重建算法中对散射、噪声等因素的影响进行校正对提高系统的性能有巨大的影响,算法中的校正工作还需进一步完善。
正如扇形束扫描方式取代了平行束一样,锥束扫描方式取代多层螺旋扫描将会是CT发展的必然结果,而平板探测器CT系统正是锥束CT的最佳候选者。我们相信平板探测器锥束CT系统必将有着广阔的前景。
参考文献
[1]Zeng K ai and Chen Zhiqiang,Review of Recent Develop2
ment in3D Cone-Beam CT Reconstruction Algorithms,
[J]Chinese Journal of Stereology and Image Analysis,
2003,vol.8,no.2,124-128.
[2]Wang G,T.H.Lin,et al.X-ray projection microscopy
and cone-beam microtomograph[J]y,First Canadian-American Eastern Regional Conference on Applications of Optical Engineering,Oct4-51990,vol.1398,Publ by Int S oc for Optical Engineering,Bellingham,WA,USA, Rochester,N Y,USA,1991,180-190.
[3]K otter E.and Langer M,Digital radiography with large-
area flat-panel detectors[J],European Radiology, 2002,vol.no.Volume12,Number10/October2002, 2562-2570.
[4]Chotas HG,Dobbins J T,et al.Principles of digital radiog2
raphy with large-area,electronically readable detectors:a review of the basics[J],Radiology,1999,vol.210,595 -599.
[5]Jaffray D. A.and Siewerdsen J.H,A volumetric cone-
beam CT system based on a41X41cm2flat-panel imager [J],Medical Imaging2001:Physics of Medical Imaging, Feb18-202001,2001,vol.4320,800-807.
[6]Volk M,Strotzer M,et al.Digital radiography of the
skeleton using a large-area detector based on amorphous silicon technology:image quality and potential for dose re2 duction in comparison with screen-film radiography[J], Clin Radiol,2000,vol.55,615-621.
[7]Siewerdsen J.H,Jaffray D.A,et al.Flat-panel cone
-beam CT:A novel imaging technology for image-guid2 ed procedures,Medical Imaging2001[J]:Visualization, Display,and Image-Guided Procedures,Feb18-20 2001,2001,vol.4319,435-444.
[8]Ning Ruola,Colbeth Richard,et al.Real time flat panel
detector-based volume tomographic angiography imaging: Detector evaluation[J],Medical Imaging2000:Physics of Medical Imaging,Feb13-Feb152000,2000,vol.
3977,396-407.
[9]Tang X,Ning R,et al.Investigation into the influence of
x-ray scatter on the imaging performance of an x-ray flat panel imager based cone beam volume CT[J],Medi2 cal Imaging2001:Physics of Medical Imaging,Feb18-
96
2004年 第9卷 第2期 唐杰等:基于平板探测器的锥束CT系统综述
202001,2001,vol.4320,851-860.
[10]Conover D.L,Ning Ruola,et al.X-ray Scatter sup2
pression algorithm for cone beam volume CT,Medical Imaging2002[J]:Physics of Medical Imaging,Feb24
-262002,2002,vol.4682,774-781.
[11]Ning Ruola,Chen Biao,et al.Flat panel detector-based
cone-beam volume CT angiography imaging:system e2 valuatio[J]n,IEEE Transactions on Medical Imaging, 2000,vol.19,no.9,949-963.
[12]Ning Ruola,Tang Xiangyang,et al.Flat panel detector
-based cone beam volume CT imaging:Detector evalua2 tion[J],Proceedings of SPIE-The International S oci2 ety for Optical Engineering,Proceedings of the1999 Medical Imaging-Physics of Medical Imaging,Feb21
-Feb231999,1999,vol.3659,no.I,192-203. [13]Tang Xiangyang,Ning Ruola,et al.2D wavelet-analy2
sis-based calibration technique for flat panel imaging de2 tectors:Application in cone beam volume CT[J],Pro2 ceedings of SPIE-The International S ociety for Optical
Engineering,Proceedings of the1999Developments in X
-Ray Tomography II,J ul22-J ul231999,Proceed2 ings of the1999Medical Imaging-Physics of Medical
Imaging,Feb21-Feb231999,1999,vol.3659,no.
II,806-816.
[14]Jaffray D.A,Siewerdsen J.H,et al.Flat-panel cone
-beam CT on a mobile isocentric C-arm for image-
guided brachytherapy[J],Medical Imaging2002:
Physics of Medical Imaging,Feb24-262002,2002, vol.4682,209-217.
[15]Baba Rika,K onno Y asutaka,et https://www.wendangku.net/doc/e61160575.html, parison of flat-
panel detector and image-intensifier detector for cone-
beam CT[J],Computerized Medical Imaging and
Graphics,2002,vol.26,no.3,153-158.
[16]David A.Jaffray,Jeffrey H.Siewerdsen,et al.Flat-
panel cone-beam computed tomography for image-
guided radiation therapy[J],International Journal of Radiation Oncology Biology Physics,2002,vol.53,no.
5,1337-1349.
[17]Siewerdsen J.H.and Jaffray D.A,A unified Iso-
SNR approach to task-directed imaging in flat-panel cone-beam CT[J],Medical Imaging2002:Physics of
Medical Imaging,Feb24-262002,2002,vol.4682, 245-254.
[18]Jaffray D.A,Siewerdsen J.H,et al.Performance of a
volumetric CT scanner based u pon a flat-panel imager,
Proceedings of SPIE-The International S ociety for Op2 tical Engineering[J],Proceedings of the1999Medical
Imaging-Physics of Medical Imaging,Feb21-Feb23 1999,1999,vol.3659,no.I,204-214.
[19]Endo M,Tsunoo T,et al.Performance of cone beam CT
using a flat-panel imager[J],Medical Imaging2001:
Physics of Medical Imaging,Feb18-202001,2001, vol.4320,815-821.
[20]Siewerdsen Jeffrey H.and Jaffray David A,Cone-beam
CT with a flat-panel imager:Noise considerations for fully3-D computed tomography[J],Medical Imaging 2000:Physics of Medical Imaging,Feb13-Feb15 2000,2000,vol.3977,408-416.
[21]Nakamori Nobuyuki,Y ang Y i-Qiang,et al.Monte
Carlo analysis of relation between patient dose and noise characteristic of flat-panel detector for cone-beam CT [J],Medical Imaging2002:Physics of Medical Imaging,
Feb24-262002,2002,vol.4682,724-731.
[22]Ning R,Chen B,et al.Flat panel detector-based cone
beam volume CT breast imaging:Preliminary phantom study[J],Medical Imaging2001:Physics of Medical
Imaging,Feb18-202001,2001,vol.4320,601-
610.
[23]Chen B.and Ning R,Cone-beam volume CT mammo2
graphic imaging:Feasibility study[J],Medical Imaging 2001:Physics of Medical Imaging,Feb18-202001, 2001,vol.4320,655-664.
[24]Ning Ruola,Conover David,et al.Flat panel detector-
based cone beam volume CT breast imaging:Phantom and specimen study[J],Medical Imaging2002:Physics of Medical Imaging,Feb24-262002,2002,vol.
4682,218-227.
07中国体视学与图像分析 2004年 第9卷 第2期