X射線特性研究及X-CT

1、姚紅英姚紅英2016年年9月月18日日序言X射線的產(chǎn)生X射線與物質(zhì)的相互作用 X射線影像1895年，倫琴發(fā)現(xiàn)年，倫琴發(fā)現(xiàn)X射線射線1896年年2月，蘇格蘭醫(yī)生約翰月，蘇格蘭醫(yī)生約翰麥金泰在格拉麥金泰在格拉斯哥皇家醫(yī)院設(shè)立了世界上第一個放射科。斯哥皇家醫(yī)院設(shè)立了世界上第一個放射科。 1901年，倫琴因發(fā)現(xiàn)年，倫琴因發(fā)現(xiàn)X射線而獲得首屆諾貝射線而獲得首屆諾貝爾物理學(xué)獎爾物理學(xué)獎Wilhelm Conrad Roentgenhttp:/ ，展示了展示了油畫的草圖，并能從中發(fā)現(xiàn)油畫的草圖，并能從中發(fā)現(xiàn)藝術(shù)家在繪畫過程中的變化。藝術(shù)家在繪畫過程中的變化。http:/ 窄束單能窄束單能X射線在物質(zhì)中的衰減

2、規(guī)律為：射線在物質(zhì)中的衰減規(guī)律為： deII00.00.51.01.52.02.53.00200400600800100012001400 Intensity (arb. unit)d (mm)X射線透過不同厚度鋁板后的強度變化射線透過不同厚度鋁板后的強度變化1963年，年，A. M. Cormack提出用提出用X射線數(shù)據(jù)射線數(shù)據(jù)重建圖像的數(shù)學(xué)方法重建圖像的數(shù)學(xué)方法1971年，年，G. N. Hounsfield設(shè)計并掃描出第設(shè)計并掃描出第一幅具有診斷價值的頭部一幅具有診斷價值的頭部X-CT像像1974年，第一臺全身掃描的年，第一臺全身掃描的X-CT研制成功研制成功,并并安裝于美國喬治鎮(zhèn)大學(xué)醫(yī)

3、療中心安裝于美國喬治鎮(zhèn)大學(xué)醫(yī)療中心1979年，年，Cormack和和Hounsfield獲得諾貝爾獲得諾貝爾生理學(xué)或醫(yī)學(xué)獎生理學(xué)或醫(yī)學(xué)獎運用物理技術(shù)，以測定運用物理技術(shù)，以測定X X射線在人體內(nèi)的衰減射線在人體內(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，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)。術(shù)。本質(zhì)：衰減系數(shù)成像本質(zhì)：衰減系數(shù)成像指導(dǎo)思想：如何確定衰減系數(shù)值在

4、人體某剖指導(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面上的二維分布斷層與解剖斷面斷層與解剖斷面 斷層斷層：受檢體內(nèi)接受檢查并欲建立圖像的薄層，又稱之為體層。斷層有受檢體內(nèi)接受檢查并欲建立圖像的薄層，又稱之為體層。斷層有一定的厚度，它的兩個表面可視為是平行的平面一定的厚度，它的兩個表面可視為是平行的平面。 解剖斷面解剖斷面：斷層標(biāo)本的表面。：斷層標(biāo)本的表面。體素與像素體素與像素 體素體素：在受檢體內(nèi)欲成像的斷層表面上，按一定大小和一定坐標(biāo)人為地在受檢體內(nèi)欲成像的斷層表面上，按一定大小和一定坐標(biāo)人為地劃分的很小的體積元。對劃分好的體素要進行空間位置編碼（或說坐標(biāo)劃分的很小的體積元。對劃分好

5、的體素要進行空間位置編碼（或說坐標(biāo)排序），這就形成了具有坐標(biāo)排序的體素陣列。重建排序），這就形成了具有坐標(biāo)排序的體素陣列。重建CTCT像的任務(wù)就是要像的任務(wù)就是要求出每個體素的衰減系數(shù)值，從而獲取衰減系數(shù)值在欲成像斷層上的分求出每個體素的衰減系數(shù)值，從而獲取衰減系數(shù)值在欲成像斷層上的分布矩陣。布矩陣。 像素像素：在圖像平面上劃分的很小的單元，它是構(gòu)成一幅圖像的最小點，在圖像平面上劃分的很小的單元，它是構(gòu)成一幅圖像的最小點，是構(gòu)成圖像的基本單元。同樣大的圖像，像素劃分得越多，像素就越小，是構(gòu)成圖像的基本單元。同樣大的圖像，像素劃分得越多，像素就越小，圖像畫面就應(yīng)越細(xì)膩，攜帶的生物信息量就應(yīng)越大。

6、像素與體素在坐標(biāo)圖像畫面就應(yīng)越細(xì)膩，攜帶的生物信息量就應(yīng)越大。像素與體素在坐標(biāo)上要一一對應(yīng)。上要一一對應(yīng)。一般體素的大?。洪L和寬：一般體素的大?。洪L和寬：1-2mm1-2mm，高（體層厚）：，高（體層厚）：3-10mm3-10mm掃描與投影掃描與投影 掃描：用X射線束以不同的方式、按一定的順序、沿不同的方向?qū)澐趾皿w素編號的受檢體斷層進行投照，并用高靈敏度的檢測器接收透射體素陣后的出射X線束強度。 投影：把投照受檢體后出射X線束的強度I稱為投影，投影的數(shù)值稱為投影值，投影值的分布，稱為投影函數(shù)。 http:/ )d(0nn21IIennIId021ln)(niIId0lndnnnIIe1pII

7、dni0ln1I I0 0I II1I2I3InP 稱稱投影投影理論基礎(chǔ)：理論基礎(chǔ)：X射線在物質(zhì)中的衰減規(guī)律射線在物質(zhì)中的衰減規(guī)律(l)P稱投影或投影函數(shù)稱投影或投影函數(shù) llpd )(p（2）值連續(xù)變化值連續(xù)變化(一維一維) 求解出衰減系數(shù)分布的思路求解出衰減系數(shù)分布的思路 聯(lián)立方程法、迭代法、（濾波）反投影法聯(lián)立方程法、迭代法、（濾波）反投影法1.先假設(shè)圖像的每個像素具有適當(dāng)?shù)南嗤跏枷燃僭O(shè)圖像的每個像素具有適當(dāng)?shù)南嗤跏贾抵?2.然后從某個給定視角計算該方向的投影值然后從某個給定視角計算該方向的投影值,并把它并把它與實際測出投影值進行比較與實際測出投影值進行比較,根據(jù)其差值計算出修正值根

8、據(jù)其差值計算出修正值 修正值修正值= 投影差值投影差值/n , n: 矩陣的行數(shù)或列數(shù)矩陣的行數(shù)或列數(shù)3. 把修正值加到相關(guān)的像素把修正值加到相關(guān)的像素值中值中, 完成一次迭代完成一次迭代4. 對其他的不同視角重復(fù)進行上述過程對其他的不同視角重復(fù)進行上述過程, 并完成一次次迭代并完成一次次迭代; 直到修正值為零或很小直到修正值為零或很小. 像素的像素的值逐漸逼近真實值值逐漸逼近真實值 f1=5f2=8f3=7f4=30000812111513100 065.565.511.511.5f1=5f2=8f3=7f4=36.75 6.255.25 4.7581211151310587311.511.

9、5反投影法反投影法利用利用投影數(shù)值近似地復(fù)制投影數(shù)值近似地復(fù)制出出值值的二維分布。的二維分布。 把各個方向得到的投影值沿反方向反饋到相應(yīng)方向的把各個方向得到的投影值沿反方向反饋到相應(yīng)方向的體素中體素中 ,并把各個投影值迭加并把各個投影值迭加, 然后把每個像素的然后把每個像素的值減去底數(shù)值減去底數(shù),再除以它們的最大公約數(shù)再除以它們的最大公約數(shù),使各體素使各體素值值間為簡單的比例間為簡單的比例.最后得到各體素的最后得到各體素的值值.反投影法的缺點反投影法的缺點: 星狀偽影星狀偽影； 優(yōu)點為重建速度快優(yōu)點為重建速度快 濾波反投影法濾波反投影法:將投影信號進行濾波處理將投影信號進行濾波處理,使信號兩側(cè)

10、各加一個正使信號兩側(cè)各加一個正負(fù)負(fù)脈沖脈沖,然后再進行反投影計算然后再進行反投影計算.123446461 55 413 1619 220045090033771350減基數(shù)減基數(shù)10化簡化簡基數(shù)等于所有體素特征基數(shù)等于所有體素特征的總和的總和5235369121234反射投影法圖解反射投影法圖解濾波反射投影法圖解濾波反射投影法圖解釘子釘子射線源射線源檢測器檢測器掃描區(qū)掃描區(qū)釘子釘子射線源射線源檢測器檢測器掃描區(qū)掃描區(qū)第二次反投影濾波信號濾波信號第一次反投影第三次反投影反投影與濾波反投影比較圖反投影與濾波反投影比較圖第二次反投影第一次反投影第三次反投影脈沖信號脈沖信號CT值：表示像素所對應(yīng)的體素

11、對值：表示像素所對應(yīng)的體素對X射線平均衰射線平均衰 減量大小減量大小 灰度顯示：灰度分布顯示灰度顯示：灰度分布顯示CT影像。影像。 1000HUww值CT空氣空氣脂肪脂肪水水血液血液腦白質(zhì)腦白質(zhì)腦灰質(zhì)腦灰質(zhì)凝固血凝固血致密骨致密骨-1000-80-1000122232364656761000http:/ 多幅顯示多幅顯示旋轉(zhuǎn)位移旋轉(zhuǎn)位移圖像過濾圖像過濾2窗位minmaxCTCT窗口窗口窗位窗位(window level W.L)窗寬窗寬(window width W.W)窗寬窗寬= CTmaxCTmin 觀測組織觀測組織CT值范圍值范圍范圍以下壓縮為全黑范圍以下壓縮為全黑范圍以上增強為全白范圍

12、以上增強為全白1）窗口）窗口(Window)技術(shù)技術(shù)增強的灰度范圍增強的灰度范圍對應(yīng)對應(yīng) 灰度范圍上下限之差灰度范圍上下限之差窗口中心灰度值窗口中心灰度值（a）軟組織窗）軟組織窗W=350,L=40 （b）肺窗）肺窗W=1500，L=-600 用兩種窗寬窗位，以便觀察不同用兩種窗寬窗位，以便觀察不同CT值范圍的組織。值范圍的組織。 對比度對比度模糊與細(xì)節(jié)可見度模糊與細(xì)節(jié)可見度噪聲與信噪比噪聲與信噪比偽影偽影畸變畸變平移采集平移采集160160個數(shù)據(jù)個數(shù)據(jù)* *旋轉(zhuǎn)旋轉(zhuǎn)180180每次掃描共采集每次掃描共采集2880028800個數(shù)據(jù)；個數(shù)據(jù)；計算計算80808080矩陣的圖像，矩陣的圖像，64

13、006400個像素；個像素；一個斷層約一個斷層約需需5min5min缺點：射線利用率極低，掃描缺點：射線利用率極低，掃描速度很慢，只適用于無體動器速度很慢，只適用于無體動器官的掃描。官的掃描。扇角：扇角：1515-20-20；步幅：；步幅：5 5-10-10；X X球管球管1 1個，檢測器個，檢測器20-3020-30個；一個斷層需個；一個斷層需1 10-60 s0-60 s；缺點：由于監(jiān)測器排列成直線，對于缺點：由于監(jiān)測器排列成直線，對于X X射線發(fā)出的扇形射線發(fā)出的扇形束，中心射束和邊緣射束的測量值不等，需要校正。束，中心射束和邊緣射束的測量值不等，需要校正。一個斷層需約一個斷層需約 5

14、s5 s；應(yīng)用范圍：全身（心臟除外應(yīng)用范圍：全身（心臟除外）缺點：要對每個相鄰監(jiān)測器的接收靈敏度差異進行校正，否缺點：要對每個相鄰監(jiān)測器的接收靈敏度差異進行校正，否則由于同步旋轉(zhuǎn)掃描運動產(chǎn)生偽像。則由于同步旋轉(zhuǎn)掃描運動產(chǎn)生偽像。 一幅圖像約需一幅圖像約需 2s; 2s; 應(yīng)用范圍：全身。應(yīng)用范圍：全身。特點：掃描時間短，較好消除運動偽影。特點：掃描時間短，較好消除運動偽影。傳統(tǒng)傳統(tǒng)CT掃描的技術(shù)缺憾掃描的技術(shù)缺憾 掃描床靜止掃描床靜止電纜供電電纜供電不不能能連連續(xù)續(xù)掃掃描描時間延緩時間延緩斷層間隔斷層間隔環(huán)形靶體的環(huán)形靶體的X X射線管和靜止排列的檢測器環(huán)射線管和靜止排列的檢測器環(huán)時間約時間約

15、50-100 ms50-100 ms應(yīng)用范圍：應(yīng)用范圍： 心、肺等動態(tài)器官心、肺等動態(tài)器官掃描方式：掃描方式：X X線管繞被查人體勻速單向旋轉(zhuǎn)，人體勻速前線管繞被查人體勻速單向旋轉(zhuǎn)，人體勻速前進進供電方式：滑環(huán)（供電方式：滑環(huán)（slip ring)slip ring)技術(shù)技術(shù) ，電刷與滑環(huán)平行滑電刷與滑環(huán)平行滑動接觸動接觸優(yōu)點：優(yōu)點：掃描速度掃描速度高，減少高，減少運運動偽影動偽影無采集數(shù)據(jù)遺漏：無采集數(shù)據(jù)遺漏： 容容積數(shù)據(jù)，任意位置、積數(shù)據(jù)，任意位置、 任任意方位重建圖像。意方位重建圖像。對原始螺旋投影數(shù)據(jù)進行插值處理得到重建平面投影數(shù)據(jù)。對原始螺旋投影數(shù)據(jù)進行插值處理得到重建平面投影數(shù)據(jù)。

16、u線性內(nèi)插法線性內(nèi)插法(linear interpolation, LI)u全掃描內(nèi)插法全掃描內(nèi)插法(full-scan with interpolation FI)u半掃描內(nèi)插法半掃描內(nèi)插法(half-scan with interpolation, HI)(a) 16 排檢測器，檢測器寬度排檢測器，檢測器寬度1.25 mm；(b) 34 排檢測器，靠中央四排寬度為排檢測器，靠中央四排寬度為0.5 mm，其他，其他 30 排均為排均為1 mm ; (c) 8排排 檢測器，從中央向兩邊寬度分別為檢測器，從中央向兩邊寬度分別為1 mm 、1.5 mm、 2.5 mm、 5 mm多層面螺旋多層面螺

17、旋CT傳統(tǒng)傳統(tǒng)CT機是機是X射線管和檢測器繞人體一周獲得一副人體斷層圖像，射線管和檢測器繞人體一周獲得一副人體斷層圖像，而多層面螺旋而多層面螺旋CT則旋轉(zhuǎn)一周同時可以獲得則旋轉(zhuǎn)一周同時可以獲得2副以上圖像。副以上圖像。檢測器在檢測器在Z軸方向的數(shù)目從一排增加到幾排直至上百排。軸方向的數(shù)目從一排增加到幾排直至上百排。普通普通CT和單層和單層CT只有一個只有一個DAS，而多層螺旋，而多層螺旋CT則有則有4 64個個DAS。每個。每個DAS能獨立完成一個層面圖像數(shù)據(jù)的采集。按能獨立完成一個層面圖像數(shù)據(jù)的采集。按DAS與檢測器的匹配方式不與檢測器的匹配方式不同，通過電子切換可得同，通過電子切換可得4層

18、、層、16層或?qū)踊?4層圖像等。層圖像等。多排結(jié)構(gòu)的檢測器可以通過不同的組合方式，獲得不同層厚的多層掃描圖像。多排結(jié)構(gòu)的檢測器可以通過不同的組合方式，獲得不同層厚的多層掃描圖像。例如例如16排對稱型檢測器每排寬度為排對稱型檢測器每排寬度為1.25 mm，可獲得不同層厚系列為，可獲得不同層厚系列為1.25 mm 4, 2.5 mm 4, 3.75 mm 4, 5 mm 4, 10 mm 2 。通過電子開關(guān)將數(shù)據(jù)傳。通過電子開關(guān)將數(shù)據(jù)傳給數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)給數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)DAS。(1.25 1) 4(1.25 2) 4(1.25 3) 4(1.25 4) 4(1.25 8) 2MSCT顯示腹主動脈顯示腹主

19、動脈 機架旋轉(zhuǎn)機架旋轉(zhuǎn)90 即可獲得即可獲得180 數(shù)據(jù)數(shù)據(jù) 檢測器組均采用不對稱模式檢測器組均采用不對稱模式 主主輔輔檢測器組檢測器組兩射線管在兩射線管在XY平面上間隔平面上間隔90 兩個兩個X射線源和兩套檢測器采集數(shù)據(jù)射線源和兩套檢測器采集數(shù)據(jù) （dual source computed tomography，DSCT） 雙雙源螺旋源螺旋CT 雙源雙源CT示意圖示意圖 常規(guī)檢查或非心臟冠狀動脈檢查只需一個射線源常規(guī)檢查或非心臟冠狀動脈檢查只需一個射線源 放射劑量卻只有常規(guī)放射劑量卻只有常規(guī)CT的的50% 極大提高對組織特征的分辨力極大提高對組織特征的分辨力 全自動減影算法將血管與骨骼相分離全自動減影算法將血管與骨骼相分離 探頭由多層檢測器和濾線層組成能夠同時探頭由多層檢測器和濾線層組成能夠同時探探 測測低能和高能低能和高能X射線射線 兩個兩個X射線管的管電壓分別為射線管的管電壓