CT伪影：根本原因与规避方法

CT伪影很常见，且原因复杂。掌握关于伪影的相关知识显得非常重要，因为它们会模仿病理学改变（例如部分容积伪影）或将图像质量降低到无法诊断的水平。

今天我们根据造成伪影的根本原因对CT伪影进行分类，并简要介绍部分伪影的规避方法。

基于患者的伪影

• 运动伪影

运动伪像是基于患者的伪像，在图像采集期间因患者的自主或非自主运动而发生。

误配准伪影，表现为模糊、条纹或阴影，是由CT扫描期间的患者移动引起的。影像学检查时，患者移动时也会出现模糊。

严重运动伪影的CT头颅检查

模拟双侧急性硬膜下血肿的伪影

骨窗和3D VR可以清楚地识别出患者运动，其中骨质重叠导致高密度的月牙，解释了明显的双侧硬脑膜下血肿假象。

如果患者自主移动，则患者可能需要固定或镇静以防止这种情况。

非自主运动，例如呼吸或心脏运动，可能会导致伪影，模仿周围结构的病理学改变。诸如心脏门控之类的技术可用于涉及纵隔的检查。或者使用双源CT的大螺距技术进行运动器官的检查。

• 暂时性造影剂中断（Transient interruption of contrast）

TIC是CT肺血管造影（CTPA）研究中常见的血流伪影。由于在深吸气时，从下腔静脉（IVC）到心脏右侧的不透明血流增加，因此肺动脉的强化不佳是。

由于腹腔内压力增加，TIC的发生在孕妇中更为普遍，而随着患者年龄的增加，这种现象变得越来越少。

胸部的增强轴位CT图像显示上腔静脉、升主动脉和降主动脉造影剂强化，而肺动脉主干相对未增强。

Magaya E . Case report: Transient interruption of contrast[J]. South African Radiographer, 2016.

尽管有关呼吸和屏气对图像质量重要性的争论在文献中有争议，但这种伪影通常归因于深吸气。尽管不同放射科的CTPA方案各不相同，但一种常见的方案是在上肢静脉注射造影剂，然后进行定时或由造影剂触发的呼吸指令以暂停呼吸。该指令旨在在正常潮气量期间执行。如果患者在屏住呼吸之前进行深呼吸（即吸气屏住呼吸，这通常用于常规胸部CT），胸腔内压会突然降低。胸内压降低增加了全身静脉回流，包括从下腔静脉到右心和随后的肺动脉的血液。

尽管使用了最佳的造影剂给药，但在CT肺动脉造影期间短暂的造影剂中断被认为是肺动脉造影剂增强不理想。血管强化的短暂中断可导致不确定的检查结果或被误解为肺栓塞。

扫描时间太晚而错过造影剂峰值的影像检查可以看到全身动脉系统中的造影剂强化减低，而不是静脉系统和肺动脉中的造影剂增强。

• 服装伪影

服装伪影，像珠宝伪影一样，是影像检查的常规特征，尤其是平片，但通常在放射技师拍摄图像时，或稍后由报告的放射学家识别它们是什么。放射技师通常会在患者脱下有问题的衣服后重新拍摄图像，或者更常见的情况是，他们会在图像上贴上警告，指出存在衣物伪影，以避免发生任何误解。

去除与感兴趣区域相对应的衣物非常重要，尤其是DR摄影，因为其具有更高的探测量子效率。

平片右侧肺门处纽扣导致的疑似肺结节伪影

基于物理的伪影

• 线束硬化

线束硬化是由混合能量组成的X射线束通过物体时发生的现象，导致低能光子的选择性衰减。这种效应在概念上类似于高通滤波器，因为只有更高能量的光子被留在光束中，因此平均光束能量增加（“硬化”）。

同样的现象也在CT中被利用，通过使用金属过滤器来“预硬化”X射线光谱并最小化低能光子（能谱纯化技术原理参见：能谱纯化技术的基本原理与临床应用）。

在CT中，来自高密度的物质（如骨或碘对比剂）的线束硬化可能导致特征性伪影。CT束硬化伪影有两种不同的表现：条纹（暗带）伪影和杯状突伪影。

• 条纹伪影

条纹伪影表现为位于两个致密物体之间的多条暗条纹带，例如位于后颅窝处。沿单个高衰减对象的长轴也可能出现条纹。这是多色X射线根据球管/探测器的旋转位置以不同速率“硬化”的结果。

后颅窝的线束硬化伪影“亨氏暗区”，左侧为校正前，右侧为校正后

Barrett J F , Keat N . Artifacts in CT: recognition and avoidance.[J]. Radiographics, 2004, 24(6):1679-1691.

条纹（暗带）伪影

• 杯状伪影

杯状伪影是指沿着物体边缘出现的一种假象。由于X射线束通过目标组织时“硬化”，因此在组织出口附近的平均光子能量会更高。由于组织对高能光子的衰减较小，因此与皮肤进入部位附近的相同组织相比，光束的衰减较小。如果在CT重建过程中不进行校正，这些预期衰减曲线的差异会导致外周致密的表现。

杯状伪影。在没有校准（a）和校准（b）的情况下，通过均匀水模型中心获得的CT值。

Barrett J F , Keat N . Artifacts in CT: recognition and avoidance.[J]. Radiographics, 2004, 24(6):1679-1691.

由于现代扫描仪内置了简单的线束硬化校正，因此在临床成像过程中通常不会遇到杯状伪影。CT数字的特征“杯状轮廓”在扫描模型时得到最好的显示。

左侧为杯状伪影，右侧为校正后图像

• 金属伪影/高密度异物伪影

金属假牙伪影及高密度造影剂引起的线束硬化伪影

假牙引起的后颅窝硬化线束伪影

大多数现代CT扫描仪都利用滤波器来克服线束硬化。通常，在X线束到达患者之前，使用衰减物质（通常是金属）使光束变硬。

CT扫描仪通常需要使用特定于供应商的模型进行校准，以克服不可避免的线束硬化伪影。

条纹伪影有时可以通过增加管电压（更好地穿透高密度物体）或使用双能量成像方法有效地减少。许多现代扫描仪现在也配备了金属伪影减少算法，利用迭代重建来限制波束硬化伪影。

金属伪影抑制技术可以减少许多不同类型的金属伪像，并且可以揭示新发现。（A）髋关节置换之间的暗条纹主要是由于线束硬化和散射所致。（B）“金属伪影抑制技术”图像更清楚地显示了左髋关节置换附近的积液。（C）围绕动脉瘤线圈的尖锐而细小的交替条纹主要是由于运动和欠采样所致。（D）金属伪影抑制技术图像显示线圈周围有出血。（E）胆囊切除术夹周围平滑起伏的条纹归因于风车伪影。（F）金属伪影抑制技术减少了这种伪影。

Boas F E , Fleischmann D . CT artifacts: causes and reduction techniques[J]. Imaging in Medicine, 2012, 4(2):229-240.

有时可以通过患者定位或倾斜机架避免扫描高密度骨骼区域。选择适当的扫描视野非常重要，以确保扫描仪使用正确的校准和线束硬化校正数据，在某些系统上，可以选择使用适当的蝶形过滤器。

• 部分容积效应

当吸收差异很大的组织被包裹在同一个CT体素上，产生与这些组织的平均值成比例的光束衰减时，就会出现部分容积伪影。

部分容积效应在CTA中尤其有问题（例如，将伪影引起的明显对比剂填充缺陷误诊为PE）。因此，如果伪影的影响可以忽略不计，建议使用薄片重建（1-1.5 mm）。

左：部分容积伪影的机制，当密集物体偏离中心部分突出到X射线束中时发生。（中，右） 三根直径12 mm的丙烯酸棒的CT图像，支撑在平行于扫描仪轴且距离扫描仪轴约15 cm的空气中。（中） 棒部分进入截面宽度获得的图像显示部分体积伪影。（右） 当棒完全进入截面宽度时获得的图像显示没有部分体积伪影。

Barrett J F , Keat N . Artifacts in CT: recognition and avoidance.[J]. Radiographics, 2004, 24(6):1679-1691.

部分容积效应  5mm与1.5mm比较 圆圈中病灶大小显示有差别

• 量子斑点（噪声）或光子饥饿

噪声不是所需信号的一部分，它存在于所有电子系统中，并且起源于包括电子干扰在内的多种来源。它在所有图像中均显示为不规则的颗粒状图案，并降低了图像信息的质量。根据严重程度，它可能不明显或使图像无法诊断。噪声不应与伪影相混淆，尽管噪声本身就是伪影，但伪影的随机性较小，并且在理论上应可重复。

量子斑点。（a） 颈椎的轴位和（b）冠状位CT图像显示，由于大的体型和光子饥饿，解剖清晰度较差，特别是在肩部。在这些图像中，由于低信噪比，量子噪声更加明显。

mAs降低导致的噪声

光子饥饿伪影

光子饥饿是一种基于物理的伪影，它出现在高衰减区域，特别是金属植入物后面。由于到达探测器的光子数量不足引起。因此，光子计数的统计变化成为图像对比度的主要来源。这会产生沿高衰减光束路径（如与金属物体相交的光束路径或穿过大量骨骼的光束路径）的条纹图像。

肥胖导致的噪声增加

在一些应用中，即低剂量CT协议中，由于光子饥饿而增加的噪声通常作为低患者辐射剂量和可接受的图像质量之间的权衡来遇到。通过自动管电流调制（增加mAs）和自适应滤波可以减少伪影。噪声或光子饥饿可以通过增加mAs或通过使用迭代重建技术来解决。

使用迭代重建可以降低光子饥饿伪影

• 欠采样伪影

CT中的混叠伪影，也称为欠采样伪影，是指在图像数字化过程中，模数转换器（ADC）的精度支持误差。

图像数字化有三个不同的步骤：扫描、采样和量化。

采样时，测量图像中每个像素的亮度，并通过光电倍增管，产生一个输出模拟信号，然后进行量化。

采集的样本越多，信号的表示就越准确，因此，如果出现采样不足的情况，计算机将处理不准确的图像，从而产生混叠伪影。

更多关于欠采样伪影的内容，参见：“太”爱干净产生的CT伪影丨欠采样伪影。

欠采样伪影

基于硬件的伪影

• 环形伪影

环形伪影是由于CT扫描仪中一个或多个探测器元件的校准错误或故障而发生的CT现象。较少的情况下，可能是由于探测器盖（detector cover）的辐射剂量不足或对比剂污染所致。它们出现在扫描的等中心附近，通常在同一位置的多个切片上可见。它们是头颅CT中常见的问题。

修正方法通常很简单：重新校准扫描仪，并告知转诊的临床医生，看起来令人担忧的环形阴影是伪影。有时，探测器元件需要更换。

环形伪影

环状伪影

环状伪影

• 球管放电伪影

当球管内短路时，通常从阴极到球管外壳发生放电。其结果是X射线输出暂时丧失和局部伪影。

球管放电的原因有很多：

1绝缘子表面闪络

2绝缘子击穿

3真空闪络

• 最常见

• 由于管内的颗粒杂质或气体

• 由于残余气体的存在，新球管更容易出现这种问题

少量的球管放电现象并不少见，现代扫描仪已经自动处理从最终图像中去除伪影。

球管放电引起的伪影

头部CT球管放电伪影在横轴位（A）和相应的冠状位影像（B）；大腿CT球管放电伪影在横轴位（C）和相应的冠状位影像（D）

Mithun S , Jha A K , Panchal K , et al. A rare cause of tube arcing artifact seen in computed tomography image of a positron emission tomography/computed tomography scanner[J]. Indian J Radiol Imaging, 2016, 26(1):153-155.

• 截断伪影 out of field artifact

截断伪影（也称为不完全投影伪影）是由于患者部分组织存在于CT扫描仪视野周边所致。

尽管人们普遍认为，但将物体移动到视野之外并不一定会产生新的伪影。现有的伪影（即泊松噪声或金属伪影）不会随视野而改变。FBP中的滤波器是非常局部的，这意味着远离视野的探测器测量对视野内像素的影响最小。

当被扫描的物体延伸到视野之外时，许多现代扫描仪在视野边缘产生明亮的像素。这实际上是由于FBP的次优实现，可以用更好的重建算法解决。

对于截断伪影的解决，需要依靠CT操作员确保患者的身体完全位于扫描区域内，或者根据要扫描的是头部，颈部还是胸部和身体，将上肢放置在扫描区域之外。

滤波后的反投影可以用比被扫描物体小的视场重建获得的图像。顶行显示视场，第二行显示正弦图，第三行显示过滤后的正弦图，底行显示过滤后的反投影重建。正弦图是投影数据的绘图（横轴是球管角，纵轴是探测器编号）。（A） 全视野。（B） 视野有限，视野外的正弦图设置为零。这会产生一个锐利的边缘，在滤波反投影中被滤波器放大，在重建场的边缘形成一个明亮的边缘。这似乎是许多现代CT扫描仪所做的。（C） 视野有限，用正弦图将视野外的值设为终点，以防间断。这避免了人造的亮边。在视场边缘仍然存在一个小的误差，可以使用更复杂的方法或扫描稍大的视场来减小误差。

• 气泡伪影

CT上的气泡伪影是由于X射线管周围的油冷却液中存在异常气体所致。这个伪影表现为轻微的低密度，这只在脑部扫描中被描述过。

CT扫描仪中的X射线管通过使用油作为冷却剂的热交换系统防止过热。系统中异常的空气/气体气泡微妙地改变了主X射线束的传输，使其衰减降低了3 HU。由于气泡在冷却剂中的运动，气泡的数量和精确位置可能会随着时间的推移而变化，因此当冷却剂循环和球管旋转时，X射线会发生波动衰减。因此，伪影的位置和严重程度也各不相同。由于对X射线束衰减的影响非常轻微，因此只有在使用窄窗口宽度时才能看到这种伪影，而实际应用仅限于CT脑部检查，主要是“脑卒中”窗值设置。

冷却系统里的气泡引起的伪影，类似脑水肿表现

冷却液油中可能会通过几种不同的机制产生气泡：

• CT保养/维修期间，例如换油/加满

• 管壳/换热器的完整性损失：设计为独立单元，与外部环境没有通信

• 由于系统中的蒸发，在油中自发形成气体，随着油管的老化，这种现象越来越普遍

使用模体扫描，窄窗观察到的伪影

通常放射科医生/放射技师很难意识到这种伪影的存在，因为在早期缺血和其他病变中，CT脑上真正细微的低密度非常常见。放射科医生或临床转诊者可能会变得可疑时，可以重复CT或MRI检查。

如果怀疑伪影可能存在，则需要联系供应商，由合格人员对扫描仪进行测试。维修工程师能够执行“气体检测测试”，以确定冷却液中有多少气泡。

现在有了新的扫描仪，可以读出油冷却液中气泡的数量，如果气体的数量达到预定的临界阈值，可以提醒扫描仪供应商。

解决问题需要工程师更换机油并处理系统中的任何潜在缺陷，例如管壳泄漏。

• 螺旋和多通道伪影

• 风车伪影

在CT成像中，风车伪影是螺旋多探测器采集过程中遇到的轴位平面上的图像失真。伪影的外观特征是从焦点高密度结构发散的等距离明亮条纹。在受影响的切片上来回滚动时，条纹似乎在旋转-因此得名。

风车伪影是由z平面中的数据采样不足引起，这是由于在机架每次旋转期间，多个探测器行与重建平面相交。随着螺旋螺距的增加，与相同图像平面相交的探测器行的数量也增加，从而导致条纹数量增加。因此，可以通过减小螺距或使用序列扫描技术来改善风车伪影。

风车伪影

• 阶梯伪影（stair step artifact）和斑马伪影（Zebra stripes）

类似风车伪影产生的机制，阶梯伪影（冠状或矢状位的锯齿）和斑马纹伪影（在冠状或矢状位图像中在外围出现或多或少的噪声的周期性条纹）。

（A）由于螺旋插值而产生的斑马伪像（交替显示高低噪声切片，箭头）。这些在视野周边范围内更为突出。（B）在螺旋和多排探测器CT中看到的阶梯状伪影（箭头）。这些在视野周边附近也更加突出。因此，重要的是将感兴趣的物体放置在视野中心附近。

Boas F E , Fleischmann D . CT artifacts: causes and reduction techniques[J]. Imaging in Medicine, 2012, 4(2):229-240.

在多排探测器CT中，投影平面（由X射线源和探测器行定义）与轴平面不完全平行（中心探测器行除外）。在最简单的2D FBP重建中，每排探测器的投影平面基于它们与旋转中心相交的位置分配给最接近的轴向平面。如果在轴向平面和投影平面之间的z方向上存在高对比度的边缘，则会产生条纹以及阶梯状的伪影。随着探测器排数的增加，这些影响变得更糟。可以使用自适应多平面重建（AMPR）减少这些伪影，该方法使用倾斜平面进行重建。锥束重建可以使用正确的多排探测器几何结构同时重建整个3D体积，也可以减少这种伪影，但速度要慢得多。

• 锥束效应

随着每次旋转获得的切片数的增加，光束将变为锥形而不是扇形。对于远离扫描仪中心轴的物体，这种宽圆锥体的光束发散可能会导致采样不足（以太少的角度收集数据）。这种基本的欠采样是锥形光束伪影的原因，它表现为物体的不规则变形。锥束伪影可以通过减小螺距或增加采样来减少。

请注意，一些研究将此问题列为与部分容积效应类似的问题，因为在探测器阵列的外围收集了较大的体积。这种解释是不正确的，这可以从以下几点看出：1）所有探测器元件的尺寸通常相同；2）光束发散意味着，尽管路径长度较大，但对于使用探测器边缘排采样的对象，采样的横截面积实际上较小。

锥束效应产生的原因示意图

使用模体演示锥束效应引起的物体变形

头颅模型使用20mm探测器宽度螺旋扫描（左）与使用60mm探测器宽度轴扫（右）的图像比较，可以看到锥束效应引起的图像质量下降。

Tang X , Krupinski E A , Xie H , et al. On the data acquisition, image reconstruction, cone beam artifacts, and their suppression in axial MDCT and CBCT – A review[J]. Medical Physics, 2018, 45(9).

16x1.5mm探测器的典型锥束伪影（左侧为锥束伪影，右侧为AMPR重建图像）

Ohnesorge, Bernd , Flohr, Thomas, Becker, Hans-Christoph, Knez, Andreas, Reiser, Maximilian. (2007). Multi-slice CT Technology. 10.1007/978-3-540-49546-8_3. 

由于硬件原因导致的伪影，原因复杂，且有些伪影表现相似。最好的解决方案还是联系厂家的工程师进行检修。

伪影有多种来源，并且可能在不同程度上降低CT图像的质量。现代CT扫描仪中包含的设计功能可最大程度地减少某些伪影，并且某些特征可以通过扫描仪软件进行部分纠正。但是，在许多情况下，仔细的患者定位和最佳的扫描参数选择是避免图像伪影的最重要因素。

2021年3月8日

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