第二章 X線計算機(jī)體層成像

第二章X線計算機(jī)

體層成像

洛書九宮圖，幻方洛書九宮圖，幻方x1x2x3x6x5x4x9x8x7已經(jīng)數(shù)字化傳統(tǒng)的X射線裝置的缺點(diǎn)影像重疊。深度方向上的信息至疊在一起，引起混淆。密度分辨率低，對軟組織分辨能力低。所用劑量大。X線計算機(jī)體層成像（CT）是由英國工程師HounsfieldG．N．設(shè)計并于1971年應(yīng)用于臨床的一種現(xiàn)代醫(yī)學(xué)影像成像技術(shù)。CT圖像是數(shù)字化成像，是經(jīng)計算機(jī)處理所獲得的重建模擬圖像。CT的最大優(yōu)點(diǎn)是密度分辨力（densityresolution）高，遠(yuǎn)優(yōu)于X線圖像，而且圖像清晰、解剖關(guān)系明確，具有數(shù)字化成像的后處理功能，從而大大提高了病變的檢出率和診斷準(zhǔn)確率。由于這一貢獻(xiàn)，HounsfieldG．N．獲得了1979年度諾貝爾生理醫(yī)學(xué)獎。要特別指出的是近十余年來CT設(shè)備發(fā)展迅速，尤其是近幾年來多層螺旋CT包括16層CT和64層CT的開發(fā)和臨床應(yīng)用，極大地提高了掃描速度和圖像的空間分辨力（spatialresolution）；一些新的后處理功能軟件亦相繼用于臨床。所有這些軟、硬件的發(fā)展都使得CT圖像的質(zhì)量和顯示能力在不斷提高，應(yīng)用領(lǐng)域亦在不斷拓展，已成為臨床上許多疾病不可或缺的診斷方法。引言CT:computedtomographycomputerizedtomography計算機(jī)體層照相術(shù)計算機(jī)斷層照相術(shù)計算機(jī)控制斷層掃描術(shù)computerizedaxialtomography(CAT)計算機(jī)控制〔橫〕軸向〔X線〕斷層〔掃描〕術(shù)X-CTcomputedtomography

tomo:Greektomos[section]希臘語tomos[切面]graphy:Latin-graphia,fromGreek,fromgraphein.writingorrepresentationina(specified)mannerorbya(specified)meansorofa(specified)object.內(nèi)容第一節(jié)CT成像的基本原理和設(shè)備第二節(jié)CT檢查技術(shù)第三節(jié)CT臨床應(yīng)用第一節(jié)CT成像的基本原理和設(shè)備一、CT成像的基本原理二、CT成像設(shè)備成像一、CT成像的基本原理為了便于理解和掌握CT成像的基本原理，可將其分為如下三個連續(xù)過程：②經(jīng)計算機(jī)處理得到掃描層面各體素的Ⅹ線衰減(attenuation）系數(shù)即吸收系數(shù)：計算機(jī)處理數(shù)字化信息時，將該層面分為若干體積相同的小立方體，稱之為體素（voxel）（圖2-1-1），但由于前述①由模／數(shù)轉(zhuǎn)換所得數(shù)字化信息代表掃描層面內(nèi)各方向上若干體素的重疊信息，計算機(jī)處理就是運(yùn)用不同的算法將其分離，從而獲得掃描層面各體素的X線衰減系數(shù)，并將它們依原有順序排列為數(shù)字矩陣（digitalmatrix）（圖2-1-2）；①獲得掃描層面的數(shù)字化信息：用高度準(zhǔn)直的Ⅹ線束環(huán)繞人體某部位一定厚度的橫斷層面進(jìn)行連續(xù)掃描，由探測器（detector）接受通過該層面的Ⅹ線，并經(jīng)光電轉(zhuǎn)換為電信號．再經(jīng)模／數(shù)轉(zhuǎn)換為數(shù)字化信息；③由數(shù)字矩陣重建為CT灰階圖像：經(jīng)數(shù)／模轉(zhuǎn)換，依掃描層面數(shù)字矩陣各體素衰減系數(shù)值的高低，賦予由白至黑不同的灰階，即可重建為掃描層面的CT灰階圖像。其中，由每一體素轉(zhuǎn)換而來的黑白灰度不同的小方塊稱之為像素（pixel），其是組成CT圖像的基本單位。數(shù)字矩陣數(shù)目愈多，像素面積就愈小，所組成的CT圖像就愈細(xì)膩，空間分辨力亦就愈高。二、CT成像設(shè)備近三十年來，CT成像設(shè)各發(fā)展迅速，由最初只能行一個個層面掃描的CT設(shè)備發(fā)展至單層螺旋CT（spiralCT，SCT）乃至如今的16層和64層等多層螺旋CT（multislicespiralCT，MSCT）設(shè)各。此外，還出現(xiàn)了電子束CT（electronbeamCT，EBCT）設(shè)備。無論是層面掃描CT，還是SCT或MSCT設(shè)備均主要由以下三部分組成：①掃描系統(tǒng)：包括Ⅹ線發(fā)生裝置、準(zhǔn)直器、探測器（detector）、掃描機(jī)架和檢查床等，用于不同部位和層厚的掃描；②計算機(jī)系統(tǒng)：負(fù)責(zé)整個CT裝置的運(yùn)行，進(jìn)行CT圖像重建和后處理，以及CT設(shè)備故障的檢測；③圖像顯示和存儲系統(tǒng)：包括顯示器、激光打印機(jī)和光盤刻錄機(jī)等，可進(jìn)行圖像顯示、照片攝制和圖像資料存儲（圖2-1-3）。與最初層面掃描方式不同，SCT和MSCT是在掃描期間，Ⅹ線管球圍繞人體行快速連續(xù)多圓周旋轉(zhuǎn)，同時檢查床沿其長軸方向勻速平移，如此X線對人體掃描的軌跡呈螺旋狀，故稱螺旋掃描（圖2-1-4）。這種螺旋掃描采集的數(shù)據(jù)是連續(xù)螺旋形空間的容積數(shù)據(jù)，獲得的是容積的三維信息，因此亦稱為容積CT掃描（volumeCTscanning）。MSCT與單層SCT的不同點(diǎn)主要是前者的Ⅹ線束呈錐形并具有多排探測器和多組采集信息的輸出通道，因此每周旋轉(zhuǎn)能夠同時采集多層圖像信息，相應(yīng)能重建多層CT圖像。電子束CT（EBCT）的掃描部分結(jié)構(gòu)不同于層面CT和SCT，其是用電子槍發(fā)射電子束轟擊靶環(huán)而產(chǎn)生Ⅹ線，進(jìn)而對人體進(jìn)行掃描，而信息采集、計算機(jī)處理和圖像重建以及顯示和存儲系統(tǒng)則類似于層面CT和SCT。第二節(jié)CT檢查技術(shù)一、CT檢查方法二、CT圖像后處理技術(shù)一、CT檢查方法1．CT平掃通常是指不注射對比劑的（可以在消化道準(zhǔn)備中用對比劑）情況下面進(jìn)行掃描的方法，反映的是組織、器官和病變密度的自然對比。2．CT增強(qiáng)掃描是經(jīng)靜脈快速注入對比劑，人為地增加組織間的密度差，以提高CT圖像對比度的方法。根據(jù)不同疾病的診斷目的要求，還可在注入對比劑的不同時期進(jìn)行重復(fù)掃描，此即多期CT增強(qiáng)掃描；亦可對固定層面在對比劑到達(dá)前直至到達(dá)后的一段時間進(jìn)行連續(xù)快速掃描，即為CT灌注（CTperfusion）掃描。

CT血管造影（CTangiography，CTA）是一種特殊的CT增強(qiáng)方法，即在靶血管內(nèi)的對比劑濃度達(dá)到峰值期間進(jìn)行掃描，其后進(jìn)行重建并以三維形式立體顯示靶血管的CT檢查技術(shù)。

多期CT增強(qiáng)掃描、CT灌注掃描和CT血管造影均需使用SCT或MSCT設(shè)備進(jìn)行檢查。CT檢查方法可分為CT平掃（plainCTscan）、CT增強(qiáng)掃描（contrastenhancementCT）和CT造影檢查。3．CT造影掃描是先行某一器官或結(jié)構(gòu)的造影，然后再行CT掃描的方法。臨床上很少應(yīng)用。如先將對比劑注入脊蛛網(wǎng)膜下腔或關(guān)節(jié)腔內(nèi)，再行CT掃描，分別稱之為脊髓造影CT掃描和關(guān)節(jié)造影CT掃描。CT檢查除了上述三種方法外，臨床上在平掃和增強(qiáng)時還常應(yīng)用高分辨力CT（highresolutionCT，HRCT）掃描，即掃描和重建時層面要薄，為1.5mm以下，圖像重建則用高分辨力算法，且矩陣數(shù)不低于512×512。二、CT圖像后處理技術(shù)CT圖像后處理技術(shù)就是利用計算機(jī)附帶的各種后處理功能軟件，對CT圖像數(shù)據(jù)進(jìn)行不同的后處理，能以更加直觀的方式顯示病變及其與周圍結(jié)構(gòu)的空間關(guān)系，彌補(bǔ)軸位圖像的不足，并可提供更多的有診斷價值的信息。以下介紹的是一些臨床上常用的后處理技術(shù)。（—）二維重建技術(shù)除常規(guī)應(yīng)用的軸位像外，包括電影瀏覽（cineviewing）、多平面重建（multiplanarreformation，MPR）和曲面重建（curvedplanarreformation，CPR）。1．電影瀏覽是通過鼠標(biāo)快速滾動軸位或其他方位的二維圖像，如此可節(jié)約觀察大量圖像的時間，并易于評價復(fù)雜解剖結(jié)構(gòu)所發(fā)生的病變，提高了病變的檢出率。2．多平面重建是由容積數(shù)據(jù)重建為冠狀面、矢狀面乃至任何角度傾斜位的斷面圖像（圖2-2-la、b）。用于任意角度觀察病變及其與周圍解剖結(jié)構(gòu)的關(guān)系。3．曲面重建需要在軸位、多平面重建圖像或三維圖像上勾畫出欲觀察曲面結(jié)構(gòu)的中心線，應(yīng)用相應(yīng)的軟件，即可生成曲面重建圖像。如此在單一二維層面圖像上就能觀察到不規(guī)則走行的結(jié)構(gòu)，如血管、支氣管和牙列等（圖2-2-1c、d）。a.b，同一例，a.常規(guī)CT增強(qiáng)檢查橫軸位圖像，b.斜矢狀面重建圖像；c.d，同一例，c.頜骨曲面重建的橫軸位參考圖像，d.頜骨曲面重建圖像；

2-2-1CT圖像的后處理技術(shù)（二）三維重建技術(shù)1．最大密度投影

MIP是將感興趣容積內(nèi)具有超過所規(guī)定閾值的最大CT值的體素，投影在一個方向上，所得圖像即為最大密度投影（圖2-2-1e）。投影的方向稱為觀察角。一個方向的MIP為二維圖像，但應(yīng)用多個觀察角，即多方向的投影圖像，通過旋轉(zhuǎn)功能，即可連續(xù)從不同方位進(jìn)行觀察，從而產(chǎn)生三維立體效果。MIP廣泛用于高密度組織結(jié)構(gòu)的觀察，如CT血管造影和肺部腫塊等。其不足之處是不能同時顯示周圍結(jié)構(gòu)，因而觀察空間解剖結(jié)構(gòu)的關(guān)系欠佳。2．最小密度投影

mIP與最大密度投影相反，是將感興趣容積內(nèi)具有低于規(guī)定閾值的最小CT值的體素，投影在一個平面上，所得圖像即為最小密度投影。臨床上用于氣管、支氣管的觀察。三維重建技術(shù)包括最大密度投影（maximumintensityprojection，MIP）、最小密度投影（minimumintensityprojection，mIP）、表面遮蓋顯示（shadedsurfacedisplay，SSD）和容積再現(xiàn)技術(shù)（volumerenderingtechnique，VRT）。3．表面遮蓋顯示

SSD首先用CT閾值的方法提取出欲觀察的器官結(jié)構(gòu)，然后應(yīng)用軟件以一虛擬光源投照在器官結(jié)構(gòu)的表面，并依與光源的距離，計算出表面上各點(diǎn)的明亮度，則圖像上器官結(jié)構(gòu)的表面就出現(xiàn)明暗變化，達(dá)到三維立體顯示的效果，猶如人物肖像（圖2-2-1f、g）。SSD主要用于明確復(fù)雜解剖結(jié)構(gòu)及其病變的空間結(jié)構(gòu)關(guān)系，不足之處是不能同時顯示其內(nèi)部結(jié)構(gòu)，且重建過程中有一定信息量的丟失。4．容積再現(xiàn)技術(shù)

VRT是向感興趣容積內(nèi)投照光線，然后以亮度曲線進(jìn)行圖像重建。其綜合了SSD和MIP的優(yōu)點(diǎn)，并且利用了全部體素的CT值，因此能重建顯示器官結(jié)構(gòu)的表面和內(nèi)部情況。VRT還可通過調(diào)整亮度曲線和窗寬、窗位，達(dá)到不同的透明效果，通過設(shè)定偽彩編碼則使圖像更為逼真。例如，在胸部能以不同的色彩和亮度同時顯示胸壁的肌肉、骨質(zhì)、肺、支氣管、肺血管及縱隔內(nèi)的心臟和大血管等，因而圖像清晰、立體感明顯。e.f.同一例，e.顱底血管CTA檢查最大密度投影圖像，f.顱底血管CTA檢查表面遮蓋顯示圖像；g.心臟冠狀動脈CTA檢查表面遮蓋顯示圖像；h.結(jié)腸CT仿真內(nèi)鏡圖像圖2-2-1CT圖像的后處理技術(shù)（三）其他常用的后處理技術(shù)其他常用的CT后處理技術(shù)還有CT仿真內(nèi)鏡（CTvirtualendoscopy，CTVE）、分割功能（cuttingfunction）和灌注參數(shù)圖等。1．CT仿真內(nèi)鏡（CTVE）是應(yīng)用計算機(jī)軟件，將容積掃描所獲得的數(shù)據(jù)進(jìn)行后處理，重建出空腔器官的內(nèi)表面，并在觀察中利用軟件功能調(diào)整視屏距、視角及方向，從而達(dá)到觀察結(jié)構(gòu)的不斷靠近和遠(yuǎn)離，產(chǎn)生類似纖維內(nèi)鏡的動態(tài)觀察效果（圖2-2-1h）。如行偽彩編碼，則使內(nèi)腔顯示更為逼真。CTVE要求空腔器官與其內(nèi)、外結(jié)構(gòu)有較大的衰減系數(shù)差。目前，CTVE多用于觀察氣管、支氣管、大腸、胃、鼻竇、喉、膀胱和主動脈及其主要分支。其中，應(yīng)用最廣泛的是仿真支氣管鏡和仿真結(jié)腸鏡。CTVE是非侵入性檢查，安全而無痛苦，尤其適宜不能承受纖維內(nèi)鏡檢查的患者。然而，CTVE并不能顯示管腔內(nèi)表面和腔內(nèi)病變的真實(shí)顏色，亦不能進(jìn)行組織活檢。2．分割技術(shù)在三維重建時，常常用分割方法確定感興趣容積。分割可采用切割線方法，亦可運(yùn)用計算機(jī)軟件方法。前者耗時，后者則能快速自動或半自動完成分割工作。在CT圖像后處理中，分割功能應(yīng)用廣泛。如CTA檢查時，去除骨結(jié)構(gòu)