CT数据采集系统故障伪影常见原因分析及处理
引言
CT图像伪影是指在成像过程中产生的与被扫描组织结构无关的异常影像[1]。这些异常影像降低了图像质量，甚至影响临床诊断[2]。CT数据采集系统（Data Acquisition System，DAS）作为CT主要组成部分，其故障或性能下降常常导致图像伪影的产生。以我院CT为例，在日常工作中常常遇到一些DAS故障伪影。其实只需要对DAS有所了解，识别各种数据采集故障伪影的特征，就可有针对性地进行排查，确定伪影来源及原因，采取有效矫正措施或更换相关故障器件，抑制或消除伪影。
1 DAS原理
1.1 DAS
狭义DAS包含探测器通道，多路转化器、模/数转换器(Analog/Digital Converter，A/D)及接口电路等[3]。探测器通道主要由前置放大器、对数放大器、积分器构成。广义的DAS包括探测器及DAS，探测器主要有两种：一种是固体探测器，由闪烁体及光电接受器组成，也叫闪烁探测器；另一种是气体探测器，可收集气体电离电荷，记录其产生的电压信号。CT DAS工作原理是：探测器将X射线能量转化为电信号,探测器通道将探测器输出的微弱电信号放大处理，转换成投影数据信号。再经A/D转为数字信号，由接口电路入计算机处理。另外DSA还接受来自参考探测器的信号。随着电子电路高度集成，DAS已与探测器集成为一个整体，CT中大多没有独立的DAS[3]。
1.2 DAS故障伪影表现
CT数据采集故障伪影在图像上一般表现为：定位像上一条或多条直线状伪影，粗细不一，密度或高或低或不均匀[4]。横断位上表现为以重建中心为圆心的单个圆环或多个同心圆环[5]，有时表现为圆弧，且密度与粗细与定位像上直线伪影基本一致[6]，一般环内外图像显示均正常[7]。环状伪影主要由于DAS对X射线不正常响应导致。引起这种响应不理想的原因有：探测器采集单元及探测器通道故障[8]、DAS的不稳定性[9]、数据采集单元的不一致性等[10]。
2 故障研究
2.1 DAS故障伪影
2.1.1 故障设备及伪影现象
故障设备为西门子64排螺旋CT Definition AS，定位像左侧出现直线低密度伪影，如图1a所示，横断位图像上出现低密度圆环伪影，如图1b所示，圆环内外图像正常，不是所有图像均有，伪影交替出现，位置相对固定。空气校准后重新扫描，伪影没有改善，空气扫描定位像上表现黑白相间的直线状伪影，横断位图像上黑白相间交替圆环形伪影。
图1 DAS故障伪影
注：a. 空气扫描定位像；b. 空气扫描横断位图像；c. 异常数据通道299；d. 故障Module位置。
2.1.2 分析及解决方案
伪影特点：定位像上条状伪影，横断位上圆环伪影，空气扫描表现为高信号；频发，位置在图像中基本固定；伪影交替出现；查看LOG文件没有明显报错提示。查看上次空气校准时间，距离上次校准仅仅3～4 h，非长时间不做空气校准所致。根据伪影形状及特征基本判断为DAS系统故障。
解决方案：进入设备维修界面，利用运行设备数据通道输出检测工具进行检测，发现通道299数据明显异常，如图1c所示，首先怀疑为DAS故障，因该机器DAS已与探测器集成为若干Module模块，通道299对应第19块Module，如图1d所示，将其更换到最边缘位置，校准后重新扫描，伪影位置伴随Module模块位置发生变化。确定Module模块故障，将故障Module模块放置在探测器最边缘位置，临时设置屏蔽故障通道，伪影暂时消失，保证机器暂时使用，订新的Module模块，更换后机器恢复正常。
2.2 探测器 表面异物伪影
2.2.1 故障设备及伪影现象
故障设备为西门子CT Definition AS，伪影如图2a所示，胸部扫描肺窗图像中间两条高密度圆弧伪影，不是封闭圆环，在软组织窗中表现不明显。交替出现。在图像中位置基本固定。扫描水模较低窗位时同样交替出现两圆弧伪影，空气校准后伪影没有改善。
图2 探测器表面异物伪影
注：a. 水模描圆弧状伪影；b. 异常数据通道523、503；c. 探测器表面异物伪影。
2.2.2 伪影分析与处理
伪影特点：圆弧伪影，密度不均匀；频发，位置固定，交替出现；LOG文件没有明显报错提示。伪影形状及特征与案例2.1相似，判断为DAS系统导致。
解决方案：首先进行空气校准，再扫描伪影没有明显改善。将水模原始数据导入重建计算机，重建图像无伪影出现，排除了重建系统软件故障。进入维修Service界面，利用运行设备自身探测器数据采集校验工具进行检测，发现通道503、523数据明显异常，如图2b所示，首先怀疑为通道板故障，将两个通道对应Module模块32、33更换到其他位置，校准后重新扫描，伪影位置没有变化，仅仅密度发生变化，排除该位置Module模块故障。打开机架，测量DAS电源电压均正常，排除DAS电源故障。排除过程中发现探测器表面上面两处残留造影剂，如图2c所示，至此原因得以明确，该伪影系探测器残留造影剂所致。用纯酒精将探测器表面造影剂擦除，然后校准设备，再次扫描，伪影消除。
2.3 参考探测器故障伪影
2.3.1 故障设备及伪影现象
故障设备为东芝64排螺旋CT Aquilion，横断位图像上多层同心圆环伪影，软组织窗上表现为两个低密度同心圆环伪影，如图3a所示，肺窗上表现为密集同心圆环伪影，如图3b所示，且圆环密度不均匀。圆环内图像密度整体变低，且不均匀。伪影位置固定，基本所有图像均有。空气校准后伪影没有明显改善。
2.3.2 伪影分析与处理
伪影特点有如下四点：多层同心圆环；位置在图像中固定，基本所有图像均出现；圆环内图像CT值降低；LOG文件没有明显报错提示。因圆环伪影且伴随圆环内图像CT值降低，且球管已曝光50万秒次，怀疑球管输出不稳定所致。
图3 参考探测器故障伪影
注：a. 肺窗密集圆环伪影；b. 软组织窗圆环伪影；c. 球管射线输出检测；d. 探测器通道输出数据检测。
解决方案：进入维修界面，利用运行设备自身输出检测工具进行检测，发现不同扫描条件球管射线量输出均正常，如图3c所示，基本可以排除球管故障，然后检测通道板故障，将异常数据对应的数据通道板更换到其他位置，校准后重新扫描，伪影没有变化，排除该位置数据通道板故障。检测DSA输出数据，发现部分输出数据异常，如图3d所示，DSA除了接受探测器采集单元的数据，另外还接受来自参考探测器的信号，因此怀疑参考探测器故障，更换新的参考探测器，校准后扫描伪影不再出现。
3 讨论
CTDAS伪影产生的主要原因如下：
（1）探测器单元故障。伪影一般表现为单个或多个细环伪影，与故障单元个数相对应。圆环密度均匀，环内外图像一般均正常，伪影位置及密度相对较固定。空气校准后伪影无改变，用设备自带探测器数据采集校验工具进行检测，可以发现坏的通道，然后排除通道板故障，可以确认探测器单元故障。处理方法是更换故障探测器单元。
（2）探测器通道板故障。通常是积分板故障或性能不稳定导致，一般表现为单个或多个圆环伪影[11]，如图1b所示，有时也会表现为圆弧。伪影密度可高可低或高低不均匀分布,伪影位置固定，密度可有变化[12]。进行空气校准后，伪影有时可以消除或能减轻，但一段时间后会再次出现。将坏的通道板更换位置时，伪影的位置随之改变。处理方法如案例2.1所述，一般临时处理方法是将故障通道板更换到探测器边缘位置，然后用软件屏蔽的坏通道，暂时消除或减轻伪影。最终需更换故障通道板。
（3）A/D转换板故障。因通常多块探测器通道板共用一块A/D转换板，因此A/D转换板故障时常表现为多环伪影，各个环等距分布[13]。如同探测器通道板，故障A/D转换板位置移动时，伪影随之移动。用机器自带探测器数据采集校验工具进行检测时可以发现坏的通道[14]。用软件查原始数据，可发现数据有规律的增高或减低。处理方法是更换坏的A/D转换板。
（4）探测器单元的不稳定性。伪影一般表现为环形或弧形伪影。探测器单元性能主要包括增益、热噪声、输入与输出之间的非线性以及不同程度的功能退化。随着温度和时间的变化，探测器单元中的电子热噪声也会变化、探测器的输入输出线形关系也退化，并且不同单元的退化程度不同。一般解决方法为每天空气校准一次，去除探测器单元的不稳定性，减少环境温度对探测器单元的影响。
（5）探测器内部响应不一致。探测器越做越宽，目前在Z轴方向的长度最宽达16 cm，而在X轴方向上的宽度只有1 mm左右。理想的探测器响应是射线无论射入探测器内部的什么位置，探测器的增益都相同。由于探测器老化，可能导致探测器响应随内部位置不同而改变。可产生显著的同心环形和弧形伪影。
（6）探测器表面异物。如案例2.2所述，表现为单个或多个圆环伪影，伪影粗细与异物所占探测器单元有关，与案例2.1伪影相似，区别是改变探测器单元或通道板位置，伪影位置及形状不会有改变。清除异物后即可恢复正常。
（7）氙压不足。出现在采用气体探测器CT上，图象质量下降，伴随多环伪影，环的密度和正常图像相差不大[15]。校准后环形伪影可消失。图象质量有所改变，但不久又出现环形伪影及图象质量继续下降。用软件查原始数据值全部降低，处理方法为补充氙气或更换探测器。目前CT基本采用闪烁探测器，该伪影基本不会出现。
（8）参考探测器故障伪影。探测器通道除了接受探测器的信号还接受参考探测器的信号，参考探测器故障时，伪影表现变化比较多，一般图像密度不均匀，图像常常变暗，可伴有圆环伪影，如案例2.3所述。
虽然DAS故障伪影通常表现为圆环或圆弧，不同部件故障产生的伪影仍有不同，比如采集单元故障一般圆环密度较均匀，而探测器通道积分板故障一般圆弧密度不均匀，且伪影密度可发生变化，A/D转换板故障一般产生多个等距圆环。因此只需识别各种数据采集故障伪影的特征，以及设备自带的检测工具来观察数据输出情况，进行针对性的排查，采取有效矫正措施。
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Common Causes Analysis and Trouble-shooting of Fault Artifacts in CT Data Acquisition System