修xct成像原理

1、CT 成像原理,-Computed Tomography計(jì)算機(jī)斷層掃描,1、發(fā)明人：英國(guó)：亨斯菲爾德（Hounsfield）2. 小資料：---1969年設(shè)計(jì)成功斷層攝影裝置---1971年第一臺(tái)頭顱CT機(jī)問(wèn)世---1972年英國(guó)放射學(xué)會(huì)上發(fā)表---1974年美國(guó)工程師Ledley設(shè)計(jì)出全身CT機(jī)。---1979年獲諾貝爾醫(yī)學(xué)生理學(xué)獎(jiǎng),CT發(fā)明情況,Hounsfield和Cormack因發(fā)明CT獲得1979年諾貝爾醫(yī)學(xué)和

2、生理學(xué)獎(jiǎng)。,G. N. Hounsfield,A. M. Cormack,普通X射線影像的缺點(diǎn),■影像：X射線穿透不同密度和厚度組織結(jié)構(gòu)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(duì)軟組織分辨能力低 ●劑量大,Computed tomography,§CT掃描方式與設(shè)備,平移采集160個(gè)數(shù)據(jù)*旋轉(zhuǎn)180 °每次掃描共采集28800個(gè)數(shù)據(jù)；計(jì)算80×80矩陣的圖像，

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

4、°～60°,,300～1000個(gè),,,,3、廣角扇束形旋轉(zhuǎn)—旋轉(zhuǎn)（常用） [第3代（1976）]：,一幅圖像約需 2s; 應(yīng)用范圍：全身。特點(diǎn)：掃描時(shí)間短，較好消除運(yùn)動(dòng)偽影。,400～1500個(gè)檢測(cè)器組成 靜止環(huán)形檢測(cè)器環(huán),4、反扇束形靜止—旋轉(zhuǎn)（常用）[第4代（1978）],,,,,,,1、動(dòng)態(tài)空間掃描 28個(gè)X線管（半圓），28個(gè)檢測(cè)器（半圓）；電子開(kāi)關(guān)控制輪流發(fā)射X射線脈沖束；時(shí)間＜1s 。

5、應(yīng)用范圍：心、肺動(dòng)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(cè)器環(huán)采用電子槍結(jié)構(gòu)，使每次掃描時(shí)間大大縮短時(shí)間約 10ms應(yīng)用范圍：心、肺等動(dòng)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(zhuǎn)，人體勻速前進(jìn),掃描軌跡為螺旋曲線，故稱螺旋CT,優(yōu)點(diǎn)：①掃描速度高： 減少運(yùn)動(dòng)偽影②無(wú)采集數(shù)據(jù)遺漏： 容積數(shù)據(jù)，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(yùn)動(dòng)完成機(jī)架旋轉(zhuǎn)部分與靜止部分饋電和信號(hào)傳遞，無(wú)電纜的纏繞，機(jī)架單向連續(xù)旋轉(zhuǎn),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(diǎn)，呈四棱錐形,●X—CT是運(yùn)用物理技術(shù)，以測(cè)定X射線在人體內(nèi)的衰減系數(shù)為基礎(chǔ)，采用數(shù)學(xué)方法，經(jīng)計(jì)算機(jī)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(zhuǎn)變?yōu)閳D像畫(huà)面上的灰度分布，從而實(shí)

7、現(xiàn)重新建立斷面圖像的現(xiàn)代醫(yī)學(xué)成像技術(shù)。,■X—CT像的本質(zhì)是衰減系數(shù)成像,■指導(dǎo)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(gè)數(shù)字轉(zhuǎn)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(gè)體積相同的立方體。體積：長(zhǎng)×寬×高一般體素的大小：長(zhǎng)和寬：1～2mm高（體層厚）：

8、3～10mm,,■矩陣：每個(gè)體素的X線衰減系數(shù)排列成矩陣。,長(zhǎng)240㎜像素1.5㎜×1.5㎜體素1.5×1.5×13㎜3240÷1.5=160矩陣:160×160=25600個(gè)像素,■像素越多，像素就越小，畫(huà)面越細(xì)膩 ，攜帶的生物信息量越多。,CT掃描機(jī)的結(jié)構(gòu),掃描架,控制臺(tái)（顯示）,高壓發(fā)生器,電源控制,計(jì)算機(jī)系統(tǒng)成像系統(tǒng)的核心,,,,掃描床,,,,,探測(cè)器：接收透過(guò)被檢物體

9、的x線，進(jìn)行光電轉(zhuǎn)換模/數(shù)轉(zhuǎn)換器：作模擬信號(hào)和數(shù)字信號(hào)的轉(zhuǎn)換,CT的基本結(jié)構(gòu),CT成像的物理基礎(chǔ),注意：μ是物體種類和X射線能量的函數(shù),1、 均勻物質(zhì)對(duì)X射線的吸收規(guī)律：,2、 X射線束通過(guò)非均勻物質(zhì),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(shí)，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(duì)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(biāo)準(zhǔn)，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(zhì)

11、如肝囊腫 0—15H,2. 灰度顯示,CT值與灰度對(duì)應(yīng),,圖相,腦內(nèi)出血區(qū)呈高密度影，CT值約45～90Hu之間,實(shí)質(zhì)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(xué)方法,1、代數(shù)（迭代）重建法（聯(lián)立方程組）,減基數(shù)10,化簡(jiǎn),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(hào)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(guò)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(gè)象素經(jīng)D/A轉(zhuǎn)化 成相應(yīng)的亮暗信號(hào)在顯示

13、器上顯示，這些亮暗信號(hào)的等級(jí)差別稱為灰階?！?一般將灰階分為16階，每階又有4級(jí)連續(xù)變化的 灰度，共有64個(gè)連續(xù)的過(guò)度等級(jí)?！?CT值在-1000-+1000范圍內(nèi)。所以每級(jí)分別代表 約31（2001/64）個(gè)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(jié)構(gòu)的細(xì)微顯示效應(yīng)，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(guò)調(diào)節(jié)圖像的對(duì)比度和亮度完成，

14、這種技術(shù)稱為窗口技術(shù)?！龃翱诩夹g(shù)分為窗寬和窗位?！翊皩挘╓W）： 是指顯示圖象時(shí)所選用的CT值范圍，在此范圍內(nèi)的組織結(jié)構(gòu)按其密度高低從白到黑分16個(gè)灰階（顯示器上的圖像由這16個(gè)灰階來(lái)反映全部2000個(gè)分度）。 加大窗寬，圖像層次增多，組織對(duì)比減少，細(xì)節(jié)顯示差； 縮小窗寬，圖像層次減少，組織對(duì)比增加。,常用概念--窗口技術(shù),補(bǔ)充：2000個(gè)分度用16個(gè)灰階來(lái)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(shí)，則不能分辨。為了提高組織結(jié)構(gòu)細(xì)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(lái)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(jié)構(gòu)細(xì)節(jié)時(shí)，應(yīng)以該組織的CT值為中心，進(jìn)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(shí)質(zhì)，窗寬常為100 Hu ，窗位為＋40 Hu ，實(shí)際觀察的CT值范圍為 -10Hu（40-50）～＋90Hu（40+50）。即密度在-10Hu～＋90Hu范圍內(nèi)的各種結(jié)構(gòu)如腦實(shí)質(zhì)和腦室系統(tǒng)等均以不同的灰度顯示出來(lái)；高于＋90Hu的組織結(jié)構(gòu)如骨組織及顱內(nèi)鈣

17、化等均以白影顯示，無(wú)灰度差別；低于-10Hu的組織結(jié)構(gòu)如皮下脂肪、乳突氣房及顱內(nèi)積氣等均以黑影顯示，其間也無(wú)灰度差別。 若窗寬保持100 Hu不變時(shí)，若窗位為0 Hu時(shí)，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(duì)人體某部位一定厚度的層面掃描，由探測(cè)器接收被該層面部分吸收的剩余X線；2. 探測(cè)器將接收到的各方向不同強(qiáng)

18、度的X線信號(hào)由光電轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?hào)，再經(jīng)模/數(shù)轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)變?yōu)閿?shù)字信號(hào)，傳送到計(jì)算機(jī)的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)；3. 計(jì)算機(jī)將采集的各方向的數(shù)字信息經(jīng)運(yùn)算處理，得出掃描層面各點(diǎn)的數(shù)字（掃描所得信息經(jīng)過(guò)計(jì)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(chǔ)于硬盤(pán)或光盤(pán)中，再經(jīng)數(shù)/模轉(zhuǎn)換器將數(shù)字矩陣中的每個(gè)數(shù)字轉(zhuǎn)化為由黑到白不同灰度的小方塊，5. 按矩陣排列，即構(gòu)成CT圖像，最后調(diào)節(jié)窗寬、窗位，經(jīng)顯示器或照相機(jī)輸出，用于臨床診斷。,C

19、T的優(yōu)缺點(diǎn),●優(yōu)點(diǎn)：1、真正斷面像：準(zhǔn)直系統(tǒng)準(zhǔn)直，無(wú)層面外組織結(jié)構(gòu)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(yán)格準(zhǔn)直，靈敏探測(cè)器； 窗口技術(shù)，灰階可調(diào)節(jié)； 無(wú)斷層外干擾。3、可做定量分析：測(cè)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(zhǔn)確性仍受各種因素的影響 （病變部位、大小、性質(zhì)、病程長(zhǎng)短）；4、不能反映臟器的功能、生化信息 （基本上只反映解剖學(xué)方面的性質(zhì)）。,CT的一些基本概念,1、物體對(duì)比度（ΔCT ） 相鄰兩個(gè)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(shè)置有關(guān)）,①對(duì)比度：不同物質(zhì)的密度差異→X射線透射差異 →像素灰度間的黑白程度的對(duì)比,2、低對(duì)比度分辨力和高

21、對(duì)比度分辨力,①低對(duì)比度分辨力：●細(xì)節(jié)與背景之間具有低對(duì)比度時(shí)，能使細(xì)節(jié)從背景中鑒別出來(lái)的能力?！鰲l件：物體（細(xì)節(jié)）與均質(zhì)環(huán)境的吸收系數(shù)差別的相對(duì)值 △μ ＜1% 或 △CT＜10Hu,X-CT: 0.5—1% 普通X線片：＞5% 低對(duì)比度分辨力CT優(yōu)于X片 低對(duì)比度分辨力高是X-CT的優(yōu)勢(shì)！原因： CT與普通x線攝影比較? 無(wú)重疊干擾；?

22、高度準(zhǔn)直，散射線少；探測(cè)器比膠片靈敏。,■影響因素： 探測(cè)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(duì)比度分辨力：●在高對(duì)比度條件下，將一定大小的細(xì)節(jié)從背景中鑒別出來(lái)的能力?！鰲l件：物體（細(xì)節(jié)）與均質(zhì)環(huán)境的吸收系數(shù)差別的相對(duì)值 △μ ＞10%； 或△CT＞100Hu,3、空間分辨力： ●在高對(duì)比度條件下，鑒別兩個(gè)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(shè)備或病人所造成的（多為運(yùn)動(dòng)偽影），■產(chǎn)生偽影的原因1、成像系統(tǒng)的測(cè)量誤差,4、偽影,定期做系統(tǒng)維護(hù),金屬植入物,,條紋狀偽影,2、X射線的原因（

24、硬化效應(yīng)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(duì)提高，x線束硬度增加，這種現(xiàn)象稱為x線束的硬化效應(yīng)。,CT值隨厚度而異（條狀或環(huán)狀偽影），通過(guò)A/D轉(zhuǎn)化器校正,3、受檢體的原因 體位移動(dòng)、 體內(nèi)器官心、肺、腸等非自主運(yùn)動(dòng)等,抑制方法：縮短掃描時(shí)間訓(xùn)練呼吸,5、部分容積效應(yīng) 在同一掃描層面內(nèi)含有兩種以上不同密度橫行而又互相重疊的物質(zhì)時(shí)，則所得的C

25、T值不能如實(shí)反映其中任何一種物質(zhì)的CT值。這種現(xiàn)象即為部分容積效應(yīng)。 另：部分容積效應(yīng) 在CT掃描中，凡小于層厚的病變，其CT值受層厚內(nèi)其它組織的影響，所測(cè)出的CT值不能代表病變的真正CT值。 部分容積效應(yīng)可致：——所測(cè)CT值并不真實(shí)反映該病變組織的CT值,——層面內(nèi)不同構(gòu)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(zhǔn)確而顯示不清。,部分容積效應(yīng),抑制方法：減小切層厚度，采用薄