理想的CT，探测器应该多宽？

原创 赵喜同学 XI区 收录于话题#CT原理,13#科普,35#原理,1

1971年，来自英国唱片公司的工程师豪斯菲尔德在伦敦郊区的一家小医院内安装了一台被称为CAT的设备，并在当年10月完成了人类历史上第一例的人脑断层成像。这台设备采集数据耗时4.5分钟，重建图像耗时20分钟。图像的矩阵是80x80，层厚为13mm。(参见：）

第一台头颅CT扫描仪，EMI（图片源自网络）

第一幅人类大脑的CT图像（图片源自网络）

之后，CT技术有了飞速的发展。所有新的发展，使得层厚越来越薄，从而使z轴方向上的空间分辨率越来越高。目前常用的CT设备层厚可以达到0.5-0.6mm。z轴方向双倍采用技术（z-Sharp，参见：）的引入，大大提高了z轴方向上的空间分辨率，并且提供了非常高效非常方便扩展的物理探测系统。同时，它也避免了几何效率的损失。

探测器变宽的主要动力是解决心脏成像的错层问题。较宽的探测器可以提供较大的扫描范围，事实上，在螺旋CT问世的一段时间内，探测器宽度经历了飞快的增加，因此扫描时间大大缩短。（参见：）。

曾经一段时间内，探测器排数每18个月增加一倍，这种趋势在2007年东芝推出320层CT后停止。

散射线强度会随曝光范围的增大而增加，这就会导致一系列的图像质量问题，特别是降低了图像对比度和图像的一致性，也可能引起CT值的变化，因此，必须考虑除散射装置。无论是前准直还是后准直的除散射装置，都或多或少地降低了几何效率以及增加了系统复杂程度和成本。

许多关于探测器技术的有趣问题出现了：同时采集多少个切片是最优的？z轴上多大切片是最优的，换言之，多大准直器更好？探测器是否越宽越好？把“排的战争”继续下去？可以明确的说，这种技术可以提供更宽的探测器，而价格和成本则是另一个议题。同时，图像质量和辐射剂量也必须考虑。

纵向截断问题的图解。(a)锥束采样重建体积示意图；(b)x射线覆盖的横截面图（所需重建体积用虚线矩形表示，实际重建体积用实心矩形表示）。

Jiang H . Computed Tomography Principles, Design, Artifacts, and Recent Advances, 2nd Edition[M]. 2009.

从一次扫描一层或少数层到整个64-320排探测器陈列数据获取的转变，意味着从扇形束到锥形束的转变。未来是否会有更宽探测器的CT设备？

从扇形束到锥形束的转变

Kalender W A . Computed Tomography: Fundamentals, System Technology, Image Quality, Applications[M]. 2011.

对于大多数N=4的多层扫描，仍然假设其几何图像为一个理想的扇形束；这里没有额外的假设来遵守其几何图形或对射线束的偏移进行校正。在所有这些情况中，简单的应用二维重建就能满足要求。这种情况我们不把其归为锥束CT。对于非平面几何图形，及锥束几何图形，我们必须考虑其重建过程的复杂性，相应的我们称其为锥束CT重建和锥束CT。

锥束CT的问题。单个偏离中心的探测器排不会只记录单一物体的细节。锥束角度越大，数据潜在的混叠越多。一个菱形重建容积（阴影部分）会产生。

Kalender W A . Computed Tomography: Fundamentals, System Technology, Image Quality, Applications[M]. 2011.

锥束几何的固有问题原理见上图。在不同角度下，物质细节被投影在不同的探测器排中，此角度与物质细节距离中心平面的距离有关。偏离中心的探测器排多记录的360个角度数据不再像单排探测器或少数排探测器那样仅反映一个平面层的信息。

上图中我们可以看出，连续单次旋转锥束CT的剂量害处变得明显。用标准Feldkamp重建的、未被削弱图像质量的矩形体积重建后就成了菱形而不是矩形。引用的NxT窗口准直器是针对旋转中心而言，引用的测量野直径DFOM是对中心平面而言。显然，DFOM会随着离中心越来越远而减小，除非加入特殊处理。这个情况有两个重要的应用。实际上，单圈锥束扫描所覆盖的范围比NxT窗口小，而且它取决于测量需要的直径（放大率）。例如，320x0.5mm的CT，建议z轴方向上有效覆盖范围为12cm，而不是16cm。这就产生了剂量问题（dose penalty）：对于序列扫描模式，覆盖较大范围的连续无缝扫描，其连续重叠的菱形区域会被曝光两次（上图c）。当选择一个较小的测量野直径时，这种影响会减少。

FDK（Feldkamp-Davis-Kress）重建算法只是锥束重建的近似公式。结果表明，对于精确的锥束重建，单个圆轨迹不能提供足够的采样。因此，当重建平面距离x-y平面不远时，该算法的性能相当好。随着到x-y平面的距离增加，可能产生阴影和条纹伪影。重建对象的形状也可能发生扭曲。下图显示了由8度锥形光束引起的变形示例。模体是由一组规则的电脑光盘（CD）组成，光盘上堆放着robber垫圈，以便在相邻的CD之间形成空气间隙。在没有伪影的情况下，重建图像的冠状面图像应显示代表CD横截面的平行条。但由于锥束伪影的存在，CD横截面发生畸变，无法分辨远离中心平面的图像，如下图所示。

8度锥角的伪影图示(a） 一组有空气间隙的CD(b） 重建图像的冠状位视图。

Jiang H . Computed Tomography Principles, Design, Artifacts, and Recent Advances, 2nd Edition[M]. 2009.

扩展可重建区域并使之接近有一个圆柱体NxT定义的最大尺寸的研究中，上图中的问题已经基本解决。相关研究工作是基于把360°扫描重建减少为部分角度扫描重建，例如180°外加扇角扫描重建来对丢失的数据点进行填补。结果显示了很大的改进，但还需要进一步临床试验。这个问题没能在根本上完全解决，因此不容忽视。

冠状动脉扫描，在Z轴上覆盖16 cm的CT设备，使用不同的准直宽度在CT检查床上曝光胶片。左上显示使用16排CT进行的回顾性ECG门控螺旋扫描，而右上显示使用64排CT进行的回顾性ECG门控扫描。使用这些方法曝光的胶片上有明显的过扫描。左下显示前瞻性心电触发序列扫描模式下使用5个轴向采集的触发扫描，前瞻性采集的重叠区域清晰可见。右下是使用320排探测器进行容积CT的单次扫描的曝光状况。

Dewey M . Cardiac CT[M]. Springer Berlin Heidelberg, 2011.

对于多层CT或锥束CT，持续增加的探测器排数所带来的潜在问题已经被大家所知。这些问题不仅与造价有关，而且还影响图像质量。生产厂家以惊人的速度实现了从单排探测器到4排探测器，再到16排探测器，在2004年研制出了64排探测器，2007年研制的320排探测器。2007年之后，探测器排数并没有明显发展的趋势，更重要的是，没有明显的迹象表明为什么我们需要更多的探测器排数。如果将增加探测器排数作为CT成像形式的唯一发展方向将会导致CT发展的迟滞，而且会非常令人失望。

散射辐射对图像对比度噪声比（CNR）和杯状伪影的影响。(左）使用2cm探测器采集的冠脉CTA轴位图像；(右）与16 cm探测器覆盖范围的CT系统相对应的模拟散射辐射。注意使用16cm探测器时CNR的降低。

Flohr T G , Raupach R , Bruder H . Cardiac CT: how much can temporal resolution, spatial resolution, and volume coverage be improved? Journal of cardiovascular computed tomography, 2009, 3(3):143-152.

正如螺旋CT的发明人Willi A. Kalender教授所说，综合考虑图像质量和辐射剂量，目前占主导地位的64排探测的宽度仍然是最理想的选择。

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本文主要参考了：Jiang H . Computed Tomography Principles, Design, Artifacts, and Recent Advances, 2nd Edition[M]. 2009.；Kalender W A . Computed Tomography: Fundamentals, System Technology, Image Quality, Applications[M]. 2011. 影响CT性能的因素非常多，除探测器宽度外，探测器材料、机架转速、球管功率、球管焦点、最大mA，kV选择档位、重建算法等等，都会影响CT性能，本文仅从探测器宽度的角度进行探讨，供专业人士交流使用，不用于商业用途。

2021年9月6日

原标题：《理想的CT，探测器应该多宽？》

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