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          從512到1024丨CT的矩陣越大越好嗎?
          2023-04-11
          在 50 年的技術發展中,計算機斷層掃描(CT)為診斷成像設定了新標準??焖亠@示最精細的解剖結構是 CT 的優勢之一。在診斷成像的許多臨床應用中,都需要亞毫米級的高空間分辨率,比如肺、顳骨、鼻竇、骨關節等等。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 系統的主要支柱,X 射線管和 X 射線探測器的技術不斷進步,逐步提高了空間分辨率的水平。焦點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)。多家供應商推出了具有飛焦點功能的 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。
          除了通過技術進步實現出色的高空間分辨率能力外,當今的掃描儀還必須應對高分辨率成像中的其他苛刻挑戰--如實現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的標配,甚至有設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

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          矩陣在高分辨率圖像中的價值
          高空間分辨率取決于 CT 成像的各種設置。雖然設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,因此與使用相關的空間分辨率和圖像噪聲水平之間的權衡是一項基本功能。
          控制主要通過選擇重建卷積核來實現??晒┻x擇的卷積核種類繁多:例如用于精細高對比度細節的骨卷積核、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的二維矩陣。通常情況下,它是行列數相等的正方形矩陣。在大多數 CT 掃描儀和臨床應用中,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")。    
          當三個確定的參數--重建卷積核、FoV 和重建矩陣--不匹配時會發生什么情況?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節?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。由于參數不匹配,結構細節丟失,而這些細節是成像硬件和所選重建卷積核所支持的。    

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          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。這已經可以用 512 矩陣來正確表示。

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          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,兩組圖像重建進行了比較,它們再次共享相同的尖銳重建卷積核(Br64),但現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。兩幅圖像在重疊區域內沒有明顯差異(見圖 3)。但在這里,1024 矩陣覆蓋的區域是 512 矩陣的四倍        

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          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)。 

          從這三個實驗中可以得到哪些啟示?
          不匹配的參數選擇會導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。為了達到同樣的效果,我們也可以調整視野,但在圖像質量相同的情況下,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。          
          為什么大矩陣不一定是最好的選擇?
          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于標準 512 矩陣,要么至少能保持其質量水平。既然有這樣的潛在優勢,為什么不在任何情況下都用最大矩陣,比如1024矩陣取代標準矩陣尺寸進行重建呢?
          有光的地方就有陰影,上述優點與某些潛在缺點相抵消。例如,如果使用 1024 矩陣,相對于標準的 512 矩陣,CT 圖像的大小會增加 4 倍。不過,假設只有 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準的 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。
          另一個相關問題是,當使用 1024 矩陣時,重建工作量最多會增加 4 倍。但實際系數會更低,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見的,而且需要用相應的計算能力來抵消,以限制對臨床工作流程的影響。
          當參數選擇導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,應檢查之前的配置。這是否是有意為之,事實上是受限于標準矩陣尺寸?如果不是,那么顯然可以調整重建卷積核,而不需要更大的矩陣尺寸及其之前提到的缺點。
          最后,所有用于后處理和查看重建圖像的應用程序都必須支持更大的矩陣尺寸。在應用 1024 矩陣之前,需要事先仔細檢查受影響應用程序的兼容性。
          總而言之:重建卷積核和視野必須根據臨床需要來選擇,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的后處理和查看應用程序的支持。
          所以你看,并不是1024一定是最好的選擇。



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