ct原理及應(yīng)用

1、CT成像基本原理成像基本原理一、一、CT成像基本原理成像基本原理 CT是用X線束對(duì)人體檢查部位一定厚度的層面進(jìn)行掃描，由探測(cè)器接收透過(guò)該層面的X線，轉(zhuǎn)變?yōu)榭梢?jiàn)光后，由光電轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?hào)，再經(jīng)模擬/數(shù)字轉(zhuǎn)換器（analog/digital converter）轉(zhuǎn)為數(shù)字信號(hào)，輸入計(jì)算機(jī)處理。CT原理圖原理：原理： 在CT成像中物體對(duì)X線的吸收起主要作用，在一均勻物體中，X線的衰減服從指數(shù)規(guī)律。 在X線穿透人體器官或組織時(shí)，由于人體器官或組織是由多種物質(zhì)成分和不同的密度構(gòu)成的，所以各點(diǎn)對(duì)X線的吸收系數(shù)是不同的。將沿著X線束通過(guò)的物體分割成許多小單元體（體素），令每個(gè)體素的厚度相等(l)。 CT圖

2、像的本質(zhì)是衰減系數(shù)成像。通過(guò)計(jì)算機(jī)對(duì)獲取的投影值進(jìn)行一定的算法處理，可求解出各個(gè)體素的衰減系數(shù)值，獲得衰減系數(shù)值的二維分布（衰減系數(shù)矩陣）。再按CT值的定義，把各個(gè)體素的衰減系數(shù)值轉(zhuǎn)換為對(duì)應(yīng)像素的CT值，得到CT值的二維分布（CT值矩陣）。然后，圖像面上各像素的CT值轉(zhuǎn)換為灰度，就得到圖像面上的灰度分布，此灰度分布就是CT影像。CTCT值值CTCT測(cè)量并計(jì)算測(cè)量并計(jì)算 ，獲取一定數(shù)目體素的，獲取一定數(shù)目體素的值重建圖像值重建圖像 用用CTCT值來(lái)作為表達(dá)組織密度的統(tǒng)一單位。值來(lái)作為表達(dá)組織密度的統(tǒng)一單位。 以水的吸收系數(shù)（以水的吸收系數(shù)（ w w = 1 = 1 ）為標(biāo)準(zhǔn)，各組織對(duì)）為標(biāo)準(zhǔn)，各

3、組織對(duì)X X射線的吸收系數(shù)射線的吸收系數(shù)與水的吸收系數(shù)與水的吸收系數(shù)w w的相對(duì)比值，稱為的相對(duì)比值，稱為CTCT值。值。ww值KCTK=1000 K=1000 為分度因數(shù)為分度因數(shù)CTCT值的單位是值的單位是 Hu Hu 或或H H（亨）（亨） 水 骨 空氣 1.0 2.0 0CT值 0 +1000 1000CTCT圖像重建圖像重建假定某物質(zhì)在掃描面上由4個(gè)均勻的部分組成，且衰減系數(shù)分別為u1、 u2、 u3、 u4，并已知它們?cè)谒?、豎直和對(duì)角方向的積分。選擇其中四個(gè)方程組成獨(dú)立方程組： P1=u1+u2 P2=u3+u4 P3=u1+u3 P4=u1+u4 直接矩陣變換法直接矩陣變換法C

4、TCT圖像重建圖像重建u若用P5=u2+u4 式代替式聯(lián)立方程組， 可由+ -得到由、 、組成的方程組只有三個(gè)獨(dú)立方程，方程數(shù)少于未知數(shù)，方程組無(wú)唯一解。u假如把物質(zhì)的掃描面分成NN矩陣，只要投影數(shù)據(jù)即方程數(shù)量足夠多，同樣可解得每一像素的X線衰減系數(shù)。u在求解方程組時(shí)有多種方法，其中之一是直接矩陣變換法。 P1=u1+u2 P2=u3+u4 P3=u1+u3 P4=u1+u4 CTCT圖像重建圖像重建u聯(lián)立方程組法的局限性：l 當(dāng)方程組的規(guī)模越來(lái)越大時(shí)，即便在計(jì)算機(jī)上編程實(shí)現(xiàn)，其工作量也很大。l 需采集遠(yuǎn)遠(yuǎn)多于N2個(gè)投影數(shù)據(jù)，因?yàn)樵S多方程是相關(guān)的。l 當(dāng)方程的數(shù)量超過(guò)未知數(shù)數(shù)量時(shí)，方程組的解未

5、必收斂，因?yàn)橥队爸档臏y(cè)量存在誤差。CTCT圖像重建圖像重建u反投影法的基本思想 在對(duì)某一層面一個(gè)方向的掃描完成后，用得到的投影值沿著掃描路徑回抹到體素對(duì)應(yīng)的像素上。改變方向后的多次掃描形成多次回抹，同一像素上多次回抹的灰度累加即完成圖像重建。u反投影法示例直接反投影法直接反投影法CTCT圖像重建圖像重建l 第一次運(yùn)算：水平照射后，將射線和放入圖像單元l第二次運(yùn)算：垂直照射后，再將射線和加到圖像單元中CTCT圖像重建圖像重建l 第三次運(yùn)算：取對(duì)角線方向（右上）的照射，將射線和再加到圖像單元中l(wèi)第四次運(yùn)算：取左上方向的對(duì)角線照射，并將射線和加到前面的圖像單元中CTCT圖像重建圖像重建l 最后的運(yùn)算

6、：從每個(gè)圖像單元中減去背景值（背景強(qiáng)度等于某投射角情況下各投影值之和），再將各吸收系數(shù)除以最大公約數(shù)，得到最后結(jié)果。l 其他資料的最后運(yùn)算：在求出累加值后，再給累加得到的各個(gè)像素除以反投影的次數(shù)，也就是除以經(jīng)過(guò)像素的射線數(shù)。CTCT圖像重建圖像重建u反投影法圖解l假設(shè)位于掃描范圍內(nèi)只有一個(gè)釘子，則經(jīng)過(guò)釘子進(jìn)行一個(gè)方向掃描的投影是一個(gè)脈沖函數(shù)。l將測(cè)得的脈沖信號(hào)反投影到矩陣中去，就得到第一次反投影。CTCT圖像重建圖像重建l 掃描系統(tǒng)旋轉(zhuǎn)一個(gè)角度后，進(jìn)行第二次線性掃描，將測(cè)到的脈沖信號(hào)再反投影到矩陣中去，得到第二次反投影。l 系統(tǒng)每旋轉(zhuǎn)一次，便構(gòu)成一次新的反投影。l 所有反投影的疊加形成了一個(gè)帶

7、有星形偽影的圖像，即一個(gè)擴(kuò)散的圓形區(qū)域。CTCT圖像重建圖像重建l直接反投影法的局限：容易產(chǎn)生星形偽影產(chǎn)生原因：反投影法把取自有限物體空間的投影均勻地回抹（反投影）到了射線所及的無(wú)限空間的各個(gè)像素上，包括原來(lái)像素值為0的點(diǎn)。CTCT圖像重建圖像重建u 中心切片定理：某斷層（或它對(duì)應(yīng)的圖像）f（x，y）在視角為 時(shí)得到的平行投影（函數(shù)）的一維傅里葉變換，等于f（x，y）二維傅里葉變換F（w1，w2 ）過(guò)原點(diǎn)的一個(gè)垂直切片，且切片與軸w1相交成 角。中心切片定理中心切片定理CTCT圖像重建圖像重建u根據(jù)中心切片定理，投影圖像的重建問(wèn)題理論上可按如下方法（傅里葉變換重建法）求解：l 對(duì)某物體斷層采集

8、不同角度下的投影函數(shù)，理論上應(yīng)采集0-180范圍內(nèi)連續(xù)取值的無(wú)窮個(gè)投影；l 求出各個(gè)投影的一維傅里葉變換，根據(jù)中心切片定理，每個(gè)變換都是待重建圖像二維傅里葉變換的一個(gè)過(guò)0切片；l 將上述理論上無(wú)窮個(gè)切片“匯集”成圖像的二維傅里葉變換；l 對(duì)上述二維傅里葉變換求逆變換得到待重建圖像。CTCT圖像重建圖像重建u濾波反投影法的思想l 人為設(shè)計(jì)一種一維濾波函數(shù)，利用卷積的方法，先對(duì)獲得的投影函數(shù)進(jìn)行修正，然后把修正過(guò)的投影函數(shù)反投影來(lái)重建圖像。l 濾波反投影法可一定程度上消除星形偽影。濾波反投影法濾波反投影法CTCT圖像重建圖像重建l將每個(gè)投影信號(hào)在反投影前先進(jìn)行濾波，其功能是消除邊緣模糊干擾。l仍以

9、釘子的掃描為例：由掃描產(chǎn)生的脈沖信號(hào)，經(jīng)濾波后在脈沖的兩側(cè)出現(xiàn)了負(fù)的和正的脈沖突起。u濾波反投影法圖示濾波反投影法圖示CTCT圖像重建圖像重建l分布在主信號(hào)脈沖兩側(cè)的正負(fù)交替脈沖，在與其他濾波投影信號(hào)疊加時(shí)，具有正負(fù)抵消的作用。l如果濾波器設(shè)計(jì)得恰當(dāng)，“輻射”狀的正值與負(fù)值正好相互抵消，從而獲得邊緣清晰的圖像。CTCT圖像重建圖像重建u理論上濾波反投影重建法的步驟：l 在某角度 下對(duì)成像斷層進(jìn)行投射，得到投影p（t， ）l 將投影p（t， ）經(jīng)過(guò)傳遞函數(shù)H（w）=w的濾波器濾波后得到濾波投影g（t， ）l 將t=m0（m0取任何實(shí)數(shù)）時(shí)的濾波投影采樣均勻反投射（回抹）到t=m0決定的射線上。l

10、 對(duì)圖像的各個(gè)像素，在所有投射角度（ 0-180）對(duì)以上步驟的反投影值進(jìn)行累加，得到重建圖像每個(gè)像素的值。OCTOCT技術(shù)：技術(shù)：OCT 是一種新的成像技術(shù)，它利用弱相干光干涉儀的基本原理，檢測(cè)生物組織不同深度層面對(duì)入射弱相干光的背向反射或幾次散射信號(hào)，通過(guò)掃描，可得到生物組織二維或三維結(jié)構(gòu)圖像，滲透深度為 23mm,分辨范圍為 320m，而高頻率的超聲范圍為 110m。OCT 深度剖析是基于相干光干涉測(cè)量的原理。在低相干光干涉測(cè)量法中，寬帶光被分開(kāi)沿著兩個(gè)方向傳輸，一束射往樣品(眼球)，另一束則射在參考反射鏡上，參考鏡的位置為已知的。參考鏡的反射光(參照光)和從眼球各界面反射回來(lái)的光(信號(hào)光)脈沖序列在光電探測(cè)器上會(huì)合。當(dāng)參考光脈沖和信號(hào)光脈沖序列中的某一個(gè)脈沖同時(shí)到達(dá)探測(cè)器表面，則會(huì)產(chǎn)生光學(xué)干涉現(xiàn)象。這種情形，只有當(dāng)參考光與信號(hào)光的這個(gè)脈沖經(jīng)