线束硬化伪影是黑色还是白色?

线束硬化是一种现象,当包含混合能量的X射线光束穿过物体时,会导致低能光子的选择性衰减。


线束硬化伪影(Beam hardening artefact)是CT影像的常见的伪影之一。由于球管发出的X射线为混合能量的射线,当这一混合能量的射线穿过组织时,低能的光子被吸收,从而导致射线的平均能量增高,这一现象成为射线硬化现象。
在头部横断面层面CT影像中有时候能看到后颅窝的横行带状低密度区,又称亨氏暗区(Hounsfield dark area)。射线通过一侧颞骨岩部,进入密度较低的后颅窝,再从另一侧颞骨岩部穿出,射线在穿透这些骨结构时较低能量的光子被大量吸收,使透射后的剩余光子的平均能量升高,即线束变硬。由于衰减系数极大地依赖于射线能量,因此当“硬化的”线束在继续穿经脑干等结构时,衰减系数显著下降,在影像上则形成低密度带影。

硬化线束伪影

这种现象同样发生在,如果患者双侧上肢不能上举进行腹部检查时。高密度的条状伪影是高能量的X光子穿过导致,表现为白色,而低密度的条状伪影是由于光子数量减少,光子饥饿导致,表现为黑色。

射线穿过一定厚度的水模的示意图

随着穿过模体的数量或这厚度的增加,光子的平均能量增加,这个过程就是线束硬化的过程,伴随线束硬化,X光光子的数量也在减少。

X线透过物质的量以长度(m)为单位时,X线的衰减系数称作线衰减系数(linear attenuation coefficient, μ1),也即X线透过单位厚度(m)的物质层时,其强度减少的分数值。


线束硬化是一种现象,当包含混合能量的X射线光束穿过物体时,会导致低能光子的选择性衰减。从概念上讲,该效果与高通滤波器相似,因为仅留下了较高能量的光子来贡献光束,因此平均线束能量会增加(也就是“硬化”)。

金属植入物引起的硬化线束伪影 

在现有CT设备X线管发射全能谱X线的情况下,这一限度是固有的和不可逾越的。因此硬化线束伪影只能减弱,不能消除。那么有那些方法可以减轻硬化线束伪影呢?
主要有四种方法:
第一,大多数现代的CT扫描仪都使用滤光片来克服光束硬化。通常,在光束到达患者之前,会先使用一种衰减物质(通常是金属性的)来硬化光束。通过使用金属滤光片,对X线束在穿过人体之前进行“整形”,使其能量更集中在某一范围,从而“硬化” X射线光谱并最小化低能光子(关于能谱纯化
技术的原理和临床应用,参见:
能谱纯化技术的基本原理与临床应用
)。
低能光子被滤过之后,剩余的光子数量也会减少,为了保证成像质量,需要加大球管的输出管电流。

通过锡滤过进行光谱整形。标准70 kV和120 kV光谱与采用锡滤过的Sn100 kV,Sn150 kV光谱进行比较。注意从锡滤过光谱中去除较低能量的量子(在30keV至50keV的范围内)。

Gordic S, Morsbach F, Schmidt B, Allmendinger T, et al. Ultralow-Dose Chest Computed Tomography for PulmonaryNodule Detection: First Performance Evaluation of Single Energy Scanning WithSpectral Shaping. Inv Rad 2014, 49(7); p.465-473.


65岁男性,在关节镜下肩袖修复术后进行术后常规随访,使用CT关节镜检查,使用Sn140 kV扫描。注意到冈上肌-冈下肌腱的全层缺损(a,b中的粗箭头),肩胛下肌腱变薄(b中的细箭头)以及三角肌下的异常对比填充。

Yun S C , Choo H J , Sun J L , et al. Computed tomography arthrography of the shoulder with tin filter-based spectral shaping at 100 kV and 140 kV[J]. Acta Radiologica, 2020:028418512096555.


第二,使用算法进行校准。比如西门子CT有些特定的卷积核可以减少骨或碘的硬化线束伪影。

后颅窝的CT图像显示,当没有应用校正时,密集物体之间会出现暗带(亨氏暗区,左),而当进行迭代束硬化校正时,伪影也将减少(右)。
Barrett JF, Keat N. Artifacts in CT: recognition and avoidance. Radiographics. 2004 Nov-Dec;24(6):1679-91. 

迭代硬化线束伪影校正(Iterative beam-hardening correction )算法通过分割重建图像上主要负责光束硬化(即骨骼或碘)的结构来创建蒙片。然后仅对该蒙片执行正向傅里叶投影,以生成人工原始数据集。使用该人工骨/碘原始数据集,将基于水和骨模型的计算机模拟的校正算法应用于原始测量数据。此应用程序对水和碘元素使用二维校正表。因此,可以使用实际值作为校正的基础,对水和碘的关系进行比较。这一过程既可以使用来自两个X射线管的混合原始数据,也可以使用来自单个X射线管的原始数据集。


使用iBHC技术消除线束硬化伪影。在这位怀疑患有冠心病的52岁女性患者中,标准Bv36图像(A)中的左室下壁心肌显示出广泛的低衰减区域(箭头),这是由于脊柱、主动脉和左室之间的线束硬化,可能妨碍排除心肌梗死。在使用iBHC技术(B)的Bv36系列中,由于衰减增加且均匀,可以安全地排除左室下部的心肌梗死。

Albrecht M H , Bickford M W , Schoepf U J , et al. Beam-hardening in 70-kV Coronary CT angiography: Artifact reduction using an advanced post-processing algorithm[J]. European Journal of Radiology, 2018, 101:111-117.


第三,通过改变扫描参数,如增加管电压(更好地穿透高密度物体)或使用双能成像方法来有效减少硬化线束伪影。
双能量成像的方法使用两种不同能量进行采集,经过一系列后处理运算之后,可以获得40-190keV的单能谱图像,随着能量的增高,硬化线束伪影可以减少。关于单能谱的临床应用,参见:DECT单能谱图的临床应用

硬化线束伪影导致的条纹伪影

Park HS, Chung YE, Seo JK. Computed tomographic beam-hardening artefacts: mathematical characterization and analysis. Philos Trans A Math Phys Eng Sci. 2015 Jun 13;373(2043):20140388.


使用双能量扫描,单能谱重建减少金属的硬化线束伪影。

双能量扫描70keV和140keV重建对于硬化线束伪影抑制的效果。


最后,有些扫描仪还配备了减少金属伪影的算法,比如西门子的iMAR(iterative Metal Artifact Reduction),以减少金属物引起的线束硬化伪影。iMAR是通过射线束硬化校正、线性内插值以及自适应正弦图修复和分频去金属伪影等多种迭代计算,可以明显减少图像中的条状伪影,并同时校正受影响的组织CT值,使之更接近于无金属情况下的真实值。
iMAR还可以前面我们提到的减少硬化线束伪影的方法可以联合应用。


87岁男性,腹部淋巴结肿大,接受泌尿生殖系统恶性肿瘤评估。上图 使用迭代重建(IR)技术(SAFIRE,Siemens Healthineers)重建的轴向CT图像没有金属伪影抑制技术iMAR,显示线束硬化伪影伴随着低衰减和高衰减条纹伪影,前列腺结构显示不清。下图 用IR技术重建的轴向CT图像和金属伪影抑制技术iMAR显示金属伪影减少。前列腺肿大更好地可视化。

Trabzonlu T A , Terrazas M , Mozaffary A , et al. Application of Iterative Metal Artifact Reduction Algorithm to CT Urography for Patients With Hip Prostheses[J]. American Journal of Roentgenology, 2019, 214(1):1-7.


使用iMAR去除颅内弹簧圈伪影


随着技术的进步,当我们能够实现只有使用单能X线束,才可从根本上避免这种现象。


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