成像原理精品課件

1、關(guān)于成像原理第一張，PPT共三十七頁，創(chuàng)作于2022年6月普通X射線攝影：多器官重疊影像X CT：清晰的斷層影像清晰的斷層影像第二張，PPT共三十七頁，創(chuàng)作于2022年6月普通X射線攝影X-CT斷層圖像示意圖X射線斷面重疊像非重疊像X射線底片檢測器X射線管第三張，PPT共三十七頁，創(chuàng)作于2022年6月第一節(jié)XCT的基礎(chǔ)知識(shí)X-CT（x-ray computed tomography,X-CT)運(yùn)用掃描并采集投影的物理技術(shù)，以測定X射線在人體內(nèi)的衰減系數(shù)為基礎(chǔ)，采用一定算法，經(jīng)計(jì)算機(jī)運(yùn)算處理，求解出人體組織的衰減系數(shù)值在某剖面上的二維分布矩陣，再轉(zhuǎn)為圖像上的灰度分布，從而實(shí)現(xiàn)建立斷層解剖圖像的現(xiàn)

2、代醫(yī)學(xué)成像技術(shù)。由此可見，CT的本質(zhì)是衰減系數(shù)成像。基本原理：第四張，PPT共三十七頁，創(chuàng)作于2022年6月一、斷層與解剖斷面斷層：是指在受檢體內(nèi)接受檢查并欲建立圖像的薄層，又稱之為體層。斷層有一定的厚度，它的兩個(gè)表面可視為是平行的平面。2.解剖斷面：是指生物體上的某一剖面，此剖面是一平面即是指斷層標(biāo)本的表面。圖像薄層頭部斷層 X-CT圖像是斷層形態(tài)結(jié)構(gòu)的平均，此平均代表解剖斷面形態(tài)結(jié)構(gòu)第五張，PPT共三十七頁，創(chuàng)作于2022年6月二、體素與像素體素（voxel）：是指在受檢體內(nèi)欲成像的斷層面上，按一定大小和一定坐標(biāo)人為地劃分的很小的體積元。對(duì)劃分好的體積元要進(jìn)行空間編碼，這就形成了具有坐標(biāo)排

3、序的體素陣列。腦斷層體素體素長或?qū)?12mm高 315mm第六張，PPT共三十七頁，創(chuàng)作于2022年6月2.像素（pixel）：是指在圖像平面上劃分的很小的小單元，它是構(gòu)成一幅圖像的最小點(diǎn)，是構(gòu)成圖像的基本單元。第七張，PPT共三十七頁，創(chuàng)作于2022年6月3.體素與像素之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系第八張，PPT共三十七頁，創(chuàng)作于2022年6月三、掃描與投影掃描（scanning）：是指X射線束以不同的方式、按一定的順序、沿不同的方向?qū)澐趾皿w素編號(hào)的受檢體斷層進(jìn)行投照，并用高靈敏物檢測器接收透射體素陣后的出射X線束強(qiáng)度。（采集數(shù)據(jù)）投影：把投照受檢體后出射x線束的強(qiáng)度I稱為投影，投影的數(shù)值稱為投影值，投影

4、值的分布稱為投影函數(shù)。檢測器X ray tube檢測器X ray tube位置1位置2第九張，PPT共三十七頁，創(chuàng)作于2022年6月CT掃描用X射線束：它是有一定能譜寬度的連續(xù)X射線。窄束X射線的獲取：準(zhǔn)直器準(zhǔn)直器散射線檢測器射線源第十張，PPT共三十七頁，創(chuàng)作于2022年6月基本思路：由投影值求解衰減系數(shù)分布單能窄束X射線透射各向同性均勻連續(xù)介質(zhì)衰減函數(shù)CT 本質(zhì)即 值二維分布CT圖像重建原理: 基本原理：X射線衰減規(guī)律 I0是入射X射線強(qiáng)度，I是X射線出射強(qiáng)度，是均勻介質(zhì)的線性衰減系數(shù)(linear attenuation coefficient)或線性吸收系數(shù)(linear absorp

5、tion coefficient) 四、圖像重建的數(shù)理基礎(chǔ)第十一張，PPT共三十七頁，創(chuàng)作于2022年6月n32四、圖像重建的數(shù)理基礎(chǔ)1I0In1.投影方程建立（對(duì)于非均勻介質(zhì)）d第十二張，PPT共三十七頁，創(chuàng)作于2022年6月(l)P稱投影或投影函數(shù) 值連續(xù)變化(一維)p（1）X射線束通過非均勻介質(zhì) 第十三張，PPT共三十七頁，創(chuàng)作于2022年6月當(dāng)X射線沿不同路徑掃描時(shí)就會(huì)得到一系列的線性方程只要獨(dú)立方程數(shù)等于體素?cái)?shù)目就可聯(lián)立求出所有體素的 i 值 i 值的二維分布矩陣 i 值的數(shù)字圖像除方程法外還有多種算法目前CT機(jī)普遍采用濾波反投影法這種重建圖像的算法稱為方程法方程法因運(yùn)算量太大而不實(shí)

6、用第十四張，PPT共三十七頁，創(chuàng)作于2022年6月（2）圖像重建反投影法（總和法）投影反投影利用所獲投影數(shù)值反向投回各體素中求出各體素的值實(shí)現(xiàn)圖像的重建第十五張，PPT共三十七頁，創(chuàng)作于2022年6月反投影法圖像重建過程123446461554337752353691213161922004509001350等效 10投影相加（體素格中數(shù)字表示該體素值）1234結(jié)論：反投影法可以重建原來的數(shù)據(jù)。基數(shù)等于所有體素的特征參數(shù)的總和。第十六張，PPT共三十七頁，創(chuàng)作于2022年6月結(jié)論：反投影法將產(chǎn)生邊緣失銳現(xiàn)象第十七張，PPT共三十七頁，創(chuàng)作于2022年6月邊緣失銳的消除濾波反投影法第十八張，PP

7、T共三十七頁，創(chuàng)作于2022年6月五、CT值與灰度顯示1.CT值：CT機(jī)中的X射線強(qiáng)度測量是相對(duì)量，也就是說測得的是值的相對(duì)值。國標(biāo)對(duì)CT值的定義為：CT影像中每個(gè)像素所對(duì)應(yīng)的物質(zhì)X射線線性平均衰減量大小的表示。實(shí)際中，均以水的衰減系數(shù)水作為基準(zhǔn)，若某種物質(zhì)的衰減系數(shù)為，則其對(duì)應(yīng)的CT值由下式給出：式中 水 為能量73keV的X射線 在水中的線性衰減系數(shù)第十九張，PPT共三十七頁，創(chuàng)作于2022年6月人體中幾種主要物質(zhì)的CT值水 0 空氣 -1000致密骨 +1000 凝固血 5676腦灰質(zhì) 3646 腦白質(zhì) 2232血液 12 脂肪 -100第二十張，PPT共三十七頁，創(chuàng)作于2022年6月2

8、.灰度顯示是圖像的黑白或明暗程度，它是在圖像上，表現(xiàn)各像素黑白或明暗程度的量。從完全黑到完全白有無數(shù)多個(gè)不同的灰度。在圖像畫面上，是以灰度分布的形式顯示CT影像。把各體素的CT值轉(zhuǎn)換成圖像上對(duì)應(yīng)像素的灰度，變得到圖像畫面上的灰度分布。此灰度就是XCT像。顯然，一個(gè)CT值對(duì)應(yīng)一個(gè)灰度。第二十一張，PPT共三十七頁，創(chuàng)作于2022年6月3.窗口技術(shù)實(shí)際上采用一個(gè)CT值對(duì)應(yīng)一個(gè)灰度的方法，人眼并不能分辨出這么多的灰度分級(jí)。其實(shí)顯示器也無法顯示這么多的灰度。一般人眼僅能分辨相差大于60HU的灰度級(jí)，從黑到白只能分為33個(gè)不同分級(jí)。為彌補(bǔ)人眼分辨能力不足的弊端，常采用窗口技術(shù)。主要有窗寬（window

9、width)與窗位（window level)二個(gè)指標(biāo)。窗口技術(shù)：CT機(jī)放大或增強(qiáng)某段范圍內(nèi)灰度的技術(shù) 第二十二張，PPT共三十七頁，創(chuàng)作于2022年6月窗位(window level W.L)：窗寬(window width W.W)：窗寬= CTmaxCTmin 觀測組織CT值范圍范圍以下壓縮為全黑范圍以上增強(qiáng)為全白增強(qiáng)的灰度范圍對(duì)應(yīng) 灰度范圍上下限之差窗口中心灰度值第二十三張，PPT共三十七頁，創(chuàng)作于2022年6月2）圖像的再加工處理考慮每一像素與臨近像素關(guān)系算出像素新數(shù)值。例: 對(duì)33矩陣像素值平滑處理。E為某點(diǎn)原像素值, E為處理后像素值， 不同濾波公式完成相應(yīng)濾波計(jì)算。圖像的過濾原

10、理ECJFBHEAGD典型的 33圖像矩陣濾波處理 第二十四張，PPT共三十七頁，創(chuàng)作于2022年6月2）圖像的再加工處理輪廓濾波邊緣增強(qiáng)濾波 陰影濾波平滑濾波平均平滑濾波圖像的過濾第二十五張，PPT共三十七頁，創(chuàng)作于2022年6月圖像的放大和縮小2）圖像的再加工處理第二十六張，PPT共三十七頁，創(chuàng)作于2022年6月圖像的放大和縮小2）圖像的再加工處理數(shù)據(jù)缺少圖像粗糙插值法圖像放大圖像縮小數(shù)據(jù)增多數(shù)據(jù)壓縮缺點(diǎn)缺點(diǎn)處理處理圖像失真插值法abc兩點(diǎn)平均插值示意圖 第二十七張，PPT共三十七頁，創(chuàng)作于2022年6月六、圖像的主要質(zhì)量參數(shù)1.對(duì)比度及對(duì)比度分辨力Contrast是CT圖像表示不同物質(zhì)密

11、度差異、或?qū)射線透射度微小差異的量。表現(xiàn)在圖像上像素間的對(duì)比度，是它們灰度間的黑白程度的對(duì)比。定義定義對(duì)比度主要由物質(zhì)間的密度差來決定，但也受其它因素影響。第二十八張，PPT共三十七頁，創(chuàng)作于2022年6月對(duì)比度分辨力也叫密度分辨力，它是CT像表現(xiàn)不同物質(zhì)的密度差異，或?qū)射線透射度微小差異的能力。用能分辨的最小對(duì)比度的數(shù)值表示。典型值：0.1%-1.0%之間。與X射線能量有關(guān)。檢測方法：低密度體模。第二十九張，PPT共三十七頁，創(chuàng)作于2022年6月2.高對(duì)比度分辨力和低對(duì)比度分辨力當(dāng)被分辨組織器官的較小結(jié)構(gòu)或病灶的線度過小時(shí)，即使在滿足對(duì)比度分辨力的條件下，該較小結(jié)構(gòu)或病灶也未必能被分辨或

12、識(shí)別出來。高對(duì)比度分辨力：物體與勻質(zhì)環(huán)境的X射線線性衰減系數(shù)關(guān)別的相對(duì)值大于10%時(shí)，CT機(jī)能分辨該物體的能力。單位：mm或LP.cm-1。低對(duì)比度分辨力：物體與勻質(zhì)環(huán)境的X射線線性衰減系數(shù)關(guān)別的相對(duì)值小于1%時(shí)，CT機(jī)能分辨該物體的能力。單位：mm。第三十張，PPT共三十七頁，創(chuàng)作于2022年6月3.空間分辨力是指CT像分辨兩個(gè)距離很近的微小組織結(jié)構(gòu)的能力，抽象地說就是CT圖像分辨斷層上兩鄰近點(diǎn)的能力?？捎梅直婢嚯x（即能分辨的兩個(gè)點(diǎn)間的最小距離）表示。影響因素：檢測器有效受照寬度、有效受照高度、重建算法、圖像矩陣大小、圖像對(duì)比度等。檢測方法：高密度體模。第三十一張，PPT共三十七頁，創(chuàng)作于2

13、022年6月4.圖像噪聲(noise)與X射線劑量(dose)Noise:在均質(zhì)物質(zhì)的影像中，表示給定區(qū)域的各CT值對(duì)其平均值變化的量。其量值用給定區(qū)域CT值的標(biāo)準(zhǔn)偏差表示。n是ROI內(nèi)像素?cái)?shù)。影響因素：量子噪聲、電氣測量系統(tǒng)熱噪聲、重建算法等。第三十二張，PPT共三十七頁，創(chuàng)作于2022年6月dose:是指在用X射線掃描中，投照受檢體所使用的X射線的量，它決定于X射線強(qiáng)度和硬度。增大劑量可以減小圖像噪聲。噪聲的檢測：采用標(biāo)準(zhǔn)水模。第三十三張，PPT共三十七頁，創(chuàng)作于2022年6月5.均勻性（even)是描述在斷面不同位置上的同一種組織成像時(shí)，是否具有同一個(gè)平均CT值的量。國標(biāo)定義：在掃描野中，勻質(zhì)體各局部在CT圖像上顯示出的CT值的一致性?？捎肅T值的標(biāo)準(zhǔn)偏差來表示。檢測方法：標(biāo)準(zhǔn)圓柱形試模（仲裁時(shí)用水模）。第三十四張，PPT共三十七頁，創(chuàng)作于2022年6月6.各參數(shù)間的制約從臨床角度，對(duì)圖像質(zhì)量的要求應(yīng)是各方面的指標(biāo)參數(shù)都好，但這在技術(shù)實(shí)現(xiàn)上又很難做到。這是因?yàn)楦鲄?shù)間的相互制約關(guān)系。第三十五張，PPT共三十七頁，創(chuàng)作于2022年6月二、XCT圖像的偽