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计算机体层摄影 CT ComputedTomography 北京分校 CT概述 1969年HOUNSFIELD设计成计算机横断体层成像装置 经神经放射诊断学家Ambrose应用于临床 取得极为满意的诊断效果 它使脑组织和脑室及病变本身显影 获得颅脑的横断面图像 此种检查方法称之为计算机体层成像 这一成果于1972年英国放射学会学术会议上发表 1973年在英国放射学杂志上报道 北京分校 这种图质好 诊断价值高而无创伤 无痛苦 无危险的诊断方法是放射诊断领域的重大突破 促进医学影象诊断学的发展 由于对医学上的重大贡献 HOUNSFIELD获得了1979年的诺贝尔医学生物学奖 这种检查方法开始只能用于头部 1974年LEDLEY设计成全身CT装置 使之可以对全身各个解剖部位进行检查 此后 CT装置在设计上有了很大发展 CT概述 北京分校 CT图像特点 X线影像是把具有三维的立体解剖结构摄成二维的平面图像 影像相互重叠 相邻的器官或组织之间对X线的吸收差别小 不能形成对比而构成图像 体层摄影 可以解决影像重叠问题 造影检查 可使普通X线检查不能显示的器官显影 影像的分辨力不高 特别是由软组织构成的器官仍不能显影 北京分校 各代CT机的特点 一 第一代CTX线球管为固定阳极 发射X线为直线笔形束 一个探测器 采用直线和旋转扫描相结合 即直线扫描后 旋转1度 再行直线扫描 旋转180 完成一层面扫描 扫描时间3 6分钟 矩阵象素256 256或320 320 仅用于颅脑检查 二 第二代CT与第一代无质的区别 仅由小角度 3 30 扇形X线束替代了直线笔形束 探测器增至几十个 扫描时间缩至10秒到1 5分钟 矩阵象素与第一代CT机相同 可用于颅脑和腹部 北京分校 北京分校 各代CT机的特点 三 第三代CTX三线球管为旋转阳极 发射X线为扇形束 角度较大达30 45 度 探测器多达几百个 只做旋转扫描 扫描时间为2 4 10秒 矩阵象素除256 256和320 320外 还有512 512 适用全身各部位 四 第四代CT与第三代无质的区别 探测器多达1000余个 固定安装在扫描机架四周 仅X线球管绕患者旋转 扫描时间进一步缩短至1 5秒 北京分校 北京分校 五 第五代CT为最新发展的电影扫描CT cineCTscanner 在扫描速度上有飞跃发展 采用电子枪结构 使每次扫描时间缩短至50毫秒 大大有利于心脏CT扫描 各代CT机的特点 北京分校 北京分校 普通CT与螺旋CT的比较 常规CT间隔式扫描 螺旋CT 连续容积扫描 轨迹呈螺旋形 CT成像系统的组成 一 硬件系统1 扫描机架 X线管 准直器 探测器等 机架可倾斜 2 X线管 大容量 旋转阳极X线管 飞焦点 3 准直器 决定扫描层厚 减少散射线以提高图像质量 降低被检者的辐射剂量 4 楔形滤过器 滤掉低能射线 提高X线束的平均能量 5 探测器 接受穿透人体的剩余射线 将其变为电信号 稀土陶瓷探测器 多排探测器 6 模 数转换器 A D 7 高压发生器 8 计算机系统 9 扫描检查床 螺旋CT对床移动的精度要求很高 10 辅助设备 电源系统 照相机 工作站 CT成像系统的组成 二 软件系统CT机的软件平台多采用专用操作系统 Unix Linux等操作系统 1 基本功能软件完成扫描 图像处理 图像存储 照相等常规工作的软件 2 特殊功能软件包括故障诊断软件 特殊扫描软件 如动态扫描 快速连续扫描 高分辨率扫描等 图像特殊处理软件 如三维表面重建 模拟内窥镜等 定量分析软件等 北京分校 CT基本结构 扫描部分 x线管 探测器和扫描架 计算机系统 将扫描收集到的信息数据进行储存和运算 图像显示和存储系统 经计算机处理 重建的图像显示在电视屏上或用多幅照相机或激光相机将图像摄下 北京分校 Detector Tube 扫描方式 第五代CT机属于快速扫描 X线源用电子枪有四条阳极靶环 电子束由阳极飞向阳极靶环撞击后 产生X线 电子束沿Z轴前后移动 使扫描时间缩短到50毫秒 检查心脏消除了运动伪影 北京分校 CT的工作原理 CT的成像原理 CT是以X线束对人体某部一定厚度的层面进行横断扫描 探测器接受该层面X线的衰减信号 经光电转换器转变为电信号 经模 数转换器 输入计算机进行处理 经计算机重建程序 排列成矩阵 经数 模转换器 在显示器上重建出CT图像 北京分校 CT的成像原理 CT成像原理 沿着x射线束通过的路径上 物质的密度和组成等都是不均匀的 将目标分割成许多像素 每个像素的长度为w w应足够小 使得每一个小单元均可假定为单质均匀密度体 因而每个小单元衰减系数可以假定为常值 设第一个单元入射的X线强度为I0时 第一单元的I1 I0e 1W 1为第一单元的衰减系数 北京分校 CT成像原理 为了建立CT图象 就必须求出每个小单元的衰减系数 因此 1 2 3 n 1 w In I0 In就是建立CT图象的基本方程 n个未知的衰减系数不可能由一次穿射二获得 因为一个方程式不可能解出多个未知数 从不同方向进行多次的穿射 就可以收集足够多的数据 从而建立起足够数量的方程式 北京分校 如果把断面等分成256 256个单元 X线在每个角度上投影256次 这样每一角度上可建立256 256个方程式 求得256 256单元所对应的衰减系数 然后电子计算机求解这些方程式 从而得出每一小单元的衰减系数 CT成像原理 北京分校 CT成像原理 以第一代日本的CT H2头颅CT扫描机为例 每次直线扫描可得256个信息 旋转1800 作180次扫描 可得46080个信息 因此 像素越小 探测器数目越多 计算机所测出的衰减系数就越多越精确 从而可以建立清晰的图像 以满足医学诊断上的需要 北京分校 X线束对人体某部一定厚度的层面扫描 由探测器接收被该层面部分吸收的剩余X线 探测器将接收到的各方向不同强度的X线信号由光电转换器转变为电信号 再经模 数转换器转变为数字信号 传送到计算机的数据采集系统 计算机将采集的各方向的数字信息经运算处理 得出扫描层面各点的数字 扫描所得信息经过计算而获得体素的X线衰减系数 排列成数字矩阵 数字矩阵可存储于硬盘或光盘中 再经数 模转换器将数字矩阵中的每个数字转化为由黑到白不同灰度的小方块 按矩阵排列 即构成CT图像 最后调节窗宽 窗位 经显示器或照相机输出 用于临床诊断 CT成像原理 总结 北京分校 CT图像 CT图像是由一定数目的由黑到白不同灰度小方块 像素 按矩阵排列所构成的 这些小方块是反映相应单位容积的吸收系数 CT图像上的黑色表示低吸收区 既低密度区 如脑室 白色表示高吸收区 即高密度区 如颅骨 CT图像能分辨吸收系数只有0 1 0 5 的差异 北京分校 CT图像特点 CT图像是是横断面断层图像 也是计算机重建图像 是由一定数目从黑到白不同灰度的像素按矩阵排列所构成 这些像素反映的是相应体素的X线吸收系数 北京分校 CT图像特点 CT图像可以用不同的灰度来表示 以反映器官和组织对X线的吸收程度 因此 CT图像与X线图像所示的黑白影像一样 黑影表示低吸收区 即低密度区 如脑室 肺部 白影表示高吸收区 即高密度区 如骨骼 北京分校 CT图像特点 CT图像的空间分辨力不如X线图像高 因此目前CT检查尚不能完全代替X线检查 但是 CT图像的密度分辨力比X线图像高 因此 人体软组织的密度差别虽然很小 吸收系数多接近于水 也能形成对比而成像 所以 CT可以更好地显示由软组织构成的器官 如脑 脊髓 纵隔 肺 肝 胆 胰以及盆腔器官等 这是CT的最大优点 北京分校 脑CT图像 常用概念 CT值 计算机以X线扫描所得的信息 计算出每个单位容积的衰减系数 值 这个 值在换算成CT值 CT值的计算公式如下 CT值 m w w 系分度因数 现在用亨氏单位 H 为1000 北京分校 常用概念 CT值 CT值 CTnumber CT扫描中X线衰减系数的单位 用于表示CT影像中组织结构的线性衰减系数 吸收系数 的相对值 简言之 物体对水的相对吸收值定义为CT值 CT值用亨氏单位 Hounsfieldunit 表示 简写为HU 北京分校 常用概念 CT值 人体内不同密度的组织CT值均介于2000个分度之间 如果CT图像用2000个灰阶来表示 其图像层次将非常丰富 但人眼一般仅能分辨出16个灰阶 若将2000个分度划分为16个灰阶 则每个灰阶的CT值为125 2000 16 Hu 即相邻两个组织间CT值相差125Hu时 人眼才能分辨 为了能观察到CT机所具有的较高的密度分辨力 引进了窗宽和窗位 北京分校 常用概念 窗口技术 窗口技术是CT检查中用以观察不同密度的正常组织结构或病变组织的一种显示技术 包括窗宽 windowwidth 和窗位 windowlevel 由于各种组织结构或病变的CT值各不相同 因此 欲显示某一组织结构细节时 应当选择合适的窗宽和窗位来显示该组织结构或病变 以获得最佳的图像 北京分校 常用概念 窗口技术 窗宽 windowwidth 就是显示图象上所包括的 个灰阶 值的范围 在此CT值范围内的组织和病变均以不同的模拟的灰度显示 数字成像方式的图像显示中 根据人眼视觉分辨力的需要 对兴趣结构所占据的灰阶范围作选择性显示的技术 北京分校 窗位 windowlevel 又称窗中心 是指CT图象上黑白刻度中心点CT值范围 数字成像方式的图像显示中 以某一灰阶为中心点 选择性显示该中心上 下一定范围内的灰阶 该中心点即为窗位 同样的窗宽 由于窗位不同 其所包括CT值范围的CT值也有差异 常用概念 窗口技术 北京分校 举例 要观察脑实质 窗宽常为100Hu 窗位为 40Hu 实际观察的CT值范围为 10Hu 90Hu 即密度在 10Hu 90Hu范围内的各种结构如脑实质和脑室系统等均以不同的灰度显示出来 而高于 90Hu的组织结构如骨组织及颅内钙化等均以白影显示 无灰度差别 而低于 10Hu的组织结构如皮下脂肪 乳突气房及颅内积气等均以黑影显示 其间也无灰度差别 若窗宽保持100Hu不变时 若窗位为0Hu时 其CT值范围则为 50Hu 50Hu 若窗位改为50Hu 则其CT值范围为0Hu 100Hu 常用概念 窗口技术 北京分校 CT检查中窗口技术的应用 窗宽和窗位的选择 关系到组织结构细节的显示 一般根据所要显示的组织结构CT值的变化范围来确定恰当的窗宽和窗位 尤其当正常组织与病变组织间密度差别较小时 必须使用窄窗宽才能显示病变 加大窗宽 图像层次增多 组织对比减少 细节显示差 缩小窗宽 图像层次减少 组织对比增加 因此 必须选择合适的窗宽和窗位 相互协调 才能获得既有一定层次 又有良好对比的图像 常用概念 窗口技术 北京分校 北京分校 窗位和窗宽 windowlevelandwindowwidth 密度分辨力 低对比度分辨力 当某一物体与其周围介质的X线吸收差异较小时 CT装置对该物体的影像识别能力 一般认为当对比度小于1 时为低对比度 即物体与周围介质的CT值差值在10以内 在X线源总能量不变的条件下 像素小 数目多 图象清晰 空间分辨率提高 单位容积的光子减少 密度分辨率降低 常用概念 窗口技术 北京分校 空间分辨力 高对比分辨力 是指对于物体空间大小 几何尺寸 的鉴别能力 CT图象的空间分辨力指某一物体与其周围介质的X线吸收差异较大时 CT装置对该物体影像识别能力 数字图象的空间分辨力是由像素的大小 尺寸 决定的 像素大小 视野大小 矩阵大小 常用概念 窗口技术 北京分校 常用概念 部分容积效应 矩阵图象重的像素代表的是一个体积 即像素面积 层厚 此体积内可能含有各种组织 因此 每一像素的CT值 代表单位体积的各种组织的平均CT值 因而这种CT值所代表的组织密度可能不存在 如骨骼与空气加在一起类似肌肉 北京分校 常用概念 部分容积效应 在同一扫描层面内有含有两种以上不同密度横行走行而又相互重叠的组织时 所测得的CT值不能如实反映其中任何一种组织的真实CT值 而是这些组织的平均CT值 这种现象称为部分容积效应 partialvolumeeffect 或部分容积现象 partialvolumephenomenon 北京分校 常用概念 部分容积效应 部分容积效应与CT扫描层厚和被检组织周围的密度有明显关系 对于小于层厚的小病变CT虽可显影 但所测得的CT值并不能真实反映该病变组织的CT值 因此 在评价小病变的CT值时必须注意部分容积效应的影响 如病变组织比周围组织密度高而其厚度小于层厚时 所测得的CT值比实际的CT值小 反之 病变组织密度比周围组织密度低而其厚度小于层厚时 则所测得的CT值要比实际的CT值高 北京分校 常用概念 噪声 噪声 从字面解释系指不同频率和不同强度的声音无规律的组合在一起即成噪声 在X线成像中的定义 影象上观察到的亮度水平中随机出现的波动 北京分校 常用概念 噪声 扫描噪声是因为X线穿透人体到达探测器的光子数量有限 致使光子在矩阵内各像素的分布不均 导致密度相等的组织或水在图像上的各点的CT值不相等 扫描噪声主要与球管电流和扫描时间有关 即与X线剂量有关 必须根据检查部位的组织厚度和密度选择毫安量 北京分校 常用概念 伪影 伪影 系指在成像过程中产生的错误图象特征 即CT图像中出现与被扫描组织结构无关的异常影像 称为伪影 北京分校 北京分校 时间在飞驰 CT扫描也同样 螺旋CT扫描 80年代末90年代初 对CT机又作了改进 值得一提的是螺旋CT扫描 spiralCTSCAN 它是在螺旋式扫描的基础上 通过滑环技术与扫描床平直匀速移动而实现的 滑环技术使得X线管的供电系统只经电刷和短的电缆 这样就可使X线管连续旋转并进行连续扫描 在扫描期间 管球旋转和连续动床同时进行 使X线扫描轨迹成螺旋形 并且是连续的 没有间隔时间 结果使扫描时间大大缩短 北京分校 螺旋CT扫描X线管在旋转的同时 检查床在移动 实现了对人体的螺旋状扫描 北京分校 螺旋CT SpiralCT 螺旋CT的核心技术是滑环技术 X线管在连续旋转 曝光的同时 扫描床以一定的速度沿Z轴方向运动 探测器采集到的数据不再是传统CT的单层数据信息 而是人体某段体积的信息 扫描完成后可根据需要作不同层厚和层间距的图像重建 螺旋CT扫描又称容积扫描 volumetricscanning 根据X线管和探测器的运动方式 螺旋CT仍属于 旋转 旋转 类 即第三代CT机 但扫描性能大大提高 扫描时间大大缩短 北京分校 螺旋CT优势 扫描时间短 10 20秒内完成 一次屏气状态完成数据采集 可在造影剂达到峰值时成象 得到动 静脉的图象 可在采集的容积数据任何位置进行任意间隔的回顾性图象重建 可任意选择观察面 横断面 冠状面 矢状面 斜面及曲面 可在任何扫描部位重建出高质量的三维图象和血管造影图象 北京分校 螺旋CT扫描 缩短由于了扫描时间 所以对不和作的病人易行扫描 一次屏气即可完成扫描 从而容易清除呼吸运动带来的层面位置的变化 避免层面的遗漏或重叠 适合运动器官 如肺和肝的扫描 适合动态扫描 dynamicscanning 及CT血管造影 CTANGIOGRAPHY CTA 螺旋CT扫描应用越来越来广泛 北京分校 由于是连续扫描 可得到扫描区域的容积数据 所以可重建任意层面的图像 而且重建的三维图像比普通CT清晰 螺旋CT扫描 北京分校 北京分校 北京分校 螺旋CT的成像参数1 螺距 球管旋转一周检查床移动的距离与扫描线束厚度 即层厚 的比值 螺距等于0时 相当于传统CT扫描 螺距等于0 5时 X线管旋转曝光2周 螺距等于1时 X线管旋转曝光1周 螺距等于2时 X线管旋转曝光半周 螺距越大 探测器采集的信息量相对较少 图像质量下降 2 重建间隔 被重建的两相邻断面之间长轴方向的距离 回顾性图像重建 即先进行螺旋扫描取得原始数据 然后根据需要作任意断面的图像重建 北京分校 螺距 每圈移床距离 层厚螺距越大 床速越快 多层螺旋CT MultiSliceSpiralCT MSST 1991年 以色列的Elscint公司推出了双层螺旋CT 扫描速度比普通螺旋CT提高了一倍 1998年底的RSNA年会上 Siemens GE Marconi Picker Toshiba同时推出了旋转一周可获得4层连续层面图像的多层螺旋CT 或称多排探测器CT MultiDetectorRowCT MDCT 北京分校 图像后处理技术 重建技术用于使用原始数据经重建数学运算得到的横断面影像 可将CT图像的原始数据 改变图像的矩阵 视野 进行图像再次重建处理 另外 还可根据所选滤波函数 改变算法 再次重建图像 比如内耳骨算法扫描后 还可改变为软组织算法再次重建图像 提高了组织间的密度分辨力 使图像更细致 柔和 一次扫描 能获得不同算法的数套影像 用不同窗值来观察 诊断信息更丰富 北京分校 图像后处理技术 重组技术用于使用重建后的数据实施的进一步的后处理 北京分校 三维重建 一 多平面重组重组是将己有的各个层面中的有关显示数据取出来重新组合成为新的层面 矢状面 冠状面 斜面及任意曲面的图象 螺旋CT扫描 一次扫描采集的原始数据 不增加X线照射量 也排除了呼吸运动的伪影 重组的图象用显示数据重建 直接重建的图象用原始数据重建 北京分校 三维重建 二 三维重建是指螺旋CT扫描所获得的原始数据经计算机程序处理 在X Y轴的二维图象上对Z轴进行投影转换及负影显示处理 以重建出直观的立体图形 具体技术有 表面遮盖显示 shadedsurfacedisplay SSD 最大密度投影 maximumintensityprojection MIP 应用最广泛 北京分校 三维重建 三维重建 表面遮盖显示 SSD 最大密度投影 MIP 最小密度投影 MinP 容积显示 VRT 腔内重建技术 VE 骨骼重建血管重建其它器官或组织重建 北京分校 三维重建 仿真内窥镜 VE VirtualEndoscopy 是利用相邻组织结构之间较大的密度差 对器官或组织相同象素值的部分进行表面重建 非创伤性检查 能从狭窄或阻塞的远端观察病灶 也可动态 立体的观察腔内形态 但它不能显示粘膜及其颜色 不能进行活检 病变定性较差等 它还不能取代纤维内窥镜 VE的应用范围主要有 胃和结肠 五官窦道 大血管 胆道 膀胱等 北京分校 1 没有扫描间隔时间 大大缩短扫描时间 2 快速容积扫描 提高小病灶的检出 防止遗漏小病灶 3 能进行容积扫描后处理 CT血管造影 CT三维重建 CT仿真内窥镜等 螺旋CT的优点 北京分校 北京分校 CT检查方法一 平扫指不用任何造影剂的扫描方法 包括普通扫描和特殊扫描 前者应用最广泛 一 普通扫描常规采用横断扫描 根据需要亦可采用冠状扫描 层厚5mm 10mm 层距5mm 10mm 普通扫描对CT机没有特殊要求 在普通CT机和螺旋CT机上均可实施 北京分校 CT检查方法 二 薄层扫描薄层扫描 thinslicescan 是指层厚小于5mm的扫描 目前最薄的扫描层厚可小至1mm 在普通CT机和螺旋CT机上均可实施 薄层扫描的主要优点是减少部分容效应 从而真实反映病变及组织器官内部的密度 北京分校 CT检查方法 三 重叠扫描重叠扫描 overlapscan 是指扫描时设置的层距小于层厚 使相邻的扫描层面有部分重叠的扫描方法 例如扫描层厚10mm 层距5mm 相邻两个层面就有5mm厚度的重叠 重叠扫描对CT机没有特殊要求 可减少部分容积效应 提高小病灶检出的机会 北京分校 CT检查方法 四 靶扫描靶扫描 targetscan 是指对兴趣区先局部放大后进行扫描的方法 靶扫描图像与普通扫描图像的像素数目相同 因而明显增加了该局部单位面积的像素数目 提高了空间分辨力 北京分校 CT检查方法 四 靶扫描方法 对检查部位先行一层普通扫描 然后利用此图像对兴趣区进行局部放大后再逐层扫描 层厚 层距常用1mm 5mm 电压 电流与普通扫描相同 靶扫描主要用于小器官和小病灶的显示 如内耳 脑垂体 椎间盘 肾上腺或胰头区病变的检查 北京分校 CT检查方法 五 高分辨力扫描高分辨力扫描CT highresolutionCT HRCT 是指在较短的扫描时间内 获得具有良好的空间分辨力CT图像的扫描方法 HRCT具有良好的空间分辨力 对显示小病灶 小器官及其细微结构优于普通CT扫描 多作为普通CT扫描的一种补充 如肺部弥漫性与结节性病变的检查 但亦可作为独立的扫描检查方法 如内耳的检查 北京分校 CT检查方法 六 定量CT定量CT quantitativeCT QCT 是指利用CT检查来测定某一些兴趣区内特殊组织的某一种化学成分含量的方法 常用来测定骨矿物质含量 监测骨质疏松或其它代谢性骨病病人的骨矿密度 北京分校 CT检查方法二 增强扫描增强扫描是指静脉注射对比剂后的扫描 增强扫描增加了正常组织与病变组织的密度差别 可更清楚地显示出病变与周围组织间的关系及病变的大小 形态 范围 有助于发现平扫未能显示或显示不清的病变 同时依据病变强化的特点 有助于定性诊断 另外 还可观察血管结构及血管病变等 北京分校 CT检查方法二 增强扫描 一 常规增强扫描是静脉注射对比剂后按普通扫描的方法进行扫