你重建的1mm真的是1mm吗?丨标称层厚、有效层厚及层敏感曲线

2021
05/09

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 在咱们的CT设备上,通常可以选择重建层厚,如西门子有些CT的...

在咱们的CT设备上,通常可以选择重建层厚,如西门子有些CT的单排探测器宽度为0.6mm,设备上通常可以重建0.6mm,0.75mm,1mm,1.5mm,2mm等等;GE 的CT设备单排探测器宽度为0.625mm,可以重建0.625mm,1.25mm,2.5mm等等;飞利浦的CT设备单排探测器宽度为0.625mm,可以重建0.8mm,0.9mm,1mm,1.5mm,2mm等等。

通常我们可以重建出和探测器宽度一致的层厚的图像,还可以重建更厚的图像。

重建层厚


那么我们重建的层厚真的是显示的层厚吗?
层厚是指重建图像的厚度。在设备上看到的显示的层厚称为标称层厚
根据《放射医学与防护名词》第一版的定义,标称层厚(nominal tomograpic slice thickness)是指X射线CT控制面板上选定并指示的层厚。
层厚不能与准直混淆。
在单层CT中,层厚与准直相同,因为在单层CT扫描设备中,只有层厚与扫描准直相等的图像才能被重建。
使用单层螺旋数据内插,断层图像随着螺距增加而变宽。CT中的层厚是指扫描单位中心位置的断层平面度分度图的半峰全宽(FWHM),如下图所示。

X轴:z轴方向上的距离(mm)
Y轴:断层间的有关信号测量

MSCT成像,可能的层厚选择取决于所选的准直和扫描模式。通过合并多个探测器行的数据来重建轴位图像,可以在采集后重建多个层厚。

什么是有效层厚?
根据《医学影像技术学名词》第一版的定义:有效层厚(effective slice thickness)是指计算机体层成像扫描时实际所得的层厚。通常情况下,有效层厚都比实际层厚要厚,层厚越小,误差越大。只要是由于探测器排之间的串扰有关。
根据国家卫健委 2019年发布的《 X 射线计算机体层摄影装置质量控制检测规范 》,重建层后的允许偏差与标称层厚有关,标称层厚小于1mm,允许偏差为0.5mm;标称层厚在1-2mm之间,允许误差为50%;标称层厚大于2mm时,允许误差为±1mm。也就是说如果标称层厚是0.6mm,实际层厚在0.1-1.1mm之间都是合格的。

WS 519—2019《X射线计算机体层摄影装置质量控制检测规范》

如何测量有效层厚?
通常需要使用专业的模体进行测量。CT扫描视野中心沿着垂直与扫描平面的直线上用位置的函数来表示CT系统相对敏感度的曲线称为灵敏度分布曲线,此曲线的半高宽被定义为断层层厚。
现有模体测量CT扫描层厚的方法通常是扫描模体中以斜置或成螺旋状的金属丝或金属片利用几何投影原理金属丝(片)在扫描影像上的长度(CT值分布曲线的半高宽)乘以金属丝(片)与扫描平面夹角的正切即为有效层厚。
实际上,CT设备在z轴上的分辨率由实际层厚决定,而这个层厚又由层敏感曲线 slice sensitivity profile, SSP)决定。理想状态下,CT扫描设备的SSP应为矩形,也就是说,在层面宽度内有射线穿过,而在层面宽度之外完全不接受射线。然而,在实际应用中 ,SSP所呈现的形 状不是矩形 而是 呈一正态分布。 不同设备的SSP形状不同 ,同一设备扫描条件不同 SSP形状 也不尽相同

为了在平行光束几何中的给定z轴位置重建CT图像,至少需要一组完整的180°投影数据。为了获得最高的图像质量,通常使用一组360°的数据来重建一幅图像。对于螺旋扫描的z轴位置,不存在这样一组完整的数据。为了避免严重的螺旋伪影,必须从相邻的测量数据点计算缺失点。早期通常采用简单的线性插值来计算从邻近投影丢失的数据点,从而导致有效层厚增加。


不同设备的有效层厚与标称层厚差异程度不同,标称层厚0.5 mm的256排CT和64排CT的轴扫和螺旋扫描获得的有效层厚不同。早期试验发现,256排MDCT轴扫和螺旋扫的FWHM分别为1.18 mm和0.96 mm,64排MDCT螺旋扫的FWHM为0.77 mm,比标称层厚更厚54-136%。由于焦点尺寸更小,64排MDCT的FWHM比256排MDCT更好。
Mori S , Endo M , Obata T , et al. Properties of the prototype 256-row (cone beam) CT scanner. European Radiology, 2006, 16(9):2100-2108.


新的基于探测器的UHR模式评价发现,标称层厚为0.25 mm时,在HR模式下,SSP与MDCT相当,半高宽分别为0.79 mm和0.77 mm。对于UHRCT SHR模式,SSP更窄。SHR模式的半高宽为0.45mm*。

*Oostveen L J , Boedeker K L , Brink M , et al. Physical evaluation of an ultra-high-resolution CT scanner[J]. European Radiology, 2020, 30(1).


西门子CT设备使用了很多专利技术,保证有效层厚与标称层厚的差别尽可能小。
西门子早在1999年就推出了SureView技术,这是一种专利重建算法,可以自动使用重建平面附近的所有可用数据。SureView不使用简单的线性插值,而是使用优化的加权函数(粉色曲线)来调整切片厚度,并使用可用数据在任意间距值下实现最佳剂量效率和低噪声。与其他供应商的解决方案相比,这种方法不限制离散的螺距值,因此允许在扫描速度上最大的灵活性。
引入此概念,能够获得一致的图像质量,简化扫描参数选择,从而根据病人的状态和临床需要方便地定制方案。

通过SureView技术可以在常规螺旋扫描中方便地进行扫描参数的选择。SureView具有以下优点:

  • 恒定图像质量(噪声和层厚),忽略螺距的影响;

  • 管电流(mA)可自动调整以维持相同剂量水平,剂量与螺距无关;

  • 螺距可以随意选择,能够根据病人和检查的需要量身定制。


标称0.6 mm、0.75 mm、1 mm、1.5 mm和2 mm层厚的半高宽,在0.5、0.75、1.0、1.25和1.5螺距下测量。对于评估的CT扫描仪,有效层厚与螺距无关。

Flohr T G ,  Stierstorfer K ,  Ulzheimer S , et al. Image reconstruction and image quality evaluation for a 64-slice CT scanner with z-flying focal spot[J]. Medical Physics, 2005, 32(8).


有学 者使用SOMATOM Sensation 64进行测量发现,对于标称层厚0.6mm,不同螺距(0.5、0.75、1、1.25、1.5)时测试的有效层厚分别为0.67、0.67、0.6 6、0.69、0.69mm;螺距=1时,标称层厚0.6、1.0、1.5mm的有效层厚分别为0.66、1.06、1.52mm。有效层厚均略大于标称层厚,但与标称层厚相比均不超过0.1mm。测试的SSP形状近似钟形,左右分布基本对称,没有延伸较长的尾部;随着重组层厚的增加,SSP逐渐变平阔;当pitch改变时,SSP变化轻微。由此可见使用SureView技术后,层敏感曲线更稳定,且变化轻微,与标称层厚的差距很小。

传统探测器(左)与光子探测器(右)的串扰


2011年,西门子发布了带有光子探测器的CT,光子探测器的光栅技术,最大程度减少了探测器排之前串扰的影响,可以获得更优秀的层敏感曲线。利用光栅技术,可以利用0.6mm的单排探测器宽度重建出0.5mm标称层厚的图像。而标称0.5mm层厚的图像,其有效层厚为0.48mm,这可能是唯一一个实际层厚比标称层厚更薄的案例。


传统探测器(左)与光子探测器(右)有效层厚与空间分辨率的提升


接下来顺便说几点层厚的影响:
层厚与图像噪声的关系
层厚影响图像噪 声,如下表所示:



层厚与图像质量的关系
(1)0.75mm层厚、噪声大,图像显示的细节多;(2)5mm层厚,软组织对比良好,图像平滑。

层厚与图像质量的关系

(1)0.75mm层厚、冠脉斑块图像显示的细节少;(2)0.5mm层厚,冠脉斑块图像显示的细节多


层厚与图像分辨率的关系
高分辨率图像,比如内耳或肺实质,应该使用薄层和合适的窗值设置来重建。

(1)0.6mm,良好的图像细节;(2)3mm,图像细节显示不清。

层厚和VRT图像质量的关系
通常合适的薄层图像更有利于VRT图像显示效果。(详见: 想要好看的三维重建图像,这五件事儿不能不知... )。

(1)0.75mm;(2)5mm

根据墨菲定律,任何事情都没有表面看上去那么简单(参见:生活中的那些“墨菲定律” )。我们在界面上看到的层厚均为标称层厚,允许存在一定的误差,如果想要知道实际的有效层厚,可以使用专业模体进行测量。
通常有效层厚都大于标称层厚,而使用光子探测器的西门子CT设备,由于串扰的减少,可以获得更薄层厚的图像。标称层厚0.5mm的图像,有效层厚小于0.5mm。
关于层厚的更多信息,可以参考:交织容积重建技术:基本原理与临床价值
因此,我们在关注层厚时,更应该关注有效层厚。
本文由作者自行上传,并且作者对本文图文涉及知识产权负全部责任。如有侵权请及时联系(邮箱:nanxingjun@hmkx.cn
关键词:
SSP,曲线,标称,设备

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