医学物理学-第四章

医学影像物理学第四章X射线计算机体层成像（XCT）与图像重建第四章

XCT与图像重建

CT是利用投影重建断层图象。

1923年美国科马克研究出图象重建的方法；1969年由英国工程师Hounsfiled

设计出世界上首台医学CT机；并于1972取得世界上第一幅CT图象——头部CT。可清晰识别出脑灰质和脑白质；二人于1979年获得诺贝尔医学和生理学奖；以后出现全身CT、心脏CT、螺旋CT。

我国1990年完成第一台CT机。CT原理

CT是综合运用层面X线扫描原理，利用高灵敏光子探测技术，先进的数据处理方法和显示技术，根据人体不同组织和病变对X线衰减系数不同，采用一定的数学方法，把探测的结果经计算机处理，获得人体衰减系数在人体某剖面上的二维分布矩阵，再用电子技术转化为一系列准确而详细的组织层面灰度图像，实现断层图像的现代医学成像技术。这些层面图综合起来，便能得到有关组织结构的立体形象和病变情况，达到诊断的目的。CT成像系统图（衰减系数成像）X-CT成像与普通X线成像比较普通X线成像示意图X—CT成像示意图断层扫描是只扫描架按照一定的扫描方式绕受检对象运动一周，如旋转，产生一个断层切片。在扫描机架运动过程中X射线源曝光，检测器检测X射线，计算机采集、处理并进行图像重建，这样就得到受检者某一断层位置的切片图像。选择适当的层厚和层位，经多次扫描可以获得一系列无重叠的二维图像CT图X-CT成像与普通X线成像比较

1.CT是断面图像，消除了相互重叠影像，准确而普通平片是用二维图像显示三维结构，对重叠的结构（如在胸部）常难以分辨，

2.CT的密度分辨率高，它可以显示平片不能发现的病变。

3.

具有较高的x线利用率，准直器去散射第一节

XCT的数理基础

体层（断层）：受检体的一个薄层像素：按一定大小和坐标人为划分的构成图像的基本单元（点子）体素：在受检体内的一个薄层面上按一定大小和坐标人为划分的小体积元。（与像素编码顺序一致）第一节

XCT的数理基础二.扫描与投影扫描：用近于单能窄束的X线束以不同的方式、按一定的顺序、沿不同的方向对划分好体素编号的受检体体层进行投照，并用高灵敏度的探测器接收透射一串串体素后的出射X线束的强度I。投影：投照受检体体后出射X射线束的强度I。第一节

XCT的数理基础第一节

XCT的数理基础三.单能窄束X线获取单能X线获取：调管电压(110-140KV)，使主要产生标识X射线，然后用铝板(4-5mm)过滤。窄束X线获取：配准直器出射X射线束宽取决于准直器孔径的宽度，1-2mm;束高取决于准直器孔径的高度3-10mm第一节

XCT的数理基础单能窄束X线获取三者在同一直线上高压发生器X线球管人体模型探测器群操作控制台多幅激光照相机电子计算机模数转换器内外存储器CRT显示器

CT影像设备的基本结构与工作原理流程CT影像设备的基本结构CT机主要分以下三部分：即①扫描系统（X线管、探测器和扫描架）;②计算机系统（数据储存、运算等）和图像重建系统;③图像显示和存储、照相系统。

2．CT影像设备的组成与功能CT影像设备的基本结构①扫描系统（X线管、探测器和扫描架）:

扫描机架（gantry）内安装有X线系统、图像采集、X线过滤器、系统准直器等，其中X线球管和数据采集系统（dataacquisitionsystem，DAS）最为重要。扫描机架的孔径与倾斜范围也是两项重要的应用指标，目前多数扫描机架的孔径为70cm，倾斜角度通常为±12°～±30°。CT扫描系统的扫描机架与扫描床扫描机架内部结构CT影像设备的基本结构CT扫描装置：X线管，扫描床，检测器，扫描架①扫描系统（X线管、探测器和扫描架）:

X线球管是CT影像设备的心脏部分，由阴极、阳极和真空玻璃或金属管组成，其类型可分为固定阳极和旋转阳极两种。固定阳极X线球管主要应用于单束和多束形的扫描机中，其焦点是矩形的，主要用于第1、2代CT机中；旋转阳极X线球管主要用在扇束旋转扫描机中，故在第3、4代CT机中多采用此种X线球管；CT影像设备的基本结构

目前，CT多采用2个焦点交替工作，大大延长了X线球管的寿命，其曝光次数由原来的2万次达到25～50万次以上。

2003年末Siemens公司推出所谓的零兆阳极热容量的概念，代表球管为Straton电子束控金属球管，是以0.37秒速度进行机架旋转的球管,可以实现亚毫米满负荷扫描。Straton电子束控金属球管外形

CT影像设备的基本结构CT的数据采集系统（DAS）作用是测量X射线束，并将这些数据编码成二进制数据，送往计算机进行运算。探测器（detector）是DAS系统中重要的部件，其主要功能有：①接受透过病人检查部位的X射线；②将接收到的X线转换成模拟形式的电子信号；③将模拟信号放大；④将模拟信号转换成数字信号（通过A/D转换器）。②计算机系统:

CT和MRI等临床大型医疗设备均使用的是小型计算机。CT的计算机系统包括主计算机和阵列计算机两部分。主计算机控制CT整个系统的正常工作。其主要的功能有：①扫描监控，并将CT扫描得到的数据进行存储；②CT值的校正；③图像的重建控制与图像后处理；④CT机自身故障的诊断与分析。②CT的计算机系统和图像重建系统②计算机系统:阵列处理器（ArrayProcessor,AP）：本身不能独立工作，它与主计算机相连，在其控制下进行高速的数据运算以完成CT扫描的庞大数据量的处理与运算。Philips16排MSCT影像设备的AP柜

CPU3.06GHzHardDisk146GB③图像显示与存储：CT图像的显示：由操作台上的CRT屏显示，目前多层螺旋CT多配有高性能的工作站（workstation），也可以在工作站的显示屏上显示。CT图像的记录系统：系统硬盘、外部存储器等构成。CT图像的外部存储器包括磁带、合式磁带、光盘、磁光盘、软盘以及各种照相机等。

CT图像的显示（imagingdisplay）可以由操作台上的CRT屏显示（单屏或双屏），目前多层螺旋CT多配有高性能的工作站（workstation），也可以在工作站的显示屏上显示图像，并利用工作站的应用软件进行图像的后处理和照相等工作。图像显示和存储系统CT扫描的工作原理

X射线围绕着人体扫描，在穿过人体之后，X线投射在随X线球管一起运动或静止不动的一系列探测器上，对扫描的体积断面所采集X线信息，通过先进的计算技术（Fourier转换，反投射法）转换成二维的图像。尽管CT技术较X线平片复杂，基本原理是一样的，即高密度的物质阻挡X射线的穿透。

第二节

XCT的扫描方式CT扫描装置：X线管，扫描床，检测器，扫描架CT成像装置的发展（按扫描方式）第一代CT：第一台CT，单源单探测器，平移旋转多次(单束平移旋转(T/R)方式)第二代CT：单源多探测器，但锥角小，一次成少部分像，需平移(窄扇形束平移旋转(T/R)方式)第三代CT：单源多探测器，但探测器大，一次成像(旋转-旋转(R/R)方式)第四代CT：环状探测器，一次成像(静止-旋转(S/R)方式)第五代CT：螺旋CTCT扫描动画点击右图观看图3线形束平移+旋转

图4扇形束平移+旋转

图5扇形束多探测器同步旋转

图6扇形束固定环形探测器

图7螺旋CT扫描方式

X射线管向一个方向围绕受检体连续旋转扫描,受检体同时向一个方向连续匀速移动通过扫描野.1．滑环技术滑环技术是螺旋扫描的基础，它的发明问世标志着CT成像技术进入一个快速发展的新时代。滑环技术的重大贡献是解决了CT机架旋转部分与静止部分的馈电和信号传递方式问题，可以实现X线球管连续旋转和曝光。它是用一个滑环和一个碳刷代替了电缆，当碳刷沿着滑环滑动时，则经滑环与碳刷向X线球管供电。由于摆脱了各种电缆的缠绕限制，而且X线发生器和探测器均安装在一个滑环上，因此滑环可单方向连续旋转。2．非螺旋CT与螺旋CT扫描方式的比较

螺旋CT扫描采用的滑环技术，去除了X线球管与机架之间的电缆连接的束缚，使得球管、探测器系统可以单向连续旋转，每旋转360°的扫描时间可以缩短到1秒或亚秒，明显提高了扫描速度和检查效率。更主要的是在连续扫描的同时，检查床也单向匀速移动，使得整个扫描的轨迹类似螺旋管，它所采集的数据是某一检查器官或部位连续的扫描数据，即容积数据，因此也称这种扫描方式为容积扫描。多层螺旋MSCT有多排检测器和多个数据采集系统DAS扫描一周可获得2—18幅图象或更多图8电子束扫描方式

图9电子束扫描结构示意图

各种CT扫描方式的特性比较CT扫描方式的特性比较

CT扫描的缺点：

虽然发现病变的敏感性极高，但在定性诊断上仍有很大的限制。由于CT机测定的是物理参数，即人体组织对X线的衰减值或物理密度，医生就是根据正常组织和异常组织呈现的衰减值差异作为诊断的依据，如果衰减值无差异，再大的肿瘤也无法鉴别。可见CT扫描尽管有许多优越性，但也有其局限性，只有与其他设备，其他诊断手段相配合，才能充分发挥其作用。

CT断层对心脏的演示动画点击右图观看（3）（4）X线通过均匀物质第三节

XCT的重建X射线通过均匀介质时衰减规律为：X线通过非均匀物质

N个方程求n个衰减系数（一维）第三节

XCT的重建通过扫描，获得足够的投影值，再运用数学方法处理投影值，确定衰减系数，获得衰减系数的二维分布矩阵（数字图像）。第三节

XCT的重建二维：坐标变换得：投影值

第三节

XCT的重建投影与正弦图图8投影与反投影

反投影法重建：利用投影数值近似的复制出μ的二维分布矩阵.

原理:沿投影的反方向,把所得投影的数值反投回各体素中去,并用计算机进行运算,求出各体素μ值而实现图象的重建.断层平面中某一点的密度值(μ值)可看作这一平面内所有经过该点的射线投影之和的平均值图9反投影重建的过程

第三节

XCT的重建反投影法重建：利用投影值反求衰减系数的二维分布。筛选出某一确定扫描路径L对应的投影为：某一θ角度上的反投影（衰减系数）为：全部角度的衰减系数分布为第三节

XCT的重建要求最后算得即可，重建出图像。算法举例

反投影法重建：断层平面中某一点的密度值

可看作这一平面内所有经过该点的射线投影之和的平均值123456算法举例1)根据反投影算法x1=p5=5 x6=p2+p3+p5=18 …2)平均化处理，除以投影线数目

xi=xi/6

000005200100000056237181271108136250.8310.3300.51.16321.160.061.661.330.160.510.330.83反投影重建后原像素值再除以投影线数，平均化断层平面中某一点的密度值可看作这一平面内所有经过该点的射线投影之和的平均值123456伪迹分析反投影重建后，原来为0的点不再为0，形成伪迹00000520010000000.8310.330.51.16321.160.061.661.330.160.510.330.83原像素值再除以投影线数，平均化为何会产生呢？伪迹分析我们考虑孤立点源反投影重建，中心点A经n条投影线投影后，投影值均为1：

p1=p2=...=pn=1因此重建后而其他点均为1/n1/n1/n1/n1/n11/n1/n1/n1/n这类伪迹成为星状伪迹000010000伪迹分析产生星状伪迹的原因在于：反投影重建的本质是把取自有限物体空间的射线投影均匀地回抹(反投影)到射线所及的无限空间的各点之上，包括原先像素值为零的点思考：如何“去伪存真”，消除伪迹保留真像？这就是下一节的内容！第三节

XCT的重建反投影图像重建缺点：

边缘失锐滤波反投影图像重建用一滤波函数与前投影值卷积作为新的投影函数，再反投影。去伪影，且速度快。第三节

XCT的重建四体素矩阵图像重建：基数：所有体素衰减系数和。第四节

XCT的显示、处理CT值：

CT影像中每个像素所对应的物质X射线线性平均衰减量的大小。则衰减系数为的某种物质的CT值为：

单位为亨

为能量是73Kev的X射线在水中的线性衰减系数

K为分度系数，一般K=1000人体中各组织的CT值大约有2000个，-1000~+1000H

第四节

XCT的显示、处理灰度显示：

灰度：黑白或明暗的程度。投影值——衰减系数二维分布——CT值二维分布————灰度分布（影像）

人体中各组织的CT值大约有2000个，则对应灰度值也需要2000个（从全黑到全白）。

2000个灰度值无法在显示器上显示，且人眼只能分辨33个灰度级别。故采用窗口技术显示。

第四节

XCT的显示、处理窗口技术：

CT机放大某段范围内灰度的技术。

将放大灰度范围的上限增强为全白，下限压缩为全黑。增强了局部灰度范围内不同灰度之间黑白对比的程度。窗口：被放大的灰度范围。窗宽：被放大的灰度范围上下限之差。窗宽=CTmax-CTmin窗位：被放大的灰度范围的灰度中心值。窗位=(CTmax+CTmin)/2第四节

XCT的显示、处理第四节

XCT的显示、处理窗口技术：窄窗宽——CT值范围小——每级灰阶代表的CT值跨度小——黑白对比度大。适合观察密度差别小的组织。反之宽窗宽，适合观察密度差别大（肺、骨质）的组织。第四节

XCT的显示、处理处理技术：

放大，滤波，插值，增强图像质量：

CT的意义

CT的密度分辨率远高于一般Ｘ线检查，属非创伤性，检查时间较短，准确性较高和应用范围甚广的一种技术。它是目前神经系统疾病首选的影像学诊断方法；同时还应用于五官、胸部、腹部的组织、器官的检查，如对眼、鼻、耳、心、肥、肝、胰、肾等器官疾病的诊断很有帮助。

CT检查的优点：

①CT为无创性检查，检查方便、迅速，易为患者接受。

②有很高的密度分辨力，密度相差5-6H的不同组织能被区分。能测出各种组织的CT值。

③CT图象清晰，解剖关系明确。

④CT能提供没有组织重叠的横断面图象，并可进行冠状和矢状面图象的重建。

⑤用造影剂进行增强扫描，不仅提高了病变的发现率，而且有的能做定性诊断。

CT成像缺点：

CT图像是经过数据采集、量化、图像重建和图像显示等多个环节形成的，任何一个环节出现偏差都会给CT图像带来伪差，容易造成误诊断，这是在使用CT成像中和读CT影像片时应力求避免的。医师与技师应根据具体情况，尽早识别或判断出CT图像中出现的图像伪差的原因，及时进行修正或改进。空间分辨力一般，介与X线成像与r照相机之间X-CT成像CT临床应用螺旋CT的图像重建技术与应用多平面重建（multi-plannerreconstruction，MPR）是指在任意平面对螺旋CT扫描的容积资料进行多个平面分层重组，形成冠状、矢状、斜面及曲面等任意平面的图像。多平面重建方法适用于全身各个部位。A为盆腔CT扫描的矢状面重建；B为右肺肿瘤（横断面）；C为右肺肿瘤矢状面重建三维重建（3-dimensionalreconstruction）是将螺旋CT扫描的容积数据在工作站3D重建软件的支持下合成三维图像，并可进行360°实时旋转，以便从不同的角度观察病灶。主要应用于颅面部及骨骼系统，以观察颅底骨质、颌面部、脊柱小关节、复合关节、骨盆等部位的骨折或畸形。

A为SSD重建显示右面部血管畸形；B为同一病人的右侧面观最大密度投影（maximumintensityprojection，MIP）是将经线所通过的螺旋CT扫描容积组织或物体中的每个像素的最大强度值进行投影，反映的是组织结构密度的差异，故对比度很高。A为MIP重建显示左输尿管下端结石及梗阻；B为同一病人的3D重建图像。（4）最小密度投影（minimumintensityprojection，MinIP）是利用螺旋CT容积数据中在视线方向上密度最小的像元值进行投影成像的技术。该技术方法主要应用于气道的显示，如气管支气管、喉部等，有时也用于肝脏增强后肝内扩张胆管的显示。A为MinIP显示正常支气管树；B为复发性多软骨炎，显示气道狭窄表面遮盖显示技术（shadedsurfacedisplay，SSD），按照表面数学模式进行处理，将超过预设的CT阈值的相邻像素连接而重组成图像。该技术主要应用于骨骼系统，如颅面部、骨盆和脊柱等解剖结构复杂的部位，其空间立体感较强，解剖关系清晰，有利于病灶的定位。

CT血管造影（CTangiography，CTA）是指静脉注射对比剂后，在循环血液中及靶血管内对比剂浓度达到最高峰的时间内，进行螺旋CT容积扫描，经过计算机软件最终重建出靶血管数字化的立体影像。A为CTA显示肺静脉血管与心脏；B为脑血管CTA；C为颈动脉CTA显示软斑块

CT仿真内窥镜技术（CTvirturalendoscopy，CTVE）是螺旋CT容积扫描和计算机仿真技术相结合的产物，它是利用计算机相应的软件功能，将CT容积扫描获得的图像数据进行后处理，重建出空腔