南華大學(xué)核科學(xué)技術(shù)學(xué)院醫(yī)學(xué)影像物理學(xué)課件第三章-x射線計算機(jī)斷層成像

第三章X射線計算機(jī)斷層成像（X－CT）醫(yī)學(xué)影像物理學(xué)南華大學(xué)?核科學(xué)技術(shù)學(xué)院第三章X射線計算機(jī)斷層成像（X－CT）醫(yī)學(xué)影像物理學(xué)南華1第一節(jié)X－CT的基礎(chǔ)知識

第三章X射線計算機(jī)斷層成像(X-CT)第一節(jié)X－CT的基礎(chǔ)知識第三章X射線計算機(jī)斷層成像2X-CT（X-raycomputedtomography,X-CT）是運用掃描并采集投影的物理技術(shù)，以測定X射線在人體內(nèi)的衰減系數(shù)為基礎(chǔ)，采用一定算法，經(jīng)計算機(jī)運算處理，求解出人體組織的衰減系數(shù)值在某剖面上的二維分布矩陣后，再轉(zhuǎn)為圖像上的灰度分布，從而實現(xiàn)建立斷層解剖圖像的現(xiàn)代醫(yī)學(xué)成像技術(shù)。

X-CT的概念X-CT（X-raycomputedtomograph3普通X射線攝影和X-CT斷層攝影示意普通X射線攝影和X-CT斷層攝影示意4歷史的回顧：CT的發(fā)展1895年

倫琴發(fā)現(xiàn)X線,為CT誕生打下基礎(chǔ)。1917年

奧地利數(shù)學(xué)家J.H.Radon提出圖像重建理論的數(shù)學(xué)方法。1963年A.M.Cormack描述了計算人體吸收分布特性的技術(shù)方法。1972年G.N.Housfield和J.Ambrose進(jìn)行了第一次臨床CT檢查。1974年

共安裝60臺臨床CT(頭顱CT)。

歷史的回顧：CT的發(fā)展1895年倫琴發(fā)現(xiàn)X線,為CT誕生5

1975年

第一臺全身CT投入臨床使用。1979年Hounsfield和Cormack榮獲諾貝爾醫(yī)學(xué)獎。1989年W.A.Kalender和P.Vock進(jìn)行了第一次螺旋CT的臨床檢查。1998年

多層探測器系統(tǒng)得到應(yīng)用。2000年

共安裝大約30000臺臨床CT(全身CT)。

歷史的回顧：CT的發(fā)展（續(xù)）1975年第一臺全身CT投入臨床使用。歷史的回顧6一、斷層與解剖斷面斷層是指在受檢體內(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。X-CT圖像是對斷層成像。解剖斷面是指生物體上的某一剖面，此剖面是一個平面。從形態(tài)結(jié)構(gòu)去看解剖斷面和斷層，則解剖斷面的剖面結(jié)構(gòu)就是解剖斷面的形態(tài)，而斷層具有一定的厚度。一、斷層與解剖斷面斷層是指在受檢體內(nèi)接受檢查并欲建立圖像7二、體素與像素體素是指在受檢體內(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(jìn)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CT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布矩陣。像素是指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，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)。二、體素與像素體素是指在受檢體內(nèi)欲成像的斷層表面上，按一8三、掃描與投影掃描與投影所謂掃描，是用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(jìn)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(qiáng)度。我們把投照受檢體后出射X線束的強(qiáng)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)。掃描的方式有平移掃描，旋轉(zhuǎn)掃描，平移加旋轉(zhuǎn)掃描等。掃描方式的選擇著眼于加快建立圖像的速度，同時，掃描方式的采用也受算法的制約。三、掃描與投影掃描與投影所謂掃描，是用X射線束以不同的方9

窄束X射線的獲取

使X線束成為窄束的辦法是配準(zhǔn)直器。X射線通過準(zhǔn)直器孔后被準(zhǔn)直成扁形的窄束狀線束，束寬決定于準(zhǔn)直器孔徑的寬度，一般為1~2nm，束高決定于準(zhǔn)直孔徑的高度，一般為3~15mm。由于配置了準(zhǔn)直器，使散射線對成像的干擾大大減少。窄束X射線的獲取10四、CT圖像重建的數(shù)理基礎(chǔ)CT圖像重建的原理源于X射線通過介質(zhì)時衰減的物理規(guī)律。根據(jù)掃描所獲的投影值來求解成像剖面（實為斷層）上衰減系數(shù)的分布，是選擇數(shù)學(xué)方法的基本思想。理想單能窄束X射線透射各向同性均勻連續(xù)介質(zhì)時，強(qiáng)度衰減的物理規(guī)律符合朗伯（Lambert）定律

兩邊同取對數(shù)并整理可得四、CT圖像重建的數(shù)理基礎(chǔ)CT圖像重建的原理源于X射線通過介111.X射線束通過非均勻介質(zhì)

1.X射線束通過非均勻介質(zhì)122.圖像重建的反投影法

目前，CT機(jī)普遍采用的算法是濾波反投影法。反投影法又稱總和法，沿掃描路徑的反方向，把所得投影的數(shù)值反投回各體素中去，并用計算機(jī)進(jìn)行運算，求出各體素值而實現(xiàn)圖像的重建。2.圖像重建的反投影法目前，CT機(jī)普遍采用的算法是濾波反13下面用四體素（設(shè)）矩陣的重建對反投影法作定性說明。

3572④①②③3572①8899④③②131316142320262126323823減底數(shù)17并除以3下面用四體素（設(shè)）矩陣的重建對反投影法作定性說明。357214反投影重建的缺點是會出現(xiàn)圖像的邊緣失銳（即一種偽像）現(xiàn)象。下圖定性地說明了邊緣失銳的現(xiàn)象和產(chǎn)生此現(xiàn)象的原因。反投影重建的缺點是會出現(xiàn)圖像的邊緣失銳（即一種偽像）現(xiàn)象。下15五、CT值與灰度顯示CT像的本質(zhì)是衰減系數(shù)分布。但并不具有很強(qiáng)的描述性，因此按相對于水的衰減計算出來的衰減系數(shù)的相對值被稱為CT值。國際對CT值的定義為：CT影像中每個像素所對應(yīng)的物質(zhì)對X射線線性平均衰減量大小的表示。實際中，均以水的衰減系數(shù)作為基準(zhǔn)，若某種物質(zhì)的平均衰減系數(shù)為，則其對應(yīng)的CT值由下式給出：1.CT值五、CT值與灰度顯示CT像的本質(zhì)是衰減系數(shù)分布。但并不具有很16CT值的標(biāo)尺按空氣的CT值=－10000HU和水的CT值=0HU作為兩個固定值標(biāo)定，故實用的CT定義式應(yīng)表示為CT值的標(biāo)尺按空氣的CT值=－10000HU和水的CT值=0172.灰度顯示在圖像畫面上，是以灰度分布的形式顯示示CT影像。通過計算機(jī)，對獲取的投影數(shù)值進(jìn)行一定的算法處理，可求解出各個體素的衰減系數(shù)值，從而獲取衰減系數(shù)值的二維分布（即衰減系數(shù)矩陣）。再按CT值的定義把各個素（或說像素）的CT值轉(zhuǎn)換圖像畫面上對應(yīng)像素的灰度，就得到圖像畫面上的灰度分布。此灰度分布就是X-CT像。2.灰度顯示在圖像畫面上，是以灰度分布的形式顯示示CT影像18南華大學(xué)核科學(xué)技術(shù)學(xué)院醫(yī)學(xué)影像物理學(xué)課件第三章-x射線計算機(jī)斷層成像19第二節(jié)

傳統(tǒng)X－CT的掃描方式

第三章X射線計算機(jī)斷層成像(X-CT)第二節(jié)

傳統(tǒng)X－CT的掃描方式第三章X射線計算機(jī)斷層20一、單束平移-旋轉(zhuǎn)（T/R）方式單束掃描又稱為第一代CT掃描，掃描裝置是由一個X射線管和一個檢測器組成，X射線束被準(zhǔn)直成筆直單射線束形式，X射線管和檢測器圍繞受檢體作同步平移-旋轉(zhuǎn)掃描運動。這種掃描首先進(jìn)行同步平移直線掃描。當(dāng)平移掃完一個指定斷層后，同步掃描系統(tǒng)轉(zhuǎn)過一個角度（一般為1°），然后再對同一指定斷層進(jìn)行平移同步掃描，如此進(jìn)行下去，直到掃描系統(tǒng)旋轉(zhuǎn)到與初始值位置成180°角為止。這就是平移旋轉(zhuǎn)掃描方式。這種掃描方式的缺點是射線利用率極低，掃描速度很慢，對一個斷層掃描約需5分鐘時間，故只適用于無體動器官的掃描，如頭部等。

一、單束平移-旋轉(zhuǎn)（T/R）方式單束掃描又稱為第一代CT掃描21二、窄扇形束掃描平移-旋轉(zhuǎn)（T/R）方式窄扇形束掃描又稱為第二代CT掃描。掃描裝置由一個X射線管和6~30個的檢測器組構(gòu)成同步掃描系統(tǒng)。掃描時，X射線管發(fā)出一張角為3°~20°的窄扇形射線束，6~30個檢測器同時采樣，并仍采用平移-旋轉(zhuǎn)掃描方式。窄扇形束掃描完一個斷層的時間可降為10秒左右。這能實現(xiàn)對人體除心臟器官以外的各器官的掃描成像。這種掃描的主要缺點是：由于檢測器排列成直線，對于X射線管發(fā)出的扇形束來說，扇形束的中心射束和邊緣射束的測量值不相等，故需校正，否則掃描會因這種運動而出現(xiàn)運動偽影，影響CT像的質(zhì)量。二、窄扇形束掃描平移-旋轉(zhuǎn)（T/R）方式窄扇形束掃描又稱為第22三、旋轉(zhuǎn)-旋轉(zhuǎn)（R/R）方式這種掃描稱為第三代CT掃描。掃描裝置由一個X射線管和由250~700個檢測器（或用檢測器陣列）排成一個可在掃描架內(nèi)滑動的緊密圓弧形排列組成。X射線管發(fā)出張角為30°~45°能覆蓋整個受檢體的寬扇形射線束。三、旋轉(zhuǎn)-旋轉(zhuǎn)（R/R）方式這種掃描稱為第三代CT掃描。X射23在寬扇形束掃描中，扇形射束寬度內(nèi)的檢測器同時獲取扇形射束內(nèi)的所有數(shù)據(jù)，這種排列使扇形束的中心射束和邊緣射束到檢測器的距離相等，可故減少中心射束和邊緣射束的檢測值差異。由于此種寬束掃描一次即能覆蓋整個受檢體，故不再需要直線的平移，只需X射線管和檢測器作同步旋轉(zhuǎn)運動即可。寬束掃描使得X射線的利用率有所提高，故可靠性也比平移-旋轉(zhuǎn)方式高。用此種方式對斷層掃描所用的時間已降為1秒左右。這種掃描的缺點是：要對每個相鄰檢測器的接收靈敏度差異進(jìn)行校正，否則由于同步旋轉(zhuǎn)掃描運動會產(chǎn)生環(huán)形偽像。在寬扇形束掃描中，扇形射束寬度內(nèi)的檢測器同時獲取扇形射束內(nèi)的24四、靜止-旋轉(zhuǎn)（S/R）方式這種掃描稱為第四代CT掃描方式，掃描裝置由一個X射線管和600~2000個檢測器所組成。這些檢測器在掃描架內(nèi)排列成靜止的檢測器環(huán)，X射線管發(fā)出50°~90°寬扇形射束進(jìn)行旋轉(zhuǎn)掃描。四、靜止-旋轉(zhuǎn)（S/R）方式這種掃描稱為第四代CT掃描方式，25在靜止-旋轉(zhuǎn)掃描方式中，對于每個檢測器來說所得投影值，相當(dāng)于以該檢測器為焦點，由X射線管旋轉(zhuǎn)掃描一個扇形面而獲得，故此種掃描方式也稱為反扇形束掃描。靜止-旋轉(zhuǎn)掃描方式的整體優(yōu)點是：因為每一個檢測器相繼完成多個方向上投影的檢測或者說在一個檢測器上獲得多個方向的投影數(shù)據(jù)，故能較好地克服寬扇形束的旋轉(zhuǎn)-旋轉(zhuǎn)掃描方式中由于檢測器之間差異所帶來的環(huán)形偽影，其掃描速度同寬扇束相比也有所提高或接近。

在靜止-旋轉(zhuǎn)掃描方式中，對于每個檢測器來說所得投影值，相當(dāng)于26五、傳統(tǒng)CT掃描的技術(shù)缺憾

上述四類一般被稱為傳統(tǒng)掃描方式，X射線管的供電方式都是由一根電纜線連在X射線管上，這種供電方式使X射線管不能進(jìn)行連續(xù)的掃描。這樣的掃描過程不僅大大延緩了完成全部掃描工作的時間，且存在接受掃描的新層間的間隔（稱為層隔）等缺點。這些缺點是傳統(tǒng)CT掃描技術(shù)的缺憾。五、傳統(tǒng)CT掃描的技術(shù)缺憾上述四類一般被稱為傳統(tǒng)掃描方式，27六、電子束掃描方式傳統(tǒng)的四類掃描方式基本上可以滿足人體全身除動態(tài)器官如心肺以外的各器官的檢測。為了實現(xiàn)對人體動態(tài)器官如心肺的CT，需要進(jìn)一步提高掃描的速度，于是在靜止-旋轉(zhuǎn)掃描模式基礎(chǔ)上出現(xiàn)了動態(tài)空間掃描和電子束掃描兩種掃描方式，這兩種掃描方式被稱為高速掃描。這兩種掃描方式和取消了X射線管和檢測器之間的同步掃描機(jī)械運動，取而代之的是利用電子控制的非機(jī)械運動式同步掃描。由于掃描沒有機(jī)械運動（動態(tài)空間掃描中有時的一點機(jī)械運動），所以大大地提高了掃描速度。六、電子束掃描方式傳統(tǒng)的四類掃描方式基本上可以滿足人體全身除28電子束掃描又稱為第五代CT，掃描裝置由一個特殊制造的大型X射線管和靜止排列的檢測器環(huán)組成。

電子束掃描又稱為第五代CT，掃描裝置由一個特殊制造的大型X射29第三節(jié)X－CT后處理技術(shù)

第三章X射線計算機(jī)斷層成像(X-CT)第三節(jié)X－CT后處理技術(shù)第三章X射線計算機(jī)斷層成像30圖像后處理技術(shù)的種類CT圖像的后處理技術(shù)，是根據(jù)一定的數(shù)學(xué)模型應(yīng)用計算機(jī)技術(shù)，對已獲取的像素CT值數(shù)字矩陣進(jìn)行有的放矢地再加工處理，使圖像能被方便識別辨認(rèn)，以利快速地獲取準(zhǔn)確診斷信息的技術(shù)。圖像后處理技術(shù)的種類一般是隨成像系統(tǒng)開發(fā)的應(yīng)用軟件的多少而不同。最長用的是窗口技術(shù)。圖像后處理技術(shù)的種類CT圖像的后處理技術(shù)，是根據(jù)一定的數(shù)學(xué)模31窗口技術(shù)在圖像的任務(wù)位置上測量或顯示該位置的CT值；隨意選擇感興趣區(qū)域（regionofinterest,ROI）；在感興趣區(qū)域內(nèi)進(jìn)行統(tǒng)計學(xué)評價：測量距離、角度、計算面積和體積，同時存儲幾個測區(qū)；圖像畫面中以某一基線做出鏡面像；圖像位移、旋轉(zhuǎn)；圖像的放大和縮小，多幅圖像畫面顯示；圖像相加和相減；圖像過濾等。CT像是灰度像，一個CT值應(yīng)對應(yīng)圖像平面上某一級灰度。如果使用的CT值按2000個計，則圖像上從全黑到全白應(yīng)能顯示2000個不同的黑白程度，即顯示2000個灰度等級。人眼最多能分辨60~80個黑白分級。為彌補(bǔ)人眼的低靈敏度，并充分利用CT數(shù)字圖像能表現(xiàn)出來的生物信息，故CT機(jī)采用窗口技術(shù)解決這一問題。窗口技術(shù)在圖像的任務(wù)位置上測量或顯示該位置的CT值；隨意選擇32窗口（Window）技術(shù)：指CT機(jī)放大或增強(qiáng)某段范圍內(nèi)灰度的技術(shù)，即把人體中與被觀測組織的CT值范圍相對應(yīng)的灰度范圍確定為放大或增強(qiáng)的灰度范圍，把確定灰度范圍的上限以上增強(qiáng)為完全白，把確定灰度范圍的下限以下壓縮為完全黑，這樣就放大或增強(qiáng)了確定灰度范圍內(nèi)不同灰度之間黑白對比的程度。這個被確定為放大或增強(qiáng)的灰度范圍叫做窗口，放大的灰度范圍上下限之差叫窗寬（windowwidth），放大灰度范圍的中心灰度值叫窗位（windowlevel）。窗口（Window）技術(shù)：指CT機(jī)放大或增強(qiáng)某段范圍內(nèi)灰度的33南華大學(xué)核科學(xué)技術(shù)學(xué)院醫(yī)學(xué)影像物理學(xué)課件第三章-x射線計算機(jī)斷層成像34第四節(jié)X－CT圖像質(zhì)量控制

第三章X射線計算機(jī)斷層成像(X-CT)第四節(jié)X－CT圖像質(zhì)量控制第三章X射線計算機(jī)斷層成35一、圖像的主要質(zhì)量參數(shù)對比度及對比分辨力高對比度分辨力和低比度分辨力空間分辨力圖像噪聲與X射線劑量均勻性空間分辨力、對比度分辨力、噪聲、均勻度以及X射線劑量之間的關(guān)系一、圖像的主要質(zhì)量參數(shù)對比度及對比分辨力36二、X-CT圖像的偽像偽像（falseimage）又稱偽影，它是指在重建圖像過程中，所有不同類型的圖像干擾和各種其他非隨機(jī)干擾在圖像上的表現(xiàn)，它對應(yīng)的是受栓體中根本不存在的組織或病灶的影像。常見的偽像在圖像上多表現(xiàn)為不同的條紋或干擾痕跡。如受檢體移動產(chǎn)生條紋狀偽影，高衰減體產(chǎn)生條紋狀偽影，混淆產(chǎn)生條紋狀偽影，射線束硬化產(chǎn)生杯形偽影，探測器失調(diào)產(chǎn)生環(huán)形偽影等。二、X-CT圖像的偽像偽像（falseimage）又稱偽影37產(chǎn)生偽影的原因（1）成像系統(tǒng)的測量誤差；（2）X射線的原因；（3）受檢體的原因；（4）成像裝置原因。產(chǎn)生偽影的原因38第五節(jié)螺旋CT

第三章X射線計算機(jī)斷層成像(X-CT)第五節(jié)螺旋CT第三章X射線計算機(jī)斷層成像(X-CT39一、單層螺旋CT

螺旋CT用一個大容量且散熱性能好的X射線管進(jìn)行掃描，用一組高效率圓弧狀排列的檢測器組采集投影數(shù)據(jù)。螺旋CT的供電方式與掃描方式

與傳統(tǒng)CT相比有兩個不同點：一是螺旋CT對X射線管的供電方式。二是掃描方式。螺距與層厚

相鄰螺線圈沿螺線圈軸線方向（床移方向）的距離稱為螺距（pitch），螺距也等于X射線管旋轉(zhuǎn)一圈受檢體隨掃描床移動的距離。一、單層螺旋CT螺旋CT用一個大容量且散熱性能好的X射線管40螺旋CT的供電方式與掃描方式

與傳統(tǒng)CT第一個不同點是螺旋CT對X射線管的供電方式。螺旋CT因采用了滑環(huán)技術(shù)。第二個不同點是掃描方式。螺旋CT采集數(shù)據(jù)的掃描方式是X射線管由傳統(tǒng)CT的往復(fù)螺旋運動改為向一個方向圍繞受檢體連續(xù)旋轉(zhuǎn)掃描，受檢體（檢查床）同時向一個方向連續(xù)勻速移動通過掃描野。因此X射線管相對于受檢體的運動在受檢體的外周劃過一圓柱面螺旋線形軌跡。螺旋CT的供電方式與掃描方式41螺旋CT的掃描方式優(yōu)點主要有二：

一是提高了掃描速度，單次屏氣就可以完成整個檢查部位的掃描，且減少了運動偽像；

二是可以進(jìn)行薄層掃描，且在新層與斷層之間沒有集集數(shù)據(jù)上的遺漏，它不僅可在任意位置上重建圖像，而且還可提供較好的三維圖像重建的容積數(shù)據(jù)。螺旋CT的掃描方式優(yōu)點主要有二：42二、多層螺旋CT簡介多層螺旋，又稱多排CT。多層CT在結(jié)構(gòu)上的最大變化是有多排檢測器和多個數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。MSCT掃描一周可獲2~18幅圖像或更多。二、多層螺旋CT簡介多層螺旋，又稱多排CT。43多層CT檢測和數(shù)據(jù)采集多層CT檢測和數(shù)據(jù)采集44關(guān)于多層CT的問題檢測器的結(jié)構(gòu)：檢測器的排列方式在目前有兩種類型，一種是各排檢測器的寬度均等的寬型對稱排列，另一種是各排檢測器的寬度不均等的非等寬型對稱排列。X射線束：MSCT掃描中被利用的X線束形狀應(yīng)是以X射線管為頂點（射出X線之處，稱為焦點）的四棱錐形，這樣的X線束才能同時覆蓋多排檢測器（實際使用時不一定要全覆蓋）。稱這樣的X線束稱為“小孔束”或厚扇形束。關(guān)于多層CT的問題檢測器的結(jié)構(gòu)：檢測器的排列方式在目前有兩種45一種是束螺距表述為 另一種是層螺距表述為 兩種螺距的關(guān)系為：層螺距=層數(shù)×束螺距。一種是束螺距表述為46數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)：傳統(tǒng)CT和單、雙排螺旋CT在進(jìn)行數(shù)據(jù)采集中只有一個數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)或數(shù)據(jù)采集通道，而4層CT的數(shù)據(jù)采集通道有四個。掃描時，四個通道分別各自從相通的檢測器組合中采集構(gòu)成一個層面的數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)：47本章結(jié)束本章結(jié)束48第三章X射線計算機(jī)斷層成像（X－CT）醫(yī)學(xué)影像物理學(xué)南華大學(xué)?核科學(xué)技術(shù)學(xué)院第三章X射線計算機(jī)斷層成像（X－CT）醫(yī)學(xué)影像物理學(xué)南華49第一節(jié)X－CT的基礎(chǔ)知識

第三章X射線計算機(jī)斷層成像(X-CT)第一節(jié)X－CT的基礎(chǔ)知識第三章X射線計算機(jī)斷層成像50X-CT（X-raycomputedtomography,X-CT）是運用掃描并采集投影的物理技術(shù)，以測定X射線在人體內(nèi)的衰減系數(shù)為基礎(chǔ)，采用一定算法，經(jīng)計算機(jī)運算處理，求解出人體組織的衰減系數(shù)值在某剖面上的二維分布矩陣后，再轉(zhuǎn)為圖像上的灰度分布，從而實現(xiàn)建立斷層解剖圖像的現(xiàn)代醫(yī)學(xué)成像技術(shù)。

X-CT的概念X-CT（X-raycomputedtomograph51普通X射線攝影和X-CT斷層攝影示意普通X射線攝影和X-CT斷層攝影示意52歷史的回顧：CT的發(fā)展1895年

倫琴發(fā)現(xiàn)X線,為CT誕生打下基礎(chǔ)。1917年

奧地利數(shù)學(xué)家J.H.Radon提出圖像重建理論的數(shù)學(xué)方法。1963年A.M.Cormack描述了計算人體吸收分布特性的技術(shù)方法。1972年G.N.Housfield和J.Ambrose進(jìn)行了第一次臨床CT檢查。1974年

共安裝60臺臨床CT(頭顱CT)。

歷史的回顧：CT的發(fā)展1895年倫琴發(fā)現(xiàn)X線,為CT誕生53

1975年

第一臺全身CT投入臨床使用。1979年Hounsfield和Cormack榮獲諾貝爾醫(yī)學(xué)獎。1989年W.A.Kalender和P.Vock進(jìn)行了第一次螺旋CT的臨床檢查。1998年

多層探測器系統(tǒng)得到應(yīng)用。2000年

共安裝大約30000臺臨床CT(全身CT)。

歷史的回顧：CT的發(fā)展（續(xù)）1975年第一臺全身CT投入臨床使用。歷史的回顧54一、斷層與解剖斷面斷層是指在受檢體內(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。X-CT圖像是對斷層成像。解剖斷面是指生物體上的某一剖面，此剖面是一個平面。從形態(tài)結(jié)構(gòu)去看解剖斷面和斷層，則解剖斷面的剖面結(jié)構(gòu)就是解剖斷面的形態(tài)，而斷層具有一定的厚度。一、斷層與解剖斷面斷層是指在受檢體內(nèi)接受檢查并欲建立圖像55二、體素與像素體素是指在受檢體內(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(jìn)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CT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布矩陣。像素是指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，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)。二、體素與像素體素是指在受檢體內(nèi)欲成像的斷層表面上，按一56三、掃描與投影掃描與投影所謂掃描，是用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(jìn)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(qiáng)度。我們把投照受檢體后出射X線束的強(qiáng)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)。掃描的方式有平移掃描，旋轉(zhuǎn)掃描，平移加旋轉(zhuǎn)掃描等。掃描方式的選擇著眼于加快建立圖像的速度，同時，掃描方式的采用也受算法的制約。三、掃描與投影掃描與投影所謂掃描，是用X射線束以不同的方57

窄束X射線的獲取

使X線束成為窄束的辦法是配準(zhǔn)直器。X射線通過準(zhǔn)直器孔后被準(zhǔn)直成扁形的窄束狀線束，束寬決定于準(zhǔn)直器孔徑的寬度，一般為1~2nm，束高決定于準(zhǔn)直孔徑的高度，一般為3~15mm。由于配置了準(zhǔn)直器，使散射線對成像的干擾大大減少。窄束X射線的獲取58四、CT圖像重建的數(shù)理基礎(chǔ)CT圖像重建的原理源于X射線通過介質(zhì)時衰減的物理規(guī)律。根據(jù)掃描所獲的投影值來求解成像剖面（實為斷層）上衰減系數(shù)的分布，是選擇數(shù)學(xué)方法的基本思想。理想單能窄束X射線透射各向同性均勻連續(xù)介質(zhì)時，強(qiáng)度衰減的物理規(guī)律符合朗伯（Lambert）定律

兩邊同取對數(shù)并整理可得四、CT圖像重建的數(shù)理基礎(chǔ)CT圖像重建的原理源于X射線通過介591.X射線束通過非均勻介質(zhì)

1.X射線束通過非均勻介質(zhì)602.圖像重建的反投影法

目前，CT機(jī)普遍采用的算法是濾波反投影法。反投影法又稱總和法，沿掃描路徑的反方向，把所得投影的數(shù)值反投回各體素中去，并用計算機(jī)進(jìn)行運算，求出各體素值而實現(xiàn)圖像的重建。2.圖像重建的反投影法目前，CT機(jī)普遍采用的算法是濾波反61下面用四體素（設(shè)）矩陣的重建對反投影法作定性說明。

3572④①②③3572①8899④③②131316142320262126323823減底數(shù)17并除以3下面用四體素（設(shè)）矩陣的重建對反投影法作定性說明。357262反投影重建的缺點是會出現(xiàn)圖像的邊緣失銳（即一種偽像）現(xiàn)象。下圖定性地說明了邊緣失銳的現(xiàn)象和產(chǎn)生此現(xiàn)象的原因。反投影重建的缺點是會出現(xiàn)圖像的邊緣失銳（即一種偽像）現(xiàn)象。下63五、CT值與灰度顯示CT像的本質(zhì)是衰減系數(shù)分布。但并不具有很強(qiáng)的描述性，因此按相對于水的衰減計算出來的衰減系數(shù)的相對值被稱為CT值。國際對CT值的定義為：CT影像中每個像素所對應(yīng)的物質(zhì)對X射線線性平均衰減量大小的表示。實際中，均以水的衰減系數(shù)作為基準(zhǔn)，若某種物質(zhì)的平均衰減系數(shù)為，則其對應(yīng)的CT值由下式給出：1.CT值五、CT值與灰度顯示CT像的本質(zhì)是衰減系數(shù)分布。但并不具有很64CT值的標(biāo)尺按空氣的CT值=－10000HU和水的CT值=0HU作為兩個固定值標(biāo)定，故實用的CT定義式應(yīng)表示為CT值的標(biāo)尺按空氣的CT值=－10000HU和水的CT值=0652.灰度顯示在圖像畫面上，是以灰度分布的形式顯示示CT影像。通過計算機(jī)，對獲取的投影數(shù)值進(jìn)行一定的算法處理，可求解出各個體素的衰減系數(shù)值，從而獲取衰減系數(shù)值的二維分布（即衰減系數(shù)矩陣）。再按CT值的定義把各個素（或說像素）的CT值轉(zhuǎn)換圖像畫面上對應(yīng)像素的灰度，就得到圖像畫面上的灰度分布。此灰度分布就是X-CT像。2.灰度顯示在圖像畫面上，是以灰度分布的形式顯示示CT影像66南華大學(xué)核科學(xué)技術(shù)學(xué)院醫(yī)學(xué)影像物理學(xué)課件第三章-x射線計算機(jī)斷層成像67第二節(jié)

傳統(tǒng)X－CT的掃描方式

第三章X射線計算機(jī)斷層成像(X-CT)第二節(jié)

傳統(tǒng)X－CT的掃描方式第三章X射線計算機(jī)斷層68一、單束平移-旋轉(zhuǎn)（T/R）方式單束掃描又稱為第一代CT掃描，掃描裝置是由一個X射線管和一個檢測器組成，X射線束被準(zhǔn)直成筆直單射線束形式，X射線管和檢測器圍繞受檢體作同步平移-旋轉(zhuǎn)掃描運動。這種掃描首先進(jìn)行同步平移直線掃描。當(dāng)平移掃完一個指定斷層后，同步掃描系統(tǒng)轉(zhuǎn)過一個角度（一般為1°），然后再對同一指定斷層進(jìn)行平移同步掃描，如此進(jìn)行下去，直到掃描系統(tǒng)旋轉(zhuǎn)到與初始值位置成180°角為止。這就是平移旋轉(zhuǎn)掃描方式。這種掃描方式的缺點是射線利用率極低，掃描速度很慢，對一個斷層掃描約需5分鐘時間，故只適用于無體動器官的掃描，如頭部等。

一、單束平移-旋轉(zhuǎn)（T/R）方式單束掃描又稱為第一代CT掃描69二、窄扇形束掃描平移-旋轉(zhuǎn)（T/R）方式窄扇形束掃描又稱為第二代CT掃描。掃描裝置由一個X射線管和6~30個的檢測器組構(gòu)成同步掃描系統(tǒng)。掃描時，X射線管發(fā)出一張角為3°~20°的窄扇形射線束，6~30個檢測器同時采樣，并仍采用平移-旋轉(zhuǎn)掃描方式。窄扇形束掃描完一個斷層的時間可降為10秒左右。這能實現(xiàn)對人體除心臟器官以外的各器官的掃描成像。這種掃描的主要缺點是：由于檢測器排列成直線，對于X射線管發(fā)出的扇形束來說，扇形束的中心射束和邊緣射束的測量值不相等，故需校正，否則掃描會因這種運動而出現(xiàn)運動偽影，影響CT像的質(zhì)量。二、窄扇形束掃描平移-旋轉(zhuǎn)（T/R）方式窄扇形束掃描又稱為第70三、旋轉(zhuǎn)-旋轉(zhuǎn)（R/R）方式這種掃描稱為第三代CT掃描。掃描裝置由一個X射線管和由250~700個檢測器（或用檢測器陣列）排成一個可在掃描架內(nèi)滑動的緊密圓弧形排列組成。X射線管發(fā)出張角為30°~45°能覆蓋整個受檢體的寬扇形射線束。三、旋轉(zhuǎn)-旋轉(zhuǎn)（R/R）方式這種掃描稱為第三代CT掃描。X射71在寬扇形束掃描中，扇形射束寬度內(nèi)的檢測器同時獲取扇形射束內(nèi)的所有數(shù)據(jù)，這種排列使扇形束的中心射束和邊緣射束到檢測器的距離相等，可故減少中心射束和邊緣射束的檢測值差異。由于此種寬束掃描一次即能覆蓋整個受檢體，故不再需要直線的平移，只需X射線管和檢測器作同步旋轉(zhuǎn)運動即可。寬束掃描使得X射線的利用率有所提高，故可靠性也比平移-旋轉(zhuǎn)方式高。用此種方式對斷層掃描所用的時間已降為1秒左右。這種掃描的缺點是：要對每個相鄰檢測器的接收靈敏度差異進(jìn)行校正，否則由于同步旋轉(zhuǎn)掃描運動會產(chǎn)生環(huán)形偽像。在寬扇形束掃描中，扇形射束寬度內(nèi)的檢測器同時獲取扇形射束內(nèi)的72四、靜止-旋轉(zhuǎn)（S/R）方式這種掃描稱為第四代CT掃描方式，掃描裝置由一個X射線管和600~2000個檢測器所組成。這些檢測器在掃描架內(nèi)排列成靜止的檢測器環(huán)，X射線管發(fā)出50°~90°寬扇形射束進(jìn)行旋轉(zhuǎn)掃描。四、靜止-旋轉(zhuǎn)（S/R）方式這種掃描稱為第四代CT掃描方式，73在靜止-旋轉(zhuǎn)掃描方式中，對于每個檢測器來說所得投影值，相當(dāng)于以該檢測器為焦點，由X射線管旋轉(zhuǎn)掃描一個扇形面而獲得，故此種掃描方式也稱為反扇形束掃描。靜止-旋轉(zhuǎn)掃描方式的整體優(yōu)點是：因為每一個檢測器相繼完成多個方向上投影的檢測或者說在一個檢測器上獲得多個方向的投影數(shù)據(jù)，故能較好地克服寬扇形束的旋轉(zhuǎn)-旋轉(zhuǎn)掃描方式中由于檢測器之間差異所帶來的環(huán)形偽影，其掃描速度同寬扇束相比也有所提高或接近。

在靜止-旋轉(zhuǎn)掃描方式中，對于每個檢測器來說所得投影值，相當(dāng)于74五、傳統(tǒng)CT掃描的技術(shù)缺憾

上述四類一般被稱為傳統(tǒng)掃描方式，X射線管的供電方式都是由一根電纜線連在X射線管上，這種供電方式使X射線管不能進(jìn)行連續(xù)的掃描。這樣的掃描過程不僅大大延緩了完成全部掃描工作的時間，且存在接受掃描的新層間的間隔（稱為層隔）等缺點。這些缺點是傳統(tǒng)CT掃描技術(shù)的缺憾。五、傳統(tǒng)CT掃描的技術(shù)缺憾上述四類一般被稱為傳統(tǒng)掃描方式，75六、電子束掃描方式傳統(tǒng)的四類掃描方式基本上可以滿足人體全身除動態(tài)器官如心肺以外的各器官的檢測。為了實現(xiàn)對人體動態(tài)器官如心肺的CT，需要進(jìn)一步提高掃描的速度，于是在靜止-旋轉(zhuǎn)掃描模式基礎(chǔ)上出現(xiàn)了動態(tài)空間掃描和電子束掃描兩種掃描方式，這兩種掃描方式被稱為高速掃描。這兩種掃描方式和取消了X射線管和檢測器之間的同步掃描機(jī)械運動，取而代之的是利用電子控制的非機(jī)械運動式同步掃描。由于掃描沒有機(jī)械運動（動態(tài)空間掃描中有時的一點機(jī)械運動），所以大大地提高了掃描速度。六、電子束掃描方式傳統(tǒng)的四類掃描方式基本上可以滿足人體全身除76電子束掃描又稱為第五代CT，掃描裝置由一個特殊制造的大型X射線管和靜止排列的檢測器環(huán)組成。

電子束掃描又稱為第五代CT，掃描裝置由一個特殊制造的大型X射77第三節(jié)X－CT后處理技術(shù)

第三章X射線計算機(jī)斷層成像(X-CT)第三節(jié)X－CT后處理技術(shù)第三章X射線計算機(jī)斷層成像78圖像后處理技術(shù)的種類CT圖像的后處理技術(shù)，是根據(jù)一定的數(shù)學(xué)模型應(yīng)用計算機(jī)技術(shù)，對已獲取的像素CT值數(shù)字矩陣進(jìn)行有的放矢地再加工處理，使圖像能被方便識別辨認(rèn)，以利快速地獲取準(zhǔn)確診斷信息的技術(shù)。圖像后處理技術(shù)的種類一般是隨成像系統(tǒng)開發(fā)的應(yīng)用軟件的多少而不同。最長用的是窗口技術(shù)。圖像后處理技術(shù)的種類CT圖像的后處理技術(shù)，是根據(jù)一定的數(shù)學(xué)模79窗口技術(shù)在圖像的任務(wù)位置上測量或顯示該位置的CT值；隨意選擇感興趣區(qū)域（regionofinterest,ROI）；在感興趣區(qū)域內(nèi)進(jìn)行統(tǒng)計學(xué)評價：測量距離、角度、計算面積和體積，同時存儲幾個測區(qū)；圖像畫面中以某一基線做出鏡面像；圖像位移、旋轉(zhuǎn)；圖像的放大和縮小，多幅圖像畫面顯示；圖像相加和相減；圖像過濾等。CT像是灰度像，一個CT值應(yīng)對應(yīng)圖像平面上某一級灰度。如果使用的CT值按2000個計，則圖像上從全黑到全白應(yīng)能顯示2000個不同的黑白程度，即顯示2000個灰度等級。人眼最多能分辨60~80個黑白分級。為彌補(bǔ)人眼的低靈敏度，并充分利用CT數(shù)字圖像能表現(xiàn)出來的生物信息，故CT機(jī)采用窗口技術(shù)解決這一問題。窗口技術(shù)在圖像的任務(wù)位置上測量或顯示該位置的CT值；隨意選擇80窗口（Window）技術(shù)：指CT機(jī)放大或增強(qiáng)某段范圍內(nèi)灰度的技術(shù)，即把人體中與被觀測組織的CT值范圍相對應(yīng)的灰度范圍確定為放大或增強(qiáng)的灰度范圍，把確定灰度范圍的上限以上增強(qiáng)為完全白，把確定灰度范圍的下限以下壓縮為完全黑，這樣就放大或增強(qiáng)了確定灰度范圍內(nèi)不同灰度之間黑白對比的程度。這個被確定為放大或增強(qiáng)的灰度范圍叫做窗口，放大的灰度范圍上下限之差叫窗寬（windowwidth），放大灰度范圍的中心灰度值叫窗位（windowlevel）。窗口（Window）技術(shù)：指CT機(jī)放大或增強(qiáng)某段范圍內(nèi)灰度的81南華大學(xué)核科學(xué)技術(shù)學(xué)院醫(yī)學(xué)影像物理學(xué)課件第三章-x射線計算機(jī)斷層成像82第四節(jié)X－CT圖像質(zhì)量控制

第三章X射線計算機(jī)斷層成像(X-CT)第四節(jié)X－CT圖像質(zhì)量控制第三章X射線計算機(jī)斷層成83一、圖像的主要質(zhì)量參數(shù)對比度及對比分辨力高對比度分辨力和低比度分辨力空間分辨力圖像噪聲與X射線劑量均勻性空間分辨力、對比度分辨力、噪聲、均勻度以及X射線劑量之間的關(guān)系一、圖像的主要質(zhì)量參數(shù)對比度及對比分辨力84二、X-CT圖像的偽像偽像（falseimage）又稱偽影，它是指在重建圖像過