CT的飞焦点技术

第一代双源CT的飞焦点（FFS）模型：（a）α-FFS模型显示了角方向的偏转FFS，（b）z-FFS模型显示了z方向的偏转。

具有焦点探测能力的旋转真空容器X射线管。焦点在阳极板上的两个不同位置之间摆动，由电磁偏转系统控制。

Kyriakou Y, Kachelriess M, Knaup M, Krause JU, Kalender WA. Impact of the z-flying focal spot on resolution and artifact behavior for a 64-slice spiral CT scanner. Eur Radiol. 2006 Jun;16(6):1206-15. 

焦点偏转的几何图形（草图未按比例绘制）。该图显示了平面内（αFFS）和z方向飞焦点（zFFS）的组合运动。因此，在使用两个FFS的情况下，一个FFS循环产生四个读数（对应于每个焦点位置）。在只有zFFS开启的情况下，FFS循环包含两个读数。

Kyriakou Y, Kachelriess M, Knaup M, Krause JU, Kalender WA. Impact of the z-flying focal spot on resolution and artifact behavior for a 64-slice spiral CT scanner. Eur Radiol. 2006 Jun;16(6):1206-15. 

飞焦点（FFS）偏转的几何结构（草图未按比例绘制）

Kyriakou Y, Kachelriess M, Knaup M, Krause JU, Kalender WA. Impact of the z-flying focal spot on resolution and artifact behavior for a 64-slice spiral CT scanner. Eur Radiol. 2006 Jun;16(6):1206-15. 

采用 z轴飞焦点技术的 X 射线管（Siemens STRATON，Forchheim，Germany）的示意图。整个管壳在油浴中旋转。阳极板与冷却油直接接触。中心阴极也旋转，需要电子束的永久电磁偏转来控制焦点的位置和形状。电磁偏转单元可用于在阳极板上的两个不同位置（由两个星号表示）之间摆动焦点。由于阳极角度通常为 7 – 9°，这会转化为横向和 z 方向的运动。

Flohr T, Stierstorfer K, Raupach R, Ulzheimer S, Bruder H. Performance evaluation of a 64-slice CT system with z-flying focal spot. Rofo. 2004 Dec;176(12):1803-10. 

首先采用z轴飞焦点技术的CT是SOMATOM Sensation 64，它由40排探测器组成，其中32个中心排的准直切片宽度为0.6 mm，两侧各4排的准直切片宽度为1.2 mm。z轴方向的总覆盖率为28.8 mm。z轴的宽度是指在等中心位置的宽度，由于几何放大，实际探测器的宽度大约是原来的两倍。探测器元件由安装在光电二极管阵列上的具有极短余辉衰减时间的稀土陶瓷闪烁体材料（UFC）组成。采用薄准直器板有效地抑制散射辐射。单排探测器信号的适当组合可以实现32x0.6mm和24x1.2 mm（等中心）。

SOMATOM Sensation 64, 2003年

该CT扫描仪使用焦点在纵向的周期性运动（z轴飞焦点），使同时获取的切片数量增加一倍，并改善沿z轴的数据采样。通过X射线管中电子束的永久电磁偏转，焦点在阳极板上的两个不同位置之间摆动。由于阳极角通常为7–9°，这转化为横向和z方向的运动。调整周期性z轴方向运动的振幅，使两个后续读数在患者纵向方向上偏移准直切片宽度的一半。因此，两个后续读数的测量射线与z方向的准直切片宽度Scoll交错，每两个M切片读数组合成一个2M切片投影，采样距离Scoll/2。两个随后的32层读数（0.6 mm准直层宽度）组合为一个64层投影，在等中心处的采样距离为0.3 mm。使用该技术，每次旋转可获得64个重叠的0.6 mm切片。采样方案与64x0.3mm探测器完全相同。

由于采用了精细的采样方案，改进的z-采样与z-飞焦点技术提供了较小物体的一致分辨率。

Ohnesorge. Multi-slice and Dual-source CT in Cardiac Imaging[M]. Springer Berlin Heidelberg, 2007.

图像重建采用了一种改进的自适应多平面重建（AMPR）算法。AMPR方法属于章动切片算法（nutating slice algorithms）的一类，其目的是将3D重建任务分解为倾斜中间图像平面上的一系列常规2D重建（2D重建技术的速度非常快）。

利用z轴飞焦点，在任意螺距下沿z轴采样，采样距离为准直切片宽度的一半。改进后的采样不局限于等中心，而是保持在大范围的扫描视野（SFOV）。这与试图通过选择优化的小螺距值来改善纵向采样的方法有很大区别，以便在不同旋转中获得的数据在z方向交错。在这种情况下，采样距离Scoll/2仅接近等中心。

空间分辨率评估：无z轴飞焦点和有z轴飞焦点的调制传递函数（MTF）。a在使用zFFS采样的情况下，相应的MTF显示出比不使用zFFS有更高的分辨率。b 无zFFS和有zFFS时条形体模在z方向上的重建图像。有zFFS采集允许0.4 mm棒材的分离，而在没有zFFS的情况下允许0.6 mm棒材的分离（C:400，W:100）。

Kyriakou Y, Kachelriess M, Knaup M, Krause JU, Kalender WA. Impact of the z-flying focal spot on resolution and artifact behavior for a 64-slice spiral CT scanner. Eur Radiol. 2006 Jun;16(6):1206-15. 

使用飞焦点技术优化z轴方向采样具有双重潜在临床获益。

首先，通过建立窄的、定义良好的层敏感曲线（SSP），可以在任意螺距和大范围内提高SFOV的纵向分辨率。

其次，在任何螺距抑制螺旋伪影。典型的螺旋状伪影表现为高密度或低密度的“风车”结构，围绕着z轴方向不均匀的高对比度物体，如在骨骼中发现的，当滚动通过一堆图像时，这些伪影会旋转。螺距越高，螺旋伪影越大。它们与锥束几何无关，是由于探测器的宽度有限，需要在它们之间进行插值以进行图像重建。因此，它们独立于重建方法。

使用传统的MDCT扫描和重建技术，可以通过减小螺距和/或相对于准直增加重建层厚来减少螺旋伪影。这两种方法都旨在改善沿z方向的螺旋采样，这是z轴飞焦点技术的关键特征。

使用Sensation 64进行有效层厚的评估。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，层厚与螺距无关。

Flohr T, Stierstorfer K, Raupach R, Ulzheimer S, Bruder H. Performance evaluation of a 64-slice CT system with z-flying focal spot. Rofo. 2004 Dec;176(12):1803-10. 

利用z轴飞焦点技术减少螺旋伪影。左：一个头部标本，在1.4的螺距下，用32x0.6mm准直扫描，无z轴飞焦点斑。右：使用z轴飞焦点技术在同一螺距扫描头部标本，用64x0.6mm的准直采集。由于改进了纵向采样，螺旋插值伪影（箭头所示的风车结构）被抑制，而不会降低z轴分辨率。

Flohr T, Stierstorfer K, Raupach R, Ulzheimer S, Bruder H. Performance evaluation of a 64-slice CT system with z-flying focal spot. Rofo. 2004 Dec;176(12):1803-10. 

zFFS实现的双倍z轴方向采样符合Nyquist定理。因此，混叠伪影可以被明显抑制。然而，与zFFS相比，假设的64×0.3mm准直显示出更好的风车伪影抑制。当然，64×0.3mm的单采样方案并不满足Nyquist定理。但是，对于0.3 mm的物理准直，0.6 mm重建层厚使得z轴方向上图像更平滑，从而抵消了混叠伪影。

空间分辨率通常被推到探测器元件尺寸所决定的极限。这意味着SSP的有效层厚或半高宽应等于物理切片厚度。

使用z轴飞焦点技术减少螺旋伪影。上图：肩部水平处的横断位图像以1.4螺距，32×0.6mm准直扫描，没有z轴飞焦点。下图：对同一患者和相同的z轴位置使用z轴飞焦点技术以64×0.6 mm准直以相同的螺距扫描。由于改进的纵向采样，螺旋插值伪影表现为从左到右传播的明显条纹被抑制而不降低z轴分辨率。

Ohnesorge. Multi-slice and Dual-source CT in Cardiac Imaging[M]. Springer Berlin Heidelberg, 2007.

总之，一旦测量信号采样不充分，则在不损失空间分辨率的情况下执行风车伪影的校正相对困难。相反，双倍z轴方向采样满足采样定理，显著减少了伪影。焦点偏转可以极大地提高空间分辨率和图像质量，即使在大螺距和最薄有效层厚下也是如此。这确保了亚毫米分辨率，同时减少了风车伪影的干扰。zFFS技术有助于提高CT血管造影、3D图像后处理和虚拟内窥镜等临床应用的图像质量。

此外，对于z轴方向空间分辨率的提升，还可以使用交织容积重建技术（IVR，参见：交织容积重建技术：基本原理与临床价值）。我们在日常工作中听到的所谓“共轭采集”本质上是一种重建方法，是通过将层间距设置为层厚的一半，从而实现更多层的重建，跟采集无关。

2021年7月19日