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杏彩体育_什么是PCCT的小像素效应?

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  基于X射线的医学成像技术会使患者暴露于电离辐射中,这对公共健康仍然是一个关注点。近年来,如何在保持诊断图像质量的同时降低辐射剂量成为了一个热点。光子计数CT(PCCT)作为一种新兴技术,提供了许多优势。与传统的能量整合CT(EICT)相比,PCCT使用光子计数探测器能够逐个识别光子,通过半导体材料直接将入射的X射线光子转换为可测量的电荷云,并传输到电极或像素。这种技术不仅降低了辐射剂量,还减少了一般噪声水平,提升了碘对比度,并能获取双能甚至多能数据。此外,PCCT的小像素探测器提高了空间分辨率。尽管在临床实践中并不总是需要高空间分辨率,但研究表明,当重建的空间分辨率低于系统的分辨率极限时,高分辨率模式下获取的数据能提供更好的图像质量和更低的噪声水平。这一现象被称为小像素效应。双源CT系统NAEOTOM Alpha(西门子医疗)是首个能够利用这一效应的临床光子计数CT系统,来自德国的学者在European Radiology上发表文章,评估了NAEOTOM Alpha系统中的小像素效应,并量化其在临床实践中可能提供的辐射剂量减少潜力。

  小像素效应是指当使用小像素尺寸的探测器进行CT扫描时,即使在相同的剂量水平下,与使用较大像素尺寸的探测器相比,重建到相同的空间分辨率时,图像噪声会更低。这是因为小像素探测器的预采样函数在频域中更大。因此,在重建到相同的空间分辨率时,使用小像素探测器可以获得更低的图像噪声,从而可以实现更大的剂量降低。这种小像素效应在临床上首次应用于光子计数CT(PCCT)系统,可以实现高达90%的剂量降低。

  在信号处理领域中,预采样函数(presampling function)用于在信号采集之前对信号进行预处理。其目的是改善信号的质量或特性,使得后续的采样和数字化过程更加有效。例如,可以使用预采样函数来滤除高频噪声,或者增强特定频率的信号成分。

  在光子计数CT中,预采样函数可以用于描述光子在被探测器探测到之前的预处理步骤。这些步骤可能包括能量分辨、噪声过滤、增益校正等。通过适当的预处理,可以提高探测到的投影数据的信噪比,从而获得更高质量的重建图像。

  理论考虑和使用原型系统获得的结果表明,探测器像素的合并应始终避免。与较大像素的采集相比,使用未合并探测器的采集在重建到相同空间分辨率时可以减少图像噪声和辐射剂量。这一效应可以通过比较两个系统A和B(分别具有小和大探测器像素)来解释。此外,假设两个系统的采集几何相同。具有小探测器像素的系统A将实现比具有大探测器像素的系统B更高的空间分辨率。因此,在相同剂量水平下,当数据重建到每个系统的分辨率最大值时,系统A的图像噪声水平将高于系统B。然而,如果系统A重建到系统B的分辨率,系统A的噪声将在相同剂量水平下低于系统B,即 σA σB,因为

  在这里,MTF(f)是数据重建到的调制传递函数,S(f)是像素预采样函数。可以证明,关系SA(f) SB(f)成立;即较小的探测器像素在频域内提供更大的预采样函数,因此在相同剂量和分辨率下,这种探测器的图像噪声更低。

  由于具有更小的探测器像素,PCCT在空间分辨率方面远高于能量积分CT系统。将UHR采集的数据重建到常规系统的较低空间分辨率时,图像噪声和辐射剂量会减少。作者通过使用临床PCCT系统(NAEOTOM Alpha)的UHR模式(在等中心处像素大小为0.2mm)与标准分辨率模式(0.4mm)进行对比,在不同大小的人类腹部模型和猪蹄关节的测量中量化这一小像素效应。在不同的层厚(0.4到4mm)和剂量水平(4到12 mGy)下,使用滤波反投影进行了重建,以达到相同的目标空间分辨率,即相同的调制传递函数,使用两种探测器模式。图像噪声和由此产生的潜在剂量减少被量化为一个重要指标。

  使用标准(左上)和 UHR(左下)探测器模式进行采集,剂量为 8 mGy,使用 Br72 卷积核重建,层厚为 1 mm。C = 20 HU,W = 1000 HU。图像噪声(以 HU 为单位)与卷积核的函数关系(右图)

  在 S-phantom 中所有调查剂量水平下,Br76 卷积核(左上)、Br56 (中上)和 Br36 (右上)的图像噪声与层厚的函数关系。同样,下行显示了这些情况下可能减少的剂量。

  用标准模式(左)和 UHR 模式(中)采集的 8 mGy 猪趾关节图像,用 Br72重建。UHR 采集的图像噪声进一步降低,与 Std 采集的噪声相匹配,结果剂量为 2 mGy(右图)。

  研究发现,在相同的分辨率和噪声水平下,使用UHR模式获取的图像噪声较低。对于在标准模式空间分辨率极限的较锐卷积核,此结果依然有效,噪声减少最多可达3.2倍,潜在剂量减少可达近90%。因此作者认为,如果可能,采集应始终使用超高分辨率探测器模式,以受益于固有的噪声和剂量减少。

  其次,研究既没有研究管电压的影响,也没有研究迭代重建算法对小像素效应的影响。由于迭代重建算法中的非线性可能会改变 MTF,因此在这项研究中,作者只使用 FBP 进行重建。不过,在未来的研究中解决后者的问题可能仍然很有意义。

  此外,只考虑噪声大小和空间分辨率等物理量只能部分模拟临床实际情况。例如,检测低对比度病变等任务取决于实际的噪声纹理。

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