多层螺旋CT原理及临床应用

多层螺旋CT基本原理及 临床应用,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,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,一、多层CT的技术原理,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。,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。,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)。,在探测器结构的设计上，48层螺旋CT各厂家采用了不同的形式，有等宽型及非等宽型，,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,16层螺旋CT探测器阵列,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。,160.625mm,161.25mm,160.75mm,161.5mm,飞利浦/西门子16层,GE16层,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),非等宽型探测器层面厚度的选择,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,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。,Two collimation modes:,Collimation Modes,Either the 16 innermost detector rows can be activated, which corresponds to12 mm beam collimation, OR all 24 rows can be activated, which corresponds to24 mm beam collimation.,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,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,16 个数据通道,Raw data file,16 X 1.5 mm,24 mm 准直模式,X线束,Raw data file,8X 3.0 mm,24 mm 准直模式,8 channels,X线束,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,二、与多层螺旋CT相关的其它技术改进,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。,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,X线球管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。飞焦点技术，增加信息量，提高图象质量。（西门子、皮克）阳极接地，加大散热，延长连续曝光时间。（东芝）采用航天散热涂料增加阳极散热率。（GE公司）,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。,多层螺旋CT基本结构及原理探测器排的设计,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,驱动技术,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。,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,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。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。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。,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。 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。,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,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,信号传输技术,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,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,三、单层螺旋与多层螺旋CT的比较,单层螺旋CT机：薄扇形X射线束单排探测器单一数据采集通道一个旋转周期仅得一幅图象,多层螺旋CT机特点：锥形X射线束多排探测器多路数据采集通道每一个旋转周期可得多幅图象,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,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：,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,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。,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。,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,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。,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，,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。,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。,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：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.3D重建（volume rendering, maximumintensity 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,二、临床应用扩展,在高危人群普查肺癌普查：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。,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。,CT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。,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)。,多层螺旋CT的临床应用-急性中风脑缺血灌注成像,多层螺旋CT的临床应用-急性中风脑缺血灌注成像,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。,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。,CT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。,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。,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。,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。,CT泌尿系成像（MDCT urography）,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,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。,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,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,(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。”,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,計算機銀屏上的中國可視人脈胳清晰、層次分明。,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。,通过断层间的轮廓线拟合表面（切片级重建）；直接从三维体数据生成等值面；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,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。,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。,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。,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。,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。,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。,二、医学图象三维重建技术的临床价值,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）作为医学研究和教学的工具结构分析以及关于各种器官和组织的温度、应力的有限元分析人体血液或体液的动态分析。,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,多层螺旋CT的临床应用,轴位示右冠钙化，左前降支钙化,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,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。,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： smallKVp: 140mAs: 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,多层螺旋CT的临床应用内耳SSD重建,多层螺旋CT的临床应用内耳SSD重建,多层螺旋CT的临床应用内耳SSD重建,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）,多层螺旋CT的临床应用CT血管造影（CTA）,多层螺旋CT的临床应用CT血管造影（CTA）