消除或减轻CBCT常见伪影的可行化探讨与研究.pdf

10 综 述影像研究与医学应用 2024年1月 第8卷第1期 消除或减轻 CBCT 常见伪影的可行化探讨与研究邹一方1，于成群2（1 烟台市烟台山医院设备科 山东 烟台 264003）（2 烟台市烟台山医院影像科 山东 烟台 264003）Feasibility study on eliminating or reducing common artifacts in CBCTZOU Yifang1,YU Chengqun21 Department of Equipment,Yantaishan Hospital,Yantai,Shandong 264003,China;2 Department of Imaging,Yantaishan Hospital,Yantai,Shandong 264003,China【Abstract】With the widespread application of cone beam computed tomography(CBCT)in the field of medical imaging,its artifact problem is increasingly attracting attention.Artifacts have a negative impact on the quality and accuracy of CBCT images,therefore seeking effective methods to eliminate or reduce them is of great significance for improving the quality of CBCT images.This article briefly introduces the working principle and common types of artifacts in CBCT.For each type of artifact,its generation mechanism and influencing factors are analyzed.At the same time,feasible methods for eliminating or reducing common artifacts in CBCT are proposed,and future research should focus on deepening the understanding of the formation mechanism of artifacts and developing more accurate and effective methods for eliminating or reducing artifacts,intended to provide reference for optimizing CBCT image quality and improving imaging diagnosis accuracy and reliability in clinical applications.【Key words】Cone beam CT;Metal artifacts;Motion blur;Deep learning;Energy spectrum【摘要】随着锥形束计算机断层成像（CBCT）在医学影像领域的广泛应用，其伪影问题日益引起关注。伪影对 CBCT 图像的质量和诊断准确性产生不利影响，因此寻求有效的方法消除或减轻伪影对于提高 CBCT 影像质量具有重要意义。本文简要介绍了锥形束 CT 的工作原理和常见伪影类型，针对每种伪影类型，分析了其产生机制和影响因素，同时提出消除或减轻 CBCT 常见伪影的可行方法，提出未来的研究应致力于深入理解伪影的形成机制，开发更加精确有效的消除或减轻伪影的方法。旨在为优化 CBCT 图像质量，提高临床应用时的影像诊断准确性和可靠性提供参考。【关键词】锥形束 CT；金属伪影；运动模糊；深度学习；能谱【中图分类号】R445.3 【文献标识码】A 【文章编号】2096-3807（2024）01-0010-03随着锥形束计算机断层成像（cone beam computed tomography，CBCT）的应用范围不断扩大，其在临床和研究领域中的重要性也日益凸显。然而，CBCT 图像中常常存在各种伪影，这对于正确解读和诊断图像带来了挑战。因此，寻找消除或减轻 CBCT 常见伪影的可行方法成为重要的研究方向。CBCT 常见的伪影问题包括散射伪影、金属伪影和运动伪影等1。为了解决这些问题，研究人员不断探索和优化 CBCT 参数设置、图像重建算法以及硬件设备和新技术的应用。尽管已经取得了一些进展，但消除或减轻 CBCT 常见伪影仍然是一个复杂的问题。本文旨在对消除或减轻 CBCT 常见伪影进行可行性探讨与研究，为未来在临床实践中提供更可靠的 CBCT 图像支持。1 CBCT工作原理CBCT 是一种医学影像技术，主要用于头颈部、口腔颌面部以及其他需要高分辨率三维图像的区域，其工作原理与传统的CT类似，CBCT的工作原理的简要概述如下1。1.1 锥形束发射CBCT 系统使用一个旋转的 X 射线源发射一束锥形的X射线束。与传统CT不同，CBCT的X射线束非常宽，覆盖整个感兴趣区域。1.2 平行探测器在旋转中心对面的位置，放置一个平行于 X 射线束的探测器阵列，包含大量探测器单元。这些探测器单元通过测量射线束经过物体后的衰减程度来记录 X 射线的强度。1.3 旋转扫描X 射线源和探测器阵列围绕感兴趣区域进行旋转扫描，通过多个角度的投影数据来获取完整的三维信息。一般完成一次扫描需要 20 60 s 不等。1.4 数据采集和重建探测器单元将获得的衰减数据传输给计算机，再经过复杂的算法进行重建处理。这些算法利用了数学模型和逆向投影等技术，将投影数据转换成高分辨率的三维 11综 述影像研究与医学应用 2024年1月 第8卷第1期 体素数据，并生成用于显示和分析的图像。2 CBCT常见的影像图像伪影的介绍2.1 伪影的定义可理解为在成像过程中出现的所有不同类型的非随机性干扰在图像上的表现。其体现的是被检查对象中本不存在的组织和病变。伪影的存在会严重妨碍观察种植体、正常牙齿及周围软组织的分辨。提升了临床医师对于评估周遭骨质缺如程度而行填补、根管填充治疗等需高精度、个性化评估治疗方案的难度2。3 运动模糊伪影3.1 形成机制和表现当球管在扫描及重建图像过程中，被照体发生主观或客观不受控的运动导致投影数据不一致而产生的伪影称运动伪影（motion blur），例如儿童和老年人大多存在着主观上的害怕和客观上的不受控，比如面部抽动和帕金森病的情况。对于口腔颌面部解剖较为精细的部位，则会导致牙列不清、下颌神经管关系模糊、根尖重影、特别是依靠 CBCT 来定位和观察的阻生齿等问题。极不利于临床诊断和后续治疗。3.2 减少运动模糊伪影的方法3.2.1 缩短检查时间减少伪影 检查前，不仅从主观上安抚情绪、采用控制运动的介入物品和药品以外，客观上也要提供操作技术上的支持。主要是以提高球管转速或更换较大宽度的探测器以降低图像质量和增加辐射剂量来增强时间分辨率，以此缩短扫描时间来减少运动伪影的产生3。大多数厂家研发的扫描设备都具有低剂量模式（ULD）通过降低毫安和图像质量来换取扫描速度的提升，以普兰梅卡出厂的 CBCT 为例，正常拍摄是电压 90 kV，电流 6.3 mA，时间 12 s，低剂量模式是电压 90 kV，电流4.1 mA，时间4 s，使检查时间缩短至正常模式的三分之一，极大限度地减少了运动模糊伪影的产生。这需要在检查时根据患者的适应证来决定取舍，并不能一概而论，要灵活地调整参数来达到质量和剂量的最优化4。3.2.2 运动数据追踪法 在 CBCT 检查过程中，要求患者对头部保持固定不动。但据统计，儿童和自主运动不受控的患者，其占比高达 10%5。即使细微的运动也会对重组后的 CBCT 图像带来较大影响。运动数据追踪的理论是指通过外部的设备进行运动追踪来获取患者整个检查过程的运动轨迹，然后利用数据恢复进行运动校正并重建图像。丹麦的 Spin-Neto 等6通过在 CBCT 装置中使用视频观察（VO）和三维头部跟踪（HT）检测机器人模拟头部运动的准确性。研究共模仿了人体头部运动吞咽、震颤和前后运动在内的共 6 种运动方式高达百次，其中 HT 正确检测所有动作，并以平均误差量化动作，证实了该方法的可行性。4 金属类伪影对临床诊疗过程中的影响4.1 金属类伪影影响概述CBCT 获取的图像除了直观的阅览外，利用设备自身所匹配的软件进行多种后处理，在颌面外科、整形、种植牙应用和治疗等方面也同样发挥着重要的辅诊作用。而金属物质产生的放射状伪影和暗黑带缺损可能会掩盖关键的解剖部位或者形成类骨折线及缺损，从而影响正常疾病的诊断。特别是相邻两颗牙都进行金属类修复或填充治疗时，伪影对轻微骨折线的影响更甚。口腔种植体按材料不同大抵可分为：金属、合金材料类；陶瓷材料类；碳素、高分子及复合材料等。其一，目前口腔种植体常用的材料主要是纯钛及钛合金，生物活性陶瓷和氧化锆等一些复合材料。这些植入物按治疗部位和方式又可分为骨内、骨膜下种植、根管内种植等7。由于口腔内相邻结构的重叠部分较多，金属伪影会减少种植体周围骨质结构的可视化，使植入或根管治疗及术前规划等效果大打折扣。其二，扫描获取的图像大多依靠厂家的后处理软件来进行更广泛的治疗和诊断。其辅助作用的基本原理是将扫描得到的原始图像精准识别出感兴趣区齿类、软组织、骨骼成分进行分割并将其转换成3D 模型。但如果受到了金属伪影的干扰则会阻碍正常解剖结构的识别，导致口腔内骨质和其他组织的正常分离，无法实现精准医疗和个性化治疗方案为临床服务8。其三，由于 CBCT 的口腔内成像高分辨性、善于发现齿周早期病变的特点，当临床初诊和常规线（例如DR）、根尖片无法确诊和评估时，CBCT 的独特优势便得到更好的体现。例如外伤导致的牙折、牙槽骨轻微骨折等、特别是对正常牙齿和种植体的舌颊侧和根尖分叉处的骨折及细小缺损的检出率较高。如果不能良好地规避和减少病变周围金属伪影的影响，特别是牙齿本身行缺损修补、根管填充治疗的骨折，其检出难度也会大幅提升。4.2 减少金属类伪影的调试方案曝光参数的设置：在 CBCT 过程中，影响图像整体质量、空间分辨率及金属伪影的主要参数有管电压、电流、体素和成像视野等参数因 X 射线束透过金属物质后光子发生衰减，使到达探测器的光子数量不足而产生优先沿着最大衰减方向的亮暗条纹（光子饥饿效应），基于该物理效应基础，想要减少或消除金属伪影的产生则需要较常规曝光参数更有针对性的条件。比如原子序数高的金属产生的伪影可能更强。Vasoncelos 等9在干燥且离体的下颌骨内用不同的管电压研究钛和氧化锆种植体金属伪影的产生程度。实验证明，增加管电压可有效减少两种材料种植体的金属伪影，并且氧化锆种植体比钛种植体产生更多的金属伪影。而管电流的提升会使图像内12 综 述影像研究与医学应用 2024年1月 第8卷第1期 每单位获得电子数增加，有利于进行过牙齿缺损修补、根管填充治疗后微骨折的检出，但对于高原子序数的物质例如锆，减少伪影的效果不理想。体素则是一个三维概念，其决定图像中的空间分辨率的高低，体素越小则空间分辨率越高，图像质量越好。而小视野产生的金属伪影数量要少于大视野。总结以上规律，在对不能进行摘除金属类植入物的患者进行检查时，可以适当增加管电压，稍微提高管电流并使用小体素和成像视野的曝光参数进行成像。4.3 去金属伪影的技术前瞻4.3.1 新型材料 正确的植入材料是整个口齿修复治疗环节获得成功的重要一步。本质是为了提高患者的生活质量，一劳永逸地代替旧齿进行正常的生活功能。所以去金属伪影最核心的是在其根源材料处做工作。高分子材料-聚醚醚酮（PEEK）作为一种性能优异的特种工程塑料，其具有耐化学品腐蚀、耐磨性、耐辐照性、绝缘性稳定等优点10。作为一种射线透射材料，极大限度地避免了进行 CBCT 扫描时产生的金属伪影，因其刚度与人体骨相当，且随着科技进步发展，有望改善其惰性生物活性和优化力学性能，此类材料的应用领域和发展前景亦是不可估量。4.3.2 能谱技术 其应用最早是适用于常规 CT 领域，基本概念为：球管发生的 X 线是持续性的混合能量射线，因物体对 X 线的吸收系数是指对各种不同能量 X线吸收的总效应。而能谱 CT 成像是以两种不同的能量进行扫描，从而获得从低能级到高能级各单一能级的单能谱图像，可以估算出图像中对比度、亮度的失真程度，利用算法加以修正，以此来减少金属伪影，且随着单能量的提升，金属伪影也会随之减少11。4.3.3 人工智能深度学习 随着科学技术不断发展和计算机功能的提升，结合 AI 进行深度学习（DL）技术俨然成为图像处理领域研究的热门话题。对去除金属伪影的研究大抵可分为有、无监督学习两方面。其中，有监督学习对去除金属伪影的实现价值较大，其本质可以简单总结为人们常说的分类法，通过已有的训练样本进行训练并得到一个最优模型，再利用这个模型将所有的输入映射为相应的输出，对输出进行简单的判断从而实现分类的目的并具有了对未知数据进行分类的能力。医学影像学利用成对的影像图像进行神经网络训练，将其映射于与之训练相近的临床场景。具体实施方法为利用卷积神经网络进行辅助，齐宏亮等12利用局部卷积进行搭建正弦图域，仅依赖于正弦图中未受射束硬化污染区域有效像素进行正弦图修复，排除了受污染区域中无效信息的干扰，在不同金属个数的局部视野牙科 CT 图像的实验中均取得了最大的 PSNR 和 SSIM 值，产生了最接近于金标准图像的结果。证明了所提方法的可行性。值得进一步深化研究。5 小结随着前沿技术的不断进步，AI 深度学习技术、运动补偿算法和新兴应用材料的逐渐成熟给 CBCT 的功能进步提供了强大的后备支持。除了依靠硬件设施减少各类伪影的产生以外，合理地调控成像参数，借鉴正确的理论知识，利用现有的设备来最大限度地减少伪影，保证图像质量，降低辐射剂量才是放射技师应该重视的关键点。综上所述，对 CBCT 消除和减少各类伪影的应用研究具有非常现实的意义。【参考文献】1 袁保锋，陈晗梅，李郑，等.CT 数据采集系统故障伪影常见原因分析及处理 J.中国医疗设备，2021，36(1):175-178.2 DE-AZEVEDO-VAZ S L,PEYNEAU P D,RAMIREZ-SOTELO L R,et al.Efficacy of a cone beam computed tomography metal artifact reduction algorithm for the detection of peri-implant fenestrations and dehiscencesJ.Oral Surg Oral Med Oral Pathol Oral Radiol,2016,121(5):550-556.3 王家柱，许来青，王照五，等.CBCT金属伪影产生规律研究分析J.中华老年口腔医学杂志，2016，14(4):230-236.4 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