如何提高X射线CT成像分辨率(一)

2022-12-02 12:22

如何提高X射线CT成像分辨率



    Aya Takase

当使用X射线CT、显微CT或其他任何成像技术,我们总是希望获得更高的分辨率。分辨率更高就更好,是这样的吗? 好吧,不完全是的。更棘手的事情是分辨率通常与其它同样重要的参数是相互矛盾或权衡的关系,比如数据收集时间或信噪比(SNR)。所以重要的问题不是“我们如何提高分辨率?”而是“我们如何优化分辨率?”。此外,为了获得最优分辨率,我们需要知道的是为了达到预计目标需要什么样的分辨率。



分辨率够高吗?


关于分辨率令人困惑的是大家可能对于分辨率的理解是不一致的。这不仅适用于X射线CT,也适用于任何分析技术。当有人问如下1-6类似问题中的分辨率是什么时,你可能就无法确定分辨率具体指的是什么。对于X射线CT,它可以是体素大小,探测器像素大小,空间分辨率,对不同密度的灵敏度,或尺寸分析的准确性。所以在这篇文章中,我将总结分辨率的不同定义及其对X射线CT分析的影响,重点是亚微米到微米观察范围,然后通过讨论回答以下问题介绍如何优化分辨率。图1 是日本理学的三款X射线CT仪器。


1. 什么是分辨率

2. X射线CT的分辨率极限是什么?

3. 为什么不是分辨率越高越好?

4. 我们如何获得最优的分辨率?

5. 我们怎么测量分辨率?

6. 什么是超高分辨率?


图1日本理学的三款X射线CT仪器

1. 什么是分辨率?

这是一个重要的问题。如果我们不知道它是什么,我们就无法优化它。根据NIST/SEMATECH电子统计方法手册,你可以这样说:“分辨率是测量系统检测并准确地表征测量结果特征中的微小变化的能力。换句话说,如果分辨率足够高,你就能看到它,如果分辨率太低,你就看不到它,不管你想要看到的“它”是什么。这听起来就是一个简单易懂的概念。

为什么这个问题如此复杂呢?其中一个原因是人们提到分辨率会想到很多不同的事物。正如我在开篇中提到,对于CT来说,分辨率包含很多情况。基于实际需求,我们把“它”定义为可以看到的非常小一些特性。在这种情况下,空间分辨率就是关键参数。例如,如果你要看到CFRP(碳纤维增强聚合物)中的单个纤维,碳纤维的直径(5-10um)是我们需要看到的最小的东西。空间分辨率需要高于5-10um才能看到这些纤维。如果你想做定量分析,如纤维取向分析,你就需要更高的分辨率,如1微米或亚微米的空间分辨率。我们稍后会讲到这个。

X射线成像中的空间分辨率是指高对比度物体之间可分辨的最小距离。注意此处假设观察对象具有高对比度,噪声水平也足够低。在数字成像中,空间分辨率来自两个组成部分:像素(或体素)分辨率和点扩散函数(PSF)。我们稍后将分析后者,但现在我们可以将其视为与图像的模糊度有关。

首先,让我们比较2D图像中的不同像素分辨率,见图2。这一概念可以推广到3D CT图像,用“体素”代替“像素”。下图对一个4.4mm直径的细节分别获得6×6、12×12和120×120 pixel的图像进行比较。分辨率为4mm/pixel的6x6像素图像只有一个像素来表示特征,这都无法检测到图像特征。分辨率为2 mm/pixel的12x12图像只有两个像素来表示特征,这可以探测到特征,但还不足以定量评估其大小和形状。120x120像素图像的像素大小为0.2mm/pixel,有22个像素来表示特征。这就有足够的分辨率来检测特征和量化其大小。

2不同像素分辨率下成像效果对比


现用图示说明了特征点尺寸、空间分辨率和像素分辨率之间关系。图示告诉我们像素尺寸是特征大小的一半或更小才能看到特征点的存在。在信息理论中,这个规则被称为Nyquist-Shannon(奈奎斯特-香农)采样定理。X射线CT的关键是体素分辨率至少要达到你希望成像的特征尺寸的一半或更小。

现在我们再谈一下点扩散函数(PSF)或模糊度这个概念。图3所有图片均是以0.2mm/pixel的分辨率拍摄成120x120 pixel。但是由于PSF值的不同,它们的模糊程度也不同。当PSF为35 pixel时,大于特征点大小,图像太模糊,你无法检测到特征。当PSF为20 pixel时,大致等于特征点大小,你可以看到特征在那里,但图像不清楚。当PSF为2 pixel时,大约是特征大小的1/10,你可以清楚地看到特征及其形状。

图3 不同PSF值对成像效果对比


PSF是描述成像系统对点源或点目标响应的一种方法。如果我们通过成像系统实现一个复杂的物体的成像,我们将观察到该物体和PSF的卷积效果。下图是PSF如何使观察物体变的模糊的图形说明




图4 PSF 对成像效果影响图示说明


现在我们知道空间分辨率是由像素(或体素)分辨率和PSF定义的。空间分辨率也受对比度、信噪比和伪影的影响,包括部分体积效应,这是另一篇文章会介绍的。现在让我们把这两个主要参数联系到X射线CT扫描仪的组件上,我们可以控制上述参数来优化分辨率。图5显示了影响空间分辨率的因素。


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图5 影响空间分辨率的因素

体素分辨率就是CT图像的体素大小。它被定义为探测器像素大小除以放大系数。你可以通过将体素切成小块来人为地缩小它,但这并不会增加空间分辨率。PSF稍微复杂一点。如图6所示,它受到X射线光源大小和漂移、探测器的PSF、闪烁计数器的PSF等因素的影响,如果系统有一个透镜,透镜系统的PSF也是会影响的。

图6 PSF示意图


X射线聚焦的机械对准、扫描旋转中心、探测器中心和探测器的倾斜都会影响PSF。扫描旋转轴的抖动会增加PSF。最后,如果样本在扫描过程中移动或形状改变,也会增加PSF。这些影响因素中有许多是由你所使用的CT扫描仪确定的,但是还有优化的空间。再接下来第3和第4节您可以了解如何优化分辨率。或者您可以花点时间研究X射线物理学,理论上x射线成像的分辨率能有多高?


后续内容更加精彩,敬请期待 ……



注:本内容源自日本理学官网www.rigaku.com >Let's Talk X-ray Imaging Blog>How to Improve the Resolution of X-Ray CT Images