修xct成像原理

1、CT 成像原理,-Computed Tomography計算機斷層掃描,1、發(fā)明人：英國：亨斯菲爾德（Hounsfield）2. 小資料：---1969年設計成功斷層攝影裝置---1971年第一臺頭顱CT機問世---1972年英國放射學會上發(fā)表---1974年美國工程師Ledley設計出全身CT機。---1979年獲諾貝爾醫(yī)學生理學獎,CT發(fā)明情況,Hounsfield和Cormack因發(fā)明CT獲得1979年諾貝爾醫(yī)學和

2、生理學獎。,G. N. Hounsfield,A. M. Cormack,普通X射線影像的缺點,■影像：X射線穿透不同密度和厚度組織結構后的總和投影,●影像重疊:深度方向上的信息重疊在一起，引起混淆 ●密度分辨率低:對軟組織分辨能力低 ●劑量大,Computed tomography,§CT掃描方式與設備,平移采集160個數(shù)據*旋轉180 °每次掃描共采集28800個數(shù)據；計算80×80矩陣的圖像，

3、6400個像素；一幅圖像約需5min一次檢查約需35min 。應用范圍：腦,1、單束平移—旋轉方式 [第1代（1970）],一、普通CT,2、窄扇形束掃描平移—旋轉方式 [第2代（1972）],扇角：15°～20° 步幅：5°～10°；X球管1個，檢測器20～30個；一幅圖像需時20～60 s；應用范圍：頭部，腹部,一幅圖像需時約 5s；應用范圍：全身（心臟除外）,30

4、°～60°,,300～1000個,,,,3、廣角扇束形旋轉—旋轉（常用） [第3代（1976）]：,一幅圖像約需 2s; 應用范圍：全身。特點：掃描時間短，較好消除運動偽影。,400～1500個檢測器組成 靜止環(huán)形檢測器環(huán),4、反扇束形靜止—旋轉（常用）[第4代（1978）],,,,,,,1、動態(tài)空間掃描 28個X線管（半圓），28個檢測器（半圓）；電子開關控制輪流發(fā)射X射線脈沖束；時間＜1s 。

5、應用范圍：心、肺動態(tài)器官,二、超高速掃描 [第5代（1987）],2、電子束掃描鐘形X射線管和靜止排列的檢測器環(huán)采用電子槍結構，使每次掃描時間大大縮短時間約 10ms應用范圍：心、肺等動態(tài)器官,,,三、螺旋CT（1989）,1、掃描方式與供電方式：①掃描方式：X線管繞被查人體勻速單向旋轉，人體勻速前進,掃描軌跡為螺旋曲線，故稱螺旋CT,優(yōu)點：①掃描速度高： 減少運動偽影②無采集數(shù)據遺漏： 容積數(shù)據，任意位置、 任意方位

6、重建圖像。,②供電方式：滑環(huán)（slip ring) ，碳刷在滑環(huán)上運動完成機架旋轉部分與靜止部分饋電和信號傳遞，無電纜的纏繞，機架單向連續(xù)旋轉,2、多層面掃描螺旋CT（1998）,單層螺旋CT：線束寬度近似于層厚；多層螺旋CT：線束以X射線管為頂點，呈四棱錐形,●X—CT是運用物理技術，以測定X射線在人體內的衰減系數(shù)為基礎，采用數(shù)學方法，經計算機處理，求解出衰減系數(shù)值在人體某剖面上的二維分布矩陣，轉變?yōu)閳D像畫面上的灰度分布，從而實

7、現(xiàn)重新建立斷面圖像的現(xiàn)代醫(yī)學成像技術。,■X—CT像的本質是衰減系數(shù)成像,■指導思想：如何確定衰減系數(shù)值在人體某剖面上的二維分布,§ X-CT成像原理,體層、體素,●體素、矩陣和像素,■像素(pixel)：數(shù)字矩陣中的每個數(shù)字轉為由黑到白不等灰度的小方塊，像素是二維概念。,■體素（voxel)：將選定層面分成若干個體積相同的立方體。體積：長×寬×高一般體素的大?。洪L和寬：1～2mm高（體層厚）：

8、3～10mm,,■矩陣：每個體素的X線衰減系數(shù)排列成矩陣。,長240㎜像素1.5㎜×1.5㎜體素1.5×1.5×13㎜3240÷1.5=160矩陣:160×160=25600個像素,■像素越多，像素就越小，畫面越細膩 ，攜帶的生物信息量越多。,CT掃描機的結構,掃描架,控制臺（顯示）,高壓發(fā)生器,電源控制,計算機系統(tǒng)成像系統(tǒng)的核心,,,,掃描床,,,,,探測器：接收透過被檢物體

9、的x線，進行光電轉換模/數(shù)轉換器：作模擬信號和數(shù)字信號的轉換,CT的基本結構,CT成像的物理基礎,注意：μ是物體種類和X射線能量的函數(shù),1、 均勻物質對X射線的吸收規(guī)律：,2、 X射線束通過非均勻物質,μ1 μ2 μ3 …… μn,,,,,,,,,,x,,,,I0,In,I1 = I0e(—μ1x)I 2= I1e(—μ2x)

10、 … …In = I0e[-(μ1 + μ2+…+ μn)]x,,,,,μi 視為均勻,1、CT值■x線穿透人體時，不同的組織密度值代表不同的線性衰減系數(shù)μ，一般用它的相對值表示，稱為CT值?！鯟T的定義是以水的吸收系數(shù)（ μw = 1 ）為標準，其它組織與之比較后得出。,3、CT值與灰度顯示,K=1000 為分度因數(shù)CT值的單位是 Hu 或H（亨）,病變——μ——CT值 可鑒別病變的性質

11、如肝囊腫 0—15H,2. 灰度顯示,CT值與灰度對應,,圖相,腦內出血區(qū)呈高密度影，CT值約45～90Hu之間,實質性腫瘤CT表現(xiàn)為高密度影,囊性腫瘤為低密度影,CT圖像上的黑色表示低吸收區(qū)，即低密度區(qū)，如腦室；白色表示高吸收區(qū)，即高密度區(qū)，如顱骨。,圖像重建的數(shù)學方法,1、代數(shù)（迭代）重建法（聯(lián)立方程組）,減基數(shù)10,化簡,2、反投影法,,基數(shù)等于所有體素特征的總和,3、濾波反投影法（Filtered back project

12、ion) 也稱為卷積反投影法(convolution back projection,CBP),反投影法得到的圖像四周伴有星狀偽像；濾波反投影在反投影之前，用濾波函數(shù)與反投影信號相加（卷積處理），消滅星狀偽影。,表示卷積積分,卷積核,卷積核：在CT圖像重建過程中用于濾波反投影的專用函數(shù)， 改善像素噪聲和幾何分辨率。,,,♂,■ CT圖像是將重建矩陣中的每一個象素經D/A轉化 成相應的亮暗信號在顯示

13、器上顯示，這些亮暗信號的等級差別稱為灰階。■ 一般將灰階分為16階，每階又有4級連續(xù)變化的 灰度，共有64個連續(xù)的過度等級?！?CT值在-1000-+1000范圍內。所以每級分別代表 約31（2001/64）個連續(xù)的CT值。,常用概念--灰階,■人眼不能分辨微小的灰度差異，為了提高組織結構的細微顯示效應，分辨相鄰組織的差別，突出顯示診斷需要的圖像信息（感興趣區(qū)），通常通過調節(jié)圖像的對比度和亮度完成，

14、這種技術稱為窗口技術。■窗口技術分為窗寬和窗位。●窗寬（WW）： 是指顯示圖象時所選用的CT值范圍，在此范圍內的組織結構按其密度高低從白到黑分16個灰階（顯示器上的圖像由這16個灰階來反映全部2000個分度）。 加大窗寬，圖像層次增多，組織對比減少，細節(jié)顯示差； 縮小窗寬，圖像層次減少，組織對比增加。,常用概念--窗口技術,補充：2000個分度用16個灰階來反映，則所能分辨的CT值是2000/16

15、，即125H，兩種組織CT值的差別小于125H時，則不能分辨。為了提高組織結構細節(jié)的顯示，使CT值差別小的兩種組織能夠分辨，需采用不同的窗寬來觀察顯示器（CRT）上的圖像。例如：窗寬用100H，則可分辨的CT值為100/16，即6.25H，兩種組織CT值差別在6.25H以上，即可分辨。,常用概念—窗寬,●窗位（WL） 欲觀察某一組織結構細節(jié)時，應以該組織的CT值為中心，進行掃描，此中心即為窗位。 ■窗位主要影響CT圖像的

16、亮度，低窗位圖像亮度高成白色，而高窗位圖像亮度低呈黑色 ■骨組織是的WL:350左右 肺組織的WL:-650左右 腹部，縱膈的WL:40左右,●舉例：要觀察腦實質，窗寬常為100 Hu ，窗位為＋40 Hu ，實際觀察的CT值范圍為 -10Hu（40-50）～＋90Hu（40+50）。即密度在-10Hu～＋90Hu范圍內的各種結構如腦實質和腦室系統(tǒng)等均以不同的灰度顯示出來；高于＋90Hu的組織結構如骨組織及顱內鈣

17、化等均以白影顯示，無灰度差別；低于-10Hu的組織結構如皮下脂肪、乳突氣房及顱內積氣等均以黑影顯示，其間也無灰度差別。 若窗寬保持100 Hu不變時，若窗位為0 Hu時，其CT值范圍則為 -50 Hu～＋50 Hu；若窗位改為50 Hu，則其CT值范圍為0 Hu～＋100 Hu。,縱隔窗,肺 窗,CT成像原理,1. 由X線束對人體某部位一定厚度的層面掃描，由探測器接收被該層面部分吸收的剩余X線；2. 探測器將接收到的各方向不同強

18、度的X線信號由光電轉換器轉變?yōu)殡娦盘枺俳浤?數(shù)轉換器轉變?yōu)閿?shù)字信號，傳送到計算機的數(shù)據采集系統(tǒng)；3. 計算機將采集的各方向的數(shù)字信息經運算處理，得出掃描層面各點的數(shù)字（掃描所得信息經過計算而獲得體素的X線衰減系數(shù)），排列成數(shù)字矩陣，4. 數(shù)字矩陣可存儲于硬盤或光盤中，再經數(shù)/模轉換器將數(shù)字矩陣中的每個數(shù)字轉化為由黑到白不同灰度的小方塊，5. 按矩陣排列，即構成CT圖像，最后調節(jié)窗寬、窗位，經顯示器或照相機輸出，用于臨床診斷。,C

19、T的優(yōu)缺點,●優(yōu)點：1、真正斷面像：準直系統(tǒng)準直，無層面外組織結構干擾； 軟件處理重建，獲得診斷所需多方位像。2、密度分辨力高：嚴格準直，靈敏探測器； 窗口技術，灰階可調節(jié)； 無斷層外干擾。3、可做定量分析：測量μ值，定量分析。,●局限性：1、空間分辨力仍低于常規(guī)X線檢查；2、不是所有臟器都適合CT檢查（如空腔性臟器、胃腸道）3

20、、CT定位、定性診斷的準確性仍受各種因素的影響 （病變部位、大小、性質、病程長短）；4、不能反映臟器的功能、生化信息 （基本上只反映解剖學方面的性質）。,CT的一些基本概念,1、物體對比度（ΔCT ） 相鄰兩個物體之間在圖像中的顯示能力，（在CT成像中，其與物體的大小、重建的算法和窗的設置有關）,①對比度：不同物質的密度差異→X射線透射差異 →像素灰度間的黑白程度的對比,2、低對比度分辨力和高

21、對比度分辨力,①低對比度分辨力：●細節(jié)與背景之間具有低對比度時，能使細節(jié)從背景中鑒別出來的能力。■條件：物體（細節(jié)）與均質環(huán)境的吸收系數(shù)差別的相對值 △μ ＜1% 或 △CT＜10Hu,X-CT: 0.5—1% 普通X線片：＞5% 低對比度分辨力CT優(yōu)于X片 低對比度分辨力高是X-CT的優(yōu)勢！原因： CT與普通x線攝影比較? 無重疊干擾；?

22、高度準直，散射線少；探測器比膠片靈敏。,■影響因素： 探測器孔徑（射線采樣寬度）↓→空間分辨力↑ 間距（采樣間隔）↓→ 空間分辨力↑ 像重建算法（濾波函數(shù)的選擇）。,②高對比度分辨力：●在高對比度條件下，將一定大小的細節(jié)從背景中鑒別出來的能力?！鰲l件：物體（細節(jié)）與均質環(huán)境的吸收系數(shù)差別的相對值 △μ ＞10%； 或△CT＞100Hu,3、空間分辨力： ●在高對比度條件下，鑒別兩個距離很近的微小組織或病

23、灶的能力。,體素?（矩陣越大）——空間分辨力↑在X線源總能量不變的條件下，像素小、數(shù)目多、圖象清晰，空間分辨率提高，單位容積的光子減少。密度分辨率降低。,數(shù)字圖象的空間分辨力是由像素的大?。ǔ叽纾Q定的。像素大小=視野大小/矩陣大小,● 掃描中不存在而出現(xiàn)在重建圖像中的干擾圖樣。是由于設備或病人所造成的（多為運動偽影），■產生偽影的原因1、成像系統(tǒng)的測量誤差,4、偽影,定期做系統(tǒng)維護,金屬植入物,,條紋狀偽影,2、X射線的原因（

24、硬化效應等） X線管發(fā)出的低能射線比高能射線衰減得多，使得高能射線與全部射線的比率相對提高，x線束硬度增加，這種現(xiàn)象稱為x線束的硬化效應。,CT值隨厚度而異（條狀或環(huán)狀偽影），通過A/D轉化器校正,3、受檢體的原因 體位移動、 體內器官心、肺、腸等非自主運動等,抑制方法：縮短掃描時間訓練呼吸,5、部分容積效應 在同一掃描層面內含有兩種以上不同密度橫行而又互相重疊的物質時，則所得的C

25、T值不能如實反映其中任何一種物質的CT值。這種現(xiàn)象即為部分容積效應。 另：部分容積效應 在CT掃描中，凡小于層厚的病變，其CT值受層厚內其它組織的影響，所測出的CT值不能代表病變的真正CT值。 部分容積效應可致：——所測CT值并不真實反映該病變組織的CT值,——層面內不同構造物體的邊緣輪廓如被斜行橫斷，則其輪廓由于CT值的不準確而顯示不清。,部分容積效應,抑制方法：減小切層厚度，采用薄