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摘要 题名：x 线透射图像中靶区的检测 硕士姓名：张真 导师姓名：罗立民教授 学校名称：东南大学 摘要 放射治疗是利用放射线治疗肿瘤常用且有效的一种方法，已经经历了一个多世纪的 发展历史，在伦琴发现x 线之后，很快就用于临床治疗肿瘤，直到目前放射治疗仍是恶 性肿瘤重要的局部治疗方法。放射治疗在肿瘤治疗中的作用和地位日益突出，已经成为 治疗恶性肿瘤的主要手段之一。 靶区的准确规划是保证放射治疗有效实施的重要步骤之一。病人的自主运动( 如呼 吸、器官运动等) 和不自主运动通常会造成肿瘤形状和位置的不断变化，因此，如何自 动准确定位不同治疗角度下的病灶，精确检测靶区，成为放射治疗的重要问题之一。 医学图像分割是医学图像处理和分析中的关键技术，经过众多学者的长期研究已经 取得了显著的成就。形变模型的提出为医学图像分割开拓了新的研究视角，其中具有代 表性的方法是可变形模型，包括参数化可变形模型和几何化可变形模型。但是这些方法 的不足之一就是不能融入目标物体的先验知识。 本文采用基于主动形状模型的方法来研究靶区的检测。主动形状模型方法是一种能 够利用关于目标物体形状的先验知识的一种分割方法。它是一种以训练和统计分析为模 型的方法，以目标物体的形状轮廓作为训练样本来构造模型，通过统计分析构造关于目 标物体形状的先验模型，同时能根据训练集中的形变模式对模型进行灵活调整，从而保 证能在合理的变化范围内实现与目标物体的最佳匹配。 基本的主动形状模型仅仅考虑了训练样本中标定点的坐标位置，在搜索方面存在固 有的缺陷，本文对训练样本集的灰度信息进行学习，以获取训练集的灰度信息，建立灰 度级扩展模型；同时在搜索方面采用多尺度模型，采取由粗到细的搜索策略。通过实验 说明本文基于主动形状模型的方法对靶区的形状进行建模，提出的结合灰度级扩展模型 和多尺度模型，可以实现靶区的自动检测，并且检测时间上有所提高。 关键词：靶区检测，主动形状模型，灰度级模型，多尺度高斯金字塔，搜索与匹配 t h e s i st i t l e ：d e t e c t i o no ft a r g e tr e g i o ni nx - r a yt r a n s m i s s i o ni m a g e a u t h o r ：z h a n gz h e n s u p e r v i s o r ：p r o f e s s o rl u ol i m i n s c h o o l ：s o u t h e a s tu n i v e r s i t y r a d i o t h e r a p yi sa l le f f e c t i v em e t h o du s i n gr a d i o a c t i v er a yi nc o m l t l o nt u m o r t r e a t m e n t i t h a sd e v e l o p e do n eh u n d r e dy e a r s x - r a yh a sb e e nu s e di nc l i n i c a lt b m o rt r e a t m e n ta f t e r r o e n g e nd i s c o v e ri t u n t i ln o w , r a d i o t h e r a p yi s s t i l la ni m p o r t a n tl o c a lt r e a t m e n tf o r m a l i g n a n tt u m o r t h ea f f e c ta n ds t a t u so fr a d i o t h e r a p yh a v eb e e nm o r ea n dm o r ep r o t r u d i n g i nt u m o rt r e a t m e n t r a d i o t h e r a p yi so n eo ft h em a i nt r e a t m e n tm e l o d si nt u m o rt r e a t m e n t e x a c tp l a no ft a r g e tr e g i o ni so n eo ft h ei m p o r t a n ts t e p st oi m p l e m e n tr a d i o t h e r 印y e f f e c t i v e l y s h a p ea n dl o c a t i o no ft u m o ra r ea l w a y sv a r y i n gb e c a u s ei n d e p e n d e n tm o v e m e n t s ( b r e a t ha n dm o v e m e n t so fo r g a n s ) a n dd e p e n d e n tm o v e m e n t so fp m i e n t h o wt op l a nt h e s h a p ea n dl o c a t i o no ft a r g e ta r e ai nd i f f e r e n ta n g l e se x a c t l ya n da u t o m a t i c a l l yi so n eo f t h e i m p o r t a n tp r o b l e m s i m a g es e g m e n t a t i o ni sak e yt e c h n i q u ei nm e d i c a li m a g ep r o c e s s i n ga n da n a l y s i s i th a s b e e na c q u i r e da c h i e v e m e n t sa f t e rl o n g - t e r mr e s e a r c h e s i to p e n e du pan e wf i e l di nm e d i c a l i m a g es e g m e n t a t i o na f t e rt h ea p p e a r a n c eo fd e f o r m a b l em o d e l s i t i n c l u d e sp a r a m e t r i c d e f o r m a b l em o d e l sa n dg e o m e t r i cd e f o r m a b l em o d e l s b u tt h e s em e t h o d sc a nn o ti n t e g r a t e i n t op r i o r ik n o w l e d g eo ft a r g e to b j e c t i nt h i sp a p e r , w er e s e a r c ht h ed e t e c t i o no ft a r g e tr e g i o nb a s e do na c t i v es h a p em o d e l a c t i v es h a p em o d e l ( a s m ) i sas e g m e n t a t i o nm e t h o dw h i c hc a ni n t e g r a t ei n t op r i o r i k n o w l e d g eo ft a r g e to q e c t a s mi sam o d e l - b a s e da p p r o a c hw h i c hi n c o r p o r a t e st r a i n i n ga n d s t a t i s t i c a la n a l y s i s f l e x i b l em o d e lc a nb eb u i l tu pb yp o i n t sw h i c hr e p r e s e n tt h ec o n t o u r s h a p e o ft a r g e to b j e c t p o i n td i s t r i b u t em o d e lc r l lb eb u i l tu pa c c o r d i n gt os t a t i s t i c a la n a l y s i s t h em o d e lc a nb ev a r i e df l e x i b l yt o g e n e r a t en e ws h a p e sc o n s i s t e n t 、) l ，i t l lt r a i n i n gs e tb y a d j u s t i n gp a r a m e t e r s ，a n dt om a t c ht a r g e to b j e c t o r i g i n a la s mo n l yr e g a r d st h ec o o r d i n a t e so fl a n d m a r k si nt r a i n i n gs e t ，a n de x i s t s d e f e c t si ni t e r a t i v es e a r c h i nt h i sp a p e r , w el e a r nt h eg r a yi n f o r m a t i o no ft r a i n i n gs e t ，b u i l du p g r e yl e v e lm o d e l w eu s em u l t i r e s o l u t i o nm o d e lt os e a r c l l ，a d o p t s e a r c ha p p r o a c hf r o m c o a r s er e s o l u t i o nt oh i g h e rr e s o l u t i o n t h ee x p e r i m e n t ss h o wt h a ti ti se f f e c t i v et ou s eo r i g i n a l a s mi n c o r p o r a t i n gg r e y - l e v e l m o d e la n dm u l t i r e s o l u t i o nt od e t e c t t a r g e tr e g i o n a u t o m a t i c a l l y , a n d t h ed e t e c t i o nt i m ec a nb ei m p r o v e d k e yw o r d s ：d e t e c t i o n o f t a r g e tr e g i o n ，a c t i v es h a p em o d e l ，g r e y - l e v e lm o d e l ， m u l t i r e s o l u t i o n ，s e a r c ha n d m a t c h h 目录 目录 摘要i a b s t r a c t i i 目勇乏i i i 第一章绪论。1 1 1 课题的背景1 1 1 1 放射治疗1 1 1 2 靶区定位及影响因素1 1 2 目标分割问题2 1 2 1 图像分割方法及研究现状。2 1 2 2 主动形状模型方法简介4 1 3 论文内容及章节安排4 第二章x 射线成像系统5 2 1x 射线系统简介及其应用5 2 1 1x 射线的特性5 2 1 2 x 射线成像原理。7 2 2x 射线成像技术的发展8 2 3 数字重建放射影像( d i 迥) l0 2 4 本章小结1 3 第三章靶区的形状建模1 4 3 1 引言。1 4 3 2 形变模型概述1 4 3 2 1 参数化可变形模型1 4 3 2 2 几何化可变形模型15 3 2 3 主动形状模型1 5 3 3 样本的标定1 6 3 4 样本形状的对齐( a l i g n ) 1 7 3 4 1 相似性变换1 7 3 。4 2 相似性变换在主动形状模型中的应用1 8 3 5 形状统计分析与点分布模型的建立2 0 3 5 1 点分布模型的建立方法2 0 3 5 2 主分量分析( p r i n c i p l ec o m p o n e n t a n a l y s i s ，p c a ) 2 0 3 5 3 先验模型的建立2 2 3 6 实验结果与分析2 3 3 7 本章小结2 6 第四章靶区形状的搜索与匹配2 7 4 1 引言2 7 4 2 主动形状模型的搜索与匹配2 7 4 2 1 最佳匹配点的确定2 7 4 2 2 更新模型的姿态参数和形状参数2 8 4 3 主动形状模型方法总结2 9 4 4 本章小结3 0 第五章扩展的主动形状模型在靶区检测中的应用3 1 i i i 目录 5 1 灰度级扩展模型3 1 5 1 1 建立灰度级模型31 5 1 2 灰度级模型用于搜索匹配3 2 5 2 多尺度模型3 3 5 2 1 多尺度图像分析的思想3 3 5 2 2 多尺度模型3 4 5 3 实验与分析3 6 5 3 1 多尺度高斯金字塔3 6 5 3 2 靶区的搜索3 7 5 4 本章小结4 3 第六章总结与展望4 4 6 1 本文工作总结4 4 6 2 后续工作展望4 5 致谢4 6 参考文献4 7 攻读硕士学位期间发表的论文5 0 i v 第一章绪论 1 1 课题的背景 1 1 1 放射治疗 第一章绪论 放射治疗主要用于恶性肿瘤，它与外科手术治疗、化学药物治疗组成了肿瘤三大治 疗手段，三种治疗手段单独或综合使用，对病人实施最佳治疗方式以达到预期的生物医 学疗效。放射治疗是利用放射线治疗肿瘤常用且有效的一种方法，已经经历了一个多世 纪的发展历史，在伦琴发现x 线之后，很快就用于临床治疗肿瘤，直到目前放射治疗仍 是恶性肿瘤重要的局部治疗方法。大约7 0 的癌症病人在治疗癌症的过程中需要用放射 治疗，约有4 0 的癌症可以用放疗根治。放射治疗在肿瘤治疗中的作用和地位日益突出， 已经成为治疗恶性肿瘤的主要手段之一【l 】。 在实施放射治疗前，医学物理师需要制定放射治疗计划，放射治疗计划包括以下几 个步骤：确定治疗区域；设计射线束的几何形状；确定靶区放射剂量；放射治疗计划的 评价。放射治疗的基本目标是努力提高放射治疗的治疗增益比，即最大限度地将放射线 的剂量集中到病灶( 靶区) 内，杀灭肿瘤细胞，而使正常组织和器官少受或免受不必要 的照射。 1 1 2 靶区定位及影响因素 靶区的准确规划是保证放射治疗有效实施的重要步骤之一，靶区的形状决定照射野 的形状，精确定位靶区才能在布置照射野时，使射线按照靶区形状的要求分布，从而提 高肿瘤的局部控制率，达到较好的治疗效果。然而，目前有诸多因素限制了肿瘤放疗的 临床应用效果，其中包括靶区如何精确确定，复杂的放疗计划如何进行验证，放疗实施 精准性如何保证等等。实现肿瘤精确放疗第一步需要明确放疗的靶区，哪些是需要照射 的肿瘤，哪些是需要保护的正常组织和器官。 在具体放疗计划实施过程中，由于肿瘤位置、病人呼吸、器官运动等原因，造成肿 瘤目标定位比较困难，肿瘤局部控制效果不理想，治疗的同时损伤正常组织，而且定位 欠精确也会影响到治疗效果。放射治疗计划及实施阶段，必需的步骤是从放射影像中勾 绘出靶区的形状轮廓，因此，如何自动准确定位不同治疗角度下的病灶，精确检测靶区， 成为放射治疗的重要问题之一。 在放疗实施阶段，多次治疗之间患者的摆位存在误差，从统计结果看，发生大误差 的概率是比较高的，可以采用体位固定装置在一定程度上减少患者体位变化引起的误差 9 1 ，但是由于患者其他部位不自主运动和治疗角度的原因，靶区仍会存在一定的偏差。 呼吸导致的肺和邻近器官的运动是影响靶区精确性的另一个重要因素，胸腹部肿瘤 垄堕奎堂堡主堂篁丝茎 的生理运动，如呼吸运动、心脏搏动都会严重影响靶区的精度，使计划靶区和实际靶区 的误差较大。 在放射治疗过程中，医师必须清楚了解病人病灶、周边组织等感兴趣区域的位置和 范围，以正确布置照射野，确保不同治疗角度下靶区位置和形状的准确性。放射治疗靶 区的检测方法既要准确分割出靶区的范围，而且要克服病人摆位误差、呼吸运动等因素 引起的靶区形状变化。不同放射治疗角度下靶区的自动快速检测，成为放射治疗系统中 一项关键技术。 1 2 目标分割问题 1 2 1 图像分割方法及研究现状 自2 0 世纪7 0 年代开始，计算机视觉问题便备受研究者关注。许多学者提出了关于 解决计算机视觉领域中各种问题的理论和方法，其中最受关注的就是图像分割。图像分 割是根据某种均匀性或一致性的原则将图像分割成若干个有意义的部分，使得每一部分 都符合某种一致性的要求，而任意两个相邻部分的合并都会破坏这种一致性。根据分割 对象的整体性，可将分割方法分为完全分割和部分分割两类：完全分割的结果是一组唯 一对应于输入图像中物体的互不相交的区域，这依赖于有关问题或对象领域的高层知 识：部分分割的结果则不直接对应于完整物体，而是将图像划分为相对于某一种给定的 性质是同种性质的区域，这些性质通常为亮度、色彩、反射率、纹理等。根据图像分割 使用特征的不同，可将分割方法分为三类：基于区域的分割；基于边界的分割；基于图 像全局知识的分割，这种知识一般由图像的灰度或其他特征的直方图表示。尽管不同的 研究人员提出了许多分割方法，但是到目前为止，还不存在一个通用的方法，也还没有 建立一个判断分割是否成功的客观标准，所以图像分割仍被认为是计算机视觉中的一个 瓶颈【2 4 1 。 医学图像分割是医学图像处理和分析中的关键技术。医学图像分割是一个根据区域 内的相似性以及区域间的差异把图像分割成若干区域的过程。从图像中把有关结构或感 兴趣区域分离出来是图像分析与识别首要解决的问题，也是制约医学图像发展和应用的 瓶颈。医学图像分割到今天仍然没有得到圆满解决，一个重要的原因是医学图像的复杂 性和多样性。由于医学图像的成像原理和组织本身的特性差异，而且图像在形成过程中 会受到噪声、场偏移效应、局部体效应和组织运动等影响，医学图像和普通图像相比较， 不可避免的具有模糊、不均匀性等特点【2 ，4 】。另外，人体解剖组织的结构和形状复杂，而 且人与人之间有相当大的差别，这些都给医学图像分割带来了困难。传统的分割技术或 者完全失败，或者需要一些特殊的方法。因此，有必要针对医学应用这个领域，对图像 分割方法进行研究。很多研究人员针对医学图像的特殊性做了大量工作，提出了很多实 用的分割算法。随着统计学理论、模糊集理论、神经网络、形态学理论、小波理论等在 图像分割中的应用日渐广泛，遗传算法、尺度空间、多分辨率算法、非线性扩散方程 2 第一章绪论 等新方法和新思想也不断被用于解决分割问题。 图像分割方法众多，主要可分为基于区域的分割方法和基于边界的分割方法。基于 区域的分割方法，依赖于图像的空间局部特征，如灰度、纹理及其他像素统计特性的均 匀性。典型的基于区域的分割方法有区域生长、区域分裂与合并方法等 7 1 。区域生长是 种根据事前定义的准则将像素或子区域聚合成更大区域的过程，基本方法是以一组种 子点开始将与种子性质相似( 诸如灰度级或颜色的特定范围) 的相邻像素附加到生长区 域的每个种子上1 7 j 。区域合并方法中，输入图像往往先被分为多个相似的区域，然后类 似的相邻区域根据某种判断准则迭代地进行合并【7 】。区域分裂方法中，整个图像先被看 成一个区域。然后区域反复被分裂为四个区域，直到每个区域内部都是相似的【7 1 。由于 这些方法直接依赖于图像像素的灰度值，因此它们的优点是对噪声不敏感。但是，这些 方法的分割结果在很大程度上依赖于种子点的选取，分割得到的区域的形状也依赖于所 选取的分割算法。基于边界的分割方法主要是利用梯度信息确定目标的边界，常用的有 局部微分算子，如r o b e r t s 算子，s o b e l 算子，p r e w i t t 梯度算子和l a p l a c i a n 二阶差分算 子，这些方法不依赖于已处理像素的结果，适于并行化，缺点是对噪声敏感，而且当边 缘像素值变化不明显时，容易产生伪边界或不连续边界。在实际应用中，往往需要把这 两类方法结合起来用以获得更好的分割效果。 早期的图像分割技术，如上述分割方法采用图像的灰度、梯度、纹理等底层特征， 其研究关注于分析图像的局部特征，属于自底向上的分割策略。另一方面，用于分割的 自顶向下的策略在解决一些特殊问题中发挥了不可替代的作用，这类方法通常是基于模 板匹配的思想，结合待分割目标的形状和灰度特征来设计模板，应用相关运算方法进行 模板与实际物体的匹配。但是在实际场合中目标或背景在形状、灰度外观等方面都有很 大范围的变化，如在医学图像中，器官的形状会随着时间不同或者病人的自主呼吸运动 而变化，因此这类模板匹配的方法很容易失效。 主动轮廓模型( a c t i v ec o n t o u rm o d e l ) ，简称a c m ，也称s n a k e 方法【6 1 2 1 ，以及水 平集【5 j ( l e v e ls e t ) 等方法的提出为分割开拓了新的研究方向。它们都属于基于形变模 型的分割方法，这类方法可以实现自由的变形以适应图像中实际物体的结构，而不是刚 性地去拟合。形变模型技术的思想最早可追溯到w i d r o w 的橡皮面具技术【1 0 , 1 1 】，对形变 模型技术研究的兴起则要归功于2 0 世纪8 0 年代t e r z o p o l u s 等人将形变曲线、形变曲面 的概念引入到计算机视觉和计算机图形学中。主动轮廓模型是形变模型的代表，它的基 本思想是使初始曲线或曲面在自身内力以及由图像数据定义的外力的共同作用下移动 到局部能量最小值的位置，其中内力是为了保持模型的平滑性，外力的作用则是使模型 移动到待分割区域的边界或其他感兴趣特征。水平集方法是将轮廓线用水平集函数的零 水平集的形式间接地表达，利用曲线的单位法向量和曲率等几何参数来驱动曲线随时间 向期望的形状进行演化。水平集方法最显著的优点就是具有很强的改变几何拓扑的能 力。这些方法虽然在曲线拟合和提取等应用方面具有理想的效果，但在许多分割场合还 是不能取得令人满意的效果，这主要归因于它们没有融入足够的关于待分割目标的先验 信息，而只是依赖于参数的约束和调整，另一方面单纯向图像中梯度较强的结构进行收 变塑奎堂堡主兰竺丝苎 敛容易陷入局部极小值，不利于搜寻到目标的真实边界。 研究人员想到需要这样一种分割方法，它可以通过对感兴趣目标的样本进行训练来 获得关于物体形状及其可能存在的变化形式，同时能够融入感兴趣区域的一般灰度外观 特征。这属于一种基于原型的方法，可以针对不同的应用场合，根据实际对象灵活地替 换方法中的原型，因此具有很强的适用性。 1 2 2 主动形状模型方法简介 主动形状模型( a c t i v es h a p em o d e l ，简称a s m ) 是由c o o t e s 和t a y l o r 1 3 j 于9 0 年 代初期在主动轮廓模型的基础上提出和建立起来的，是一种以目标的轮廓为训练样本构 造模型的方法，以训练和统计分析基础的方法。它通过对样本图像进行标记和训练，采 用统计分析的方法建立起关于目标的平均形状及其可能的形变模式的先验模型；然后以 此模型为基础，在待检测图像中进行迭代搜索匹配的同时，对先验模型的参数进行调整， 使先验形状模型逐步拟合到目标形状的实际边界上，从而达到准确定位目标物体的目 的。主动形状模型融入了关于目标的先验知识，并可以在匹配的过程中调整先验模型的 形状，它的这些特点能够克服由于患者自主呼吸或者不自主运动，以及不同治疗角度下 靶区形状和位置的不断变化，因此本文关注主动形状模型方法在靶区检测中的应用。 由于主动形状模型方法具有良好的实用价值，吸引了众多学者对它进行研究，在人 脸识别、文字识别以及医学图像处理等领域获得广泛的关注和应用。 1 3 论文内容及章节安排 本文各章节内容及安排如下： 第一章绪论，介绍课题的背景，阐述不同治疗角度下靶区的检测在放射治疗中的重 要性，讨论图像分割方法的研究现状。 第二章x 射线成像系统，介绍x 射线的成像的原理，x 射线成像技术的发展，介 绍了放射治疗中常用的一种成像技术数字重建放射影像( d i m ) 。 第三章靶区的形状建模，详细介绍运用主动形状模型方法对靶区形状建模的过程， 包括训练样本的标定、样本形状的对齐、样本形状的统计分析、先验模型的建立。 第四章靶区形状的搜索与匹配，在第三章对靶区形状建模的基础上，介绍运用主动 形状模型进行靶区形状搜索的过程，并对主动形状模型方法进行概括总结。 第五章扩展的主动形状模型在靶区检测中的应用，介绍灰度级扩展模型和多尺度高 斯金字塔，将基本的主动形状模型与这两种模型结合，实现不同角度下靶区的自动检测。 第六章总结和展望，对全文内容进行总结，并提出今后的研究方向。 4 第二章x 射线成像系统 第二章x 射线成像系统 2 1x 射线系统简介及其应用 医学成像系统作为医学图像研究领域中重要研究方向之一，主要研究图像形成的过 程，包括对成像机理、成像设备、成像系统的分析等。自十九世纪伦琴发现x 射线起， x 射线成为了人类观察物体内部结构的最有效手段之一；经过二十世纪五十年代的高速 发展，产生了许多新的成像系统，不仅可以提供人体器官、动物组织的解剖结构和功能 图像，同时也可以观察硬件设备的内部结构。如今，c t 、m r 、p e t 等医学成像设备已 经逐步成为放射科的重要检查方式，但是成像速度快、成本低廉的x 射线成像仍是最常 用的检查设备，而且对于某些特定部位具有不可替代的作用，如乳腺摄影、胸透成像等。 恶性肿瘤致死的比例在目前人类的五大死因中位居第二，全世界发病率最高的癌症是肺 癌，其次是乳腺癌。放射治疗是目前临床用于治疗肿瘤的十分有效的方法之一。近年来， 随着逆向调强放疗方法、图像引导治疗的兴起 4 3 】，x 射线成像在放射治疗术前、术中扮 演着重要角色，成为靶区准确定位的主要手段。x 射线的应用已经逐步由医学领域延伸 到其他领域，如工业无损探伤、生物材料成像、安检、罪证分析等。随着计算机技术的 不断发展，x 射线成像与人类生活关系将越来越紧密。 2 1 1x 射线的特性 x 射线是一种波长极短，能量很大的电磁波，它的波长比可见光的波长更短，肉眼 不可见【1 4 l ，约在0 0 0 0 6 5 0 n m ，医学上应用的x 射线波长约在0 0 0 8 - 4 ) 0 8 r i m 之间，约 相当于1 5 1 5 0 k e v ，它的光子能量比可见光的光子能量大几万倍至几十万倍。在电磁波 辐射谱中，居于1 ，射线与紫外线之间。因此，x 射线除具有可见光的一般性之外，还具 有自身的特性【1 6 j 。 ( 1 ) 穿透作用：穿透作用是指x 射线通过物质时不被吸收的能力。x 射线能穿透 一般可见光所不能透过的物质。可见光因其波长较长，光子的能量很小，当射到物体上 时，一部分被反射，大部分被物质吸收，不能穿透物体；而x 射线因其波长短，能量高， 照射到物质时，仅一部分被物质所吸收，大部分经由原子间隙而透过，表现出很强的穿 透能力。x 射线的穿透能力与x 射线光子的能量有关，x 射线的波长越短，光子的能量 越大，穿透能力就越强；另一方面，x 射线的穿透力也与物质密度有关，密度大的物质， 对x 射线的吸收多，透过物质的射线越少；密度小的物质，吸收少，透过多。利用这种 性质可以把密度不同的骨骼、肌肉、脂肪等软组织区分开来，这正是x 射线透射成像的 物理基础。 ( 2 ) 电离作用：物质受x 射线照射时，使核外电子脱离原子轨道，这种作用称作 电离作用。在光电效应和散射过程中，出现光电子脱离其原子的过程叫做一次电离，这 东南大学硕士学位论文 些光电子在行进中遇到其它原子发生碰撞，使被击中原子逸出电子叫做二次电离。利用 电离电荷的多少可测定x 射线的照射量；由于电离作用，能够使气体导电；某些物质可 以发生化学反应；在有机体内可以诱发各种生物效应。电离作用是x 射线损伤和治疗基 础。 ( 3 ) 荧光作用：由于x 射线波长很短，肉眼不可见，但它照射到某些化合物如磷、 硫化锌镉、钨酸钙等时，由于电离或受激发使原子处于激发态，原子回到基态的过程中， 由于价电子的能级跃迁而辐射出可见光或紫外线，这就是荧光。x 射线使物质发生荧光 的作用称为荧光作用。荧光的强弱与射线能量成正比。利用荧光作用可制成荧光屏、增 感屏、影像增强器中的输入屏等。 ( 4 ) 生物效应：当x 射线照射到生物机体时，生物细胞受到抑制、破坏甚至坏死， 致使机体发生不同程度的生理、病理和生化等方面的改变，称为x 射线的生物效应。不 同的生物细胞对x 射线有不同的敏感度。利用x 射线的这一效应，可以用放射治疗的 方法来破坏肿瘤组织。 x 光子与物质的相互作用主要包括【1 6 1 ： ( 1 ) 光电效应：入射光子与物质原子的轨道电子发生相互作用，把能量传递给对 方，x 光子消失，获得能量的电子挣脱原子束缚成为自由电子，原子的电子轨道出现一 个空位而处于激发态，它通过发射特征x 射线的形式很快回到基态。这个过程称为光电 效应。 ( 2 ) 非相干散射( 康普顿散射) ：当入射光子和原子内一个轨道电子发生相互作用 时，光子损失一部分能量，并改变运动方向，电子获得能量而脱离原子，此种作用过程 称为康普顿散射。损失能量后的x 光子称为散射光子，获得能量的电子称反冲电子。 ( 3 ) 相干散射( 瑞利散射) ：x 光子具有波粒二象性，既是粒子也是电磁波。当入 射电磁波从原子附近经过时，因其轨道电子共振，振荡电子将发射波长相同但方向不同 的电磁波，不同轨道电子发射的电磁波具有相干性，所以此过程称为相干散射，又称锐 利散射。在相干散射过程中，x 光子仅改变运动方向而没有能量转移。 ( 4 ) 电子对效应：当x 光子从原子核旁经过时，在原子核库仑场的作用下形成一 对正负电子，此过程称电子对效应。x 光子能量的一部分转化为正负电子的静止能量， 另一部分作为正负电子的动能。 其中，光电效应使得x 射线被全部吸收，康普顿散射与光子能量没有关系，射线能 量不是很高时康普顿散射的结果也同样导致射线正前方的光子全部被吸收。当射线能量 为1 5 0 k e v 范围内时，光电效应和康普顿散射为主要影响，当射线能量小于5 0 k e y 且被 作用物质原子序数较高时才会发生瑞利散射，而只有当射线能量大于1 0 2 m e v 时电子 对效应才会出现。医用诊断x 射线能量一般在6 0 - - 7 0 k e v , 临床治疗用的x 射线机能量 分为：临界x 射线( 6 - l o k e v ) ：接触x 射线( 1 0 6 0 k c v ) ；浅层x 射线( 6 0 - 1 6 0 k e v ) ； 深部x 射线( 1 8 0 - - 4 0 0 k e v ) ；高压x 射线( 4 0 0 k e v 1 m e v ) ；高能x 射线( 2 - 、, 5 0 m e v ) ， 高能x 射线一般由各种形式的加速器产生。因此，医学上诊断和治疗使用的x 射线， 除了治疗用的高能射线，x 射线与人体组织的作用以光电效应和康普顿散射为主。 6 第二章x 射线成像系统 2 1 2 x 射线成像原理 最初，伦琴对于所发现的具有高能量，肉眼不见又能穿透不同物质，致使荧光物质 发光的不明射线命名为x 射线，简称x 线。上节所述x 射线的物理特性，即穿透作用、 电离作用、荧光作用、生物效应，其中，x 射线的强穿透力是x 射线成像的基础。x 射 线主要是在真空管内高速行进成束的电子流撞击钨或钼靶时激发形成的，其波长很短。 一个基本的x 射线成像系统主要包含x 射线源装置和检测器设备。通常，x 射线源装 置主要包括x 线管、变压器和控制台，如图2 1 所示，由变压器为x 线管提供阴极灯丝 电源和高压能量，控制设置x 射线源的参数，如灯丝电压、电流和曝光时间等【l 酬。 图2 1x 射线机原理示意图 根据x 射线具有的特性，临床上对应存在多种检查方式，其中普通诊断方式简单易 行，应用最广，是x 线诊断的基本方法，主要包括对应于x 线的荧光特性的透视 ( f l u o r o s c o p y ) 检查和照相( 摄影，r a d i o g r a p h y ) 检查。前者x 线透过被检人体在荧光屏上 形成影像：后者是将透过人体后的x 线记录在胶片上形成影像。近年来已经逐步使用计 算机显影板代替传统胶片或直接数字化，形成计算机x 线成像系统、数字化x 线成像 系统。 不同物质对x 线具有不同的衰减率是x 线成像的重要条件，通过对x 线在穿过物 体时透过量的差异成像，进而观察物体内部结构式x 线成像的基本原理。研究发现，x 线在物质中的衰减与该物质的组成元素有关，随着物质密度的升高其衰减率升高。人体 组织由不同元素构成，人体的这种结构刚好满足成像条件，如图2 2 所示，其密度可以 划分为三类：高密度的骨组织和钙化灶等；中密度的软骨、结缔组织和肌肉等；低密度 的脂肪组织、空腔等。 通过x 线检测器接受x 线透过人体后的剩余量，对透过的x 射线处理形成图像， 是x 线成像系统的主要任务【2 6 1 。如图2 3 所示，x 射线成像过程是一个积分成像过程。 假设o ( e ) 为入射的单能x 线束强度，则透过人体后到达检测器的x 线束强度，( e ) 为： 一 z ( e ) = i o ( e ) e x p i z ( e ) p d l ( 2 1 ) 1 7 奎堕奎堂堡主堂垡丝壅 其中( e ) 为能量为e 的衰减函数，户为积分路径的物质密度函数。实际应用中入射x 线束为多能谱源，则最终的x 线束强度可以表示为单能谱的积分形式，如( 2 2 ) 式所 示： 其中w ( e ) 为x 线谱的分布。 。峄 i p ( e ) = ji ( e ) w ( e ) d e ( 2 2 ) 惩爷 艇壤 啪 图2 2x 射线在人体不同组织中的衰减系数 图2 3x 线成像系统示意图 2 2x 射线成像技术的发展 1 8 9 5 年1 1 月8 日，德国物理学家伦琴，在调试一组阴极射线仪器时，发现阴极射 8 第二章x 射线成像系统 线能使远处的乳胶片感光。阴极射线( 电子束) 在空气中不能穿透那么长的距离，伦琴 把这种射线称作“x 射线，并用“x 射线给他夫人的手拍了人类历史上第一张医学 图像，如图2 4 所示。 图2 4 伦琴夫人手的x 光片 一百多年以来，x 光照相技术在临床医学上得到广泛的应用，成像技术也得到了不 断发展，几乎所有的医院都在应用x 光成像技术。x 射线成像是根据成像物体各个组成 部分密度的不同，对x 射线的吸收不同，透射出x 射线的强度不同，从而在胶片上成 像的。x 光片是在x 射线通过的路径上物体对射线吸收的积分效果。一个大小和密度相 同的肿瘤或者病灶，无论在体内前、中、或者后部，它在x 光片上表现的图像是一样的， 如图2 5 所示，也就是说，x 光片不能反映组织或者病灶的三维空间位置【1 5 ，2 7 1 。 x _ 射一 线一 物体像 图2 5x 射线成像的空间表现 2 0 世纪8 0 年代以前，x 线摄影一直停留在普通胶片的水平。作为一种传统的x 线 摄影技术，x 线胶片摄影有其自身的缺点【2 7 1 ： ( 1 ) 常规x 线摄影成像后由胶片来记录，需要暗室冲洗。为了提高胶片的利用价值， 影像科必须建立库房来存放数量庞大的摄影胶片，存档管理胶片。x 线胶片在管 理过程中时常发生错误和丢失的情况，管理的数量与难度同步增长，耗费人力、 物力、财力和空间都非常大。 ( 2 ) 传统x 线摄影采用模拟合成技术，图像分辨率低，很难应用计算机来进行处理， 也不便于存储和传输，更谈不上远程诊断，要实现多人共享更不可能。 9 奎堕奎堂堡主堂竺笙苎 ( 3 ) 病例资料的查询速度慢，图像传送需要大量时间，效率低，不能满足临床需要， 如遇急诊情况问题就更加严重。 ( 4 ) 传统x 线摄影需要的曝光剂量相对较大，且x 线摄影一旦完成，影像质量就不能 改变，当影像质量不符合要求是往往需要重拍，给操作者和患者带来许多麻烦。 ( 5 ) 胶片丢失、破损、变质所引起的信息却是也是非常难解决的问题。有关资料表明， 即使一个管理制度十分完善的医院，由于胶片的借入、借出及会诊等因素，造成 x 线胶片丢失的几率也非常大。 随着医学影像技术的不断发展，对传统x 线成像技术革新的要求也越来越迫切。在 材料科学与计算机技术发展的带动下，产生了计算机x 线摄影( c o m p u t e rr a d i o g r a p h y ， c r ) 。在c r 系统中，x 射线透过人体后，剩余能量信息由具有刚性的影像板( i m a g ep l a t e ， i p ) 记录，用激光光束对口板的影像信息进行扫描读取，得到i p 板上的能量分布信息 后转化为数字矩阵，存储到计算机中。c r 系统使用的是数字化成像技术，可以将所得 到的信息进行再处理，并可在计算机中长期保存，这种技术一经开发便得到人们的重视。 然而，c r 是一种间接转换型的x 线数字成像技术，在由p 板转换到计算机数字矩阵的 过程中，会发生能量转换，因而并不是x 线能量信息的直接反应。9 0 年代末期，出现 了一种新型的x 线数字成像方式，这种技术称作直接数字化x 线摄影( d r ) 。d r 系统 成像没有中间能量转换过程，x 射线到达接收装置后直接转换成数字信号供计算机采 集，因而大大减少了中间环节带来的不利影响。相对其他普通x 线设备，d r 承载的信 息量最大，成像效果最好。 随着调强适形放射治疗技术在临床应用上的逐步推广，肿瘤的放射治疗步入了“精 确定位、精确计划、精确治疗的时代，调强照射野强度分布验证、患者体内剂量分布 验证等工作越来越重要。通过加速器的电子射野影像系统【i 7 】( e p i d ，e l e c t r o np o r t a l i m a g i n gd e v i c e ) 在出射方向获取射野验证影像，与放疗计划系统中的数字重建放射影 像( d r r ，d i g i t a lr e c o n s t r u c t e dr a d i o g r a p h y ) 对比，实现摆位误差校正是临床常用手段 u 引。图像引导放射治疗技术可以精确定位肿瘤靶区，确定更为精确的射野，其中，关键 的图像引导环节就是实时的数字重建放射影像。 2 3 数字重建放射影像( d r r ) 数字重建放射影像的重建过