第二章CT成像原理.ppt

1、第三节X射线计算机断层成像XCT,一、X-CT的基础知识,二、传统X-CT的扫描方式,三、电子束扫描方式,四、螺旋CT,五、X-CT图像的质量控制,1917 Radon 提出三维图像重建理论 1972 英国研制成功第一台头部X-CT 此后 全身CT 心脏CT 螺旋CT,（ X-ray computed tomography ）,普通X射线摄影：,多器官重叠影像,X CT：,清晰的断层影像,清晰的断层影像,普通X射线摄影X-CT断层图像示意图,第一节XCT的基础知识,X-CT（x-ray computed tomography,X-CT)运用扫描并采集投影的物理技术，以测定X射线在人体内的衰减系

2、数为基础，采用一定算法，经计算机运算处理，求解出人体组织的衰减系数值在某剖面上的二维分布矩阵，再转为图像上的灰度分布，从而实现建立断层解剖图像的现代医学成像技术。由此可见，CT的本质是衰减系数成像。,基本原理：,一、断层与解剖断面,断层：是指在受检体内接受检查并欲建立图像的薄层，又称之为体层。断层有一定的厚度，它的两个表面可视为是平行的平面。 2.解剖断面：是指生物体上的某一剖面，此剖面是一平面即是指断层标本的表面。,图像薄层,头部断层,X-CT图像是断层形态结构的平均，此平均代表解剖断面形态结构,二、体素与像素,体素（voxel）：是指在受检体内欲成像的断层面上，按一定大小和一定坐标人为地划

3、分的很小的体积元。对划分好的体积元要进行空间编码，这就形成了具有坐标排序的体素阵列。,脑断层体素,体素,长或宽 12mm,高 315mm,2.像素（pixel）：是指在图像平面上划分的很小的小单元，它是构成一幅图像的最小点，是构成图像的基本单元。,3.体素与像素之间的对应关系,三、扫描与投影,扫描（scanning）：是指X射线束以不同的方式、按一定的顺序、沿不同的方向对划分好体素编号的受检体断层进行投照，并用高灵敏物检测器接收透射体素阵后的出射X线束强度。（采集数据） 投影：把投照受检体后出射x线束的强度I称为投影，投影的数值称为投影值，投影值的分布称为投影函数。,CT扫描用X射线束：它是有

4、一定能谱宽度的连续X射线。 窄束X射线的获取：,基本思路：由投影值求解衰减系数分布,单能窄束X射线透射各向同性均匀连续介质衰减函数,CT 本质即 值二维分布,CT图像重建原理:,基本原理：X射线衰减规律,I0是入射X射线强度，I是X射线出射强度，是均匀介质的线性衰减系数(linear attenuation coefficient)或线性吸收系数(linear absorption coefficient),四、图像重建的数理基础,n,3,2,四、图像重建的数理基础,1,I0,In,1.投影方程建立,（对于非均匀介质）,d,(l),P称投影或投影函数,值连续变化(一维),p,（1）X射线束通过

5、非均匀介质,当X射线沿不同路径扫描时 就会得到一系列的线性方程 只要独立方程数等于体素数目 就可联立求出所有体素的 i 值, i 值的 二维分布矩阵, i 值的 数字图像,除方程法外还有多种算法 目前CT机普遍采用滤波反投影法,这种重建图像的算法称为方程法 方程法因运算量太大而不实用,（2）图像重建反投影法（总和法）,投影,反投影,利用所获投影数值 反向投回各体素中,求出各体素的值 实现图像的重建,反投影法图像重建过程,1,2,3,4,4,6,4,6,1,5,5,4,3,3,7,7,5,2,3,5,3,6,9,12,13,16,19,22,00,450,900,1350,等效, 10,投影相加

6、,（体素格中数字表示该体素值）,1,2,3,4,结论：反投影法可以重建原来的数据。,基数等于所有体素的特征参数的总和。,结论：反投影法将产生边缘失锐现象,边缘失锐的消除滤波反投影法,五、CT值与灰度显示,1.CT值：CT机中的X射线强度测量是相对量，也就是说测得的是值的相对值。国标对CT值的定义为：CT影像中每个像素所对应的物质X射线线性平均衰减量大小的表示。实际中，均以水的衰减系数水作为基准，若某种物质的衰减系数为，则其对应的CT值由下式给出：,式中 水 为能量73keV的X射线 在水中的线性衰减系数,人体中几种主要物质的CT值,水 0 空气 -1000 致密骨 +1000 凝固血 5676

7、 脑灰质 3646 脑白质 2232 血液 12 脂肪 -100,2.灰度显示 是图像的黑白或明暗程度，它是在图像上，表现各像素黑白或明暗程度的量。从完全黑到完全白有无数多个不同的灰度。在图像画面上，是以灰度分布的形式显示CT影像。把各体素的CT值转换成图像上对应像素的灰度，变得到图像画面上的灰度分布。此灰度就是XCT像。显然，一个CT值对应一个灰度。,3.窗口技术 实际上采用一个CT值对应一个灰度的方法，人眼并不能分辨出这么多的灰度分级。其实显示器也无法显示这么多的灰度。一般人眼仅能分辨相差大于60HU的灰度级，从黑到白只能分为33个不同分级。为弥补人眼分辨能力不足的弊端，常采用窗口技术。主

8、要有窗宽（window width)与窗位（window level)二个指标。,窗口技术：,CT机放大或增强某段范围内灰度的技术,窗位(window level W.L)：,窗宽(window width W.W)：,窗宽= CTmaxCTmin,观测组织CT值范围,范围以下压缩为全黑,范围以上增强为全白,增强的灰度范围,对应,灰度范围上下限之差,窗口中心灰度值,2）图像的再加工处理,考虑每一像素与临近像素关系算出像素新数值。,例: 对33矩阵像素值平滑处理。E为某点原像素值, E为处理后像素值， 不同滤波公式完成相应滤波计算。,图像的过滤,原理,典型的 33图像矩阵滤波处理,2）图像的再加

9、工处理,轮廓滤波,边缘增强滤波,阴影滤波,平滑滤波,平均平滑滤波,图像的过滤,图像的放大和缩小,2）图像的再加工处理,图像的放大和缩小,2）图像的再加工处理,数据缺少,图像粗糙,插值法,图像缩小,数据增多,数据压缩,缺点,缺点,处理,处理,图像失真,插值法,两点平均插值示意图,六、图像的主要质量参数,1.对比度及对比度分辨力 Contrast是CT图像表示不同物质密度差异、或对X射线透射度微小差异的量。表现在图像上像素间的对比度，是它们灰度间的黑白程度的对比。,定义,定义,对比度主要由物质间的密度差来决定，但也受其它因素影响。,对比度分辨力也叫密度分辨力，它是CT像表现不同物质的密度差异，或对

10、X射线透射度微小差异的能力。用能分辨的最小对比度的数值表示。 典型值：0.1%-1.0%之间。与X射线能量有关。 检测方法：低密度体模。,2.高对比度分辨力和低对比度分辨力 当被分辨组织器官的较小结构或病灶的线度过小时，即使在满足对比度分辨力的条件下，该较小结构或病灶也未必能被分辨或识别出来。 高对比度分辨力：物体与匀质环境的X射线线性衰减系数关别的相对值大于10%时，CT机能分辨该物体的能力。单位：mm或LP.cm-1。 低对比度分辨力：物体与匀质环境的X射线线性衰减系数关别的相对值小于1%时，CT机能分辨该物体的能力。单位：mm。,3.空间分辨力 是指CT像分辨两个距离很近的微小组织结构的

11、能力，抽象地说就是CT图像分辨断层上两邻近点的能力。可用分辨距离（即能分辨的两个点间的最小距离）表示。 影响因素：检测器有效受照宽度、有效受照高度、重建算法、图像矩阵大小、图像对比度等。 检测方法：高密度体模。,4.图像噪声(noise)与X射线剂量(dose) Noise:在均质物质的影像中，表示给定区域的各CT值对其平均值变化的量。其量值用给定区域CT值的标准偏差表示。,n是ROI内像素数。,影响因素：量子噪声、电气测量系统热噪声、重建算法等。,dose:是指在用X射线扫描中，投照受检体所使用的X射线的量，它决定于X射线强度和硬度。增大剂量可以减小图像噪声。 噪声的检测：采用标准水模。,5.均匀性（even) 是描述在断面不同位置上的同一种组织成像时，是否具有同一个平均CT值的量。国标定义：在扫描野中，匀质体各局部在CT图像上显示出的CT值的一致性。可用CT值的标准偏差来表示。 检测方法：标准圆柱形试模（仲裁时用水模）。,6.各参数间的制约 从临床角度，对图像质量的要求应是各方面的指标参数都好，但这在技术实现上又很难做到。这是因为各参数间的相互制约关系。,二、XCT图像的伪像,伪像（false image)又称为伪影（artifacts):是指在重建图像过程中，所有不同类型的图像干扰和各种其他非