1、第三章 X 射線計算機斷層掃描成像 (X-ray computed tomography, X-CT),普通X射線影像的缺點,X射線穿透不同密度和厚度組織結構后的總和投影,影像重疊:深度方向上的信息重疊在一起，引起混淆 密度分辨率低:對軟組織分辨能力低 劑量大,Computed tomography,XCT是運用物理技術，以測定X射線在人體內的衰減系數(shù)為基礎，采用數(shù)學方法，經計算機處理，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)學成像技術。,XCT像的本質是衰減系數(shù)成像,指導思想：如何確定衰減系數(shù)值在人體某剖面上的二維分布,31

2、X-CT成像原理,體層、體素,體層、體素、像素 體層（斷層）： 受檢體中的一個薄層,像素(pixel)：構成圖像的基本單元,體素的平均密度決定其灰度值。 像素越多，像素就越小，畫面越細膩 ，攜帶的生物信息量越多,體素（voxel)：成像的體層分成按矩陣排列的若干個小基本體元 體積：長寬高 一般體素的大?。?長和寬：12mm 高（體層厚）：310mm,體素劃分：256256（=65536個體素）；512512（=262144）,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、沿不同方向對體層進行投照，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

3、出射X線束的強度；投影值的分布為投影函數(shù),2、窄束X射線的獲取,準直器：允許X射線通過的細長狹窄通道,3、圖象重建,美國物理學家科馬克(A.M Cormack,1963)通過模擬實驗，提出用X射線投影數(shù)據重建人體斷層圖像的數(shù)學方法。,像素,二、CT成像的物理基礎,注意： 是物體種類和X射線能量的函數(shù),1、 均勻物質對X射線的吸收規(guī)律：,2、 X射線束通過非均勻物質,1 2 3 n,x,I0,In,I1 = I0e(1x) I 2= I1e(2x) In = I0e-(1 + 2+ n)x,i 視為均勻,1、CT值 CT測量并計算 ，獲取一定數(shù)目體素的值重建圖像 用CT值來作為表達組織密度的統(tǒng)一

4、單位。 以水的吸收系數(shù)（ w = 1 ）為標準，各組織對X射線的吸收系數(shù)與水的吸收系數(shù)w的相對比值，稱為CT值。,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）,病變CT值 可鑒別病變的性質 如肝囊腫 015H,2. 灰度顯示,CT值與灰度對應,腦內出血區(qū)呈高密度影，CT值約4590Hu之間,實質性腫瘤CT表現(xiàn)為高密度影,囊性腫瘤為低密度影,三、圖像重建的數(shù)學方法,1、代數(shù)（迭代）重建法（聯(lián)立方程組）,00,450,900,1350,減基數(shù)10,化簡,基數(shù)等于所有體素特征的總和,2、反投影法,3、濾波反投影法（Filtered back projection)

5、 也稱為卷積反投影法(convolution back projection,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。,表示卷積積分,卷積核,卷積核：在CT圖像重建過程中用于濾波反投影的專用函數(shù)， 改善像素噪聲和幾何分辨率。,32 CT掃描機的結構,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,一、掃描裝置,掃描架 X線管 探測器,（1）X線管： 功率2060kW; 高壓80140kVp 焦點0.52.0mm; 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惰

6、性氣體氙 優(yōu)點：結構簡單；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（鉈、銪） 優(yōu)點：探測效率高,（2）探測器,CT原理框圖,二、計算機系統(tǒng),計算機系統(tǒng)以控制計算機為中心控制和管理核心，它是中央處理系統(tǒng) 提供數(shù)據采集系統(tǒng)(date acquisition system,DAS)、陣列處理計算機等以及機架和高壓系統(tǒng)的微處理器間的輸入、輸出的連接，通過中央處理器(CPU)和存儲器(memory)完成執(zhí)行功能： 1）控制和監(jiān)視掃描過程，將掃描數(shù)

7、據（投影值）送入存儲器； 2）CT值校正（插值處理）； 3）控制CT掃描等信息的傳遞數(shù)據管理； 4）圖像重建的程序控制； 5）故障診斷及分析等。,33 CT掃描方式與設備,平移采集160個數(shù)據*旋轉180 每次掃描共采集28800個數(shù)據； 計算8080矩陣的圖像，6400個像素； 一幅圖像約需5min 一次檢查約需35min 。 應用范圍：腦,1、單束平移旋轉方式 第1代（1970）,一、普通CT,2、窄扇形束掃描平移旋轉方式 第2代（1972）,扇角：1520 步幅：510； X球管1個，檢測器2030個； 一幅圖像需時2060 s； 應用范圍：頭部,一幅圖像需時約 5s； 應用范圍：全身（

8、心臟除外）,3060,3001000個,3、廣角扇束形旋轉旋轉（常用） 第3代（1976）：,一幅圖像約需 2s; 應用范圍：全身。 特點：掃描時間短，較好消除運動偽影。,4001500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（常用）第4代（1978）,第三代與第四代比較,傳統(tǒng)CT的缺點： 旋轉部分為往返旋轉運動，限制了掃描速度； 控制電路復雜； 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： 掃描方式：X線管繞被查人體勻速單向旋轉，人體勻速前進,掃描軌跡為螺旋曲線，故稱螺旋CT,優(yōu)點： 掃描速度高： 減少運動偽影 無采集數(shù)據遺漏

9、： 容積數(shù)據，任意位置、 任意方位重建圖像。,供電方式：滑環(huán)（slip ring) ，碳刷在滑環(huán)上運動完成機架旋轉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,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，增加旋轉部分重量。,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)生高壓放電導致高壓噪聲。影響數(shù)據采集系統(tǒng)和圖像質量,高壓 電源,X線管,高壓電纜,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C

10、T： 線束以X射線管為頂點，呈四棱錐形,檢測器結構：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）； 電子開關控制輪流發(fā)射X射線脈沖束；時間1s 。 應用范圍：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：準直系統(tǒng)準直，無層面外組織結構干擾； 軟件處理重建，獲得診斷所需多方位像。 2、密度分辨力高：嚴格準直，靈敏探測器； 窗口技術，灰階可調節(jié)； 無斷層外干擾。 3、可做定量分析：測量值，定量分析。,局限性：

11、 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、定性診斷的準確性仍受各種因素的影響 （病變部位、大小、性質、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方面的性質）。,34 X-CT圖像的質量評價,用物理學、影像學原理檢測、評價設備性能 主要有：分辨率、噪聲、均勻性等參數(shù),評價方法：在臨床應用條件下對標準測試體模作斷層掃描，采集影像數(shù)據，用物理學方法做數(shù)據分析處理，根據各項指標的測量值相對于標稱值的偏差評定是否合格，并進行校正、維修,一、圖像的主要質量參數(shù),1、對比度及對比度分辨力,對比度：不同物質的密度差異X

12、射線透射差異 像素灰度間的黑白程度的對比,對比度分辨力（密度分辨力）： 將一定大小的細節(jié)從背景中鑒別出來的能力。,檢測方法：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,低對比度分辨力： 細節(jié)與背景之間具有低對比度時，能使細節(jié)從背景中鑒別出來的能力。 條件：物體（細節(jié)）與均質環(huán)境的吸收系數(shù)差別的相對值 1% 或 CT10Hu,X-CT: 0.51% 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

13、重疊干擾； 高度準直，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）。,高對比度分辨力： 在高對比度條件下，將一定大小的細節(jié)從背景中鑒別出來的能力。 條件：物體（細節(jié)）與均質環(huán)境的吸收系數(shù)差別的相對值 10%； 或CT100Hu,3、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） 檢測器有效受照高度（與線束高度相對應）,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

14、徑（mm),普通X光片：0.10.2mm (膠片顆粒尺寸）； X-CT： 12mm 核素成像： 510mm 對骨骼和胸腔等高對比度器官的檢查，XCT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： 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； 散射噪聲：主要是康普頓散射線； 系統(tǒng)電子學的熱噪聲,圖像表現(xiàn)：斑點、細粒、網紋、雪花點,信噪比(signal to noise ratio, SNR) 評價指標,圖像信號幅度,噪聲幅度,噪聲對低對比度的結構影響較明顯,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

15、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??； 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),噪聲標準差,在掃描野中，均質體各局部在CT圖像上顯示出CT值得一致性 勻質體各局部區(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 國際評價標準： CTm# 5HU,- 1.0,- 2.1,0.5,- 1.3,- 3.2,6、空間分辨力、對比度分辨力、噪聲、均勻度和X射線劑量之間的關系,X射線劑量一定：體素空間分辨力 光子數(shù) 信噪比、均勻性對比度分辨力,w：像素大小(空間分辨率）； h：斷層厚度（ 空間分辨率，大層厚圖像較細膩， 小層厚圖像分辨率較高。二者相互制約）： 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),噪聲標準差, 偽影：掃描中不存在而出現(xiàn)在重建圖像中的干擾圖樣。 產生偽影的原因 1、成像系統(tǒng)的測量誤差,電器故障,二、X-CT圖像的偽像,人體超出測量范圍,定期做系統(tǒng)維護,部分容積效應,抑制方法：減小切層厚度，采用薄層掃描,周圍