第三章X射線計(jì)算機(jī)斷層成像CT(ComputedTomography)

章節(jié)分布

1.X-CT歷史

2.X-CT的基礎(chǔ)知識(shí)

3.傳統(tǒng)X-CT的掃描方式

4.X-CT后處理技術(shù)

5.X-CT圖像的質(zhì)量控制

6.螺旋CT一.X-CT歷史1917年奧地利數(shù)學(xué)家雷當(dāng)（Radon）：根據(jù)面投影到線并重建圖像的計(jì)算公式。1963年美國(guó)物理學(xué)家柯馬克（A.M.Cormack）：在“應(yīng)用物理雜志”（JournalofAppliedPhysics）上發(fā)表了二篇題為“用線積分表示一函數(shù)的方法及其在放射學(xué)上的應(yīng)用”的系列文章。1967年至1970年間英國(guó)EMI公司的工程師豪斯菲爾德（G.N.Hounsfield）研制成功世界上第一臺(tái)用于醫(yī)學(xué)臨床的X線CT掃描機(jī)，于1971年9月被安裝在倫敦的Atkinson-Morley’s醫(yī)院。1972年利用這臺(tái)X線CT首次為一名婦女診斷出腦部的囊腫，并取得了世界上第一張CT照片。1974年美國(guó)George-town大學(xué)醫(yī)學(xué)中心的Ledly研制成第一臺(tái)全身CT掃描機(jī)。為此Hounsfield和Cormack共同獲得了1979年的諾貝爾生理和醫(yī)學(xué)獎(jiǎng)。倫琴與X-Ray1895年，X-Ray第一次被發(fā)現(xiàn)

但解剖結(jié)構(gòu)是重疊的

而且軟組織是不能區(qū)分的Hounsfield與第一張CT圖CT消除了這些障礙...3D圖像的合成CT影像質(zhì)量的進(jìn)步...二.X-CT基礎(chǔ)知識(shí)CT掃描形成-“slice(斷層)”受檢體內(nèi)接受檢查并欲建立圖像的薄層斷層兩個(gè)表面的其中一個(gè)平面解剖斷面二.X-CT基礎(chǔ)知識(shí)CT影像形成–“Voxel(體素)”把層厚分成很小的體積單位稱“voxels(體素)”通常體素長(zhǎng)和寬都為1mm,與體積相對(duì)應(yīng)；體素的大小在CT圖像上的表現(xiàn)即為“pixels(像素)”。二.X-CT基礎(chǔ)知識(shí)數(shù)字矩陣以相應(yīng)灰階轉(zhuǎn)換成黑白影像。CT影像形成過程-A/D/A*

*Analog-Digital-Analog353639343331343335323180859078二.X-CT基礎(chǔ)知識(shí)掃描：X射線束對(duì)受檢體斷層進(jìn)行投照投影：投照受檢體后出射X線束的強(qiáng)度二.X-CT基礎(chǔ)知識(shí)窄束X-ray的獲取：源散射光探測(cè)器鉛準(zhǔn)直鉛準(zhǔn)直Δx準(zhǔn)直器吸收散射線，通過后X-ray成為窄束X射線二.X-CT基礎(chǔ)知識(shí)CT圖像重建的數(shù)理基礎(chǔ)（1）

N1N2N3

Nn

μ1μ2μ3μnΔxΔxΔxμmI0InΔxIm-1ImΔxX射線通過非均勻介質(zhì)：二.X-CT基礎(chǔ)知識(shí)CT圖像重建的數(shù)理基礎(chǔ)（2）狄拉克函數(shù)（函數(shù)）其投影可表述為如下形式：二.X-CT基礎(chǔ)知識(shí)CT圖像像素如何計(jì)算出來？？？？？3746253154直接矩陣求解法逐次近似法(迭代法)總和法(逆投影法)卷積反投影法

逐次近似法(迭代法)Back總和法(逆投影法)

逆投影法缺點(diǎn)22222222224222222222222262222222222222222222822222222222222222222222暈狀效應(yīng)濾波反投影法優(yōu)點(diǎn)：消除了反投影法產(chǎn)生的圖像的邊緣失銳21.5-0.53-1剖面數(shù)據(jù)濾波函數(shù)濾波后剖面數(shù)據(jù)nxnnyz濾波后的剖面數(shù)據(jù)由下列公式得出：333-1-1-1-1-1-16-2-222-2-2229-31111-3111200000000CT中最常用的成像計(jì)算方法就是：濾波反投影法二.X-CT基礎(chǔ)知識(shí)CT值—CT影像中每個(gè)像素所對(duì)應(yīng)的物質(zhì)對(duì)X射線線性平均衰減量大小的表示。CT值的定義式：人體各組織CT值約為-1000~1000HU，即約有2000個(gè)CT值二.X-CT基礎(chǔ)知識(shí)灰度顯示—在圖像上，表現(xiàn)各像素黑白或明暗程度的量-100001000掃描方式靜止-旋轉(zhuǎn)（S/R）單束平移-旋轉(zhuǎn)（T/R）窄扇形平移-旋轉(zhuǎn)（T/R）旋轉(zhuǎn)-旋轉(zhuǎn)（R/R）傳統(tǒng)CT掃描方式三.傳統(tǒng)X-CT的掃描方式單束平移-旋轉(zhuǎn)（T/R）方式第一代CT特點(diǎn)：直線筆形掃描束單一探測(cè)器一次平移獲得240個(gè)數(shù)據(jù)每次旋轉(zhuǎn)1度共重復(fù)180次檢測(cè)一個(gè)層面4-5min窄扇形束掃描平移-旋轉(zhuǎn)（T/R）方式特點(diǎn)：直線多路筆形掃描束探測(cè)器3-52個(gè)每次旋轉(zhuǎn)3-30度檢測(cè)一個(gè)層面20-120S第二代CT旋轉(zhuǎn)-旋轉(zhuǎn)（R/R）方式特點(diǎn)：扇形掃描束連續(xù)或脈沖方式的X射線環(huán)形陣列探測(cè)器300-800個(gè)每次旋轉(zhuǎn)360度檢測(cè)一個(gè)層面3-5S第三代CT靜止-旋轉(zhuǎn)（S/R）方式特點(diǎn)：扇形掃描束連續(xù)或脈沖方式的X射線環(huán)形整圈探測(cè)器探測(cè)器共600-1500個(gè)球管每次旋轉(zhuǎn)360度檢測(cè)一個(gè)層面1-5S第四代CT傳統(tǒng)CT掃描的缺撼1單電纜供電X射線管不能進(jìn)行連續(xù)的掃描2單次掃描結(jié)束后要停止掃描，并回到掃描的起始位置3延緩了全部掃描工作的時(shí)間，且存在斷層間的間隔電子束掃描方式第五代CT特點(diǎn)：14個(gè)球管排成半圓形160度相對(duì)的有14個(gè)視頻成像系統(tǒng)熒光屏+電視攝像系統(tǒng)使用電掃描方式控制球管依次曝光每10毫秒可采集14幅圖像1S內(nèi)重復(fù)60次，可達(dá)840幅圖像電子束掃描結(jié)構(gòu)示意圖第五代CT超高速CT掃描機(jī)(電子速CT)UFCT:UltrafastCTScannerEBIS:ElectronicBeamImagingSystem四.X-CT后處理技術(shù)1.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)Windowwidth窗寬(W):選擇窗位的灰階范圍。LungWindow肺窗MediastinumWindow(縱隔窗/軟組織窗)窗口必須根據(jù)

相關(guān)顯象組織

來設(shè)置NarrowWindowWidth窄窗寬BroadWindowWidth寬窗寬窄

窗寬:適用于軟組織部位,如腦和腹部。但窗寬以外的結(jié)構(gòu)就不能正確的被反映出來。

寬

窗寬:

適用于對(duì)比度較大的部位，如肺和骨骼。密度差別較小的組織不易顯示。Windowcenter窗位(C):整個(gè)CT值范圍內(nèi)某一所選定的位置，確定的圖像顯示則以該CT值為中心。Hounsfield

unit+1000-10000WindowwidthW－窗寬WindowcenterC－窗位灰階顯示W(wǎng)hiteBlack窗位應(yīng)根據(jù)觀察組織CT值的數(shù)值范圍來選擇雙窗技術(shù)*一幅圖像上同時(shí)觀測(cè)肺和縱隔。*雙窗不推薦用于診斷圖像的再加工處理2.圖像的放大和縮小-為了擴(kuò)展或縮小顯示的視野數(shù)據(jù)矩陣顯示圖像矩陣缺點(diǎn)：產(chǎn)生數(shù)據(jù)的間斷，出現(xiàn)圖像粗糙現(xiàn)象為了解決缺少數(shù)據(jù)的問題，采用兩點(diǎn)平均插值0yXabc兩點(diǎn)平均插值示意圖五.X-CT圖像的質(zhì)量控制1.分辨率顯示分辨率：包括顯示器分辯率和膠片分辨率空間分辨率(SpatialResolution)密度分辨率(DensityResolution)空間分辨率在

HighContrast情況下區(qū)分相鄰最小物體的能力,(又稱“HighContrastResolution”)受系統(tǒng)幾何因素影響，決定影像清晰度，常用多少線對(duì)/厘米，即LP/CM空間分辨率清晰度-影像清晰度即物體周圍相關(guān)組織的銳利度清晰度影響因素掃描時(shí)間層厚球管焦點(diǎn)尺寸采樣頻率重建算法密度分辨率低對(duì)比度情況下分辨物體微小差別的能力(又稱“LowContrastResolution”)受影像清晰度

&

噪聲影響噪聲

我們?cè)谫|(zhì)量較差的電視機(jī)上可以看到重疊于圖像上、有規(guī)律分布、小顆粒的現(xiàn)象即為噪聲。CT圖像中噪聲的產(chǎn)生與射線的劑量，也就是到達(dá)探測(cè)器上光子數(shù)量的大小有關(guān)，射線劑量越大或光子數(shù)越多，噪聲越小。均勻物體的影像中各像素的CT值參差不齊，使圖像呈顆粒性，直接影響其密度分辨率，尤以低密度的可見度為甚，增加X線量可降低噪聲。206mA60mA噪聲的影響因素kVmAs重建算法層厚操作方式像素大小噪聲顯示矩陣圖像噪聲可用CT值的標(biāo)準(zhǔn)偏差來表示或估計(jì):X-CT圖像的偽像偽影-由于設(shè)備或病人所造成的、物體中并不存在的影像。系統(tǒng)測(cè)量誤差X射線受檢體成像裝置測(cè)量失準(zhǔn)等引起漸暈偽像，部分容積偽像由X射線質(zhì)量所引起受檢體移動(dòng)產(chǎn)生運(yùn)動(dòng)條紋偽像參數(shù)選擇不當(dāng)、重建算法不完善等運(yùn)動(dòng)偽影&掃描時(shí)間運(yùn)動(dòng)偽影嚴(yán)重適中短長(zhǎng)掃描時(shí)間(s)經(jīng)驗(yàn)得知:越短的掃描時(shí)間，發(fā)生運(yùn)動(dòng)偽影的概率越小.運(yùn)動(dòng)偽影&校正運(yùn)動(dòng)偽影可以用運(yùn)動(dòng)偽影重建算法(MCA)進(jìn)行補(bǔ)償Before

After金屬偽影金屬，

例如黃金，

幾乎完全吸收X線輻射，

應(yīng)此產(chǎn)生“放射狀的陰影”，

從而在整個(gè)重建圖像上導(dǎo)致顯著的條狀偽影?？捎脙A斜機(jī)架角度避開或掃描前去除病人體外隨帶的金屬物質(zhì)，以及使掃描層面避開金屬性物體。部分容積效應(yīng)5mm

條紋狀偽影—也稱部分容積偽影，

經(jīng)常發(fā)生在多骨組織結(jié)構(gòu)。

這是因?yàn)楦咴有驍?shù)或吸收系數(shù)大的物體(骨骼)僅僅部分在被斷層面里,resultinginhighcontrasterrors.123123部分容積效應(yīng)5mm

2mm選擇薄的層厚能預(yù)防偽影的發(fā)生,因?yàn)楦邔?duì)比度組織結(jié)構(gòu)只有一小部分被包括；但同時(shí)卻增加了噪聲水平，等于損失了密度分辨率。容積偽影&校正2x2mm結(jié)合幾個(gè)薄的層厚(減少部分容積偽影)來形成厚的層厚(減少像素噪聲并提供最佳密度分辨率)。5mm射線束硬化效應(yīng)由X線球管發(fā)出的X射線束是具有不同能量的、連續(xù)的光譜，通過物體后光子能量的改變由該物質(zhì)的衰減系數(shù)決定，而有效能轉(zhuǎn)移到高端一值這一現(xiàn)象，稱為“線束硬化”.在所看到的圖像中表現(xiàn)為條狀或環(huán)狀偽影。線束硬化&校正

“環(huán)狀”偽影可以用“線束硬化校正”補(bǔ)償。w/ocorrectionw/correction嚴(yán)重的環(huán)狀偽影homogeneuousCTvalues掃描系統(tǒng)誤差由于環(huán)境、系統(tǒng)本身等種種原因，對(duì)相同強(qiáng)度的入射X線，探測(cè)器不可能始終輸出同樣的掃描信號(hào)。當(dāng)探測(cè)器輸出錯(cuò)誤信號(hào)甚至無信號(hào)，會(huì)導(dǎo)致圖像中的“環(huán)狀偽影”?？赏ㄟ^每天開機(jī)或連續(xù)幾小時(shí)不工作后，作系統(tǒng)校正測(cè)量及其定期地作系統(tǒng)維護(hù)來防止，而一旦排除不了，須由維修工程師來解決!偽影&校正偽影的原因各式各樣，我們所能做的是以相應(yīng)的校正技術(shù)來防止偽影。

但有時(shí)偽影不能完全被補(bǔ)償。沒有十全十美的東西...Butwekeeponworkingtoreducethemasmuchaspossible!六.螺旋CTCT真好!但仍然存在很多問題...常規(guī)掃描方式的缺點(diǎn)：1、需要較長(zhǎng)的掃描時(shí)間2、成像中會(huì)產(chǎn)生遺漏人體某些組織的情況3、不能準(zhǔn)確地重建三維圖像和多方位圖像4、使用造影劑掃描時(shí)，在造影劑的有效時(shí)間里，只掃描了有限的幾個(gè)層面。緩慢呼吸由于不同層次呼吸而導(dǎo)致的漏診深呼吸常規(guī)CT存在的問題...層厚定位選擇所引起的問題...對(duì)不起,因?yàn)椴辉趯雍窭锩嫠砸鸩∽兊倪z漏...一只老鼠...漏掉了掃到了2D層厚3D容積

常規(guī)vs.螺旋CT...在掃描過程中，X線管連續(xù)地圍繞受檢者旋轉(zhuǎn)，與此同時(shí)承托著受檢者的病床勻速的向機(jī)架的掃描孔內(nèi)推進(jìn)(或勻速地離開掃描孔)，這樣X射線束在受檢者身上勾畫出一條螺旋線軌跡，因此稱之為螺旋CT。螺旋線限定了人體組織的一段容積，所以這一技術(shù)也叫作容積掃描。供電方式采用滑環(huán)技術(shù)不使用電纜供電螺旋CT優(yōu)勢(shì)掃描方式X線管能連續(xù)地沿著一個(gè)方向轉(zhuǎn)動(dòng)滑環(huán)技術(shù)螺