孙鸿飞，高留刚，倪昕晔

(南京医科大学附属常州第二人民医院放疗科，江苏 常州 213003)

综述

计算机断层扫描图像金属伪影校正方法研究现状

孙鸿飞，高留刚，倪昕晔*

(南京医科大学附属常州第二人民医院放疗科，江苏 常州 213003)

临床越来越多的患者接受金属植入手术。由金属植入物产生的金属伪影对利用CT图像进行术后评估与肿瘤诊断造成极大困难，易导致误漏诊。在滤波反投影重建算法、迭代重建算法基础上改进的校正方法近几十年来不断取得新的进展。本文对去除金属伪影技术的发展现状进行综述。

体层摄影术，X线计算机；伪影；图像处理，计算机辅助

CT图像重建后的数据与原始数据会存在一些差异，体现在图像重建后的伪影。根据伪影形成原因和特点的不同，可分为几何伪影、硬化伪影、散射伪影、运动伪影和金属伪影等[1]。其中金属伪影对肿瘤的诊断及对肿瘤靶区的精确定位和剂量分布影响最大。CT金属伪影指X线在照射含有金属植入物的人体组织后，图像中在金属植入物处发出明暗相间的条状区域或放射状区域。临床常见的金属植入物包括血管支架、金属义齿、人工关节及骨骼内固定用钢钉、钢板等[2]。

1 金属伪影的常见原因

1.1 射束硬化效应 射束硬化效应由X线束能谱的多能性、衰减性和能量的相关性造成。多能X线穿过人体时，能量较低的光子由于光电效应优先被吸收，使穿透人体的X线高能成分比例增加，表现为平均能量升高，从而射线更易穿透[3]。常规CT扫描产生的X线束包括多种能量，不可避免地会产生硬化效应。

1.2 部分容积效应 部分容积效应指在同一扫描层面中含有两种或两种以上不同密度的物质时，所测CT值是这些物质信号的平均值，不能完全反映其中某一种物质的CT值。在人体组织与金属植入物的边缘处易产生模糊区，导致CT值的差异。利用薄层扫描技术可减少由于部分容积效应引起的金属伪影[4]。

1.3 光子不足 光子不足指当扫描参数选择不当或以薄层扫描体积较大的患者时，X线经患者到达探测器的光子量不足，导致产生条状伪影等图像噪声。当X线穿过含金属植入物的人体组织时，由于金属的背散射等效应使到达数据采集器的人体组织数据产生差异，且引起噪声，进而产生金属伪影[5]。

图1 O-MAR技术校正金属伪影[11]

2 金属伪影的处理方法与研究进展

减少金属伪影的传统方法主要包括：①对可取下的金属物体，可要求患者在检查前取下；②对义齿等不可取出的金属植入物，扫描时可倾斜一定的机架角度，以避免金属进入CT扫描范围；③对无法避开照射范围的金属植入物，可采用提高管电压的办法减少射线束的硬化效应，也可采用薄层扫描技术减少由于部分容积效应产生的金属伪影；④通过图像重建算法减少伪影干扰，主要有迭代法和插值法；⑤采用宝石CT能谱成像技术。本文着重对图像重建算法及宝石CT能谱成像技术的进展进行介绍。

2.1 迭代法 迭代法包括基于代数迭代的重建法和基于统计迭代的重建法。迭代法具有抗噪声性强的特点，对金属伪影的处理效果明显，但由于其复杂的算法步骤与耗时长的缺点，使数据处理较复杂。

2.1.1 代数迭代重建法 主要的步骤为：①重建区域离散化构成数字化图像；②从不同角度对重建区域进行照射，获得投影数据；③建立线性方程，通过投影数据所建立的迭代方程组获得重建区域的衰减系数分布，重建CT图像[6]。人体组织器官由多种不同密度的物质成分组成，不同物质成分对X线的吸收系数不同，每种吸收系数分别对应于方程组的解。对含有金属植入物的人体组织部位，可将其从方程组中分隔，通过足够多的方程组得到缺失方程的解，进行CT图像的重建，从而达到消除金属伪影的目的。

2.1.2 统计迭代重建法 由目标函数和迭代函数两部分组成，目标函数和迭代函数不同，其组成的重建算法不同。统计迭代重建法与代数迭代重建法的不同之处在于可建立数据统计模型，以表示探测器获取的投影数据及噪声的分布。常见的目标函数包括最大似然函数、最大后验概率等。迭代方法包括共轭迭代法、期望最大法等。应用统计迭代重建算法可解决由于噪声所引起投影图像数据不准确的问题[7]。

2.1.3 改进的迭代重建法 O-MAR技术是目前较为先进的骨去除金属伪影技术，属于迭代重建法重建图像的后处理技术。该技术重新定义和分类图像内物质的结构，反复对比迭代运算所定义的不同组织对应的投影数据，将金属伪影对应的投影数据从原始数据中清除，再反复迭代，直至图像中无大范围的金属像素，获得满意的重建图像[8]。O-MAR技术对图像的迭代重建只针对金属像素而不对非金属图像造成影响。

虽然同样具有实时性差与算法步骤繁琐的缺点，但利用O-MAR技术不仅可减少射束硬化伪影，通过全FOV成像可解决光子不足所产生的条状伪影[9]，且仅需一次成像，无需通过图像工作站进行后处理即可获得较高质量的图像。Kidoh等[10]对带有金属义齿的患者CT图像质量进行分析，结果表明利用O-MAR的高级迭代算法重建后的图像较未利用O-MAR技术校正的图像具有更低的噪声，可获得更高质量的CT图像。张沉石等[11]应用O-MAR技术对腰椎金属内固定术后患者CT图像的伪影进行去除，发现其可在不增加辐射剂量的条件下，提高骨结构清晰度，明显减少低密度伪影，同时不影响正常结构的图像质量(图1)。

2.2 插值法 基于滤波反投影(filtered back projection, FBP)重建算法的插值校正算法主要包括线性插值、多项式插值和3次样条插值。相对于迭代重建算法，插值法操作简单，计算速度快，且算法容易实现，应用价值较高。该方法是对原始数据直接重建，在金属伪影的图像中分割出金属区域，对已分割出的投影区域再投影获得金属投影范围，再对该范围内的投影校正后重建[12]。

FBP重建算法的插值校正算法中经典的线性插值算法包括以下两个步骤：①通过滤波反投影得到原始投影数据的CT图像；②采用阈值分割法将金属区域从CT图像中分割出来，再对其进行前投影得到金属投影区。有研究[13]将原始投影数据中对应的金属区域从所得CT图像中移除，并通过线性插值得到新的投影数据，对修正后的投影数据进行FBP变换得到数据投影的CT图像。在传统插值法的基础上，Zhang等[14]提出HMAR混合法，该方法基于LI-MAR方法并加入平滑滤波得到原始投影数据的预处理图像，将其迭代重建得到先验图像，并进行前投影获得新的数据，将该数据替换原始投影中的金属区域数据，将修正后的投影数据行滤波反投影获得修正后的投影图像。HMAR混合法较传统的LI-MAR方法去除金属伪影的效果更为显著，且减少了迭代次数，提高了运行效率(图2)。

图2 LI-MAR与HMAR方法校正金属伪影[14]

2.3 能谱成像技术 宝石CT能谱成像通过对同一物质进行两种不同能量条件的CT扫描，获得对应的CT图像。由于被照射物质在不同的能量条件下X线衰减情况不同，进而可由衰减后的数据差异确定物质在二维能量空间的位置，从而定性、定量分析被照射的物质，提高CT的图像质量[15]。

CT能量扫描环节包括多种技术，如单球管不同kV法、单球管kV快速切换法、双源法等。基于单能谱CT成像的宝石CT能谱成像，其核心为宝石材料的探测器，该探测器具有稳定性高、透气性好、纯度较高等优点，且通过宝石材料的探测器将X线转换为可见光的速率约是普通探测器的100倍，可确保两次数据采集之间充足的时间分辨率，有利于获得高质量的图像[16]。吴祥才[17]对42例既往曾接受金属异物植入手术的患者行能谱CT扫描，发现射线能量范围在100～130 keV内可较好地减除体部植入金属物所形成的伪影，同时对其余体部的图像显示效果亦可满足诊断要求。此外，Siemens公司继第1代普通双源CT之后开发出Flash炫速双源CT，其具有两套X线管-探测器，可同时采集两套不同能量的图像数据，由于双源CT是同步成像，因此不存在两种kV条件下CT图像的配准问题[18]。CT能谱成像技术可有效提高图像的质量，并且降低由于金属植入物所产生的伪影，但需要结合额外的金属伪影消除重建技术才可实现。

2.4 改进的能谱成像技术 单能量去除金属伪影(single energy metal artifact reduction， SEMAR)算法是一种新的去除金属伪影的方法，并已逐渐应用于临床实践。SEMAR图像的重建过程包括：①将CT扫描所有角度的投影数据组成一个二维图像，对图像中每个特定的点在不同角度下的投影数据对应于正弦图中的一条正弦线；②将正弦图中的金属植入物所对应的正弦线去除，再对剩余的非金属区域进行反复校正以得到不含金属的图像；③将含有金属与不含金属的CT图像相结合重建获得最终的CT图像[19]。

通过SEMAR算法可精确地区分人体的金属区域与非金属区域。该算法是基于原始数据与图像的单一能量算法，在不使患者接受额外剂量的同时，不会降低图像对比度，并可较好地抑制次生伪影的产生[20]。Hirata等[19]采用SEMAR技术去除口腔内金属植入物产生的伪影，并与未处理的CT图像相比，发现SEMAR处理后的图像可显著降低金属伪影(图3)。

图3 SEMAR方法校正金属伪影[19]

3 小结与展望

目前主要的几种去除金属伪影的方法在实际应用中还存在较大的局限性，因此，将不同的技术相结合以实现更高的伪影除去效果十分重要。陈豫[21]提出混合滤波算法，首先对金属区域的投影数据进行FBP重建，再采用最大期望迭代法最后对重建后的金属区域进行补偿处理，该方法可有效抑制金属伪影，确保金属区域周围的正常组织成像质量，且适用于含有多处金属伪影区域的CT图像。李冶等[22]应用OSC迭代方法混合重建去伪影技术，对非金属区域进行FBP重建，对金属区域进行OSC迭代重建，再将所获得的金属与非金属部分融合，也对金属伪影获得满意的抑制效果并有效缩短了运算时间。此外，在现有去除金属伪影的方法基础上，有学者[23]尝试采用基于最大互信息和均值漂移的方法，对含有金属伪影的图像经预处理后提取特征点、解剖点，分割出金属区域，并进行投影插值处理，可以快速有效地抑制金属伪影。基于统计学的图像分割与插值重建法相结合去除金属伪影的方法有待进一步研究。此外，对不同部位不同种类的金属植入物所产生的金属伪影的校正进行大量的临床试验，从而达到更为满意的去除金属伪影的效果，获得更高质量的CT图像仍将是今后的研究重点。

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Actuality of metal artifacts reduction method of computed tomography image

SUNHongfei,GAOLiugang,NIXinye*

(DepartmentofRadiationOncology,theSecondPeople'sHospitalofChangzhouAffiliatedtoNanjingMedicalUniversity,Changzhou213003,China)

More and more patients were treated by surgery with metal implants in clinic. Metal artifacts in CT images caused by metal implants brought challenges for postoperative evaluation and diagnosis of tumor. It also led to the possibility of missed diagnosis and misdiagnosis. In recent decades， the improved methods based on filtered-backprojection and iterative reconstruction algorithms have great progresses in reducing effects of metal artifacts. The actuality of techniques for metal artifact reduction were reviewed in this article.

Tomography, X-ray computed; Artifacts; Image processing, computer-assisted

江苏省自然科学基金(BK20151181)。

孙鸿飞(1994—)，男，山东泰安人，在读硕士。研究方向：生物医学工程放射物理。E-mail: 406985346@qq.com

倪昕晔，南京医科大学附属常州市第二人民医院放疗科，213003。E-mail: nxy2000@aliyun.com

2016-08-09

2017-01-05

10.13929/j.1003-3289.201608084

R814.42

A

1003-3289(2017)04-0616-04