X-CT成像技术ppt课件

第四章第四章 X-CT 成像技术成像技术 X-ray Computed Tomography Imaging 1 一、一、 CT 成成 像设备像设备 1. CT 成像系统发展概况 1917 年波希米 亚 数学家 Radon 提出了 图 像重建的数 学方法 1963 年美国物理学家 Cormark 提出用 X 线 投影数据 重建 图 像的数学方法 1971 年 10 月英国工程 师 Hounsfield 设计 成功第一台 颅脑 CT 机 （ EMI公司） 1972 年 应 用于 临 床 1974 年，美国工程 师 Ledley 设计 出全身 CT 机 Hounsfield 和 Cormark 获 得了 1979 年度 诺贝 尔 医学 生理学 奖 Hounsfield 于 2004 年 8月 12日在英国逝世，享年 84 岁 2 CT 影像设备可应用于许多领域，如： 应用在工业上可以进行无损检测； 应用在农业上可以测量树木的年轮、虫蛀或含水 情况； 应用在地球物理方面可以进行地球资源的勘探、 地震的预测以及地质结构的确定等。 在医学上，目前的 CT 影像设备几乎可以应用于 人体各个部位的检查，在临床疾病的诊断和治疗 中发挥越来越重要的作用。 3 2. CT 的基本构造的基本构造 （ 1） 扫 描系 统 a. 扫 描机架： b. X 线 管： c. 高 压发 生器 d. 准直器：前准直器 -确定 层 厚；减小半影；降低 辐 射 剂 量。 后准直器 -减少散射 线 e. 探 测 器：接收透 过 X 线 并将它 变 成相 应电 信号的装置 气体探 测 器：氙气 电 离室 固体探 测 器 ：碘化 铯 、 钨 酸 钙 、陶瓷材料 固 态 稀土陶瓷探 测 器 -吸收 X 线 效率 99；余 晖 少 f. 滤过 器：吸收低能射 线 ；减少散射 线 ；降低 辐 射 剂 量 g. A/D 转换 器 h. 检查 床 4 （ 2）操作台）操作台 （ 3）其它 设备 ： 存 储 介 质 、激光打印机、自 动 洗片机 、高 压 注射器 （ 4） 计 算机硬件系 统 ： 高速 CPU、大内存、高档 显 卡 （ 5） 计 算机 软 件系 统 ： a. 系 统软 件： 专 用 OS、 Unix、 Linux、 Windows 等 OS b. 基本功能 软 件： 扫 描、照相、存 储 、清 盘 、 图 像 处 理、故障 诊 断 c. 特殊功能 软 件：特殊 扫 描、三 维 重建、冠脉成像、灌 注成像 5 3. CT 影像设备主要性能指标 （ 1） X 线球管的热容量与散热率 热容量的单位 MHU， X 线球管的热容量越大， 表示可承受的工作电流越大，连续工作的时间也 越长； 散热率的单位是 kHU，散热率越高，说明 X 线球 管的性能越好。 6 （ 2） 探测器的数量 探测器是位于 X 线球管和计算机系统之间重 要的数据检测部件。一般来说，探测器的数量越多 ，采集到的扫描数据就越多，可提高 X 射线的利 用率，相应的缩短扫描时间和提高图像的质量。 7 （ 3） 扫 描 时间 、重建 时间 和周期 时间 扫描时间 是指 X 线球管以一定的层厚围绕人体旋 转扫描一周（ 360）所需要的时间。扫描时间取 决于 X 线球管旋转的速度与能力，以往的 CT 扫 描时间为 1s、 2s、 3s 或更长，现在已实现了亚秒 扫描。 重建时间 是指计算机的阵列处理器将 CT 扫描的 原始数据重建成图像所需要的时间。目前，由于 计算机功能的异常强大， CT 图像的重建速度有了 大幅度提升，如先进的 1 6 排 MSCT 能够在 1 秒 重建出 12 幅 512512 的图像。 8 （ 4） 矩阵 矩阵（ matrix）是数字图像的格式，矩阵的大小 直接决定了 CT 图像像素的大小与分辨率，矩阵 与像素大小的关系： 像素（ mm） = 扫描野（ FOV） mm / 矩阵 矩阵包括 重建矩阵 和 显示矩阵 。早期 CT 机的矩 阵较小，一般为 256256， 320320 等；目前的 CT 机的矩阵增加到 512512， 10241024；还有 的 CT 机的重建矩阵为 512512，而显示矩阵为 10241024，对于显示的 CT 图像而言，其矩阵的 大小不能小于重建矩阵。 9 （ 5）高对比度分辨力（ high contrast resolution） 也称 空间分辨力（ spatial resolution） 是指在 CT 图像中可辨认的相邻物体空间几何尺寸的最小限 度，即对影像细微结构的分辨能力。 高对比度分辨力有两种表示方法，即每厘米 包含多少线对数（ Lp/cm）或毫米线径（ mm）。 以往的 CT 机的高对比度分辨力一般在 10 Lp/cm 左右，目前的最先进的多层螺旋 CT 机分辨力可 达到 24 Lp/cm或更高。 10 （ 6） 低 对 比度分辨力（ low contrast resolution） 又称密度分辨力（ density resolution） 是指在低 对 比情况下， 图 像中能 够 区分物体密度的微小差 别 的能力，用百分数（ % ）表示。影响因素有探 测 器灵敏度和采集 层 厚等。 CT 图 像的密度分辨力明 显 高于 X 线图 像， 一般比 X 线图 像高 10 20 倍， 这 是 CT 机性能 的 标 志性 优 点之一。 11 （ 7） 时间分辨率（时间分辨率（ temporal resolution） 是指影像设备在单位时间内采集图像的帧数。 该性能指标与 CT 机对每帧图像的采集时间、重建 时间以及连续成像的能力有关。 12 （ 8）其他性能指 标 及概念 伪影、噪声、体素与像素、重建与重组、 CT 值 、 窗口技 术 、部分容 积 效 应 等。 重建与重 组 （ reconstruction and reformation） CT 图 像的重建与重 组实际 上不是同一个概念。重 建是指原始 CT 扫 描得到的数据 经过计 算机采用特 定的算法 进 行 处 理，最后得到能用于 诊 断的一幅 图 像， 这 一 处 理方法或 过 程称 为 重建；而重 组 是不涉 及原始数据 处 理的一种 图 像 处 理方法。 13 CT 值 ： 是 CT 图 像中各种 组织 与 X 线 吸收系数 （ 值 ）相当的 对应值 ，它是从人体 组织 器官的 值换 算出来的。 CT 值 =-w /w a ， 其中 和 w 分 别为 受 检 物和水的吸收系数（骨 皮 质 吸收系数 为 2.0，空气吸收系数 为 0，水的吸 收系数 为 1.0）， a 为 分度因数。一般将人体 组织 CT 值 划分 为 2000 个 单 位（ HU），最上界 为 骨 +1000HU，最下界 为 空气 -1000Hu，水的理想 CT 值为 0。 CT 值 不是 绝对 不 变 的数 值 ，与 X 线 管 电压 、 CT 设备 、 扫 描 层 厚等因素有关。 CT 值 有助于大致判断 组织类 型，从而有助于提 示疾病的 诊 断。 14 周期时间 是指从 CT 扫描开始、图像的重建、直 到图像的显示这一全过程所需要的时间。 最大连续扫描时间 是指螺旋 CT 扫描时的 X 线球 管连续、不间断曝光时间的长短。该时间的长短 不仅与 X 线球管的热容量和散热率因素有关，还 与 DAS 数据采集的速度、计算机的处理能力等因 素有关。目前的多层螺旋 CT 最大的连续扫描时 间可以超过 100 秒。 15 二、二、 CT 成像的基本原理成像的基本原理 X-CT 与 X 射 线摄 影相比 较 有很大区 别 ， X 射 线摄 影 产 生的是多器官重叠的平片 图 像 CT 是用 X 射 线对 人体 层 面 进 行 扫 描，取得 信息， 经计 算机 处 理而 获 得重建 图 像， 显 示的是 断面解剖 图 像 ，其密度分辨力明 显优 于 X 线图 像，可以 显 著地 扩 大人体的 检查 范 围 ，提高病 变 的 检 出率和 诊 断的准确率 16 1. CT 成像的物理学基 础 CT 成像的物理学基 础 是 物体 对 X 线 的吸收 存在差异 。高度准直的 X 线 束 对 人体某个部位按 一定厚度 进 行 扫 描 穿 过 人体的 X 线 由探 测 器 接收 经 放大 变为电 子流 A/D 转换 输 入 计 算机 处 理 计 算机通 过 运算得出 该 断面上各 体素 的 X 线 吸收 值 ，并排列成 数字矩 阵 经 D/A 转 换 后用不同的灰度等 级 在 显 示器上 显 示 即 获 得 该 部位的横断面或冠状面的 CT 图 像。 17 2. CT 成像的基本原理 CT 每扫描一次，即可得到一个方程，经过若 干次扫描，即得到一联立方程。经过计算机运算 （傅立叶转换、反投影法等）可以解出这一联立 方程，从而求出每个体素的 X 线吸收系数或衰减 系数，将其排列成数字矩阵 （ digital matrix），数字矩 阵经过数字 /模拟转换器 （ D/A）把数字矩阵中的每个 数字转变为由黑到白不同灰 度的小方块，即像素（ pixel） ，也按矩阵排列，即构成了 CT 图像。 18 高压发生器 X 线球管 人体 探测器群 操作控操台 多幅激光照相机 电子计算机 模数转换器 内外存储器 CRT显示器 3. CT 影像设备的基本结构与工作原理流程 19 20 4. CT 成像的成像的 过过 程程 包括 数据采集、数据处理、图像重建、 图像显示、打印 等。 21 5. X-CT 成像的数据采集与 处 理 X-CT 成像的数据采集是利用 X 线 管和 检测 器等的同步 扫 描来完成的。 检测 器是一种 X 线 光 子 转换为电 流信号的 换 能器。 X-CT 成像的数据 采集根据 X-CT 成像的物理原理 进 行的。 X 线 管 发 出直 线 波束 22 6. 数据处理和图像重建的基本过程 （ 1）由数据收集系 统 （ DAS）采集的投影数据， 首先送到 A/D 转换 器。 （ 2） 阵 列 处 理器（ AP）的 输 入 /输 出 处 理器（ IOP）接收 DAS 的投影数据，必要 时进 行数据的 压缩 和重定格式 处 理，然后再将 这 些数据 传 送到 主存 储 器的 缓 冲器中。 （ 3） AP 的运算 单 元由存 储传输处 理器、超高速 缓 冲存 储 器、数字 转换处 理器和算 术 运算 单 元 等构成，它 们 将被 滤过 的投影数据再 传 送到反投 影系 统 。 23 （ 4）反投影控制器将接收到的投影数据分配到反 投影板上的各个 单 元，每个反投影 单 元（包含三 个存 储 器，分 别 是 E存 储 器、 L 存 储 器和 H 存 储 器）容 纳 的数据可从一个投影到六个投影，并被 同 时 存 储 起来。 （ 5）在主存 储 器中， AP 软 件 为 影像数据建立有 一个分区，在投影数据被送到反投影 单 元后，影 像数据已 经为处 理作好准 备 ，反投影控制器接收 影像数据并将它 们 送到反投影板 进 行 处 理。 24 （ 6）影像数据与每个反投影 单 元的 结 果一起 传 送到每个反投影板 进 行求和运算，在离开最后一 个反投影 单 元后，影像数据返回主存 储 器，等待 下一 组 投影数据的装入。 （ 7）在影像数据被 输 送到主控 计 算机之前，合 成 扫 描影像需要运算 单 元 进 行 处 理和 统 一 换 算。 （ 8）最后， 这些合成的像素数据被输送到主控计 算机进行存储和显示。 25 三、三、 X-CT 的的 扫扫 描方式描方式 1971年，世界上第一台用于年，世界上第一台用于 颅脑颅脑 的的 CT 扫扫 描机（描机（ 计计 算机人体断算机人体断 层摄层摄 影影 术术 ）由柯）由柯 马马 克克 (A.M.Cormack)和郝恩斯和郝恩斯 费费 尔尔 德德 (G.N.Hounsfield) 首次研制成功。首次研制成功。 1979 年因此年因此 项项 技技 术术 的的 发发 明，柯明，柯 马马 克、郝恩斯克、郝恩斯 费费 尔尔 德德 获获 得了生理与医学得了生理与医学 诺贝诺贝 尔尔 奖奖 。 26 1. 第一代第一代 CT 机机 CT 机的分代主要以其 线 管和探 测 器的关系、探 测 器的 数目、排列方式以及 线 管与探 测 器的运 动 方式来划分 。到今 天 为 止 CT 经历 了 5 代 发 展， 现 在第 6 代 CT 正在研 发 中。 第 1 代 CT 机只有一个探 测 器， 扫 描角度 为 1， 扫 描 时间 270s/层 。 仅 用于 头 部的 扫 描 , 图 像 质 量差 , 以平移加旋 转 的 扫 描 运 动 方式 进 行 ,称 为 平移 /旋 转 型 。 27 2. 第二代第二代 CT 机机 第 2 代 CT 机探 测 器的数目增加 5 20 个左右， X 线 束呈扇型， 扫 描角度增加 为 360,扫 描 时间 仍 较长 ,一 般在 20s 1min /层 ， 扫 描方式 为 窄扇形束 扫 描平移 -旋 转 方式 。 28 3. 第三代第三代 CT 机机 第 3 代 CT 探 测 器数目一般多超 过 100 个，有的接近 1000 个， X 线 扇形束 扩 大到 40 50，足以覆盖人体的横径 , 这样扫 描就不需要再平移，而只需要旋 转 就可以了 ,故称 为 旋 转 /旋 转 型。 扫 描 时间 一般均在几秒 钟 ,最快速度 0.5s， 实 现 了 亚 秒 级扫 描。 29 4. 第四代第四代 CT 机机 第 1 代到第 3 代 CT 机的 X 线 管和探 测 器都是同步旋 转 的 ，而第 4 代 CT 机与之不同，探 测 器呈 360 环 状固定排列在机 架内 (目前有的机型多达 4800 个探 测 器 )， X 线 管 则围绕 人体和 机架作 360 旋 转 ,把第 4 代称 固定 /旋 转 型 (螺旋 CT 属此型 )。 30 5. 第五代第五代 CT 机机 第 5 代 CT 机与第 1 到第 4 代 CT 机不同，在成像 过 程中 X 线 管不需 环绕 机架作机械运 动 ，它是用 电 子束方法 产 生旋 转 的 X线 源 ,再穿透人体由探 测 器接受 ,这 种 CT 机称 为电 子束 CT,也 称超高速 CT，特点是 扫 描速度很快 , 50 100ms /层 ,每秒最多可 扫 34 层 ,就其 扫 描速度是普通 CT 的 40 倍，螺旋 CT 的 20 倍 ,可 用于心 脏 一 类 运 动 器官的 扫 描。 31 第 1 代 CT： 扫 描方式 为 平移 (translate)+旋 转 (rotate)(T+R)方式的 CT。 第 2 代 CT： 扫 描方式 为 平移 (translate)+旋 转 (rotate)(T+R)方式的 CT。 第 3 代 CT： 扫 描方式 为 旋 转 +旋 转 (R+R)扫 描方式的 CT 。 第 4 代 CT： 扫 描方式 为 静止 (stationary)+旋 转 (S+R)扫 描 方式的 CT。 第 5 代 CT： 扫 描方式 为 静止 +静止 (S+S)电 子束 扫 描方式 的 CT。 第二代 16 层 CT现代螺旋 CT 结构图 第五代 CT 32 CT 机机 发发 展的三个阶段、五个时代展的三个阶段、五个时代 第一代 第二代 第三代 第四代 第五代 探 测 器数 2 3 3 30 300 800 600 1500 864 X 线 束 单 笔形束 5 20度 小扇束 30 45度 广角扇束 广角扇束 特制 扫 描 (电 子 X 线 管 ) 扫 描方式 旋 转 +平移 旋 转 +平 移 旋 转 +旋 转 旋 转 +静止 静止 扫 描 时间 35min 20 90s 2 9s 1 5s 30 100ms 用途 颅脑 CT 颅脑 CT 全身 CT 螺旋 CT 电 子束 CT 第 1阶 段：从 发 明到 1970 年代中期，扇形束， 颅脑 全 身 第 2阶 段： 1987 年，螺旋 CT 第 3阶 段： MSCT(MDCT), 1991 年双 层 / 1998 年 4 层 / 2000 年 8 层 / 2001 年 12 层 / 2002 年 16 层 / 2003 年 40 层 / 2004 年 64 层 256 层 (东 芝 ) 双源 CT(西 门 子 64层 ) 平板探 测 器（ flat panel detector） CT 33 CT 机机 的发展目标的发展目标 提高扫描速度 提高图像质量 完善特殊扫描功能 扫描时间的缩短可以减少病人的检查时间，提高 单位时间内病人的检查量，还能减少不配合病人 的运动伪影等。 34 四、四、 螺旋 CT 1. 螺旋 CT 的工作原理 螺旋 扫 描是指在 扫 描期 间 ， X 线 管 连续 旋 转 并 产 生 X 线 束，同 时扫 描床在 纵轴 方向 连续 移 动 ， 这样 ， 扫 描区域 X 线 束 进 行的 轨 迹相 对 被 检查 者而言呈螺旋运 动 ， 扫 描 轨 迹 为 螺旋形曲 线 ， 这 样 可以一次收集到 扫 描范 围 内全部容 积 的数据，所 以也称 为 螺旋容 积扫 描。 螺旋 CT 扫 描装置包括探 测 器、 X 线 管滑 环 、 机架与 检查 床、控制台与 计 算机。其中 滑 环 技 术 是 螺旋 扫 描的基 础 ，螺旋 扫 描是通 过 滑 环 技 术 与 扫 描床的 连续 移 动 相 结 合而 实现 的。 35 2. 螺旋 CT 扫 描中的参数与概念 （ 1）螺距（ pitch） 螺距的定 义 是指 X 线 球管 扫 描旋 转 一周 检 查 床运行的距离与射 线 束 宽 度的比 值 。 当螺距等于 1 时 ， 说 明 扫 描旋 转 一周 检查 床移 动 的距离与 X线 射 线 束的 宽 度相等。一般来 说 ，增加螺距可以提高 扫 描的速度， 缩 短 扫 描的 时间 ，但是 图 像的 质 量会有所下降。当螺距等于 0 时 与非螺旋 CT的 扫 描相同。 36 （ 2）重建 间 隔 是指被重建的相邻两个层面横断面之间长轴 方向的距离。 通过采用不同的重建间隔，可以确定被重建 图像的层面重叠