醫(yī)學(xué)物理學(xué)-第四章

醫(yī)學(xué)影像物理學(xué)第四章X射線計算機體層成像（XCT）與圖像重建第四章

XCT與圖像重建

CT是利用投影重建斷層圖象。

1923年美國科馬克研究出圖象重建的方法；1969年由英國工程師Hounsfiled

設(shè)計出世界上首臺醫(yī)學(xué)CT機；并于1972取得世界上第一幅CT圖象——頭部CT?？汕逦R別出腦灰質(zhì)和腦白質(zhì)；二人于1979年獲得諾貝爾醫(yī)學(xué)和生理學(xué)獎；以后出現(xiàn)全身CT、心臟CT、螺旋CT。

我國1990年完成第一臺CT機。CT原理

CT是綜合運用層面X線掃描原理，利用高靈敏光子探測技術(shù)，先進的數(shù)據(jù)處理方法和顯示技術(shù)，根據(jù)人體不同組織和病變對X線衰減系數(shù)不同，采用一定的數(shù)學(xué)方法，把探測的結(jié)果經(jīng)計算機處理，獲得人體衰減系數(shù)在人體某剖面上的二維分布矩陣，再用電子技術(shù)轉(zhuǎn)化為一系列準(zhǔn)確而詳細的組織層面灰度圖像，實現(xiàn)斷層圖像的現(xiàn)代醫(yī)學(xué)成像技術(shù)。這些層面圖綜合起來，便能得到有關(guān)組織結(jié)構(gòu)的立體形象和病變情況，達到診斷的目的。CT成像系統(tǒng)圖（衰減系數(shù)成像）X-CT成像與普通X線成像比較普通X線成像示意圖X—CT成像示意圖斷層掃描是只掃描架按照一定的掃描方式繞受檢對象運動一周，如旋轉(zhuǎn)，產(chǎn)生一個斷層切片。在掃描機架運動過程中X射線源曝光，檢測器檢測X射線，計算機采集、處理并進行圖像重建，這樣就得到受檢者某一斷層位置的切片圖像。選擇適當(dāng)?shù)膶雍窈蛯游?，?jīng)多次掃描可以獲得一系列無重疊的二維圖像CT圖X-CT成像與普通X線成像比較

1.CT是斷面圖像，消除了相互重疊影像，準(zhǔn)確而普通平片是用二維圖像顯示三維結(jié)構(gòu)，對重疊的結(jié)構(gòu)（如在胸部）常難以分辨，

2.CT的密度分辨率高，它可以顯示平片不能發(fā)現(xiàn)的病變。

3.

具有較高的x線利用率，準(zhǔn)直器去散射第一節(jié)

XCT的數(shù)理基礎(chǔ)

體層（斷層）：受檢體的一個薄層像素：按一定大小和坐標(biāo)人為劃分的構(gòu)成圖像的基本單元（點子）體素：在受檢體內(nèi)的一個薄層面上按一定大小和坐標(biāo)人為劃分的小體積元。（與像素編碼順序一致）第一節(jié)

XCT的數(shù)理基礎(chǔ)二.掃描與投影掃描：用近于單能窄束的X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素編號的受檢體體層進行投照，并用高靈敏度的探測器接收透射一串串體素后的出射X線束的強度I。投影：投照受檢體體后出射X射線束的強度I。第一節(jié)

XCT的數(shù)理基礎(chǔ)第一節(jié)

XCT的數(shù)理基礎(chǔ)三.單能窄束X線獲取單能X線獲?。赫{(diào)管電壓(110-140KV)，使主要產(chǎn)生標(biāo)識X射線，然后用鋁板(4-5mm)過濾。窄束X線獲?。号錅?zhǔn)直器出射X射線束寬取決于準(zhǔn)直器孔徑的寬度，1-2mm;束高取決于準(zhǔn)直器孔徑的高度3-10mm第一節(jié)

XCT的數(shù)理基礎(chǔ)單能窄束X線獲取三者在同一直線上高壓發(fā)生器X線球管人體模型探測器群操作控制臺多幅激光照相機電子計算機模數(shù)轉(zhuǎn)換器內(nèi)外存儲器CRT顯示器

CT影像設(shè)備的基本結(jié)構(gòu)與工作原理流程CT影像設(shè)備的基本結(jié)構(gòu)CT機主要分以下三部分：即①掃描系統(tǒng)（X線管、探測器和掃描架）;②計算機系統(tǒng)（數(shù)據(jù)儲存、運算等）和圖像重建系統(tǒng);③圖像顯示和存儲、照相系統(tǒng)。

2．CT影像設(shè)備的組成與功能CT影像設(shè)備的基本結(jié)構(gòu)①掃描系統(tǒng)（X線管、探測器和掃描架）:

掃描機架（gantry）內(nèi)安裝有X線系統(tǒng)、圖像采集、X線過濾器、系統(tǒng)準(zhǔn)直器等，其中X線球管和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)（dataacquisitionsystem，DAS）最為重要。掃描機架的孔徑與傾斜范圍也是兩項重要的應(yīng)用指標(biāo)，目前多數(shù)掃描機架的孔徑為70cm，傾斜角度通常為±12°～±30°。CT掃描系統(tǒng)的掃描機架與掃描床掃描機架內(nèi)部結(jié)構(gòu)CT影像設(shè)備的基本結(jié)構(gòu)CT掃描裝置：X線管，掃描床，檢測器，掃描架①掃描系統(tǒng)（X線管、探測器和掃描架）:

X線球管是CT影像設(shè)備的心臟部分，由陰極、陽極和真空玻璃或金屬管組成，其類型可分為固定陽極和旋轉(zhuǎn)陽極兩種。固定陽極X線球管主要應(yīng)用于單束和多束形的掃描機中，其焦點是矩形的，主要用于第1、2代CT機中；旋轉(zhuǎn)陽極X線球管主要用在扇束旋轉(zhuǎn)掃描機中，故在第3、4代CT機中多采用此種X線球管；CT影像設(shè)備的基本結(jié)構(gòu)

目前，CT多采用2個焦點交替工作，大大延長了X線球管的壽命，其曝光次數(shù)由原來的2萬次達到25～50萬次以上。

2003年末Siemens公司推出所謂的零兆陽極熱容量的概念，代表球管為Straton電子束控金屬球管，是以0.37秒速度進行機架旋轉(zhuǎn)的球管,可以實現(xiàn)亞毫米滿負荷掃描。Straton電子束控金屬球管外形

CT影像設(shè)備的基本結(jié)構(gòu)CT的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)（DAS）作用是測量X射線束，并將這些數(shù)據(jù)編碼成二進制數(shù)據(jù)，送往計算機進行運算。探測器（detector）是DAS系統(tǒng)中重要的部件，其主要功能有：①接受透過病人檢查部位的X射線；②將接收到的X線轉(zhuǎn)換成模擬形式的電子信號；③將模擬信號放大；④將模擬信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號（通過A/D轉(zhuǎn)換器）。②計算機系統(tǒng):

CT和MRI等臨床大型醫(yī)療設(shè)備均使用的是小型計算機。CT的計算機系統(tǒng)包括主計算機和陣列計算機兩部分。主計算機控制CT整個系統(tǒng)的正常工作。其主要的功能有：①掃描監(jiān)控，并將CT掃描得到的數(shù)據(jù)進行存儲；②CT值的校正；③圖像的重建控制與圖像后處理；④CT機自身故障的診斷與分析。②CT的計算機系統(tǒng)和圖像重建系統(tǒng)②計算機系統(tǒng):陣列處理器（ArrayProcessor,AP）：本身不能獨立工作，它與主計算機相連，在其控制下進行高速的數(shù)據(jù)運算以完成CT掃描的龐大數(shù)據(jù)量的處理與運算。Philips16排MSCT影像設(shè)備的AP柜

CPU3.06GHzHardDisk146GB③圖像顯示與存儲：CT圖像的顯示：由操作臺上的CRT屏顯示，目前多層螺旋CT多配有高性能的工作站（workstation），也可以在工作站的顯示屏上顯示。CT圖像的記錄系統(tǒng)：系統(tǒng)硬盤、外部存儲器等構(gòu)成。CT圖像的外部存儲器包括磁帶、合式磁帶、光盤、磁光盤、軟盤以及各種照相機等。

CT圖像的顯示（imagingdisplay）可以由操作臺上的CRT屏顯示（單屏或雙屏），目前多層螺旋CT多配有高性能的工作站（workstation），也可以在工作站的顯示屏上顯示圖像，并利用工作站的應(yīng)用軟件進行圖像的后處理和照相等工作。圖像顯示和存儲系統(tǒng)CT掃描的工作原理

X射線圍繞著人體掃描，在穿過人體之后，X線投射在隨X線球管一起運動或靜止不動的一系列探測器上，對掃描的體積斷面所采集X線信息，通過先進的計算技術(shù)（Fourier轉(zhuǎn)換，反投射法）轉(zhuǎn)換成二維的圖像。盡管CT技術(shù)較X線平片復(fù)雜，基本原理是一樣的，即高密度的物質(zhì)阻擋X射線的穿透。

第二節(jié)

XCT的掃描方式CT掃描裝置：X線管，掃描床，檢測器，掃描架CT成像裝置的發(fā)展（按掃描方式）第一代CT：第一臺CT，單源單探測器，平移旋轉(zhuǎn)多次(單束平移旋轉(zhuǎn)(T/R)方式)第二代CT：單源多探測器，但錐角小，一次成少部分像，需平移(窄扇形束平移旋轉(zhuǎn)(T/R)方式)第三代CT：單源多探測器，但探測器大，一次成像(旋轉(zhuǎn)-旋轉(zhuǎn)(R/R)方式)第四代CT：環(huán)狀探測器，一次成像(靜止-旋轉(zhuǎn)(S/R)方式)第五代CT：螺旋CTCT掃描動畫點擊右圖觀看圖3線形束平移+旋轉(zhuǎn)

圖4扇形束平移+旋轉(zhuǎn)

圖5扇形束多探測器同步旋轉(zhuǎn)

圖6扇形束固定環(huán)形探測器

圖7螺旋CT掃描方式

X射線管向一個方向圍繞受檢體連續(xù)旋轉(zhuǎn)掃描,受檢體同時向一個方向連續(xù)勻速移動通過掃描野.1．滑環(huán)技術(shù)滑環(huán)技術(shù)是螺旋掃描的基礎(chǔ)，它的發(fā)明問世標(biāo)志著CT成像技術(shù)進入一個快速發(fā)展的新時代?；h(huán)技術(shù)的重大貢獻是解決了CT機架旋轉(zhuǎn)部分與靜止部分的饋電和信號傳遞方式問題，可以實現(xiàn)X線球管連續(xù)旋轉(zhuǎn)和曝光。它是用一個滑環(huán)和一個碳刷代替了電纜，當(dāng)碳刷沿著滑環(huán)滑動時，則經(jīng)滑環(huán)與碳刷向X線球管供電。由于擺脫了各種電纜的纏繞限制，而且X線發(fā)生器和探測器均安裝在一個滑環(huán)上，因此滑環(huán)可單方向連續(xù)旋轉(zhuǎn)。2．非螺旋CT與螺旋CT掃描方式的比較

螺旋CT掃描采用的滑環(huán)技術(shù)，去除了X線球管與機架之間的電纜連接的束縛，使得球管、探測器系統(tǒng)可以單向連續(xù)旋轉(zhuǎn)，每旋轉(zhuǎn)360°的掃描時間可以縮短到1秒或亞秒，明顯提高了掃描速度和檢查效率。更主要的是在連續(xù)掃描的同時，檢查床也單向勻速移動，使得整個掃描的軌跡類似螺旋管，它所采集的數(shù)據(jù)是某一檢查器官或部位連續(xù)的掃描數(shù)據(jù)，即容積數(shù)據(jù)，因此也稱這種掃描方式為容積掃描。多層螺旋MSCT有多排檢測器和多個數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)DAS掃描一周可獲得2—18幅圖象或更多圖8電子束掃描方式

圖9電子束掃描結(jié)構(gòu)示意圖

各種CT掃描方式的特性比較CT掃描方式的特性比較

CT掃描的缺點：

雖然發(fā)現(xiàn)病變的敏感性極高，但在定性診斷上仍有很大的限制。由于CT機測定的是物理參數(shù)，即人體組織對X線的衰減值或物理密度，醫(yī)生就是根據(jù)正常組織和異常組織呈現(xiàn)的衰減值差異作為診斷的依據(jù)，如果衰減值無差異，再大的腫瘤也無法鑒別。可見CT掃描盡管有許多優(yōu)越性，但也有其局限性，只有與其他設(shè)備，其他診斷手段相配合，才能充分發(fā)揮其作用。

CT斷層對心臟的演示動畫點擊右圖觀看（3）（4）X線通過均勻物質(zhì)第三節(jié)

XCT的重建X射線通過均勻介質(zhì)時衰減規(guī)律為：X線通過非均勻物質(zhì)

N個方程求n個衰減系數(shù)（一維）第三節(jié)

XCT的重建通過掃描，獲得足夠的投影值，再運用數(shù)學(xué)方法處理投影值，確定衰減系數(shù)，獲得衰減系數(shù)的二維分布矩陣（數(shù)字圖像）。第三節(jié)

XCT的重建二維：坐標(biāo)變換得：投影值

第三節(jié)

XCT的重建投影與正弦圖圖8投影與反投影

反投影法重建：利用投影數(shù)值近似的復(fù)制出μ的二維分布矩陣.

原理:沿投影的反方向,把所得投影的數(shù)值反投回各體素中去,并用計算機進行運算,求出各體素μ值而實現(xiàn)圖象的重建.斷層平面中某一點的密度值(μ值)可看作這一平面內(nèi)所有經(jīng)過該點的射線投影之和的平均值圖9反投影重建的過程

第三節(jié)

XCT的重建反投影法重建：利用投影值反求衰減系數(shù)的二維分布。篩選出某一確定掃描路徑L對應(yīng)的投影為：某一θ角度上的反投影（衰減系數(shù)）為：全部角度的衰減系數(shù)分布為第三節(jié)

XCT的重建要求最后算得即可，重建出圖像。算法舉例

反投影法重建：斷層平面中某一點的密度值

可看作這一平面內(nèi)所有經(jīng)過該點的射線投影之和的平均值123456算法舉例1)根據(jù)反投影算法x1=p5=5 x6=p2+p3+p5=18 …2)平均化處理，除以投影線數(shù)目

xi=xi/6

000005200100000056237181271108136250.8310.3300.51.16321.160.061.661.330.160.510.330.83反投影重建后原像素值再除以投影線數(shù)，平均化斷層平面中某一點的密度值可看作這一平面內(nèi)所有經(jīng)過該點的射線投影之和的平均值123456偽跡分析反投影重建后，原來為0的點不再為0，形成偽跡00000520010000000.8310.330.51.16321.160.061.661.330.160.510.330.83原像素值再除以投影線數(shù)，平均化為何會產(chǎn)生呢？偽跡分析我們考慮孤立點源反投影重建，中心點A經(jīng)n條投影線投影后，投影值均為1：

p1=p2=...=pn=1因此重建后而其他點均為1/n1/n1/n1/n1/n11/n1/n1/n1/n這類偽跡成為星狀偽跡000010000偽跡分析產(chǎn)生星狀偽跡的原因在于：反投影重建的本質(zhì)是把取自有限物體空間的射線投影均勻地回抹(反投影)到射線所及的無限空間的各點之上，包括原先像素值為零的點思考：如何“去偽存真”，消除偽跡保留真像？這就是下一節(jié)的內(nèi)容！第三節(jié)

XCT的重建反投影圖像重建缺點：

邊緣失銳濾波反投影圖像重建用一濾波函數(shù)與前投影值卷積作為新的投影函數(shù)，再反投影。去偽影，且速度快。第三節(jié)

XCT的重建四體素矩陣圖像重建：基數(shù)：所有體素衰減系數(shù)和。第四節(jié)

XCT的顯示、處理CT值：

CT影像中每個像素所對應(yīng)的物質(zhì)X射線線性平均衰減量的大小。則衰減系數(shù)為的某種物質(zhì)的CT值為：

單位為亨

為能量是73Kev的X射線在水中的線性衰減系數(shù)

K為分度系數(shù)，一般K=1000人體中各組織的CT值大約有2000個，-1000~+1000H

第四節(jié)

XCT的顯示、處理灰度顯示：

灰度：黑白或明暗的程度。投影值——衰減系數(shù)二維分布——CT值二維分布————灰度分布（影像）

人體中各組織的CT值大約有2000個，則對應(yīng)灰度值也需要2000個（從全黑到全白）。

2000個灰度值無法在顯示器上顯示，且人眼只能分辨33個灰度級別。故采用窗口技術(shù)顯示。

第四節(jié)

XCT的顯示、處理窗口技術(shù)：

CT機放大某段范圍內(nèi)灰度的技術(shù)。

將放大灰度范圍的上限增強為全白，下限壓縮為全黑。增強了局部灰度范圍內(nèi)不同灰度之間黑白對比的程度。窗口：被放大的灰度范圍。窗寬：被放大的灰度范圍上下限之差。窗寬=CTmax-CTmin窗位：被放大的灰度范圍的灰度中心值。窗位=(CTmax+CTmin)/2第四節(jié)

XCT的顯示、處理第四節(jié)

XCT的顯示、處理窗口技術(shù)：窄窗寬——CT值范圍小——每級灰階代表的CT值跨度小——黑白對比度大。適合觀察密度差別小的組織。反之寬窗寬，適合觀察密度差別大（肺、骨質(zhì)）的組織。第四節(jié)

XCT的顯示、處理處理技術(shù)：

放大，濾波，插值，增強圖像質(zhì)量：

CT的意義

CT的密度分辨率遠高于一般Ｘ線檢查，屬非創(chuàng)傷性，檢查時間較短，準(zhǔn)確性較高和應(yīng)用范圍甚廣的一種技術(shù)。它是目前神經(jīng)系統(tǒng)疾病首選的影像學(xué)診斷方法；同時還應(yīng)用于五官、胸部、腹部的組織、器官的檢查，如對眼、鼻、耳、心、肥、肝、胰、腎等器官疾病的診斷很有幫助。

CT檢查的優(yōu)點：

①CT為無創(chuàng)性檢查，檢查方便、迅速，易為患者接受。

②有很高的密度分辨力，密度相差5-6H的不同組織能被區(qū)分。能測出各種組織的CT值。

③CT圖象清晰，解剖關(guān)系明確。

④CT能提供沒有組織重疊的橫斷面圖象，并可進行冠狀和矢狀面圖象的重建。

⑤用造影劑進行增強掃描，不僅提高了病變的發(fā)現(xiàn)率，而且有的能做定性診斷。

CT成像缺點：

CT圖像是經(jīng)過數(shù)據(jù)采集、量化、圖像重建和圖像顯示等多個環(huán)節(jié)形成的，任何一個環(huán)節(jié)出現(xiàn)偏差都會給CT圖像帶來偽差，容易造成誤診斷，這是在使用CT成像中和讀CT影像片時應(yīng)力求避免的。醫(yī)師與技師應(yīng)根據(jù)具體情況，盡早識別或判斷出CT圖像中出現(xiàn)的圖像偽差的原因，及時進行修正或改進?？臻g分辨力一般，介與X線成像與r照相機之間X-CT成像CT臨床應(yīng)用螺旋CT的圖像重建技術(shù)與應(yīng)用多平面重建（multi-plannerreconstruction，MPR）是指在任意平面對螺旋CT掃描的容積資料進行多個平面分層重組，形成冠狀、矢狀、斜面及曲面等任意平面的圖像。多平面重建方法適用于全身各個部位。A為盆腔CT掃描的矢狀面重建；B為右肺腫瘤（橫斷面）；C為右肺腫瘤矢狀面重建三維重建（3-dimensionalreconstruction）是將螺旋CT掃描的容積數(shù)據(jù)在工作站3D重建軟件的支持下合成三維圖像，并可進行360°實時旋轉(zhuǎn)，以便從不同的角度觀察病灶。主要應(yīng)用于顱面部及骨骼系統(tǒng)，以觀察顱底骨質(zhì)、頜面部、脊柱小關(guān)節(jié)、復(fù)合關(guān)節(jié)、骨盆等部位的骨折或畸形。

A為SSD重建顯示右面部血管畸形；B為同一病人的右側(cè)面觀最大密度投影（maximumintensityprojection，MIP）是將經(jīng)線所通過的螺旋CT掃描容積組織或物體中的每個像素的最大強度值進行投影，反映的是組織結(jié)構(gòu)密度的差異，故對比度很高。A為MIP重建顯示左輸尿管下端結(jié)石及梗阻；B為同一病人的3D重建圖像。（4）最小密度投影（minimumintensityprojection，MinIP）是利用螺旋CT容積數(shù)據(jù)中在視線方向上密度最小的像元值進行投影成像的技術(shù)。該技術(shù)方法主要應(yīng)用于氣道的顯示，如氣管支氣管、喉部等，有時也用于肝臟增強后肝內(nèi)擴張膽管的顯示。A為MinIP顯示正常支氣管樹；B為復(fù)發(fā)性多軟骨炎，顯示氣道狹窄表面遮蓋顯示技術(shù)（shadedsurfacedisplay，SSD），按照表面數(shù)學(xué)模式進行處理，將超過預(yù)設(shè)的CT閾值的相鄰像素連接而重組成圖像。該技術(shù)主要應(yīng)用于骨骼系統(tǒng)，如顱面部、骨盆和脊柱等解剖結(jié)構(gòu)復(fù)雜的部位，其空間立體感較強，解剖關(guān)系清晰，有利于病灶的定位。

CT血管造影（CTangiography，CTA）是指靜脈注射對比劑后，在循環(huán)血液中及靶血管內(nèi)對比劑濃度達到最高峰的時間內(nèi)，進行螺旋CT容積掃描，經(jīng)過計算機軟件最終重建出靶血管數(shù)字化的立體影像。A為CTA顯示肺靜脈血管與心臟；B為腦血管CTA；C為頸動脈CTA顯示軟斑塊

CT仿真內(nèi)窺鏡技術(shù)（CTvirturalendoscopy，CTVE）是螺旋CT容積掃描和計算機仿真技術(shù)相結(jié)合的產(chǎn)物，它是利用計算機相應(yīng)的軟件功能，將CT容積掃描獲得的圖像數(shù)據(jù)進行后處理，重建出空腔