X-CT成像原理.ppt

1、a,1,第三章 X 射线计算机断层扫描成像 (X-ray computed tomography, X-CT),a,2,普通X射线影像的缺点,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,a,3,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

2、剖面上的二维分布,31 X-CT成像原理,体层、体素,a,4,体层、体素、像素 体层（断层）： 受检体中的一个薄层,像素(pixel)：构成图像的基本单元,体素的平均密度决定其灰度值。 像素越多，像素就越小，画面越细腻 ，携带的生物信息量越多,体素（voxel)：成像的体层分成按矩阵排列的若干个小基本体元 体积：长宽高 一般体素的大小： 长和宽：12mm 高（体层厚）：310mm,体素划分：256256（=65536个体素）；512512（=262144）,a,5,一、投影采集与图象重建,扫描：用X射线束以不同方式、按一定顺序、沿不同方向对体层进行投照，并用高灵敏度的探测器接受出射X射线的强度

3、 。,1、扫描与投影,投影：投照受检体后出射X线束的强度；投影值的分布为投影函数,a,6,2、窄束X射线的获取,准直器：允许X射线通过的细长狭窄通道,3、图象重建,美国物理学家科马克(A.M Cormack,1963)通过模拟实验，提出用X射线投影数据重建人体断层图像的数学方法。,像素,a,7,二、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：,a,8,2、 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,a,9,1、CT值 CT测量

4、并计算 ，获取一定数目体素的值重建图像 用CT值来作为表达组织密度的统一单位。 以水的吸收系数（ w = 1 ）为标准，各组织对X射线的吸收系数与水的吸收系数w的相对比值，称为CT值。,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）,a,10,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,a,11,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,a,12,三、图像重建的数学方法,1、代数（迭代）重建法（联立方程组）,a,13,00,450,900,1350,减基数10,化简

5、,基数等于所有体素特征的总和,2、反投影法,a,14,a,15,3、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。,a,16,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。,a,17,a,18,a,19,32 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,a,20,

6、一、扫描装置,扫描架 X线管 探测器,a,21,（1）X线管： 功率2060kW; 高压80140kVp 焦点0.52.0mm; 扫描持续时间30 60s,a,22,高压氙气探测器 电离室在高压下充入惰性气体氙 优点：结构简单；单个探测器通道的灵敏度相同。 缺点：量子效率低；相邻探测器之间存在缝隙。,闪烁晶体探测器 (NaI)碘化钠、(CsI)碘化铯、(CaF2)氟化钙、(BGO)锗酸铋晶体等。 加入微量增光或减少余辉的物质（铊、铕） 优点：探测效率高,（2）探测器,a,23,CT原理框图,二、计算机系统,a,24,计算机系统以控制计算机为中心控制和管理核心，它是中央处理系统 提供数据采集系统

7、(date acquisition system,DAS)、阵列处理计算机等以及机架和高压系统的微处理器间的输入、输出的连接，通过中央处理器(CPU)和存储器(memory)完成执行功能： 1）控制和监视扫描过程，将扫描数据（投影值）送入存储器； 2）CT值校正（插值处理）； 3）控制CT扫描等信息的传递数据管理； 4）图像重建的程序控制； 5）故障诊断及分析等。,a,25,33 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

8、第1代（1970）,一、普通CT,a,26,2、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,a,27,一幅图像需时约 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）：,a,28,一幅图像约需 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）,a,29,第三代与第四代比较,传统CT的缺点： 旋转部分为往返旋转运动，

9、限制了扫描速度； 控制电路复杂； 电缆长期作往返缠绕，易发生折断，故障不易查找。,a,30,二、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。,a,31,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,a,32,2) 低压滑环：传递电压为数百伏。 优点：传递电压低，易处理；高压电缆短，损耗小。 缺点：高压电源与X线管组合一起旋转，增

10、加旋转部分重量。,高压发生器,X线管,高压电缆,低压电缆,1) 高压滑环：传递电压万伏以上 优点：高压电源放在扫描机架外部； 缺点：易发生高压放电导致高压噪声。影响数据采集系统和图像质量,高压 电源,X线管,高压电缆,a,33,2、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,a,34,检测器结构：单排、多排（64）、等宽、不等宽,a,35,1、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,三、超高速扫描 第5代（1987）,a,36

11、,2、电子束扫描 钟形X射线管和静止排列的检测器环 时间约 10ms 应用范围： 心、肺等动态器官,a,37,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）

12、。,a,38,a,39,34 X-CT图像的质量评价,用物理学、影像学原理检测、评价设备性能 主要有：分辨率、噪声、均匀性等参数,评价方法：在临床应用条件下对标准测试体模作断层扫描，采集影像数据，用物理学方法做数据分析处理，根据各项指标的测量值相对于标称值的偏差评定是否合格，并进行校正、维修,一、图像的主要质量参数,1、对比度及对比度分辨力,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,a,40,对比度分辨力（密度分辨力）： 将一定大小的细节从背景中鉴别出来的能力。,检测方法：低密度体模（单位 mm）, 影响因素： 噪声像颗粒度对比度分辨力； 被照物细节对比度分辨力；

13、X射线剂量信噪比对比度分辨力 窗宽、窗位的选择,a,41,2、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。,a,42,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 图像重建算法（滤波函数的选择）。,高对比度分辨力： 在高对比度条

14、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,a,43,空间分辨力取决于 检测器有效受照宽度（与线束宽度相对应） 检测器有效受照高度（与线束高度相对应）,a,44,空间分辨力的检测：高密度测试体模 线对数LP/Cm; 分辨最小圆孔的直径（mm),普通X光片：0.10.2mm (胶片颗粒尺寸）； X-CT： 12mm 核素成像： 510mm 对骨骼和胸腔等高对比度器官的检查，XCT尚不能代替普通X光摄影,a,4

15、5,图像中可观察到的光密度的随机变化。,X光机噪声主要由三个来源： 量子统计噪声(92%)：X光量子统计涨落在照片上记录的反映； 散射噪声：主要是康普顿散射线； 系统电子学的热噪声,图像表现：斑点、细粒、网纹、雪花点,信噪比(signal to noise ratio, SNR) 评价指标,图像信号幅度,噪声幅度,噪声对低对比度的结构影响较明显,4、图像噪声与X射线剂量,a,46,（量子）噪声表示给定区域的各CT值对其平均值的变化量（由探测器检测到的X线数量的波动引起）。是一种随机的干扰信号。,高剂量扫描,极低剂量扫描,w：像素大小； h：断层厚度： D0：最大皮肤剂量(只要诊断许可，尽量采用

16、大剂量条件）,C：描述剂量效率的常数； B：射线衰减（性能）因数,噪声标准差,a,47,在扫描野中，均质体各局部在CT图像上显示出CT值得一致性 匀质体各局部区域平均CT值 偏离程度均匀性 影响因素：图像噪声；X射线束硬化,5、均匀性,测量中央和边缘取五个面积相等的ROI的CT值； 计算两两之间CT值的最大偏离CTm# 本例 CTm#=3.7HU 国际评价标准： CTm# 5HU,- 1.0,- 2.1,0.5,- 1.3,- 3.2,a,48,6、空间分辨力、对比度分辨力、噪声、均匀度和X射线剂量之间的关系,X射线剂量一定：体素空间分辨力 光子数 信噪比、均匀性对比度分辨力,w：像素大小(空间分辨率）； h：断层厚度（ 空间分辨率，大层厚图像较细腻， 小层厚图像分辨率较高。二者相互制约）： D0：最大皮肤剂量(只要诊断许可，尽量采用大剂量条件）,C：描述剂量效率的常数； B：射线衰减（性能）因数,噪声标准差,a,49, 伪影：扫描中不存在而出现在重建图像中的干扰图样。 产生伪影的原因 1、成像系统的测量误差,电器故障,二、X-CT图像的伪像,人体超出测量范围,定期做系统维护,a,50,部分容积效应,抑制方法：减小切层厚度，采用薄层扫描,周围间隙现象,a,51,条