修X-CT成像原理

1、CT 成像原理成像原理 -Computed Tomography 计算机断层扫描计算机断层扫描 1 1、发明人：英国：亨斯菲尔德（、发明人：英国：亨斯菲尔德（HounsfieldHounsfield） 2. 2. 小资料：小资料： -1969-1969年设计成功断层摄影装置年设计成功断层摄影装置 -1971-1971年第一台头颅年第一台头颅CTCT机问世机问世 -1972-1972年英国放射学会上发表年英国放射学会上发表 -1974-1974年美国工程师年美国工程师Ledley设计出全身设计出全身CTCT机。机。 -1979-1979年获诺贝尔医学生理学奖年获诺贝尔医学生理学奖 CTCT发明情

2、况发明情况 G. N. Hounsfield A. M. Cormack 普通普通X X射线影像的缺点射线影像的缺点 影像：影像：X X射线穿透不同密度和厚度组织结构后的总和投影射线穿透不同密度和厚度组织结构后的总和投影 Computed tomography CTCT扫描方式与设备扫描方式与设备 平移采集平移采集160160个数据个数据* *旋转旋转180 180 每次扫描共采集每次扫描共采集2880028800个数据；个数据； 计算计算80808080矩阵的图像，矩阵的图像，64006400个像素；个像素； 一幅图像约需一幅图像约需5min5min 一次检查约需一次检查约需35min 35

3、min 。 应用范围：脑应用范围：脑 1 1、单束平移、单束平移旋转方式旋转方式 第第1 1代（代（19701970） 一、普通一、普通CT 2 2、窄扇形束扫描平移、窄扇形束扫描平移旋转方式旋转方式 第第2 2代（代（19721972） 扇角：扇角：15152020 步幅：步幅：5 51010； X X球管球管1 1个，个，检测器检测器20203030个个； 一幅图像需时一幅图像需时202060 s60 s； 应用范围：头部，腹部应用范围：头部，腹部 一幅图像需时约一幅图像需时约 5s5s； 应用范围：全身（心脏除外）应用范围：全身（心脏除外） 30306060 30030010001000

4、个个 3 3、广角扇束形、广角扇束形旋转旋转旋转旋转（常用）（常用） 第第3 3代（代（19761976） ： 一幅图像约一幅图像约需需 2s2s; ; 应用范围：全身。应用范围：全身。 特点：扫描时间短，较好消除运动伪影。特点：扫描时间短，较好消除运动伪影。 40040015001500个检测器组成个检测器组成 静止环形检测器环静止环形检测器环 4 4、反扇束形静止、反扇束形静止旋转旋转（常用）（常用） 第第4 4代（代（19781978） 1 1、动态空间扫描、动态空间扫描 2828个个X X线管（半圆），线管（半圆），2828个检测器（半圆）；个检测器（半圆）； 电子开关控制轮流发射电子

5、开关控制轮流发射X X射线脉冲束；射线脉冲束；时间时间1s1s 。 应用范围：心、肺动态器官应用范围：心、肺动态器官 二、超高速扫描二、超高速扫描 第第5 5代代（19871987） 2 2、电子束扫描、电子束扫描 钟形钟形X X射线管和静止排列的检测器环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采用电子枪结构，使每次扫描时间大大缩短 时间约时间约 10ms10ms 应用范围：心、肺等动态器官应用范围：心、肺等动态器官 三、螺旋三、螺旋CT（1989） 1 1、扫描方式与供电方式：、扫描方式与供电方式： 扫描方式扫描方式：X X线管绕被查人体匀速单向旋转，人体匀速前进线

6、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，故称螺旋扫描轨迹为螺旋曲线，故称螺旋CTCT 优点：优点： 扫描速度高：扫描速度高： 减少运动伪影减少运动伪影 无采集数据遗漏：无采集数据遗漏： 容积数据，任意位置、容积数据，任意位置、 任意方位重建图像。任意方位重建图像。 供电方式供电方式：滑环（：滑环（slip ring) slip ring) ，碳刷在滑环上运动完成机架旋转部，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 单层探测器多层探测器 X X 光管X X 光管 2 2

7、、多层面扫描螺旋、多层面扫描螺旋CTCT（19981998） 单层螺旋单层螺旋CTCT： 线束宽度近似于层厚；线束宽度近似于层厚； 多层螺旋多层螺旋CTCT： 线束以线束以X X射线管为顶点，呈四棱锥形射线管为顶点，呈四棱锥形 XCTXCT是运用物理技术，以是运用物理技术，以测定测定X X射线在人体内的衰减系数射线在人体内的衰减系数为基础，采用为基础，采用 数学方法，经计算机处理，求解出数学方法，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矩阵，转变为图像画面上的灰度分布，从而实现重新

8、建立断面图像的现代 医学成像技术。医学成像技术。 XCTXCT像的像的本质本质是衰减系数成像是衰减系数成像 指导思想指导思想：如何确定衰减系数值：如何确定衰减系数值 在人体某剖面上的二维分布在人体某剖面上的二维分布 X-CT成像原理成像原理 体层、体素体层、体素 体素、矩阵和像素体素、矩阵和像素 像素像素(pixel)(pixel)：数字矩阵中数字矩阵中的每个数字转为由黑到白的每个数字转为由黑到白不等灰度不等灰度 的小方块，像素是二维概念。的小方块，像素是二维概念。 体素体素（voxel)voxel)：将选定层面：将选定层面 分成若干个分成若干个体积相同的立方体体积相同的立方体。 体积：长体积

9、：长宽宽高高 一般体素的大小：一般体素的大小： 长和宽：长和宽：1 12mm2mm 高（体层厚）：高（体层厚）：3 310mm10mm 矩阵矩阵：每个：每个体素的体素的X X线衰减系数线衰减系数排列成矩阵。排列成矩阵。 长长240 像素像素1.51.5 体素体素1.51.5133 2401.5=160 矩阵矩阵:160160=25600个像素个像素 像素越多，像素就越小，画面越细腻像素越多，像素就越小，画面越细腻 ，携带的生物信息量越，携带的生物信息量越 多。多。 CTCT扫描机的结构扫描机的结构 扫描架扫描架 控制台（显示）控制台（显示） 高压发生器高压发生器 电源控制电源控制 计算机系统计

10、算机系统 成像系统的核心成像系统的核心 扫描床扫描床 探测器：接收透过被检物体的探测器：接收透过被检物体的x x线，进行光电转换线，进行光电转换 模模/ /数转换器：作模拟信号和数字信号的转换数转换器：作模拟信号和数字信号的转换 CTCT的基本结构的基本结构 CT CT成像的物理基础成像的物理基础 I I ln x 1 eII 0 x 0 注意：注意： 是物体种类和是物体种类和X X射线能量的函数射线能量的函数 1 1、 均匀物质对均匀物质对X X射线的吸收规律：射线的吸收规律： 3 3 )(h Z 光电衰减系数： 2、 X X射线束通过非均匀物质射线束通过非均匀物质 1 2 3 n x I0

11、 In I1 = I0e(1x) I 2= I1e(2x) In = I0e-(1 + 2+ n)x i 视为均匀视为均匀 投影或 P I I I I i n n 0 n 0 21 ln x 1 lnx)( dx)x(P 1 1、CTCT值值 x x线穿透人体时，线穿透人体时，不同的组织密度值不同的组织密度值代表不同的线性衰减系数代表不同的线性衰减系数，一般用，一般用 它的相对值表示，称为它的相对值表示，称为CTCT值。值。 CTCT的定义是以水的吸收系数（的定义是以水的吸收系数（ w w = 1 = 1 ）为标准，其它组织与之比较后）为标准，其它组织与之比较后 得出。得出。 3 3、CTCT

12、值与灰度显示值与灰度显示 w w KCT值 K=1000 K=1000 为分度因数为分度因数 CTCT值的单位是值的单位是 Hu Hu 或或H H（亨）（亨） 水 骨 空气 1.0 2.0 0 CT值 0 +1000 -1000 病变病变CTCT值值 可鉴别病变的性质可鉴别病变的性质 如肝囊肿如肝囊肿 015H015H 2. 灰度显示灰度显示CTCT值与灰度对应值与灰度对应 图相图相 脑内出血区呈高密度影，脑内出血区呈高密度影， CTCT值约值约454590Hu90Hu之间之间 实质性肿瘤实质性肿瘤CTCT表现为表现为 高密度影高密度影 囊性肿瘤为低密度影囊性肿瘤为低密度影 CTCT图像上的图

13、像上的黑色表示低吸收区黑色表示低吸收区，即低密度区，如脑室；，即低密度区，如脑室； 白色表示高吸收区白色表示高吸收区，即高密度区，如颅骨。，即高密度区，如颅骨。 图像重建的数学方法图像重建的数学方法 1、代数（迭代）重建法、代数（迭代）重建法（联立方程组）（联立方程组） 减基数减基数 10 化简化简 2 2、反投影法、反投影法 基数等于所有体素特征的总和基数等于所有体素特征的总和 3、滤波反投影法、滤波反投影法（Filtered back projection) 也称为卷积反投影法也称为卷积反投影法(convolution back projection,CBP) 反投影法反投影法得到的图像四

14、周伴有星得到的图像四周伴有星 状伪像；状伪像； 滤波反投影滤波反投影在反投影之前，用滤在反投影之前，用滤 波函数与反投影信号相加（卷积波函数与反投影信号相加（卷积 处理），消灭星状伪影。处理），消灭星状伪影。 dttxxxx) t ()(u)()()(u 表示卷积积分表示卷积积分卷积核卷积核 卷积核卷积核：在：在CTCT图像重建过程中用于滤波反投影的专用函数，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。改善像素噪声和几何分辨率。 CT CT图像是将重建矩阵中的每一个象素经图像是将重建矩阵中的每一个象素经D/AD/A转化转化 成相应的亮暗信号在显示器上显示，这些成相应的亮

15、暗信号在显示器上显示，这些亮暗信亮暗信 号的等级差别号的等级差别称为灰阶。称为灰阶。 一般将灰阶分为一般将灰阶分为1616阶，每阶又有阶，每阶又有4 4级连续变化的级连续变化的 灰度，共有灰度，共有6464个连续的过度等级。个连续的过度等级。 CTCT值在值在-1000-+1000-1000-+1000范围内。所以每级分别代表范围内。所以每级分别代表 约约3131（2001/642001/64）个连续的）个连续的CTCT值。值。 常用概念常用概念-灰阶灰阶 人人眼不能分辨微小的灰度差异，眼不能分辨微小的灰度差异，为了提高组织结构的细微显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

16、显示诊断需要的图像信示效应，分辨相邻组织的差别，突出显示诊断需要的图像信 息（息（感兴趣区感兴趣区），通常通过调节图像的对比度和亮度完成，），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。这种技术称为窗口技术。 窗口技术分为窗口技术分为窗宽窗宽和和窗位窗位。 窗宽（窗宽（WWWW）：）： 是指显示图象时所选用的是指显示图象时所选用的CTCT值范围值范围，在此范围内的组织在此范围内的组织 结构按其密度高低结构按其密度高低从白到黑分从白到黑分1616个灰阶个灰阶（显示器上的图像由（显示器上的图像由 这这1616个灰阶来个灰阶来反映全部反映全部20002000个分度个分度）。）。 加大

17、窗宽，图像层次增多，组织对比减少，细节显示差；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。缩小窗宽，图像层次减少，组织对比增加。 常用概念常用概念-窗口技术窗口技术 补充：补充：20002000个分度用个分度用1616个灰阶来反映，则所个灰阶来反映，则所 能分辨的能分辨的CTCT值是值是2000/162000/16，即，即125H125H，两种组，两种组 织织CTCT值的差别小于值的差别小于125H125H时，则不能分辨。时，则不能分辨。 为了提高组织结构细节的显示，使为了提高组织结构细节的显示，使CTCT值差值差 别小的两种组织能够分辨，需采用不

18、同的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（窗宽来观察显示器（CRTCRT）上的图像。）上的图像。 例如：窗宽用例如：窗宽用100H100H，则可分辨的，则可分辨的CTCT值为值为 100/16100/16，即，即6.25H6.25H，两种组织两种组织CTCT值差别在值差别在 6.25H6.25H以上，即可分辨。以上，即可分辨。 常用概念常用概念窗宽窗宽 窗位（窗位（WLWL） 欲观察某一组织结构细节时，应以该组织的欲观察某一组织结构细节时，应以该组织的CTCT值为中心值为中心， 进行扫描，此进行扫描，此中心即为窗位中心即为窗位。 窗位主要影响窗位主要影响CTCT图像的图像的亮

19、度亮度，低窗位图像亮度高成白色，而，低窗位图像亮度高成白色，而 高窗位图像亮度低呈黑色高窗位图像亮度低呈黑色 骨组织是的骨组织是的WL:350WL:350左右左右 肺组织的肺组织的WL:-650WL:-650左右左右 腹部，纵膈的腹部，纵膈的WL:40WL:40左右左右 举例：要观察脑实质，窗宽常为举例：要观察脑实质，窗宽常为100 Hu 100 Hu ，窗位为，窗位为40 Hu 40 Hu ， 实际观察的实际观察的CTCT值范围为值范围为 -10Hu-10Hu（40-5040-50）90Hu90Hu（40+5040+50）。 即密度在即密度在-10Hu-10Hu90Hu90Hu范围内的各种结

20、构如范围内的各种结构如脑实质和脑室脑实质和脑室 系统等均以不同的灰度显示出来系统等均以不同的灰度显示出来； 高于高于90Hu90Hu的组织结构如骨组织及颅内钙化等均以的组织结构如骨组织及颅内钙化等均以白影白影显示，显示， 无灰度差别；无灰度差别； 低于低于-10Hu-10Hu的组织结构如皮下脂肪、乳突气房及颅内积气等的组织结构如皮下脂肪、乳突气房及颅内积气等 均以均以黑影黑影显示，其间也无灰度差别。显示，其间也无灰度差别。 若窗宽保持若窗宽保持100 Hu100 Hu不变时，若窗位为不变时，若窗位为0 Hu0 Hu时，其时，其CTCT值范围则值范围则 为为 -50 Hu-50 Hu50 Hu5

21、0 Hu；若窗位改为；若窗位改为50 Hu50 Hu，则其，则其CTCT值范围为值范围为0 0 HuHu100 Hu100 Hu。 纵隔窗纵隔窗 肺肺 窗窗 CTCT成像原理成像原理 1. 1. 由由X X线束对人体某部位线束对人体某部位一定厚度的层面一定厚度的层面扫描，由扫描，由探测探测 器接收器接收被该层面部分吸收的被该层面部分吸收的剩余剩余X X线线； 2. 2. 探测器将接收到的各方向不同强度的探测器将接收到的各方向不同强度的X X线信号由线信号由光电光电 转换器转变为电信号转换器转变为电信号，再经，再经模模/ /数转换器转变为数字数转换器转变为数字 信号信号，传送到计算机的数据采集系

22、统；，传送到计算机的数据采集系统； 3. 3. 计算机将采集的各方向的数字信息经计算机将采集的各方向的数字信息经运算处理运算处理，得，得 出扫描层面各点的数字（扫描所得信息经过计算而获出扫描层面各点的数字（扫描所得信息经过计算而获 得得体素的体素的X X线衰减系数线衰减系数），排列成），排列成数字矩阵数字矩阵， 4. 4. 数字矩阵数字矩阵可存储于硬盘或光盘中，再经数可存储于硬盘或光盘中，再经数/ /模转换器模转换器 将数字矩阵中的每个数字转化为由将数字矩阵中的每个数字转化为由黑到白不同灰度的黑到白不同灰度的 小方块，小方块， 5. 5. 按矩阵排列，即构成按矩阵排列，即构成CTCT图像图像，

23、最后调节，最后调节窗宽、窗位，窗宽、窗位， 经显示器或照相机输出，用于临床诊断。经显示器或照相机输出，用于临床诊断。 CTCT的优缺点的优缺点 优点：优点： 1 1、真正断面像：准直系统准直，无层面外组织结构干扰；、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。软件处理重建，获得诊断所需多方位像。 2 2、密度分辨力高：严格准直，灵敏探测器；、密度分辨力高：严格准直，灵敏探测器； 窗口技术，灰阶可调节；窗口技术，灰阶可调节； 无断层外干扰。无断层外干扰。 3 3、可做定量分析：测量、可做定量分析：测量值，定量分析。值，定量分析。 局限性：局限性： 1 1

24、、空间分辨力仍低于常规、空间分辨力仍低于常规X X线检查；线检查； 2 2、不是所有脏器都适合、不是所有脏器都适合CTCT检查（如空腔性脏器、胃肠道）检查（如空腔性脏器、胃肠道） 3 3、CTCT定位、定性诊断的准确性仍受各种因素的影响定位、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）；（病变部位、大小、性质、病程长短）； 4 4、不能反映脏器的功能、生化信息、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）。（基本上只反映解剖学方面的性质）。 CTCT的一些基本概念的一些基本概念 1 1、物体对比度（、物体对比度（CT CT ） 相邻两个物体之间在图像

25、中的显示能力，（在相邻两个物体之间在图像中的显示能力，（在CTCT成像中，其与物体的成像中，其与物体的 大小、重建的算法和窗的设置有关）大小、重建的算法和窗的设置有关） 对比度：对比度：不同物质的密度差异不同物质的密度差异XX射线透射差异射线透射差异 像素灰度间的黑白程度的对比像素灰度间的黑白程度的对比 %100 b b ba CTa值为两体素之间的、定义式：设 2 2、低对比度分辨力和高对比度分辨力、低对比度分辨力和高对比度分辨力 低对比度分辨力：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。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

26、件：物体（细节）与均质环境的吸收系数差别的相对值条件：物体（细节）与均质环境的吸收系数差别的相对值 1% 1% 或或 CTCT10Hu10Hu X-CT: 0.51% X-CT: 0.51% 普通普通X X线片：线片：5% 5% 低对比度分辨力低对比度分辨力CTCT优于优于X X片片 低对比度分辨力高是低对比度分辨力高是X-CTX-CT的优势！的优势！ 原因：原因： CTCT与普通与普通x x线摄影比较线摄影比较 无重叠干扰；无重叠干扰； 高度准直，散射线少；高度准直，散射线少； l探测器比胶片灵敏。探测器比胶片灵敏。 影响因素：影响因素： 探测器孔径（射线采样宽度）探测器孔径（射线采样宽度）

27、空间分辨力空间分辨力 间距（采样间隔）间距（采样间隔） 空间分辨力空间分辨力 像重建算法（滤波函数的选择）。像重建算法（滤波函数的选择）。 高对比度分辨力：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。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条件：物体（细节）与均质环境的吸收系数差别的相对值 10%10%； 或或CTCT100Hu100Hu 3 3、空间分辨力：、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。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

28、素体素 （矩阵越大）（矩阵越大）空间分辨力空间分辨力 在在X 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。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。数字图象的空间分辨力是由像素的大小（尺寸）决定的。 像素大小像素大小= =视野大小视野大小/ /矩阵大小矩阵大小 扫描中不存在而出现在重建图像中的干扰图样。扫描中不存在而出现在重建图像中的干扰图样。是由于设是由于设 备或病人所造成的（多为运动伪影），备或病人所造成的（多为运动伪影）， 产生伪影的原因产生伪影的原因 1 1、成像系统的测量误差、成像系统的测量误差 4 4、伪影、伪影 定期做系统维护定期做系统维护 电器故障电器故障 人体超出测量范围人体超出测量范围 金属植入物金属植入物条纹状伪影条纹状伪影 2 2、X X射线的原因（硬