双能谱与多角度扫描联合计算断层成像技术：金属伪影抑制的增强策略

《NDT & E International》：Combining dual energy and multi-positional computed tomography for enhanced metal artefact reduction

　　

金属伪影会损害X射线计算机断层扫描（CT）重建图像的分析质量。双能谱CT（DE-CT）能够减少束硬化伪影，但无法消除光子饥饿伪影。多角度CT（MP-CT）无法抑制在两个扫描中均存在的伪影。将多角度扫描与双能谱CT相结合，可显著提升金属伪影的抑制效果。

论文解读：双能谱与多角度CT联合策略用于增强金属伪影抑制

一、研究背景与问题提出

工业X射线计算机断层扫描（Computed Tomography, CT）是一种强大的无损检测成像技术，广泛应用于文化遗产保护、地质样本分析、电子部件检测以及航空航天和汽车零部件的缺陷检测等领域。然而，CT重建图像中普遍存在多种伪影，严重干扰了对扫描物体内部结构的分析。其中，金属伪影是最为棘手的问题之一，其成因复杂，主要包括：多色X射线谱和低能光子优先衰减导致的束硬化（beam hardening）伪影，表现为杯状伪影（cupping）和条状伪影（streaking）；当物体衰减过高导致光子饥饿（photon starvation）时，条状伪影进一步加剧；散射效应也会引起杯状、条状、阴影伪影及对比度损失。在由衰减系数差异显著的材料（尤其是金属）构成的多材料物体中，这些效应被显著放大。

为缓解金属伪影，研究者已发展出多种策略。扫描前可采用预滤过器减少束硬化，但会降低低衰减材料间的对比度；优化样本取向或复杂机器人轨迹需要预先了解样本几何和材料信息；扫描后方法包括正弦图修复（sinogram inpainting）、测量强度与透射路径长度关系的线性化，以及考虑多色X射线性质的基于模型的迭代重建算法，但后者增加了计算时间和复杂度。近年来，人工智能和机器学习方法在CT处理链中日益重要，但训练需要大量计算资源和标注数据，在工业CT场景中往往难以获得。

在非机器学习方法中，结合不同参数多次CT扫描的策略受到关注。双能谱CT（Dual Energy, DE）利用低能和高能X射线谱的测量组合，利用衰减系数的材料和能量依赖性来减少束硬化引起的杯状和条状伪影，但当物体局部衰减过高导致光子饥饿时，信息缺失，伪影仍会残留。多角度CT（Multi-Positional, MP）通过不同样本定位的多次扫描，在体数据域进行融合以改善退化体素，但无法消除两个体积中相同区域均存在的条状或杯状伪影。

二、研究目的与创新策略

本研究的核心目标是改善工业多材料物体分析中条状伪影和杯状伪影的校正效果。研究提出的创新策略是结合DE-CT和MP-CT的优势，以弥补各自方法的不足。具体而言，该策略使用两种不同的X射线谱，每种谱分别以两种不同的物体取向进行扫描，共获得四组数据集。融合这四组数据可以利用更多光谱和几何多样性信息，预期能全面提升图像质量。研究通过仿真和实际测量，定性和定量地评估了所提出的四扫描组合方案相较于传统DE或MP方法的优势。尽管四次扫描在时间和成本上固有地高于单次或两次扫描，但在其他手段无法回答紧急问题的场景下，这种代价是合理的。本文旨在提供概念验证，展示结合不同视角和X射线谱信息的优势。

三、关键技术与方法

研究主要采用以下关键技术方法：一是基于朗伯-比尔定律（Lambert-Beer law）的多色X射线谱透射模型，用于描述谱穿过物质后的透射谱和探测器测量强度；二是体数据融合方法，将不同扫描条件下获得的重建体积进行配准和融合，包括简单平均、质量加权或仅采用更优体积数据等策略；三是双能谱数据融合，在投影域进行线性组合以生成虚拟单色体积，或利用基材料分解（basis material decomposition）得到材料特异性投影；四是多角度数据融合，通过不同样本取向的扫描获取互补信息，在体数据域或投影域进行融合以抑制伪影。研究通过仿真数据和实际测量数据对所提出的四扫描融合方案进行了系统评估。

四、研究结果

4.1 仿真研究结果

通过仿真实验，研究人员系统地比较了单一DE、单一MP以及所提出的DE+MP联合策略对金属伪影的抑制效果。仿真结果表明，单独使用DE-CT能够有效减少束硬化引起的杯状和条状伪影，但在高衰减金属区域附近，由于光子饥饿导致的信息缺失，条状伪影仍然显著存在。单独使用MP-CT能够通过多角度信息的互补来改善特定方向的条状伪影，但对于在两个扫描中均出现的伪影区域则无能为力。相比之下，DE+MP联合策略充分利用了光谱和几何两方面的多样性信息，在仿真数据中展现出最优的伪影抑制效果，显著减少了条状伪影和杯状伪影，重建图像质量得到全面提升。

4.2 实验测量结果

在实际测量验证中，研究人员对包含金属部件的工业多材料样本进行了四种组合扫描。实验结果与仿真趋势一致：DE+MP联合方法在定性和定量指标上均优于单独使用DE或MP方法。定性分析显示，联合方法重建的图像中金属伪影明显减弱，物体内部结构特征更加清晰可辨。定量评估进一步证实了联合方法的优势，其伪影指数（artifacts index）显著降低，图像对比度和结构相似性指标均得到改善。这些结果表明，结合双能谱和多角度信息的四扫描融合方案能够有效克服单一方法的局限性，实现更优的金属伪影抑制效果。

五、讨论与结论

讨论部分指出，DE-CT方法在减少束硬化伪影方面具有优势，但当物体含有对可用谱来说衰减过高的部分时，光子饥饿导致信息缺失，伪影仍然存在。MP-CT方法能够利用不同取向扫描的互补信息改善条状伪影，但无法消除在两个扫描中相同区域均存在的伪影。本研究所提出的DE+MP联合策略，通过融合两种谱和两种取向的四组数据，同时利用了光谱多样性和几何多样性，有效弥补了两种方法的各自缺陷，实现了增强的金属伪影抑制效果。

研究结论表明，将多角度扫描与双能谱CT相结合，能够显著提升金属伪影的抑制能力，为工业CT中高衰减多材料物体的高质量成像提供了新的有效途径。尽管四次扫描方案在时间和成本上有所增加，但在关键应用场景中具有合理性。未来工作可聚焦于方法的加速策略，例如优化扫描参数或开发智能融合算法，以提升该方法的实用性和效率。本研究为工业CT金属伪影校正提供了概念验证，展示了结合不同视角和X射线谱信息的显著优势。