影响CT影像噪声的相关因素
作者：时劲松
单位：时劲松(510310 广州，广东省放射卫生防护所)
关键词：
中华放射医学与防护杂志000215 CT的影像噪声NP是指均匀物质影像中给定区域内的CT值对其平均值的变异。当CT机对一个均匀物质扫描成像时，既有系统的又有随机的像素值与平均值的变异产生，其中随机的部分即是影像噪声。噪声对CT影像质量的影响很大，其中一个主要的影响就是限定了可分辨物的对比度下限，而实际上大部分软组织的细节是低对比度的，因此它是一个重要的CT性能指标。噪声可分为量子噪声Nq和非量子噪声。量子噪声是由于X射线光子数(CT剂量指数CTDI)的随机变化而引起的，而非量子噪声则包括电子噪声Ne及显示系统噪声等，主要与探测器和计算机及其显示系统等的电子特性有关。CT总的影像噪声可表达的N2P≈N2q+Ne2+…[1]。了解CTDI等因素对CT影像噪声的影响规律，对贯彻43号部长令，加强CT机的质量控制，优化受检者的辐射剂量等方面均具有重要意义，作者曾在多台CT上做过相关测试试验，本文拟对此进行总结和探讨。
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一、仪器和方法
1.检测仪器：Victoreen公司生产的8″AAPM CT性能检测体模一套，型号为76-410-4130EX。
2.检测方法：①将Victoreen体模固定于床上，置于扫描中心，调好水平与准直。②设置好CT各扫描参数后，对体模的纯水层扫描。将ROI分别置于影像中心及边缘处，记下像素值的标准偏差δ。③依次改变各扫描参数后，扫描同一层面，并按上述方法记下相应的δ值。④CT影像噪声可表示为NP=(δ。Cs。100)/μw，(1)式。其中μw为水的等效线性衰减系数，Cs为对比度刻度因子。Cs=(μm-μw)/(CTm-CTw)，(2)式。其中μm,μw分别为已知参考物质与水的线性衰减系数；CTm,CTw分别为测得的参考物质与水的CT值[1]。⑤将标准偏差δ及预先测得的Cs代入(1)式计算即得CT影像噪声(标准化噪声)。
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二、结果
1.mAs(CTDI与其成正比)对噪声的影响：提高CTDI有助于改善噪声，但不应单纯追求影像质量而盲目增加CTDI，因此了解此变化规律对于优化受检者辐射剂量具有重要意义。试验结果显示噪声与mAs-1/2呈线性递增关系，即Nq∝mAs-1/2，相关系数r为0.997，线性度很好，说明CT球管及探测器的状态良好，见表1。
2.扫描层厚度与噪声关系：改变扫描层厚度则改变了探测器的有效截面，从而改变了收集到的X射线光子数(CTDI)，结果显示噪声与层厚(h)亦有类似上述线性关系，即Nq∝h-1/2，见表2。
表1 不同毫安秒对CT机影像噪声的影响 毫安秒
(mAs)
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mAs1/2×1000
噪声
(%)
601
40.8
0.25
503
44.6
0.28
451
47.1
0.29
406
, 百拇医药
49.6
0.30
380
51.3
0.32
308
57.0
0.34
211
68.8
0.44
166
77.6
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0.47
95
102.6
0.66
表2 CT机不同扫描层厚对影像噪声的影响 层厚，h
(mm)
h-1/2
噪声
(%)
1
1.00
1.03
, 百拇医药
2
0.71
0.80
3
0.58
0.61
5
0.45
0.49
10
0.32
0.34
3.X射线能量对噪声的影响：改变X射线球管电压，即改变了扫描X射线的能量，这种X射线线质的变化对噪声亦有较大影响。结果显示，球管电压分别为90、120、130 kV时，噪声为0.43%、0.31%和0.26%，即在实际应用的球管电压范围内，球管电压与噪声呈线性递减关系，相关系数r为0.998，线性度较好。
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4.X射线的透射衰减对噪声的影响：由于X射线穿透物体时部分X射线被吸收，因此当X射线穿透一个均匀的圆形水模时，由于中间与边缘部分对X射线的吸收不同，从而使得水模中心的噪声大于边缘的噪声，但每台CT中心与边缘处噪声的差异程度不同，经对7台CT机测试结果表明，中心处的噪声范围值为0.25%～0.45%，平均值为0.36%；边缘处的噪声范围值为0.18%～0.42%，平均值为0.30%。
5.褶积函数对噪声的影响：褶积是指用权函数对原始数据进行处理的过程，因此选用不同的褶积函数对影像噪声影响很大。当褶积函数分别选用A，B，C，D，E时，噪声分别为0.23%，0.31%，0.40%，0.96%，0.83%。从试验结果可以看出，越是使得图像趋于平滑的褶积函数，越使得影像噪声趋于减小。
6.重建矩阵对噪声的影响：改变重建矩阵的大小，则改变了每个像素的大小，一般认为会影响到影像噪声。但本试验结果显示，改变重建矩阵的大小对影像噪声影响不明显，当重建矩阵分别选为3402，5122、7682、10242时，噪声分别为0.28%，0.31%，0.28%，0.28%，无显著变化。
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三、讨论
1.CT的电子噪声基本上为某一定值，不受各种扫描参数的影响，它主要是限制了总的影像噪声可改善的阈值[1]。量子噪声则是由于收集到的X射线光子数的统计不确定性引起的，Nq∝n-1/2，因此量子噪声受扫描参数变化的影响较大[2]。根据试验结果显示，量子噪声的平方分别与mAs及扫描层厚度(h)成反比。这是因为改变扫描层厚度及mAs则较大地改变了形成影像的X射线光子数(CTDI)及其分布，从而对所形成影像的噪声有较大的影响。
2.当X射线穿透水模时由于光电吸收及康普顿散射效应使得X射线产生衰减，而低能X射线更易被吸收，所以当提高X射线球管电压时(即提高了X射线能量)，透射过的X射线量将增加，且低能的杂散X射线将减少，从而改善了影像噪声，这与本次试验结果是一致的。
3.X射线衰减的规律可表达为n=n0e-μd，其中n和n0为穿过水模前后的X射线剂量，μ为X射线衰减系数，d为水模直径。从此表达式可以看出，透射的X射线光子量是与水模直径成递减关系，则n∝e-μd，而Nq∝n-1/2，所以有Nq∝eμd/2，即随着水模直径的增大，影像噪声亦随之增大，有关试验验证了此趋势，当水模直径分别为5、8.5、10.5、14时，绝对影像噪声则分别为1.4、2.9、4.7、9.0 HU[3]。
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4.对于同一均匀水模，由于X射线穿透水模中间部分及边缘部分时，穿过水模的厚度不同，因此也会引起噪声的不同，即中间部分的厚度大，其噪声也大。为减少此影响，各CT生产厂家已采用不同的滤过器加以改善，如楔型滤过器，BOWTIE滤过器等，其原则就是减少边缘部分的透射线，从而得到较均匀的X射线束。但由于各厂家采用的方法不尽相同，因此效果各异。
5.一般说来，凡是有助于改善高对比度空间分辨率的某种因素往往会引起噪声的增加，其相对程度可用重建算法调节。如某种褶积滤波函数的特性是重建图像轮廓较清楚，因而空间分辨率高，但其频率特性是在截止频率处突然截断，在空间引起脉冲响应有较大的振荡，从而造成较大的噪声，所以在实际扫描中，一定要注意选择适当的参数。
6.改变矩阵的大小，并未引起噪声的明显变化，是否是因为采用较大矩阵时，也只是通过插值来减小像素尺寸而非减小采样尺寸的缘故，还有待进一步的探究及有关专家的指正。
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参考文献
1，American Association of Physicists in Medicine.Specification and acceptance testing of computed tomography scanners.AAPM Report No.39.New York:1993.
2，Brooks RA,DiChiro G.Statistical limitation in X-ray reconstruction tomography.Med Phys， 1976,3:237-240.
3，石明国.实用CT影像技术学.西安：陕西科学技术出版社，1995.306-310.
(收稿日期：1999-06-29), 百拇医药
单位：时劲松(510310 广州，广东省放射卫生防护所)
关键词：
中华放射医学与防护杂志000215 CT的影像噪声NP是指均匀物质影像中给定区域内的CT值对其平均值的变异。当CT机对一个均匀物质扫描成像时，既有系统的又有随机的像素值与平均值的变异产生，其中随机的部分即是影像噪声。噪声对CT影像质量的影响很大，其中一个主要的影响就是限定了可分辨物的对比度下限，而实际上大部分软组织的细节是低对比度的，因此它是一个重要的CT性能指标。噪声可分为量子噪声Nq和非量子噪声。量子噪声是由于X射线光子数(CT剂量指数CTDI)的随机变化而引起的，而非量子噪声则包括电子噪声Ne及显示系统噪声等，主要与探测器和计算机及其显示系统等的电子特性有关。CT总的影像噪声可表达的N2P≈N2q+Ne2+…[1]。了解CTDI等因素对CT影像噪声的影响规律，对贯彻43号部长令，加强CT机的质量控制，优化受检者的辐射剂量等方面均具有重要意义，作者曾在多台CT上做过相关测试试验，本文拟对此进行总结和探讨。
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一、仪器和方法
1.检测仪器：Victoreen公司生产的8″AAPM CT性能检测体模一套，型号为76-410-4130EX。
2.检测方法：①将Victoreen体模固定于床上，置于扫描中心，调好水平与准直。②设置好CT各扫描参数后，对体模的纯水层扫描。将ROI分别置于影像中心及边缘处，记下像素值的标准偏差δ。③依次改变各扫描参数后，扫描同一层面，并按上述方法记下相应的δ值。④CT影像噪声可表示为NP=(δ。Cs。100)/μw，(1)式。其中μw为水的等效线性衰减系数，Cs为对比度刻度因子。Cs=(μm-μw)/(CTm-CTw)，(2)式。其中μm,μw分别为已知参考物质与水的线性衰减系数；CTm,CTw分别为测得的参考物质与水的CT值[1]。⑤将标准偏差δ及预先测得的Cs代入(1)式计算即得CT影像噪声(标准化噪声)。
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二、结果
1.mAs(CTDI与其成正比)对噪声的影响：提高CTDI有助于改善噪声，但不应单纯追求影像质量而盲目增加CTDI，因此了解此变化规律对于优化受检者辐射剂量具有重要意义。试验结果显示噪声与mAs-1/2呈线性递增关系，即Nq∝mAs-1/2，相关系数r为0.997，线性度很好，说明CT球管及探测器的状态良好，见表1。
2.扫描层厚度与噪声关系：改变扫描层厚度则改变了探测器的有效截面，从而改变了收集到的X射线光子数(CTDI)，结果显示噪声与层厚(h)亦有类似上述线性关系，即Nq∝h-1/2，见表2。
表1 不同毫安秒对CT机影像噪声的影响 毫安秒
(mAs)
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mAs1/2×1000
噪声
(%)
601
40.8
0.25
503
44.6
0.28
451
47.1
0.29
406
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49.6
0.30
380
51.3
0.32
308
57.0
0.34
211
68.8
0.44
166
77.6
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0.47
95
102.6
0.66
表2 CT机不同扫描层厚对影像噪声的影响 层厚，h
(mm)
h-1/2
噪声
(%)
1
1.00
1.03
, 百拇医药
2
0.71
0.80
3
0.58
0.61
5
0.45
0.49
10
0.32
0.34
3.X射线能量对噪声的影响：改变X射线球管电压，即改变了扫描X射线的能量，这种X射线线质的变化对噪声亦有较大影响。结果显示，球管电压分别为90、120、130 kV时，噪声为0.43%、0.31%和0.26%，即在实际应用的球管电压范围内，球管电压与噪声呈线性递减关系，相关系数r为0.998，线性度较好。
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4.X射线的透射衰减对噪声的影响：由于X射线穿透物体时部分X射线被吸收，因此当X射线穿透一个均匀的圆形水模时，由于中间与边缘部分对X射线的吸收不同，从而使得水模中心的噪声大于边缘的噪声，但每台CT中心与边缘处噪声的差异程度不同，经对7台CT机测试结果表明，中心处的噪声范围值为0.25%～0.45%，平均值为0.36%；边缘处的噪声范围值为0.18%～0.42%，平均值为0.30%。
5.褶积函数对噪声的影响：褶积是指用权函数对原始数据进行处理的过程，因此选用不同的褶积函数对影像噪声影响很大。当褶积函数分别选用A，B，C，D，E时，噪声分别为0.23%，0.31%，0.40%，0.96%，0.83%。从试验结果可以看出，越是使得图像趋于平滑的褶积函数，越使得影像噪声趋于减小。
6.重建矩阵对噪声的影响：改变重建矩阵的大小，则改变了每个像素的大小，一般认为会影响到影像噪声。但本试验结果显示，改变重建矩阵的大小对影像噪声影响不明显，当重建矩阵分别选为3402，5122、7682、10242时，噪声分别为0.28%，0.31%，0.28%，0.28%，无显著变化。
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三、讨论
1.CT的电子噪声基本上为某一定值，不受各种扫描参数的影响，它主要是限制了总的影像噪声可改善的阈值[1]。量子噪声则是由于收集到的X射线光子数的统计不确定性引起的，Nq∝n-1/2，因此量子噪声受扫描参数变化的影响较大[2]。根据试验结果显示，量子噪声的平方分别与mAs及扫描层厚度(h)成反比。这是因为改变扫描层厚度及mAs则较大地改变了形成影像的X射线光子数(CTDI)及其分布，从而对所形成影像的噪声有较大的影响。
2.当X射线穿透水模时由于光电吸收及康普顿散射效应使得X射线产生衰减，而低能X射线更易被吸收，所以当提高X射线球管电压时(即提高了X射线能量)，透射过的X射线量将增加，且低能的杂散X射线将减少，从而改善了影像噪声，这与本次试验结果是一致的。
3.X射线衰减的规律可表达为n=n0e-μd，其中n和n0为穿过水模前后的X射线剂量，μ为X射线衰减系数，d为水模直径。从此表达式可以看出，透射的X射线光子量是与水模直径成递减关系，则n∝e-μd，而Nq∝n-1/2，所以有Nq∝eμd/2，即随着水模直径的增大，影像噪声亦随之增大，有关试验验证了此趋势，当水模直径分别为5、8.5、10.5、14时，绝对影像噪声则分别为1.4、2.9、4.7、9.0 HU[3]。
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4.对于同一均匀水模，由于X射线穿透水模中间部分及边缘部分时，穿过水模的厚度不同，因此也会引起噪声的不同，即中间部分的厚度大，其噪声也大。为减少此影响，各CT生产厂家已采用不同的滤过器加以改善，如楔型滤过器，BOWTIE滤过器等，其原则就是减少边缘部分的透射线，从而得到较均匀的X射线束。但由于各厂家采用的方法不尽相同，因此效果各异。
5.一般说来，凡是有助于改善高对比度空间分辨率的某种因素往往会引起噪声的增加，其相对程度可用重建算法调节。如某种褶积滤波函数的特性是重建图像轮廓较清楚，因而空间分辨率高，但其频率特性是在截止频率处突然截断，在空间引起脉冲响应有较大的振荡，从而造成较大的噪声，所以在实际扫描中，一定要注意选择适当的参数。
6.改变矩阵的大小，并未引起噪声的明显变化，是否是因为采用较大矩阵时，也只是通过插值来减小像素尺寸而非减小采样尺寸的缘故，还有待进一步的探究及有关专家的指正。
, http://www.100md.com
参考文献
1，American Association of Physicists in Medicine.Specification and acceptance testing of computed tomography scanners.AAPM Report No.39.New York:1993.
2，Brooks RA,DiChiro G.Statistical limitation in X-ray reconstruction tomography.Med Phys， 1976,3:237-240.
3，石明国.实用CT影像技术学.西安：陕西科学技术出版社，1995.306-310.
(收稿日期：1999-06-29), 百拇医药