【XI区】从512到1024丨CT的矩阵越大越好吗？-器械之心

在 50 年的技术发展中，计算机断层扫描（CT）为诊断成像设定了新标准。快速显示最精细的解剖结构是 CT 的优势之一。在诊断成像的许多临床应用中，都需要亚毫米级的高空间分辨率，比如肺、颞骨、鼻窦、骨关节等等。高分辨率 CT（HRCT）或超高分辨率 CT（UHRCT）可以满足这一需求。

作为 CT 系统的主要支柱，X 射线管和 X 射线探测器的技术不断进步，逐步提高了空间分辨率的水平。焦点尺寸缩小到非常小的尺寸，HRCT 为 0.6 x 0.7 (IEC)，UHRCT 为 0.4 x 0.5 (IEC)。多家供应商推出了具有飞焦点功能的 X 射线管，除四分之一探测器偏移外，还能提高采样率。另一方面，三维反散射网格取代了二维版本。探测器像素尺寸减小，通道密度增加。可以选择在探测器前使用衰减梳状滤波器，以减小探测器孔径，即有效探测器像素尺寸。

除了通过技术进步实现出色的高空间分辨率能力外，当今的扫描仪还必须应对高分辨率成像中的其他苛刻挑战–如实现尽可能低的辐射剂量水平、提供高灵活性、提供高通用性和确保易用性等。特别是，临床工作流程在日常工作中越来越重要。近年来，1024矩阵被提到的越来越多，似乎成为CT的标配，甚至有设备宣称可以重建更高矩阵，如2048矩阵的图像。

那么，CT图像的矩阵是不是越大越好呢？

矩阵在高分辨率图像中的价值

高空间分辨率取决于 CT 成像的各种设置。虽然设备的硬件决定了空间分辨率的上限，但 CT 图像的实际分辨率通常由可供用户自由选择的参数控制。由于对空间分辨率和图像噪声水平的要求在很大程度上取决于临床病例，因此与使用相关的空间分辨率和图像噪声水平之间的权衡是一项基本功能。

控制主要通过选择重建卷积核来实现。可供选择的卷积核种类繁多：例如用于精细高对比度细节的骨卷积核、用于低对比度物体的平滑卷积核，以及用于某些临床应用（如定量成像）的专用卷积核。除了选择卷积核外，容积图像像素（体素）的大小也对图像分辨率起着重要作用。平面内尺寸由显示的视野（FoV）和重建矩阵的大小决定。重建矩阵是一个具有一定行列数的二维矩阵。通常情况下，它是行列数相等的正方形矩阵。在大多数 CT 扫描仪和临床应用中，重建矩阵固定为 512 x 512 像素（”512″）。有时也有更小或更大的矩阵，如 1024 x 1024 像素（”1024″）或 768 x 768 像素（”768″）。

当三个确定的参数–重建卷积核、FoV 和重建矩阵–不匹配时会发生什么情况？基于线对高分辨率模型（Catphan 600 的测试模块 CTP528，Phantom Laboratory，Salem，NY，USA）的三项实验证明了参数与感知空间分辨率之间的相互作用。

实验 1 比较了两幅 CT 图像（见图 1）；它们的矩阵大小不同（512 对 1024），但重建卷积核（Br64）和视野（300 毫米）的选择相同。为什么一幅图像比另一幅图像显示出更多细节？答案是 512 矩阵在这里所能显示的最大分辨率仅为 8.5 lp/cm。

这与应用卷积核 50%解析力（MTF）时的 10.1 lp/cm 相比是不够的。由于参数不匹配，结构细节丢失，而这些细节是成像硬件和所选重建卷积核所支持的。

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图 1：卷积核 Br64（50% MTF：10.1 lp/cm）、300 毫米视野和不同矩阵大小的线对高对比度分辨率模体截面图。512 矩阵的体素尺寸为 d = 300 mm / 512 = 0.59 mm，可显示的最大空间分辨率为 f_max= 8.5 lp/cm。对于 1024 矩阵，f_max =17 lp/cm。

实验 2 采用了类似的设置（见图 2），两幅 CT 图像再次基于相同卷积核选择，但选择的是更平滑的算法（Br40）。我们可以看到，两个重建结果没有显示出明显的差异。原因是卷积核的分辨率有限，50% MTF 时只有 4.0 lp/cm。这已经可以用 512 矩阵来正确表示。

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图 2：卷积核 Br40（50% MTF：4.0 lp/cm）、300 毫米视野和不同矩阵尺寸的线对高空间分辨率模体截面图。

在实验 3 中，两组图像重建进行了比较，它们再次共享相同的尖锐重建卷积核（Br64），但现在也具有相同的体素大小。因此使用了不同的视野：300 毫米 @ 1024 和 150 毫米 @ 512。两幅图像在重叠区域内没有明显差异（见图 3）。但在这里，1024 矩阵覆盖的区域是 512 矩阵的四倍。

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图 3：卷积核 Br64 的线对高分辨率模体截面图（50% MTF：10.1 lp/cm），相同体素大小基于不同的 FoV 和矩阵大小（150 毫米 @ 512 与 300 毫米 @ 1024）。

从这三个实验中可以得到哪些启示？

不匹配的参数选择会导致空间分辨率的损失。反之，矩阵尺寸越大，CT 图像的分辨率就越高，但并非在所有情况下都是如此。为了达到同样的效果，我们也可以调整视野，但在图像质量相同的情况下，更大的矩阵尺寸可以覆盖更大的视野。

因此，不再需要高分辨率成像中的相应变通方法，即用专用的较小视角增加更多的图像重建。但是我们必须明白，系统硬件仍然是 CT 成像最大分辨率的限制因素，而这无法通过引入更大的矩阵尺寸来改善。

为什么大矩阵不一定是最好的选择？

这三项实验表明，更大尺寸的矩阵要么在分辨率和覆盖范围上优于标准 512 矩阵，要么至少能保持其质量水平。既然有这样的潜在优势，为什么不在任何情况下都用最大矩阵，比如1024矩阵取代标准矩阵尺寸进行重建呢？

有光的地方就有阴影，上述优点与某些潜在缺点相抵消。例如，如果使用 1024 矩阵，相对于标准的 512 矩阵，CT 图像的大小会增加 4 倍。不过，假设只有 10% 的病例使用 1024 矩阵，40% 的病例使用 786 矩阵，而其他情况下使用标准的 512 矩阵，那么 PACS 和采集工作站所需的存储容量将增加76%，所需的图像存储容量将增加一倍。

另一个相关问题是，当使用 1024 矩阵时，重建工作量最多会增加 4 倍。但实际系数会更低，因为投影空间中的操作不受矩阵大小的影响。不过，重建工作量的明显增加是可以预见的，而且需要用相应的计算能力来抵消，以限制对临床工作流程的影响。

当参数选择导致视野大小与重建卷积核不匹配时，矩阵大小越大，空间分辨率越高。但图像噪声水平也会同时增加。在这种情况下，应检查之前的配置。这是否是有意为之，事实上是受限于标准矩阵尺寸？如果不是，那么显然可以调整重建卷积核，而不需要更大的矩阵尺寸及其之前提到的缺点。

最后，所有用于后处理和查看重建图像的应用程序都必须支持更大的矩阵尺寸。在应用 1024 矩阵之前，需要事先仔细检查受影响应用程序的兼容性。

总而言之：重建卷积核和视野必须根据临床需要来选择，而矩阵尺寸则需要足够大，以覆盖卷积核的空间分辨率，同时尽可能小，以限制对计算和存储资源的需求。此外，矩阵大小还必须得到相应的后处理和查看应用程序的支持。

所以你看，并不是1024一定是最好的选择。

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