在 50 年的技術(shù)發(fā)展中，計算機(jī)斷層掃描（CT）為診斷成像設(shè)定了新標(biāo)準(zhǔn)?？焖亠@示最精細(xì)的解剖結(jié)構(gòu)是 CT 的優(yōu)勢之一。在診斷成像的許多臨床應(yīng)用中，都需要亞毫米級的高空間分辨率，比如肺、顳骨、鼻竇、骨關(guān)節(jié)等等。高分辨率 CT（HRCT）或超高分辨率 CT（UHRCT）可以滿足這一需求。
作為 CT 系統(tǒng)的主要支柱，X 射線管和 X 射線探測器的技術(shù)不斷進(jìn)步，逐步提高了空間分辨率的水平。焦點(diǎn)尺寸縮小到非常小的尺寸，HRCT 為 0.6 x 0.7 (IEC)，UHRCT 為 0.4 x 0.5 (IEC)。多家供應(yīng)商推出了具有飛焦點(diǎn)功能的 X 射線管，除四分之一探測器偏移外，還能提高采樣率。另一方面，三維反散射網(wǎng)格取代了二維版本。探測器像素尺寸減小，通道密度增加?？梢赃x擇在探測器前使用衰減梳狀濾波器，以減小探測器孔徑，即有效探測器像素尺寸。除了通過技術(shù)進(jìn)步實現(xiàn)出色的高空間分辨率能力外，當(dāng)今的掃描儀還必須應(yīng)對高分辨率成像中的其他苛刻挑戰(zhàn)--如實現(xiàn)盡可能低的輻射劑量水平、提供高靈活性、提供高通用性和確保易用性等。特別是，臨床工作流程在日常工作中越來越重要。近年來，1024矩陣被提到的越來越多，似乎成為CT的標(biāo)配，甚至有設(shè)備宣稱可以重建更高矩陣，如2048矩陣的圖像。那么，CT圖像的矩陣是不是越大越好呢
高空間分辨率取決于 CT 成像的各種設(shè)置。雖然設(shè)備的硬件決定了空間分辨率的上限，但 CT 圖像的實際分辨率通常由可供用戶自由選擇的參數(shù)控制。由于對空間分辨率和圖像噪聲水平的要求在很大程度上取決于臨床病例，因此與使用相關(guān)的空間分辨率和圖像噪聲水平之間的權(quán)衡是一項基本功能。控制主要通過選擇重建卷積核來實現(xiàn)?？晒┻x擇的卷積核種類繁多：例如用于精細(xì)高對比度細(xì)節(jié)的骨卷積核、用于低對比度物體的平滑卷積核，以及用于某些臨床應(yīng)用（如定量成像）的專用卷積核。除了選擇卷積核外，容積圖像像素（體素）的大小也對圖像分辨率起著重要作用。平面內(nèi)尺寸由顯示的視野（FoV）和重建矩陣的大小決定。重建矩陣是一個具有一定行列數(shù)的二維矩陣。通常情況下，它是行列數(shù)相等的正方形矩陣。在大多數(shù) CT 掃描儀和臨床應(yīng)用中，重建矩陣固定為 512 x 512 像素（"512"）。有時也有更小或更大的矩陣，如 1024 x 1024 像素（"1024"）或 768 x 768 像素（"768"）。 當(dāng)三個確定的參數(shù)--重建卷積核、FoV 和重建矩陣--不匹配時會發(fā)生什么情況？基于線對高分辨率模型（Catphan 600 的測試模塊 CTP528，Phantom Laboratory，Salem，NY，USA）的三項實驗證明了參數(shù)與感知空間分辨率之間的相互作用。實驗 1 比較了兩幅 CT 圖像（見圖 1）；它們的矩陣大小不同（512 對 1024），但重建卷積核（Br64）和視野（300 毫米）的選擇相同。為什么一幅圖像比另一幅圖像顯示出更多細(xì)節(jié)？答案是 512 矩陣在這里所能顯示的最大分辨率僅為 8.5 lp/cm。這與應(yīng)用卷積核 50%解析力（MTF）時的 10.1 lp/cm 相比是不夠的。由于參數(shù)不匹配，結(jié)構(gòu)細(xì)節(jié)丟失，而這些細(xì)節(jié)是成像硬件和所選重建卷積核所支持的。
圖 1：卷積核 Br64（50% MTF：10.1 lp/cm）、300 毫米視野和不同矩陣大小的線對高對比度分辨率模體截面圖。512 矩陣的體素尺寸為 d = 300 mm / 512 = 0.59 mm，可顯示的最大空間分辨率為 fmax = 8.5 lp/cm。對于 1024 矩陣，fmax =17 lp/cm。
實驗 2 采用了類似的設(shè)置（見圖 2），兩幅 CT 圖像再次基于相同卷積核選擇，但選擇的是更平滑的算法（Br40）。我們可以看到，兩個重建結(jié)果沒有顯示出明顯的差異。原因是卷積核的分辨率有限，50% MTF 時只有 4.0 lp/cm。這已經(jīng)可以用 512 矩陣來正確表示。
圖 2：卷積核 Br40（50% MTF：4.0 lp/cm）、300 毫米視野和不同矩陣尺寸的線對高空間分辨率模體截面圖。在實驗 3 中，兩組圖像重建進(jìn)行了比較，它們再次共享相同的尖銳重建卷積核（Br64），但現(xiàn)在也具有相同的體素大小。因此使用了不同的視野：300 毫米 @ 1024 和 150 毫米 @ 512。兩幅圖像在重疊區(qū)域內(nèi)沒有明顯差異（見圖 3）。但在這里，1024 矩陣覆蓋的區(qū)域是 512 矩陣的四倍 
圖 3：卷積核 Br64 的線對高分辨率模體截面圖（50% MTF：10.1 lp/cm），相同體素大小基于不同的 FoV 和矩陣大?。?50 毫米 @ 512 與 300 毫米 @ 1024）。
不匹配的參數(shù)選擇會導(dǎo)致空間分辨率的損失。反之，矩陣尺寸越大，CT 圖像的分辨率就越高，但并非在所有情況下都是如此。為了達(dá)到同樣的效果，我們也可以調(diào)整視野，但在圖像質(zhì)量相同的情況下，更大的矩陣尺寸可以覆蓋更大的視野。 因此，不再需要高分辨率成像中的相應(yīng)變通方法，即用專用的較小視角增加更多的圖像重建。但是我們必須明白，系統(tǒng)硬件仍然是 CT 成像最大分辨率的限制因素，而這無法通過引入更大的矩陣尺寸來改善。 這三項實驗表明，更大尺寸的矩陣要么在分辨率和覆蓋范圍上優(yōu)于標(biāo)準(zhǔn) 512 矩陣，要么至少能保持其質(zhì)量水平。既然有這樣的潛在優(yōu)勢，為什么不在任何情況下都用最大矩陣，比如1024矩陣取代標(biāo)準(zhǔn)矩陣尺寸進(jìn)行重建呢？有光的地方就有陰影，上述優(yōu)點(diǎn)與某些潛在缺點(diǎn)相抵消。例如，如果使用 1024 矩陣，相對于標(biāo)準(zhǔn)的 512 矩陣，CT 圖像的大小會增加 4 倍。不過，假設(shè)只有 10% 的病例使用 1024 矩陣，40% 的病例使用 786 矩陣，而其他情況下使用標(biāo)準(zhǔn)的 512 矩陣，那么 PACS 和采集工作站所需的存儲容量將增加76%，所需的圖像存儲容量將增加一倍。另一個相關(guān)問題是，當(dāng)使用 1024 矩陣時，重建工作量最多會增加 4 倍。但實際系數(shù)會更低，因為投影空間中的操作不受矩陣大小的影響。不過，重建工作量的明顯增加是可以預(yù)見的，而且需要用相應(yīng)的計算能力來抵消，以限制對臨床工作流程的影響。當(dāng)參數(shù)選擇導(dǎo)致視野大小與重建卷積核不匹配時，矩陣大小越大，空間分辨率越高。但圖像噪聲水平也會同時增加。在這種情況下，應(yīng)檢查之前的配置。這是否是有意為之，事實上是受限于標(biāo)準(zhǔn)矩陣尺寸？如果不是，那么顯然可以調(diào)整重建卷積核，而不需要更大的矩陣尺寸及其之前提到的缺點(diǎn)。最后，所有用于后處理和查看重建圖像的應(yīng)用程序都必須支持更大的矩陣尺寸。在應(yīng)用 1024 矩陣之前，需要事先仔細(xì)檢查受影響應(yīng)用程序的兼容性。總而言之：重建卷積核和視野必須根據(jù)臨床需要來選擇，而矩陣尺寸則需要足夠大，以覆蓋卷積核的空間分辨率，同時盡可能小，以限制對計算和存儲資源的需求。此外，矩陣大小還必須得到相應(yīng)的后處理和查看應(yīng)用程序的支持。
2023-04-11
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