X-CT成像原理課件

第七章現(xiàn)代生物醫(yī)學(xué)影像設(shè)備——生物醫(yī)學(xué)電子及設(shè)備學(xué)姓名：<>第三X射線計算機斷層掃描成像

(X-raycomputedtomography,X-CT)

X線計算機斷層攝影

X射線發(fā)現(xiàn)后的七八十年中技術(shù)有了許多進步，但始終沒有解決兩個根本性的問題。一是常規(guī)X射線攝影使人體的三維結(jié)構(gòu)通過投影后顯示在一個二維的平面上，造成器官重疊，讀片困難；二是無論是熒光屏還是X射線膠片，其固有的分辨率都比較差?？偟膩碚f，投影X射線成像系統(tǒng)對軟組織的分辨能力是比較差的。

CT發(fā)展簡史1895年，倫琴發(fā)現(xiàn)X射線（諾貝爾獎）1917年，奧地利數(shù)學(xué)家Radon提出圖像重建理論的數(shù)學(xué)方法1961年，天文學(xué)家Oledendorf做了一個稱為“旋轉(zhuǎn)－平移”的試驗，實現(xiàn)了最早的圖像重建1963年，美國教授cormark進一步發(fā)展了從X線投影重建圖像的準(zhǔn)確數(shù)學(xué)方法（79年諾貝爾獎）1967～1970年，hounsfield提出了斷層的方法（79年諾貝爾獎）1972年CT正式應(yīng)用于臨床

1974年全身CT應(yīng)用于臨床

1978年國內(nèi)開始引進CT1983年電子束CT（EBCT）研制成功

1989年螺旋CT應(yīng)用于臨床

1993年雙排CT研制成功

1998年多層螺旋CT應(yīng)用于臨床

2000年采集8層的螺旋CT問世

2002年采集16層的螺旋CT問世

2004年采集64層的螺旋CT問世CT發(fā)展簡史

X射線被準(zhǔn)直后成為一條很窄的射線束。當(dāng)X射線管沿一個方向平移時，與之相對應(yīng)的檢測器也跟著作平移運動。這樣，射線束就對整個感興趣的平面進行了一次掃描，檢測器接收到了與臟器衰減系數(shù)直接相關(guān)的投影數(shù)據(jù)?；驹?/p>

一次掃描過程結(jié)束后，整個X射線源及檢測器系統(tǒng)將沿圓弧旋轉(zhuǎn)一個角度（如每次旋轉(zhuǎn)1°），然后再重復(fù)平移掃描過程，直至在整個180°圓周上掃描一遍。當(dāng)把全部投影數(shù)據(jù)送入計算機后，就可以通過圖像重建算法來重構(gòu)關(guān)于探測平面的二維圖像，圖像的灰度值與組織的衰減系數(shù)相對應(yīng)。這就是X-CT的基本工作原理。

基本原理●X—CT是運用物理技術(shù)，以測定X射線在人體內(nèi)的衰減系數(shù)為基礎(chǔ)，采用數(shù)學(xué)方法，經(jīng)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(zhuǎn)變?yōu)閳D像畫面上的灰度分布，從而實現(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§3—1X-CT成像原理體層、體素一、投影采集與圖象重建掃描：用X射線束以不同方式、按一定順序、沿不同方向?qū)w層進行投照，并用高靈敏度的探測器接受出射X射線的強度

。1、掃描與投影投影：投照受檢體后出射X線束的強度；投影值的分布為投影函數(shù)二、CT成像的物理基礎(chǔ)注意：X為組織厚度，μ是物體種類和X射線能量的函數(shù)1、均勻物質(zhì)對X射線的吸收規(guī)律：

2、X射線束通過非均勻物質(zhì)μ1

μ2

μ3……μnxI0InI1=I0e(—μ1x)I

2=I1e(—μ2x)

……In

=I0e[-(μ1+μ2+…+μn)]xμi

視為均勻1、CT值●CT測量并計算μ，獲取一定數(shù)目體素的μ值重建圖像用CT值來作為表達組織密度的統(tǒng)一單位?！鲆运奈障禂?shù)（μw=1）為標(biāo)準(zhǔn)，各組織對X射線的吸收系數(shù)μ與水的吸收系數(shù)μw的相對比值，稱為CT值。CT可以識別吸收系數(shù)千分之五的差異。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）

水骨空氣μ1.02.00CT值0+1000—1000病變——μ——CT值可鑒別病變的性質(zhì)如肝囊腫0—15H2.灰度顯示CT值與灰度對應(yīng)腦內(nèi)出血區(qū)呈高密度影，CT值約45～90Hu之間實質(zhì)性腫瘤CT表現(xiàn)為高密度影囊性腫瘤為低密度影2、迭代法3、濾波反投影法（Filteredbackprojection)

也稱為卷積反投影法(convolutionbackprojection,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。♂§3—2

CT掃描機的結(jié)構(gòu):采樣系統(tǒng)和圖像處理系統(tǒng)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（1）X線管：功率20—60kW;高壓80—140kVp

焦點0.5—2.0mm;掃描持續(xù)時間30—60s高壓氙氣探測器●電離室在高壓下充入20個大氣壓的惰性氣體氙優(yōu)點：結(jié)構(gòu)簡單；單個探測器通道的靈敏度相同。缺點：量子效率低；相鄰探測器之間存在縫隙。閃爍晶體探測器●(NaI)碘化鈉、(CsI)碘化銫、(CaF2)氟化鈣、(BGO)鍺酸鉍晶體等。加入微量增光或減少余輝的物質(zhì)（鉈、銪），與光電倍增管一起使用優(yōu)點：探測效率高（2）探測器（3）準(zhǔn)直器X線管一側(cè)的準(zhǔn)直器用于減少半影的作用；探測器一側(cè)的準(zhǔn)直器用于減少散亂射線，并限制斷層厚度。準(zhǔn)直器構(gòu)造簡單，但要求準(zhǔn)確度很高。常見 CT用的準(zhǔn)直器厚度是2mm，3mm，5mm，8mm，10mm，13mm，準(zhǔn)直器決定像素的厚度，掃描矩陣決定像素的長度和寬度。二、圖像處理系統(tǒng)計算機的功能有三個：1、根據(jù)掃描系統(tǒng)獲得的原始數(shù)據(jù)，按照建像的數(shù)學(xué)方程編制的軟件程序計算出圖像矩陣中的參數(shù)；2、將存儲器中的圖像矩陣編入電視掃描程序中，然后在屏幕上顯示出CT圖像；3、控制掃描系統(tǒng)的工作以及控制設(shè)備中的其他動作。D/A§3—3CT掃描方式與設(shè)備平移采集160個數(shù)據(jù)*旋轉(zhuǎn)180°每次掃描共采集28800個數(shù)據(jù)；計算80×80矩陣的圖像，6400個像素；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CT2、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，檢測器20～30個；一幅圖像需時20～60s；應(yīng)用范圍：頭部一幅圖像需時約5s；應(yīng)用范圍：全身（心臟除外）30°～60°300～1000個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：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(zhuǎn)（常用）[第4代（1978）]第三代與第四代比較(FromSiemens)

●傳統(tǒng)CT的缺點：①旋轉(zhuǎn)部分為往返旋轉(zhuǎn)運動，限制了掃描速度；②控制電路復(fù)雜；③電纜長期作往返纏繞，易發(fā)生折斷，故障不易查找。二、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(jù)遺漏：容積數(shù)據(jù)，任意位置、任意方位重建圖像。②供電方式：滑環(huán)（slipring)，碳刷在滑環(huán)上運動完成機架旋轉(zhuǎn)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(zhuǎn)2)低壓滑環(huán)：傳遞電壓為數(shù)百伏。優(yōu)點：傳遞電壓低，易處理；高壓電纜短，損耗小。缺點：高壓電源與X線管組合一起旋轉(zhuǎn)，增加旋轉(zhuǎn)部分重量。高壓發(fā)生器X線管高壓電纜低壓電纜1)高壓滑環(huán)：傳遞電壓萬伏以上優(yōu)點：高壓電源放在掃描機架外部；缺點：易發(fā)生高壓放電導(dǎo)致高壓噪聲。影響數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)和圖像質(zhì)量高壓電源X線管高壓電纜單層探測器多層探測器X光管X光管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，呈四棱錐形檢測器結(jié)構(gòu)：單排、多排（64）、等寬、不等寬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(guān)控制輪流發(fā)射X射線脈沖束；時間＜1s

。應(yīng)用范圍：心、肺動態(tài)器官三、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)時間約10ms應(yīng)用范圍：心、肺等動態(tài)器官CT的優(yōu)缺點●優(yōu)點：1、真正斷面像：準(zhǔn)直系統(tǒng)準(zhǔn)直，無層面外組織結(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，靈敏探測器；窗口技術(shù)，灰階可調(diào)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、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)）。§3—4X-CT圖像的質(zhì)量評價用物理學(xué)、影像學(xué)原理→檢測、評價設(shè)備性能主要有：分辨率、噪聲、均勻性等參數(shù)評價方法：在臨床應(yīng)用條件下對標(biāo)準(zhǔn)測試體模作斷層掃描，采集影像數(shù)據(jù)，用物理學(xué)方法做數(shù)據(jù)分析處理，根據(jù)各項指標(biāo)的測量值相對于標(biāo)稱值的偏差評定是否合格，并進行校正、維修一、圖像的主要質(zhì)量參數(shù)1、對比度及對比度分辨力①對比度：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比②對比度分辨力（密度分辨力）：將一定大小的細(xì)節(jié)從背景中鑒別出來的能力?！鰴z測方法：低密度體模（單位mm）■

影響因素：噪聲↑→像顆粒度↑→對比度分辨力↓；被照物細(xì)節(jié)↑→對比度分辨力↑；

X射線劑量↑→信噪比↑→對比度分辨力↑窗寬、窗位的選擇2、低對比度分辨力和高對比度分辨力①低對比度分辨力：●細(xì)節(jié)與背景之間具有低對比度時，能使細(xì)節(jié)從背景中鑒別出來的能力。■條件：物體（細(xì)節(jié)）與均質(zhì)環(huán)境的吸收系數(shù)差別的相對值

△μ

＜1%或△CT＜10HuX-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；高度準(zhǔn)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↑圖像重建算法（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(xì)節(jié)從背景中鑒別出來的能力。■條件：物體（細(xì)節(jié)）與均質(zhì)環(huán)境的吸收系數(shù)差別的相對值

△μ＞10%；或△CT＞100Hu3、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灶的能力。體素（矩陣越大）——空間分辨力↑空間分辨力取決于檢測器有效受照寬度（與線束寬度相對應(yīng)）檢測器有效受照高度（與線束高度相對應(yīng)）

■空間分辨力的檢測：高密度測試體模線對數(shù)LP/Cm;分辨最小圓孔的直徑（mm)普通X光片：0.1～0.2mm(膠片顆粒尺寸）；

X-CT：1～2mm核素成像：5—10mm○對骨骼和胸腔等高對比度器官的檢查，X—CT尚不能代替普通X光攝影圖像中可觀察到的光密度的隨機變化。X光機噪聲主要由三個來源：①量子統(tǒng)計噪聲(92%)：X光量子統(tǒng)計漲落在照片上記錄的反映；②散射噪聲：主要是康普頓散射線；③系統(tǒng)電子學(xué)的熱噪聲圖像表現(xiàn)：斑點、細(xì)粒、網(wǎng)紋、雪花點●信噪比(signaltonoiseratio,SNR)——評價指標(biāo)圖像信號幅度噪聲幅度●噪聲對低對比度的結(jié)構(gòu)影響較明顯

4、圖像噪聲與X射線劑量（量子）噪聲表示給定區(qū)域的各CT值對其平均值的變化量（由探測器檢測到的X線數(shù)量的波動引起）。是一種隨機的干擾信號。高劑量掃描極低劑量掃描w：像素大小；h：斷層厚度：D0：最大皮膚劑量(只要診斷許可，盡量采用大劑量條件）C：描述劑量效率的常數(shù)；B：射線衰減（性能）因數(shù)●噪聲標(biāo)準(zhǔn)差●在掃描野中，均質(zhì)體各局部在CT圖像上顯示出CT值得一致性■勻質(zhì)體各局部區(qū)域平均CT值偏離程度↑→均勻性↓★影響因素：圖像噪聲；X射線束硬化5、均勻性測量中央和邊緣取五個面積相等的ROI的CT值；計算兩兩之間CT值的最大偏離△CTm#本例△CTm#=3.7HU國際評價標(biāo)準(zhǔn)：△CTm#≤5HU-1.0-2.1