多参数成像物理基础ppt课件

X-CT多参数成像介绍 冀 敏 2015. 6 提纲 1 .几种医学影像的成像参数 2 .传统X-CT成像的物理基础与图像缺陷 3 .X-CT多参数成像介绍 （1）已用于临床的几个成像参数 （2）基物质组合系数成像的基本思路 （3）单能量(单色值)成像的思路 （4）体素能谱图的获得 1 .几种医学影像的成像参数 （1）超声影像成像参数 一般B型超声成像：反射超声波的强度I 彩色多普勒超声成像：血流速度矢量 M型超声图：反射超声波的强度I 超声-弹性模量成像 （2）核磁共振影像成像参数 横向弛豫时间 纵向弛豫时间 等效密度 （3）放射性核素影像成像参数 放射性活度 （4）X射线影像成像参数 普通X光片和透视；X射线强度 传统 X-CT： 线性吸收系数（混合能量,用CT值表达） 四种影像 1.超声影像 2.MRI影像 3.核素影像 4.X-CT影像 2 .传统X-CT成像的物理基础与图像缺陷 （1）X射线的衰减规律（对单色X线） 整理： （2）X射线连续通过不均匀物质的衰减 等厚度： （P：投影值） 积分式： （一维） （3）X射线对某断层多方向投射的投影值表达 二维（至少n2个） （4）如何快速获得这些投影值？ 95年以前： 让广角扇束X线绕人体旋转； 95年以后：为充分利用X光的能量，采用椎型束螺旋扫描 ，但 必须使用多排探测器。 （5）需要说明的问题 对单色X射线： 吸收系数 = k3 3.5 X射线管产生的X射线不是单一波长的光 人体组织一般也不是单一原子序数的物质 因此重建图像的值实际是关于波长和原子序数的等效值。 对图像有什么影响呢？ （1）基物质组合系数成像（基本思路） A。以X射线被衰减的微观机制为基础 光电效应 康普顿散射 （只考虑这两种情况） 电子对效应（对较低能量的X射线可忽略） 瑞利散射 （对原子序数较小的物质可忽略） * * 光电效应发生的概率由光电截面 来表示 ： （几乎只与K壳层有关） 其中， 为精细结构常数， 为经典物理中的汤姆逊截面，Z表示与X射线相互作用的物质的 原子序数，E表示入射X射线的光子能量（keV） *康普顿散射发生的概率由康普顿散射截面(c ) 来表示 （发生在光子与自由电子间） 康普顿散射截面基本与入射X光能量无关，仅与物质的原子序数有关 。 * 总散射截面： * 可表示为： 为阿伏伽德罗常数， 为物质密度（ ）， 为原子摩尔质量。 *同理有： 以上表示质量吸收系数。 可将质量吸收系数表示为光电效应和康普顿散射 分别引起的质量吸收系数之和： 从下面的两条曲线可以确认这一点。 实验可得到两条曲线，分别表示 和 时Z和E之间的 关系。可见，对于低能X射线和原子序数大的物质，光电效应占优 势；对于中等能量的X射线和原子序数小的作用物质，康普顿散射 占优势；对于能量在1MeV到4MeV之间的X射线，康普顿散射占主 要地位，与Z几乎无关；对于高能X射线和原子序数高的作用物质 ，电子对效应占优势。 医学影像光子能量在0.080.15Mev，因 此只考虑光电效应和康普顿散射的衰减。 B。衰减系数的等效分解-物质分离 非相对论近似条件下，物质的线性吸收系数可以表示成光电效应贡 献和康普顿散射贡献两者之和 ： 两种效应又可以分解为 和 的乘积。其中 是与 材料的原子序数Z和密度有关的项， 是和入射X射线能量E 有关的项。 对原子序数较低的物质， 值都可以分成两项。 因此，可以把两种不同的散射吸收等效为两种不同物质的吸收 (因为物质对X光的吸收与Z和E都有关) *可以有： (即称为物质分离) 表示两种基物质的线性吸收系数（通常为已知）， 表示基物质的线性组合系数。 通过给定的两种基物质组合来产生相同的吸收效 应，实验表明,以两种基物质的线性组合系数分别作为 参数重建图像可以提高”值分辨率。 - 这就是基物质成像。 一般情况下，选择衰减系数高、低不同的两物质 作为基物质对。 对于医学成像来说，水和碘是合适的组合，因为 它包含了从软组织到含碘对比剂以及医学中常见物质 的范围。当然也可以有其它不同的基物质对组合，如 水和钙等。 用水和碘作为基物质所重建的图像分别称为水基 成像、碘基成像。 * 问题是：如何计算得出 。 C. 基物质投影模型 （1）物质在高、低能量X射线下的投影 函数： a.单色（单能量）X射线投影函数表示为： I0表示入射X射线光强，I表示经物质散射、吸收 后，探测器接收到的光强。 b. 多色（连续能谱）X射线投影函数表示为： 将分为两项有： 令： 则有： c. 在高低两种管电压下的多色X线投影表达式： 分别表示高低能量X射线发射谱的最高能量； 分别表示高低能量X射线的发射能谱。 从以上两式可以解出 。 进而由 求出基物质成像参数：12。 80 kVp 140 kVp 100 keV70 keV Water基像 Iodine基像 双能量成像，重建物质分离图像以及单能量图像 （2）单能量成像 A。若已知两种基物质的线性衰减系数关于光子 能量的分布，且选定某能量E时的值，以水和 碘为基物质时，对某体素而言 有：x,y（E） x,y1 水（E）x,y2 碘（E） 可认为： （E）是单色X光通过体素的衰减系数。 -算出一个断层各个体素的x,y（E），即可得到 似单色X光通过物质的CT图像。 （3）体素能谱图 根据表达式: 以及两种基物质的1(E)和2(E)曲线 针对任一体素都可以求出它的(E)曲线, 即体素能谱图 . A-D依次为CT图像、碘基图、水基图及原子序数图- -A为感兴趣区CT能谱曲线(离体甲状腺组织) 参考文献: 1 Journal of Computed Tomography, Volume 11 No.3, April 2010 2 Journal of Computed Tomography, Volume 12 No.1, January 2011 3 杨福家，原子物理，高等教育出版社，1990.4:280- 285 4 王元熙，X射线及X射线