多层螺旋CT原理及临床应用ppt课件

多层螺旋 CT基本原 理及 临床应用 1 课 程 内 容 多层螺旋 CT的技术原理 多层螺旋 CT的技术改进 单层螺旋与多层螺旋 CT的比较 多层螺旋 CT的优势 图像后处理技术简介 多层螺旋 CT的临床应用 2 1985年，滑环技术 1988年，螺旋 CT机 1992年，双层 CT机 1998年，四层 CT机 CT的进展 2000年， 8层 平板探测器 3 一、多层 CT的技术原理 n数据采集通道：数据采集通道数是决定 X线管球旋 转一周所能获得的图像层数，目前各厂家推出的 机型有 2通道、 4通道、 8通道、 16通道和 64通道 ，一次全周扫描可同时获得 2-64层图像。据有关 专家估计，随着技术水平的发展，制造成本进一 步降低，今后传统 CT甚至单层螺旋 CT将逐步被多 层螺旋 CT所取代，尤其是性价比有优势的双层螺 旋会更加普及。 4 n探测器 ： 多层螺旋 CT一般采用固体探测器 ，这种探测器稳定性好，余辉时间短， 光 电转换效率高， 能适应多层螺旋 CT高速度 扫描和连续接收 X线信息的要求。在探测器 结构上，多层螺旋 CT与单层螺旋 CT最大区 别是 Z轴方向探测器排数。单层螺旋 CT在 Z 轴方向为一排探测器，而多层螺旋 CT是由 多排探测器组成探测器阵列，因此有的文 献将此类型 CT亦称之为多排螺旋 CT。 5 6 7 n探测器类型： 目前已有的探测器组从形式上 可以粗略分为两类 : 即等宽型 (对称型 )及非 等宽型 (非对称型 )。 8 在探测器结构 的设计上， 4 8层螺旋 CT 各厂家采用了 不同的形式， 有等宽型及非 等宽型， 9 10 11 12 13 由于非等宽型探测器在层厚的选择方面较 灵活，且能更好地适应锥形线束采集与图 像重建，因此，在 16层螺旋 CT探测器的设 计上各厂家均采用非等宽型探测器组 图 1 16层螺旋 CT探测器阵列 16层螺旋 CT探测器阵列 14 n多层螺旋 CT的层厚： 探测器阵列 Z轴方向探测单元 的最小宽度决定所能获取的最薄层厚，也可根据探 测器的不同组合，得到多种不同层厚的图像。 图 2 GE16层螺旋 CT探测器结构图 160.625mm 161.25mm 160.625mm 161.25mm 图 3 飞利浦 /西门子 16层螺旋 CT探测器结构图 160.75mm 161.5mm 160.75mm 161.5mm 飞利浦 /西门子 16层 GE16层 15 在单排螺旋 CT中，层厚是由准直器的宽度 来决定。 多层螺旋 CT的层厚在等宽型是由 探测器单元厚度及探测器排的不同组合决 定，在非等宽型是由探测器或和准直器宽 度共同来决定。 通过电子开关控制探测器 工作，并通过探测器的组合完成每一层数 据采集，一般来说，通过探测器组合和所 选择的数据通道匹配， X线管球每 3600扫描 ， 可选择性地获得 1层， 2层， 4层，或者更 多层图像 (目前最多可达 64层 ) 16 非 等宽型探测器层面厚度的选择 17 多层螺旋 CT基本结构及原理 不同宽度 探测器组合 这种探测器设计最宽 5mm， 最窄 1mm， 通过探测器组合即可确 定层厚 18 根据探测器单元的尺寸及相邻单元组合， 可实现 0.5、 1.0、 1.25mm或 5、 10mm层 厚 选择。 以下图所示的 4层 16排等宽型探 测器阵列为例，它的最薄层厚为 1.25mm ，最厚层厚为 5mm， 当选择 1.25mm层厚 时，电子开关只使中间 4个探测器单元工 作，与此相似，通过两两组合， 4个探测 器单元组合可分别实现 2.5mm和 5mm层厚 数据采集 。 19 20 21 Two collimation modes: Collimation Modes Either the 16 innermost detector rows can be activated, which corresponds to 12 mm beam collimation, OR all 24 rows can be activated, which corresponds to 24 mm beam collimation. 1) 只开通中间 16 排探测器，准 直宽度 12mm 2) 24排探测器全 部开通，准直 宽度 24mm 22 16 X 0.75 mm 原始数据文件 16 个数据通道 12 mm 准直模式 准直宽度选择、通道数和层厚的关系 探测器与数据 通道一一对应 X-ray beam 23 16 个数据通道 Raw data file 16 X 1.5 mm 24 mm 准直模式 X线束 24 Raw data file 8X 3.0 mm 24 mm 准直模式 8 channels X线束 25 课 程 内 容 多层螺旋 CT的技术原理 多层螺旋 CT的技术改进 单层螺旋与多层螺旋 CT的比较 多层螺旋 CT的优势 图像后处理技术简介 多层螺旋 CT的临床应用 26 二、与多层螺旋 CT相关的其它技术改进 n数据插补及图像重建算法：由于探测器列数与宽 度增加，锥形线束投影所造成的几何学误差会进 一步增大，为此，发展了相应的多层采集锥形束 扫描重建算法。如为了对应采集平面的位相而采 用的倾斜成像平面采集算法 ； 螺旋滤过伴交叉校 准算法 ； 非线性插入重建算法 ； 一次采集 16层的 原始数据，然后作逐层二次重建算法等。这些新 的重建算法目标在于减少锥形线束伪影 ； 保证 Z轴 上的分辨力和保证采集速度 。 27 首先进行倾斜平面图像重建，然后再用一系列倾斜平 面图像进行插补，重建出标准轴位图像 28 nX线球管 nX线球管一般采用大功率、高热容量 的 X 线管，要求热容量一般在 6兆以上。 n飞焦点技术，增加信息量，提高图象质量。（西门子、皮克） n阳极接地，加大散热，延长连续曝光时间。（东芝） n采用航天散热涂料增加阳极散热率。（ GE公司） 29 电子束 阴极灯丝 X线球管一般采用大功率、高热容量的 X线管，要求热容量一般在 6兆以上。 30 31 32 多层螺旋 CT基本结构及原理 探测器排的设计 33 皮带机械传动技术 速度受限、精度不高 机械噪声大 影响图象质量 多层螺旋 CT的技术改进 3.驱动技术 34 电磁驱动或称直接 驱动（ Direct driving) 技术 提高旋转速度和 旋转精度 降低机械噪声、无 磨擦、无松紧度控 制 图象质量大大提高 多层螺旋 CT的技术改进 目前，几乎所有厂家生产的多层螺旋 CT都达到了 亚秒级，如 0.5、 0.75、 0.80s等，最低可达 0.42s 。 35 4.高压发生器 采用固态高压发生器，体积小，重量 轻，减轻机架负担，便于机架内部件 安排。 彻底杜绝了油浸高压发生器漏油的隐 患。 多层螺旋 CT的技术改进 36 n智能扫描技术：在保证影像质量的前提下 ，尽量减少不必要的 X线曝射量。 n智能滤过技术：根据扫描方案，采用智能 方式自动设置 X射线滤过，当增加 8mm铝 当量的钛滤过片时，在不降低图像锐度的 情况下可使 X射线剂量不仅不增加，反而 降低达一半，且图像噪声也下降。 n自动 mA调制。根据开始扫描后检测器反 馈的信息，自动调节 mA输出，以达最低 剂量的技术，可降低 15%左右的扫描剂量 。 37 n自动 mA设置。不再使用正位定位像，仅采用侧 位定位像来决定身体不同部位的扫描 mA值，包 括设法降低敏感器官的剂量，大约可降低 25%左 右的扫描剂量。 n可变速扫描和期相选择性曝光技术。二者均是用 于降低心脏扫描剂量的技术。可变速扫描技术是 根据病人的心动周期，特别是心律不齐者，调节 扫描速度的方式。期相选择性曝光则可在心电门 控下仅选择舒张期曝光，收缩期不曝光的节省剂 量的扫描方式，尤适于冠状动脉的观察。 38 n 全自动心电延迟算法扫描。设备可在心电门控状态下准确推算 出下一个 “R”波到达的时间，启动扫描，实现前瞻性心电门控扫 描。 扫描延迟时间 39 40 碳刷 信号传输技术： 在旋转过程中易产生 碳粉 增加图象噪音 旋转越快、碳粉越多、 图象噪音越大 多层螺旋 CT的技术改进 6.信号传输技术 41 射 频 雷达信号传输技术： 在旋转过程中无任何 粉尘 不增加图象噪音 传输速度快 图象质量高 多层螺旋 CT的技术改进 42 43 课 程 内 容 多层螺旋 CT的技术原理 多层螺旋 CT的技术改进 单层螺旋与多层螺旋 CT的比较 多层螺旋 CT的优势及临床应用扩展 图像后处理技术简介 多层螺旋 CT的临床应用 44 三、单层螺旋与多层螺旋 CT的比 较 单层螺旋 CT机： q薄扇形 X射线束 q单排探测器 q单一数据采集通道 q一个旋转周期仅得 一幅图象 45 1.多层螺旋 CT机特点 ： q锥形 X射线束 q多排探测器 q多路数据采集通道 q每一个旋转周期可 得多幅图象 46 2.螺距概念的差异 对单 螺旋 CT， 螺距由下式来定义： 在多层螺旋刚出来的时候，对螺距的定义较为 混乱，各厂家及文献报道不一致，有两种表述 方式： 式中 SC是 section collimation的缩写 47 为了避免螺距解释上的混乱，国际电工委 员会 (IEC)的规定，多层螺旋 CT螺距的概念 仍以单层层厚与进床速度之比为依据。故 对多层螺旋 CT， 螺距则由下式来定义： 48 课 程 内 容 多层螺旋 CT的技术原理 多层螺旋 CT的技术改进 单层螺旋与多层螺旋 CT的比较 多层螺旋 CT的优势及临床应用扩展 图像后处理技术简介 多层螺旋 CT的临床应用 49 一、多层螺旋 CT的技术优势 多 扫描层数多，覆盖范围长。 快 扫描速度快，时间分辨率高。 好 扫描切层更薄，空间分辨率高，图象 质量好。 省 提高射线利用率，节约球管。 50 n扫描层数多，覆盖范围广 ： 在相同的扫描 参数（层厚、时间、螺距），覆盖范围进 一步扩大。 探 测 器 选择 准直 宽 度 覆盖范 围 （ mm） 10 sec scan time 20 sec scan time 20.5 1mm 20 40 41 4mm 80 160 42.5 10mm 200 400 45.0 20mm 400 800 16 0.75 12mm 290 570 161.5 24mm 580 1160 162 32mm 760 1520 51 以 4层 螺旋 CT为例，在同样的层厚、扫描时间、螺距的情况下， 覆盖范围是单层的 8倍 52 Gantry rotation time 1s 0.5 s 0.42 s Single 1 Dual 2 4 Quad 4 8 8 8 16 16 16 32 38 随着探测器通道数增加（扫描层数增加），全 周扫描时间的减少，每秒成像层数成倍增加。 53 n时间分辨率高 ： 由于实现了全周扫描小于 0.5秒，扫 描速度明显提高，总扫描时间缩短，病人闭气时间大 大缩短，胸腹部扫描几乎没有运动伪影， 54 3.扫描切层更薄，空间分辨率高 目前多层螺旋 CT Z轴的分辨率在 0.5- 0.75mm， 使成像体素成为一个立方体， 实现了真正的各向同性成像， 各向同性体 素的最大优点在于使多平面法（ MPR） 重 建出的图像，具有轴位图像一样的空间分 辨率，三维图像（ SSD、 MIP、 VR） 更加 平滑细腻，基本上消除了阶梯状伪影，有 利于显示冠状动脉及其细小分支。 55 对 16层螺旋 CT而言，由于扫描层厚很薄，当采用 5122 的矩阵及适当的 FOV扫描时，即可实现各向同性体素 采集。如东芝公司的 16层螺旋 CT最薄层厚是 0.5mm， 当 FOV采用 250mm， 其各向同性体素约为 0.50.50.5mm3； GE公司的 16层螺旋 CT最薄层厚为 0.625mm， 在采用 FOV为 320mm扫描时，其各向同性 体素约为 0.6250.6250.625mm3； 飞利浦 /西门子公司 的 16层螺旋 CT最薄层厚为 0.75mm， 采用 FOV为 380mm扫描时，其各向同性体素约为 0.750.750.75mm3。 56 各向 同性 体素 薄层厚扫描使成像体素具有各向同性的特 性，有利于影像数据的特殊重建，如： 1) 多平面重建图像与原始二维轴位像具有同 样的空间分辨率 . 2) 3D重建（ volume rendering, maximum intensity projections等）具有高精确的空 间细节，完全消除了阶梯状伪影。 左肾静脉 (扫描层厚 1mm) 左肾动脉 57 二、临床应用扩展 n在高危人群普查 n肺癌普查：长期以来，对肺癌的普查一直采用 X线平 片，近年来的研究证实胸部平片正位观察时，将有 20%25%的肺野被遮蔽 ; 侧位观察时会有 15% 20% 的肺野被遮蔽。多层面螺旋 CT(4层 16层 )可实现低 剂量扫描，国内外的研究已证实，可用 2030mA的 条件可获得与传统高 mA条件相同的疾病信息，并且 可根据需要作横断、冠状、矢状及其他需要的层面 的薄层重建，消除了平片检查中的盲区。 58 n结肠癌普查： 借鉴于肺癌 CT普查的原理，低剂量普查 已经推广到结肠癌的筛选领域，除了可应用透明化与 仿真导航内窥镜技术观察肠腔外，还可在可疑的节段 使管腔内、外 (含管壁 )结构的结合显示 。 59 nCT灌注技术的扩展：包括脑灌注和肿瘤灌 注。常规的 CT增强检查显示的是肿瘤血管 结构的特征 （ 在脑内还有血脑屏障的完整 性 ） ，这对于判断肿瘤的性质和复发与否 的准确性是不够的。 CT灌注技术还可通过 显示的各种参数 （ 而不仅是形态学信息 ） 更详细地反映肿瘤实质的结构特征，是提 高肿瘤诊断准确性与特异性的一个新的方 法。 60 其基本原理是在 CT动态图像的基础上，分 析并计算脑血流动力学的有关参数，包括 脑血流量 (cerebral blood flow, CBF)、 脑 血容量 (cerebral blood volume, CBV)、 平 均通过时间 (mean transit time, MTT)和峰 值时间 (time to peak, TTP)等。最后，根 据色阶分别形成脑血流量图 (map of CBF) 、 脑血容量图 (map of CBV)、 平均通过时 间图 (map of MTT)和峰值时间图 (map of TTP)。 61 多层螺旋 CT的临床应用 -急性中风脑缺血灌注成像 62 多层螺旋 CT的临床应用 -急性中风脑缺血灌注成像 63 n心脏的 CT检查：目前已推出的 16层 CT设备用于 心脏扫描的时间已分别可达到 105ms、 85ms和 65ms， 已经接近或优于电子束 CT的扫描时间（ 50ms或 100ms）， 因而对冠状动脉和心腔、瓣膜 等结构的显示已经接近或达到了电子束 CT的水平 。由于时间分辨力的提高，多层螺旋 CT还可动态 显示人工心脏瓣膜的开、闭及其功能状况。下一 步将实现心脏功能性检查，如心肌灌注与心肌应 力性灌注、心肌血流贮备测定等。 64 现已证实，尚未完全钙化的粥样硬化软斑 块是更危险的因素。多层面螺旋 CT经重组 处理后是显示冠状动脉软斑块的唯一方法 。 8层、 16层 CT设备已可分辨 0.16mm大小 的软斑块。 65 66 nCT血管成像： CTA的功能已显示可实现血管内 血流容积测量 ； 对于血管内支架置入前、后的检 查可实现二维与三维分析，能更真实地显示血管 内腔及支架置入后的形态学信息。 67 q扫描速度提高，覆盖范围扩大，使外周血管 的显示，特别是末梢的细微血管的显示成为 可能， CTA也成为 一个越来越显优势的无创 性技术。 68 n表面渗透成像：系一种新的信息显示的技 术。常规的 CT增强检查显示的是组织或病 变的血管结构内对比剂的流入与廓清信息 ，表面渗透成像采用延迟扫描的方法，对 照不同时相的影像，反映对比剂在组织或 病变的表面渗出状况，尚处于开发阶段。 69 近二十年来， CT一 直试图挑战传统的静 脉尿路造影，但由于 二维断面图像不能显 示泌尿系全貌，随着 多层螺旋 CT空间分 辨率提高，已可重建 出相当于常规泌尿系 造影的图像，克服了 IVU密度分辨率低的 缺陷。 6. CT泌尿系成像（ MDCT urography） 70 71 假阳性分数 真阳性分数 从 ROC曲 线可看出 CTU的敏 感性要高 于 IVU， 统计学上 没有明显 差异，但 CTU病人 更容易接 受 72 n 最佳时相成像： 时相是指在 CT增强扫描中采集到的影像所对 应的对比剂在兴趣结构通过的期相，传统上是以动脉期、实 质期和静脉期为标志。由于多层螺旋 CT采集的速度越来越快 ，即时间分辨力越来越高，采集到的图像可分辨的期相也相 应更加细腻，客观上增加了对很多病变识别的能力。 73 多层螺旋 CT的临床应用 双期血管成像 不同期相扫描，分别显示出了肝动脉和门静脉 74 75 课 程 内 容 多层螺旋 CT的技术原理 多层螺旋 CT的技术改进 单层螺旋与多层螺旋 CT的比较 多层螺旋 CT的优势及临床应用扩展 图像后处理技术简介 多层螺旋 CT的临床应用举例 76 (2003-04-03)香港文汇报以 “ 中國可視人三 年製成 ”为题报道了 第三軍醫大學完成中國首 套數字化可視 人體（ Chinese digitized visible human） 的研制，並向海內外公佈了中國 可視人數據集。 据称 “這項成果為中國乃至整個東方人種提供 了一部目前最系統、最完整、最細緻的人體 結構基本數據和圖像資料，它也使中國成為 世界上繼美國、韓國之後第三個擁有本國可 視化人體數據集的國家。 ” 77 可視人研究的世界三巨頭：美國科羅拉多大學斯皮玆教授（右 ）、韓國亞洲大學鄭民錫教授（左）、中國第三軍醫大學張紹祥教 授 78 計算機銀屏上的中國可視人脈胳清晰 、層次分明 。 79 传统二维断层图像，缺乏立体和直观感，要准确 地确定病灶的空间位置、大小、几何形状以及与 周围组织之间的空间关系，仅凭医生在他头脑中 进行重建是十分困难的。随着计算机软硬件技术 、图像处理技术、计算机视觉技术、人机交互技 术等的发展，我们可以利用螺旋 CT提供的容积 扫描数据，或系列二维断层图像重建出三维立体 图像，为疾病诊断提供更多的信息。 80 q通过断层间的轮廓线拟合表面（切片级重 建）； q直接从三维体数据生成等值面； q不构造表面，对每个体素赋予颜色和阻光 度进行直接体绘制（ Direct volume rendering）。 一、基于 CT等断层图像的三维重建方法 81 n切片级重建是通过一组相互平行的轮廓 图像重建出目标器官的立体图像。通俗 的讲就是将一组连续的断层图像堆砌起 来，通过轮廓对应、轮廓拼接，用多边 形或者三角片连接不同层上的对应轮廓 ，拟合出物体表面，完成目标器官的三 维图像重建。 在切片级重建中，由于约束不足，存在很大的随 意性，特别是当断层厚度较大时，轮廓对应和拼 接以及对分叉情况的处理都是难以解决的问题。 螺旋 CT扫描由于数据为容积数据，扫描的层厚也 较薄，已较少采用切片级方法进行三维重建。 82 n直接从三维体数据生成等值面，把体数据 看成是某个空间区域内关于某种物理属性 的采样集合，非采样点上的值以其邻近采 样点上的采样值的插值来估计，则该空间 区域内所有具有某一个相同值的点的集合 将定义一个或多个曲面，称之为等值面。 因为不同的物质具有不同的物理属性，因 此可以选取适当的值（阈值）定义等值面 ，该等值面即代表某种物体的表面。 83 CT扫描获得的人体内部的 组断层图像， 不同的灰度值代表不同的器官和生物组织 ，通过选取适当的灰度 值（ CT值），即可 提取出相应的器官或组织的等值面，然后 用三角面片拟合出器官或组织的表面。基 本过程如图所示。 断层 图像 序列 重构 三维体 数据 图像 分割 确定阈 值提取 等值面 真实 感曲面 显示 84 n直接体积重建及三维显示 是直接研究光线 通过体数据场与体素的相互关系，无需构 造中间面，体素的许多细节信息得以保留 ，结果的保真性大为提高。 在直接体绘制过程中，由于数据场中所 有体数据都参与图像生成，需要处理的数 据量大，绘制时间长，对计算机硬件要求 较高，使其在医学图像处理中的应用进展 较为缓慢。 85 随着计算机硬件技术提高，价格不断下降 ，利用直接体绘制法进行医学图像处理的 条件已经成熟，目前已有利用各种算法编 制的软件包出售，临床应用研究也取得了 较大的进展，现有文献表明，直接体绘制 技术在显示三维数据场的精细结构方面优 于其它三维重建技术，因此，越来越受到 人们的重视。 86 4.CT三维重建方法 随着螺旋 CT的临床应用，基于切片级的三维重建 在 CT图像后处理中应用很少。 临床实践中常用的三维重建方法主要是基于面绘 制和直接体绘制原理，它们分别是表面遮盖法重 建 （ surface shaded display， SSD）、 最大密度投 影 （ Maximum Intensity Projection， MIP）、 容积 重建技术（ volume rendering， VRT） 及多平面重 建（ multiplanar reconstructions， MPR） 和曲面重 建（ curved planar reformation， CPR） 严格的说 MPR、 CPR应该属于二维重建，但由于 它也是图像后处理的内容，人们习惯上仍称为三 维重建。 87 88 89 二、医学图象三维重建技术的临床价 值 n提供器官和组织的三维结构信息，使医生对病情 做出正确的判断 n进行手术规划和手术过程模拟，提高手术的可靠 性和安全性 n根据三维重建及手术仿真所得到的人体器官的几 何描述，医学专家尤其是骨科大夫可利用计算机 辅助制造系统（ CAM） 自动加工人体器官（如 假肢） n作为医学研究和教学的工具 n结构分析以及关于各种器官和组织的温度、应力 的有限元分析 n人体血液或体液的动态分析。 90 91 课 程 内 容 多层螺旋 CT的技术原理 多层螺旋 CT的技术改进 单层螺旋与多层螺旋 CT的比较 多层螺旋 CT的优势及临床应用扩展 图像后处理技术简介 多层螺旋 CT的临床应用举例 92 多层螺旋 CT的临床应用 轴 位示右冠 钙化，左前降支钙化 93 多层螺旋 CT的临床应用 上颌窦矢状面及冠状面 MPR重 建 轴位 扫描，冠状及矢状 位 MPR重建，特别适合 那些体位不能配合的患 者 94 多层螺旋 CT的临床 应用可通过改变层厚及层距作回顾性重建，提高影 像分辨率，便于观察病变细节及与周围组织的 关系。 95 多层螺旋 CT的临床 应用 内耳冠 状面 MPR重 建 技术参数： 层厚： 0.5mm 有效层厚： 0.55mm 螺距： 0.75 焦点： small KVp: 140 mAs: 225 时间： 1s 总扫描时间： 40s 重建层距： 0.2mm 1.卵圆孔 2.面神经段 3.砧骨 4.鼓室板 5.外侧半规管 6.上半规管 7.前庭 8.耳窝基底 *内听道 96 多层螺旋 CT的临床应用 内耳 SSD重建 97 多层螺旋 CT的临床应用 内耳 SSD重建 98 多层螺旋 CT的临床应用 内耳 SSD重建 99 100 多层螺旋 CT的临床应 用 腹部冠状及矢状面 MPR重 建（多平面重建） 101 多层螺旋 CT的临床应用 CT 血管造影（ CTA） 102 多层螺旋 CT的临床应用 CT 血管造影 （ CTA ） 103 多层螺旋 CT的临床应用 CTA 左侧颈内动脉严重狭窄 104 多层螺旋 CT的临床 应用 CTA 高血压，肾动脉狭窄，术前 血管造影未见异常 105 多层螺旋 CT的临床应 用 CTA CTA显示右肾双动脉 106 扫描速度快，运动伪影