修XCT成像原理

CT 成像原理,-Computed Tomography计算机断层扫描,1、发明人：英国：亨斯菲尔德（Hounsfield）2. 小资料：-1969年设计成功断层摄影装置-1971年第一台头颅CT机问世-1972年英国放射学会上发表-1974年美国工程师Ledley设计出全身CT机。-1979年获诺贝尔医学生理学奖,CT发明情况,Hounsfield和Cormack因发明CT获得1979年诺贝尔医学和生理学奖。,G. N. Hounsfield,A. M. Cormack,普通X射线影像的缺点,影像：X射线穿透不同密度和厚度组织结构后的总和投影,影像重叠:深度方向上的信息重叠在一起，引起混淆 密度分辨率低:对软组织分辨能力低 剂量大,Computed tomography,CT扫描方式与设备,平移采集160个数据*旋转180 每次扫描共采集28800个数据；计算8080矩阵的图像，6400个像素；一幅图像约需5min一次检查约需35min 。应用范围：脑,1、单束平移旋转方式 第1代（1970）,一、普通CT,2、窄扇形束扫描平移旋转方式 第2代（1972）,扇角：1520 步幅：510；X球管1个，检测器2030个；一幅图像需时2060 s；应用范围：头部，腹部,一幅图像需时约 5s；应用范围：全身（心脏除外）,3060,3001000个,3、广角扇束形旋转旋转（常用） 第3代（1976）：,一幅图像约需 2s; 应用范围：全身。特点：扫描时间短，较好消除运动伪影。,4001500个检测器组成 静止环形检测器环,4、反扇束形静止旋转（常用）第4代（1978）,1、动态空间扫描 28个X线管（半圆），28个检测器（半圆）；电子开关控制轮流发射X射线脉冲束；时间1s 。应用范围：心、肺动态器官,二、超高速扫描 第5代（1987）,2、电子束扫描钟形X射线管和静止排列的检测器环采用电子枪结构，使每次扫描时间大大缩短时间约 10ms应用范围：心、肺等动态器官,三、螺旋CT（1989）,1、扫描方式与供电方式：扫描方式：X线管绕被查人体匀速单向旋转，人体匀速前进,扫描轨迹为螺旋曲线，故称螺旋CT,优点：扫描速度高： 减少运动伪影无采集数据遗漏： 容积数据，任意位置、 任意方位重建图像。,供电方式：滑环（slip ring) ，碳刷在滑环上运动完成机架旋转部分与静止部分馈电和信号传递，无电缆的缠绕，机架单向连续旋转,2、多层面扫描螺旋CT（1998）,单层螺旋CT：线束宽度近似于层厚；多层螺旋CT：线束以X射线管为顶点，呈四棱锥形,XCT是运用物理技术，以测定X射线在人体内的衰减系数为基础，采用数学方法，经计算机处理，求解出衰减系数值在人体某剖面上的二维分布矩阵，转变为图像画面上的灰度分布，从而实现重新建立断面图像的现代医学成像技术。,XCT像的本质是衰减系数成像,指导思想：如何确定衰减系数值在人体某剖面上的二维分布, X-CT成像原理,体层、体素,体素、矩阵和像素,像素(pixel)：数字矩阵中的每个数字转为由黑到白不等灰度的小方块，像素是二维概念。,体素（voxel)：将选定层面分成若干个体积相同的立方体。体积：长宽高一般体素的大小：长和宽：12mm高（体层厚）：310mm,矩阵：每个体素的X线衰减系数排列成矩阵。,长240像素1.51.5体素1.51.51332401.5=160矩阵:160160=25600个像素,像素越多，像素就越小，画面越细腻 ，携带的生物信息量越多。,CT扫描机的结构,扫描架,控制台（显示）,高压发生器,电源控制,计算机系统成像系统的核心,扫描床,探测器：接收透过被检物体的x线，进行光电转换模/数转换器：作模拟信号和数字信号的转换,CT的基本结构,CT成像的物理基础,注意：是物体种类和X射线能量的函数,1、 均匀物质对X射线的吸收规律：,2、 X射线束通过非均匀物质,1 2 3 n,x,I0,In,I1 = I0e(1x)I 2= I1e(2x) In = I0e-(1 + 2+ n)x,i 视为均匀,1、CT值x线穿透人体时，不同的组织密度值代表不同的线性衰减系数，一般用它的相对值表示，称为CT值。CT的定义是以水的吸收系数（ w = 1 ）为标准，其它组织与之比较后得出。,3、CT值与灰度显示,K=1000 为分度因数CT值的单位是 Hu 或H（亨）,病变CT值 可鉴别病变的性质 如肝囊肿 015H,2. 灰度显示,CT值与灰度对应,图相,脑内出血区呈高密度影，CT值约4590Hu之间,实质性肿瘤CT表现为高密度影,囊性肿瘤为低密度影,CT图像上的黑色表示低吸收区，即低密度区，如脑室；白色表示高吸收区，即高密度区，如颅骨。,图像重建的数学方法,1、代数（迭代）重建法（联立方程组）,减基数10,化简,2、反投影法,基数等于所有体素特征的总和,3、滤波反投影法（Filtered back projection) 也称为卷积反投影法(convolution back projection,CBP),反投影法得到的图像四周伴有星状伪像；滤波反投影在反投影之前，用滤波函数与反投影信号相加（卷积处理），消灭星状伪影。,表示卷积积分,卷积核,卷积核：在CT图像重建过程中用于滤波反投影的专用函数， 改善像素噪声和几何分辨率。, CT图像是将重建矩阵中的每一个象素经D/A转化 成相应的亮暗信号在显示器上显示，这些亮暗信号的等级差别称为灰阶。 一般将灰阶分为16阶，每阶又有4级连续变化的 灰度，共有64个连续的过度等级。 CT值在-1000-+1000范围内。所以每级分别代表 约31（2001/64）个连续的CT值。,常用概念-灰阶,人眼不能分辨微小的灰度差异，为了提高组织结构的细微显示效应，分辨相邻组织的差别，突出显示诊断需要的图像信息（感兴趣区），通常通过调节图像的对比度和亮度完成，这种技术称为窗口技术。窗口技术分为窗宽和窗位。窗宽（WW）： 是指显示图象时所选用的CT值范围，在此范围内的组织结构按其密度高低从白到黑分16个灰阶（显示器上的图像由这16个灰阶来反映全部2000个分度）。 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。,常用概念-窗口技术,补充：2000个分度用16个灰阶来反映，则所能分辨的CT值是2000/16，即125H，两种组织CT值的差别小于125H时，则不能分辨。为了提高组织结构细节的显示，使CT值差别小的两种组织能够分辨，需采用不同的窗宽来观察显示器（CRT）上的图像。例如：窗宽用100H，则可分辨的CT值为100/16，即6.25H，两种组织CT值差别在6.25H以上，即可分辨。,常用概念窗宽,窗位（WL） 欲观察某一组织结构细节时，应以该组织的CT值为中心，进行扫描，此中心即为窗位。 窗位主要影响CT图像的亮度，低窗位图像亮度高成白色，而高窗位图像亮度低呈黑色 骨组织是的WL:350左右 肺组织的WL:-650左右 腹部，纵膈的WL:40左右,举例：要观察脑实质，窗宽常为100 Hu ，窗位为40 Hu ，实际观察的CT值范围为 -10Hu（40-50）90Hu（40+50）。即密度在-10Hu90Hu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；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；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100 Hu不变时，若窗位为0 Hu时，其CT值范围则为 -50 Hu50 Hu；若窗位改为50 Hu，则其CT值范围为0 Hu100 Hu。,纵隔窗,肺 窗,CT成像原理,1. 由X线束对人体某部位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；2. 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；3. 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，4. 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，5. 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的优缺点,优点：1、真正断面像：准直系统准直，无层面外组织结构干扰； 软件处理重建，获得诊断所需多方位像。2、密度分辨力高：严格准直，灵敏探测器； 窗口技术，灰阶可调节； 无断层外干扰。3、可做定量分析：测量值，定量分析。,局限性：1、空间分辨力仍低于常规X线检查；2、不是所有脏器都适合CT检查（如空腔性脏器、胃肠道）3、CT定位、定性诊断的准确性仍受各种因素的影响 （病变部位、大小、性质、病程长短）；4、不能反映脏器的功能、生化信息 （基本上只反映解剖学方面的性质）。,CT的一些基本概念,1、物体对比度（CT ） 相邻两个物体之间在图像中的显示能力，（在CT成像中，其与物体的大小、重建的算法和窗的设置有关）,对比度：不同物质的密度差异X射线透射差异 像素灰度间的黑白程度的对比,2、低对比度分辨力和高对比度分辨力,低对比度分辨力：细节与背景之间具有低对比度时，能使细节从背景中鉴别出来的能力。条件：物体（细节）与均质环境的吸收系数差别的相对值 1% 或 CT10Hu,X-CT: 0.51% 普通X线片：5% 低对比度分辨力CT优于X片 低对比度分辨力高是X-CT的优势！原因： CT与普通x线摄影比较 无重叠干扰； 高度准直，散射线少；探测器比胶片灵敏。,影响因素： 探测器孔径（射线采样宽度）空间分辨力 间距（采样间隔） 空间分辨力 像重建算法（滤波函数的选择）。,高对比度分辨力：在高对比度条件下，将一定大小的细节从背景中鉴别出来的能力。条件：物体（细节）与均质环境的吸收系数差别的相对值 10%； 或CT100Hu,3、空间分辨力： 在高对比度条件下，鉴别两个距离很近的微小组织或病灶的能力。,体素（矩阵越大）空间分辨力在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。,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, 扫描中不存在而出现在重建图像中的干扰图样。是由于设备或病人所造成的（多为运动伪影），产生伪影的原因1、成像系统的测量误差,4、伪影,定期做系统维护,金属植入物,条纹状伪影,2、X射线的原因（硬化效应等） X线管发出的低能射线比高能射线衰减得多，使得高能射线与全部射线的比率相对提高，x线束硬度增加，这种现象称为x线束的硬化效应。,CT值随厚度而异（条状或环状伪影），通过A/D转化器校正,3、受检体的原因 体位移动、 体内器官心、肺、肠等非自主运动等,抑制方法：缩短扫描时间训练呼吸,5、部分容积效应 在同一扫描层面内含有两种以上不同密度横行而又互相重叠的物质时，则所得的CT