X-CT多參數(shù)成像物理基礎(chǔ)課件

1、X-CT多參數(shù)成像介紹 冀 敏 2015. 6提綱1 .幾種醫(yī)學(xué)影像的成像參數(shù)2 .傳統(tǒng)X-CT成像的物理基礎(chǔ)與圖像缺陷3 .X-CT多參數(shù)成像介紹 （1）已用于臨床的幾個(gè)成像參數(shù) （2）基物質(zhì)組合系數(shù)成像的基本思路 （3）單能量(單色值)成像的思路 （4）體素能譜圖的獲得1 .幾種醫(yī)學(xué)影像的成像參數(shù)（1）超聲影像成像參數(shù) 一般B型超聲成像：反射超聲波的強(qiáng)度I 彩色多普勒超聲成像：血流速度矢量 M型超聲圖：反射超聲波的強(qiáng)度I 超聲-彈性模量成像（2）核磁共振影像成像參數(shù) 橫向弛豫時(shí)間 縱向弛豫時(shí)間 等效密度（3）放射性核素影像成像參數(shù) 放射性活度（4）X射線影像成像參數(shù) 普通X光片和透視；X射

2、線強(qiáng)度 傳統(tǒng) X-CT： 線性吸收系數(shù)（混合能量,用CT值表達(dá)） 四種影像1.超聲影像 2.MRI影像3.核素影像 4.X-CT影像2 .傳統(tǒng)X-CT成像的物理基礎(chǔ)與圖像缺陷（1）X射線的衰減規(guī)律（對單色X線） 整理：（2）X射線連續(xù)通過不均勻物質(zhì)的衰減 等厚度： （P：投影值） 積分式： （一維）（3）X射線對某斷層多方向投射的投影值表達(dá) 二維（至少n2個(gè)） （6）圖像缺陷 A.按上式，比例各異的多種原子組成的兩種人體組織的等效值可能相同，導(dǎo)致兩種不同組織在圖像上的灰度相同，這兩種組織不能被分辨。（如硬度不同的腫瘤組織不能分辨） B.X射線隨著穿透深度的硬化現(xiàn)象也會導(dǎo)致某兩種組織不能被分辨。

3、（不同性質(zhì)的結(jié)石） 如何解決這個(gè)問題呢？ 3 .X-CT多參數(shù)成像介紹*多參數(shù)成像的提出 為提高X-CT圖像的分辨率，上世紀(jì)90年代美國某公司研發(fā)團(tuán)隊(duì)提出了“基于線性吸收系數(shù)的其它參數(shù)成像”，于2009年開始用于臨床。幾個(gè)成像參數(shù)： （1）基物質(zhì)組合系數(shù)成像 （如：水基成像、碘基成像、鈣基成像等） （2）單能量成像 （3）體素能譜圖 (4) 等效原子序數(shù)成像(不講) *康普頓散射發(fā)生的概率由康普頓散射截面(c ) 來表示 （發(fā)生在光子與自由電子間） 康普頓散射截面基本與入射X光能量無關(guān)，僅與物質(zhì)的原子序數(shù)有關(guān)。* 總散射截面： * 可表示為： 為阿伏伽德羅常數(shù)， 為物質(zhì)密度（ ）， 為原子摩爾

4、質(zhì)量。 *同理有： 以上表示質(zhì)量吸收系數(shù)。 可將質(zhì)量吸收系數(shù)表示為光電效應(yīng)和康普頓散射分別引起的質(zhì)量吸收系數(shù)之和： 從下面的兩條曲線可以確認(rèn)這一點(diǎn)。 實(shí)驗(yàn)可得到兩條曲線，分別表示 和 時(shí)Z和E之間的關(guān)系?？梢?，對于低能X射線和原子序數(shù)大的物質(zhì)，光電效應(yīng)占優(yōu)勢；對于中等能量的X射線和原子序數(shù)小的作用物質(zhì)，康普頓散射占優(yōu)勢；對于能量在1MeV到4MeV之間的X射線，康普頓散射占主要地位，與Z幾乎無關(guān)；對于高能X射線和原子序數(shù)高的作用物質(zhì)，電子對效應(yīng)占優(yōu)勢。 醫(yī)學(xué)影像光子能量在0.080.15Mev，因此只考慮光電效應(yīng)和康普頓散射的衰減。 通過給定的兩種基物質(zhì)組合來產(chǎn)生相同的吸收效應(yīng)，實(shí)驗(yàn)表明,以兩

5、種基物質(zhì)的線性組合系數(shù)分別作為參數(shù)重建圖像可以提高”值分辨率。- 這就是基物質(zhì)成像。 一般情況下，選擇衰減系數(shù)高、低不同的兩物質(zhì)作為基物質(zhì)對。 對于醫(yī)學(xué)成像來說，水和碘是合適的組合，因?yàn)樗藦能浗M織到含碘對比劑以及醫(yī)學(xué)中常見物質(zhì)的范圍。當(dāng)然也可以有其它不同的基物質(zhì)對組合，如水和鈣等。 用水和碘作為基物質(zhì)所重建的圖像分別稱為水基成像、碘基成像。 * 問題是：如何計(jì)算得出 。C. 基物質(zhì)投影模型 （1）物質(zhì)在高、低能量X射線下的投影函數(shù)： a.單色（單能量）X射線投影函數(shù)表示為： I0表示入射X射線光強(qiáng)，I表示經(jīng)物質(zhì)散射、吸收后，探測器接收到的光強(qiáng)。 b. 多色（連續(xù)能譜）X射線投影函數(shù)表示為

6、： 將分為兩項(xiàng)有： 80 kVp140 kVp 100 keV70 keV Water基像 Iodine基像 雙能量成像，重建物質(zhì)分離圖像以及單能量圖像（2）單能量成像A。若已知兩種基物質(zhì)的線性衰減系數(shù)關(guān)于光子能量的分布，且選定某能量E時(shí)的值，以水和碘為基物質(zhì)時(shí)，對某體素而言 有：x,y（E） x,y1 水（E）x,y2 碘（E） 可認(rèn)為： （E）是單色X光通過體素的衰減系數(shù)。 -算出一個(gè)斷層各個(gè)體素的x,y（E），即可得到似單色X光通過物質(zhì)的CT圖像。 （3）體素能譜圖 根據(jù)表達(dá)式: 以及兩種基物質(zhì)的1(E)和2(E)曲線 針對任一體素都可以求出它的(E)曲線, 即體素能譜圖. A-D依次為CT圖像、碘基圖、水基圖及原子序數(shù)圖- -A為感興趣區(qū)CT能譜曲線(離體甲狀腺組織) 參考文獻(xiàn):1 Journal of Computed Tomography, Volume 11 No.3, April 20102 Journal of Computed Tomography, Volume 12 No.1, January 20113 楊福家，原子物理，高等教育出版社，1990.4:280-2854 王元熙，X射線及X射線衍射，高等教育出版社，1988.8: