第三章 X射線計算機體層成像課件

第三章X射線計算機體層成像1第三章 X線CT技術(shù)

CT(ComputedTomography)計算機斷層攝影

要點

一、X線-CT的歷史

二、X線-CT成像原理

三、X線-CT的掃描方式

四、X線-CT的一些基本參數(shù)

五、X線-CT的組成

六、螺旋X線-CT介紹

七、多層螺旋X線-CT介紹

X-Rays的發(fā)現(xiàn)...

107年前,

WilhelmConradRoentgen

一、X線-CT的歷史

看到人體內(nèi)部結(jié)構(gòu)...

解剖結(jié)構(gòu)是重疊的。

軟組織是不能區(qū)分的。人們破天荒頭一次能無損傷看到人體內(nèi)部的解剖結(jié)構(gòu)！

一、X線-CT的歷史

在1972年,兩位科學(xué)家-

HounsfieldandAmbrose-推出第一幅臨床CT圖像...CT消除了這些障礙...

一、X線-CT的歷史

一、X線-CT的歷史

1917年奧地利數(shù)學(xué)家雷當（Radon）：根據(jù)面投影到線并重建圖像的計算公式。1963年美國物理學(xué)家柯馬克（A.M.Cormack）：在“應(yīng)用物理雜志”（JournalofAppliedPhysics）上發(fā)表了二篇題為“用線積分表示一函數(shù)的方法及其在放射學(xué)上的應(yīng)用”的系列文章。第三章X射線計算機體層成像9

一、X線-CT的歷史

1967年至1970年間英國EMI公司的工程師豪斯菲爾德（G.N.Hounsfield）研制成功世界上第一臺用于醫(yī)學(xué)臨床的X線CT掃描機，于1971年9月被安裝在倫敦的Atkinson-Morley’s醫(yī)院。第三章X射線計算機體層成像10一、X線-CT的歷史1972年利用這臺X線CT首次為一名婦女診斷出腦部的囊腫，并取得了世界上第一張CT照片。1974年美國George-town大學(xué)醫(yī)學(xué)中心的Ledly研制成第一臺全身CT掃描機。為此Hounsfield和Cormack共同獲得了1979年的諾貝爾生理和醫(yī)學(xué)獎。CT會是什么樣?

耗時太長(10分

/幅)。

分辨率尚需提高。所以我們能看到斷層解剖結(jié)構(gòu)

&且?guī)в胁煌芏热梭w被“切成”一層、一層...

一、X線-CT的歷史

CT影像質(zhì)量的進步...SIRETOM(1974)SOMATOMPlus4UFC(1996)3DFace(threshold:-400HU)3DHead(threshold:150HU)3D圖像的合成CT成像特點1具有較高的X射線檢測能力。2能顯示人體某一斷層平面上的器官或組織的解剖結(jié)構(gòu)。3能分辨人體內(nèi)器官或組織密度微小的變化。

二、X線-CT成像原理

CT如何工作?重建

&后處理數(shù)據(jù)

獲取X-ray發(fā)生體層

進行掃描時，通過受檢體的X射線束是一個薄層，即體層(slice)，層厚與束高相對應(yīng)，決定了體素的高度。層厚在掃描野的中心處，X射線掃描層的有效高度。層厚和在體層厚度內(nèi)沿軸向的X射線能量分布情況將影像圖像的質(zhì)量。

二、X線-CT成像原理

第三章X射線計算機體層成像21把體層分成很小的體積單位稱“voxels(體素)”通常體素長和寬都為1mm,與體積相對應(yīng)；體素的大小在CT圖像上的表現(xiàn)即為“pixels(像素)”。體素

二、X線-CT成像原理

第三章X射線計算機體層成像23掃描的方式平移掃描旋轉(zhuǎn)掃描平移加旋轉(zhuǎn)掃描投影(Projection)

投照受檢體后出射X射線束的強度I稱為投影，投影的數(shù)值稱為投影值；投影值的空間分布，稱為投影函數(shù)。獲取的投影就是運用掃描技術(shù)而采集到的數(shù)據(jù)。Example:ProjectionSinogramIdealImageProjectionProjection近似單能窄束的X射線束－cont.

獲取方法是配準直器。準直器可理解為允許X射線通過的細長狹窄通道，通過準直器后的X射線稱為窄束X射線。

根據(jù)X射線通過介質(zhì)時衰減的物理規(guī)律，通過對受檢體掃描，測出足夠多的投影值，運用一定的數(shù)學(xué)方法求解成像剖面上衰減系數(shù)的分布，從而得到CT圖像。

二、X線-CT成像原理

第三章X射線計算機體層成像28朗勃-比爾（Lambert-Beer）定律

單能窄束X射線強度透射均勻介質(zhì)時強度衰減的規(guī)律符合朗勃-比爾（Lambert-Beer）定律：CT影像形成

-A/D/A*

二、X線-CT成像原理

I為穿過某一物質(zhì)后的X射線強度；I0為射入該物質(zhì)之前的X射線強度；μ為該物質(zhì)的吸收系數(shù)（不同物質(zhì)的μ值不同，由物質(zhì)的物理特性決定）；X為該物質(zhì)的厚度；II0

X

二、X線-CT成像原理

測試到衰減后的X線值,轉(zhuǎn)換成CT值并傳送到計算機。CT影像形成-“Matrix(矩陣)”353639343331343335323180859078

二、X線-CT成像原理

N1N2N3Nn

μ1

μ2

μ3

μn

ΔxΔxΔxμm

ΔxI0

In

Im-1

Im

ΔxCT影像的像素值如何計算出來？(1)

二、X線-CT成像原理

通過射線方向上的投影值，來計算各像素的衰減系數(shù)值。CT影像的像素如何計算出來？(2)？？？？3746253154

直接矩陣求解法

逐次近似法(迭代法)

總和法(反投影法)

卷積反投影法

二、X線-CT成像原理

反投影法(總和法)backprojection

二、X線-CT成像原理

反投影法又稱總和法(累加法)，此法是利用投影數(shù)值法近似的復(fù)制出μ的二維分布。定性地說明反投影法的原理就是：沿投影路徑的反方向，把所得投影的數(shù)值反投回投影路徑上的各體素中去，求出各體素的μ值而實現(xiàn)圖像重建的方法。反投影重建原理22222222224222222222222262222222222222222222822222222222222222222222反投影法會產(chǎn)生暈狀效應(yīng)

二、X線-CT成像原理

濾波反投影法（卷積反投影法）

（filteredbackprojection）

為了消除反投影法重建圖像中的邊緣失銳，在實際中采用是濾波反投影法，或卷積反投影法。此方法是把獲得的投影函數(shù)做卷積處理，即人為設(shè)計一種濾波函數(shù)，用它對所得投影函數(shù)進行改造，而后用這些經(jīng)改造過的投影函數(shù)進行重建，以達到消除偽影的目的。

二、X線-CT成像原理

濾波反投影重建21.5-0.53-1剖面數(shù)據(jù)濾波函數(shù)濾波后，剖面數(shù)據(jù)nxnnyz濾波反投影法

二、X線-CT成像原理

濾波后的剖面數(shù)據(jù)由下列公式得出：

333-1-1-1-1-1-16-2-222-2-2229-31111-3111200000000濾波反投影法消除了暈狀偽影CT中最常用的成像計算方法就是：濾波反投影法。

二、X線-CT成像原理

CT值與灰度顯示（1）

CT機中的X射線強度測量是相對測量，也就是測得的是μ值的相對值，或者說是μ值的對比度。

CT值是把μ值對比度加以標準化而引入的量。

二、X線-CT成像原理

二、X線-CT成像原理

CT值

CT影像中每個像素所對應(yīng)的物質(zhì)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)μ水作為標準，若某種物質(zhì)的衰減系數(shù)為μ，則與其對應(yīng)的CT值由下式給出.

CT值與灰度顯示（2）

CT值的單位為“Hu(Hounsfieldunit)或H”，規(guī)定μ水為能量為73keV的X射線在水中的線性衰減系數(shù),μ水=19m-1。定義式中的k稱為分度因數(shù)，實際中取k=1000。按此定義：水的CT值為0；空氣的CT值為－1000；致密骨的CT值約為1000。

二、X線-CT成像原理

第三章X射線計算機體層成像44二.X-CT成像原理灰度顯示—在圖像上，表現(xiàn)各像素黑白或明暗程度的量-100001000第三章X射線計算機體層成像45掃描方式靜止-旋轉(zhuǎn)（S/R）單束平移-旋轉(zhuǎn)（T/R）窄扇形平移-旋轉(zhuǎn)（T/R）旋轉(zhuǎn)-旋轉(zhuǎn)（R/R）傳統(tǒng)CT掃描方式三.傳統(tǒng)X-CT的掃描方式第三章X射線計算機體層成像46單束平移-旋轉(zhuǎn)（T/R）方式第一代CT特點：直線筆形掃描束單一探測器一次平移獲得240個數(shù)據(jù)每次旋轉(zhuǎn)1度共重復(fù)180次檢測一個層面4-5min第三章X射線計算機體層成像47窄扇形束掃描平移-旋轉(zhuǎn)（T/R）方式特點：直線多路筆形掃描束探測器3-52個每次旋轉(zhuǎn)3-30度檢測一個層面20-120S第二代CT第三章X射線計算機體層成像48旋轉(zhuǎn)-旋轉(zhuǎn)（R/R）方式特點：扇形掃描束連續(xù)或脈沖方式的X射線環(huán)形陣列探測器300-800個每次旋轉(zhuǎn)360度檢測一個層面3-5S第三代CT第三章X射線計算機體層成像49靜止-旋轉(zhuǎn)（S/R）方式特點：扇形掃描束連續(xù)或脈沖方式的X射線環(huán)形整圈探測器探測器共600-1500個球管每次旋轉(zhuǎn)360度檢測一個層面1-5S第四代CT第三章X射線計算機體層成像50傳統(tǒng)CT掃描的缺撼1單電纜供電X射線管不能進行連續(xù)的掃描2單次掃描結(jié)束后要停止掃描，并回到掃描的起始位置3延緩了全部掃描工作的時間，且存在斷層間的間隔

三、X線-CT的掃描方式

第五代CT－實現(xiàn)對動態(tài)器官的掃描采用電子控制的非機械式同步掃描動態(tài)空間重現(xiàn)機DSR特點：28個球管排成半圓形160度相對的有28個視頻成像系統(tǒng)熒光屏+電視攝像系統(tǒng)使用電掃描方式控制球管依次曝光每10毫秒可采集14幅圖像1S內(nèi)重復(fù)60次，可達840幅圖像DynamicSpatialReconstructor

三、X線-CT的掃描方式

第五代CT超高速CT掃描機(電子速CT)UFCT:UltrafastCTScannerEBIS:ElectronicBeamImagingSystem4個緊挨的環(huán)狀鎢靶，半徑90CM，圍成210度兩排環(huán)形探測器陣列，半徑67.5CM，圍成210度第一個環(huán)864個探測器，第二個環(huán)432個探測器電子束掃描示意圖

四、X線-CT的一些基本參數(shù)

CT值(Hounsfield值)Water水Mamma乳腺Air空氣Bone骨Spleen脾Fat脂肪Pancreas胰腺Lung肺Kidneys腎AdrenalGland腎上腺Blood血Heart心臟Liver肝臟Intestine腸Tumor瘤Bladder膀胱100060400-100-200-900-1000以上是相關(guān)組織的CT值，單位為

Hounsfieldunit(HU)從公式得知:水的CT值為0空氣為–1000其他組織的值是根據(jù)水的相對值計算出來的。

CT圖像是灰度圖像，所以

，單位為HU。

若圖像的寬度X，圖像的高度Y，X×Y即為像素總和。

四、X線-CT的一些基本參數(shù)

CT圖像的像素表示—像素和像素值

數(shù)字圖像是用點陣來表示的，點稱為像素，點的亮度(灰度圖像)或顏色(彩色圖像)用像素值來表示：灰度圖像的像素表示彩色圖像的像素表示，RGB三元色CT值的定義范圍從-1000到+1000,但人眼僅能分辨30-40級灰階。窗口必須根據(jù)

相關(guān)顯象組織

來設(shè)置。LungWindow肺窗MediastinumWindow(縱隔窗/軟組織窗)窗口技術(shù)—窗位和窗寬

四、X線-CT的一些基本參數(shù)

Windowwidth窗寬(W):選擇窗位的灰階范圍。Windowcenter窗位(C):整個CT值范圍內(nèi)某一所選定的位置，確定的圖像顯示則以該CT值為中心。Hounsfield

unit+1000-10000WindowwidthW－窗寬WindowcenterC－窗位灰階顯示W(wǎng)hiteBlackCT窗口技術(shù)

四、X線-CT的一些基本參數(shù)

NarrowWindowWidth窄窗寬BroadWindowWidth寬窗寬窄窗寬:適用于軟組織部位,如腦和腹部。但窗寬以外的結(jié)構(gòu)就不能正確的被反映出來。寬窗寬:適用于對比度較大的部位，如肺和骨骼。密度差別較小的組織不易顯示。

四、X線-CT的一些基本參數(shù)

Hounsfield

unit+1000-10000Window1窗位GrayscaledisplayWhiteBlackCTWindowingWindow2雙窗技術(shù)把兩種CT值相差較大的組織在同一窗口中顯示,例如肺和縱隔(軟組織)。

四、X線-CT的一些基本參數(shù)

雙窗技術(shù)一幅圖像上同時觀測肺和縱隔。*雙窗不推薦用于診斷。

四、X線-CT的一些基本參數(shù)

LungWindow肺窗Mediastinum

Window縱隔窗DoubleWindow雙窗Image2:僅觀察肺。Image1:同時觀察肺、胸腔和縱隔。Image3:僅觀察縱隔和胸腔。

四、X線-CT的一些基本參數(shù)

四、X線-CT的一些基本參數(shù)

分辨率

顯示分辨率：包括顯示器分辯率和膠片分辨率

對比度/密度分辨(contrast/DensityResolution)

空間分辨率(SpatialResolution)

四、X線-CT的一些基本參數(shù)

對比度

表示不同物質(zhì)密度差異、或?qū)射線透射度微小差異的量。表現(xiàn)在圖像上，是灰度間黑白程度的對比。相對對比度

四、X線-CT的一些基本參數(shù)

對比度/密度分辨率CT像表現(xiàn)不同物質(zhì)的密度差異的能力，常用能分辨的最小對比的數(shù)值表示。典型CT對比度分辨率為0.1%~1%影響因素：X射線能量噪聲窗寬窗位的選擇CT機檢測對比度分辨力的方法：給低密度體膜做CT，然后對其CT像做主觀的視覺評價

四、X線-CT的一些基本參數(shù)

線度與對比度：

高對比度下，即物體與周圍環(huán)境的線形衰減系數(shù)差別較大時，物體線度不是很大時，就可能被識別和分辨出來。低對比度下，即物體與周圍環(huán)境的線形衰減系數(shù)差別較小時，物體線度需較大時，才可能被識別和分辨出來。高對比度分辨力...在

HighContrast情況下區(qū)分相鄰最小物體的能力,(又稱“HighContrastResolution”)常用多少線對/厘米，即LP/CM來表示。

四、X線-CT的一些基本參數(shù)

高對比度：物體與周圍環(huán)境的X射線線形衰減系數(shù)差別的相對值大于10％。低對比度情況下分辨物體微小差別的能力(又稱“LowContrastResolution”)。受影像清晰度

&

噪聲影響。低對比度分辨力...

四、X線-CT的一些基本參數(shù)

低對比度：物體與周圍環(huán)境的X射線線形衰減系數(shù)差別的相對值小于1％?？臻g分辨率CT像分辨兩個距離很近的微小組織結(jié)構(gòu)的能力，是空間分布上表征圖像分辨物體細節(jié)的能力。軸向分辨率：由層厚決定，傳統(tǒng)CT:3~15mm;

多層CT：0.6mm左右。橫向分辨率：由束高、束寬（準直器孔徑）決定，

0.5mm左右檢測空間分辨率的方法：用高密度模體做CT，然后對其CT像做主觀視覺評價。第三章X射線計算機體層成像69空間分辨率清晰度-影像清晰度即物體周圍相關(guān)組織的銳利度

清晰度影響因素掃描時間層厚球管焦點尺寸采樣頻率重建算法噪聲...

在均勻物質(zhì)的影像中，表示給定區(qū)域的各CT值對其平均值變化的量?？捎孟笏谻T值的標準偏差來表示：第三章X射線計算機體層成像71噪聲的影響因素kVmAs重建算法層厚操作方式像素大小噪聲顯示矩陣噪聲：可影響圖像質(zhì)量！206mA60mA

越小的噪聲越容易識別微小密度差別的組織結(jié)構(gòu)。如在軟組織為主的肝臟部位，需要提高掃描劑量，以能分辨肝臟內(nèi)微小的病變；而在肺或內(nèi)耳的檢查中，可適當降低掃描條件，因為這些部位本身具有較高的對比度，少量的噪聲不會影響診斷。

mAs(劑量)建議

...管電壓-kV越高的電壓越多的射線頻譜轉(zhuǎn)移到

高能量水平，最終減少輻射衰減。這在骨和造影劑中是顯而易見的。140kV80kV

邊緣增強(HighRes-快速重建)重建算法能產(chǎn)生好的邊緣銳利度(空間分辨率)，同樣也會產(chǎn)生高的噪聲水平，而用平滑重建算法則產(chǎn)生低的噪聲水平，但邊緣銳利度較差。作為常規(guī)診斷推薦用標準算法。重建算法3mmSlice10mmSlice層厚...對于軟組織來講厚的層厚能提供低噪聲、高密度分辨率的圖像。5mmSlice1mmSlice對于骨組織來講薄層厚能提供更好的空間分辨率。層厚...層厚選擇層厚厚，意味:層厚薄，意味:

選擇適當層厚是邊緣銳利度(空間分辨率)和噪聲的平衡，因為他們相互制約。低噪聲更好的密度分辨率邊緣銳利度(空間分辨率)較差部分容積效應(yīng)高噪聲密度分辨率差更好的邊緣銳利度(空間分辨率)無部分容積效應(yīng)均勻性

描述在斷面不同位置上的同一種組織成像時，是否具有同一平均CT值的量。國標定義：在掃描野中，勻質(zhì)體各局部在CT圖像上顯示出的CT值的一致性。第三章X射線計算機體層成像80X-CT圖像的偽像偽影-由于設(shè)備或病人所造成的、物體中并不存在的影像。系統(tǒng)測量誤差X射線受檢體成像裝置測量失準等引起漸暈偽像，部分容積偽像由X射線質(zhì)量所引起受檢體移動產(chǎn)生運動條紋偽像參數(shù)選擇不當、重建算法不完善等圖像偽影

-什么樣？

圖像偽影

紋狀直線狀

條狀環(huán)狀運動偽影

&掃描時間運動偽影嚴重適中短長掃描時間

(s)經(jīng)驗得知:

越短的掃描時間，發(fā)生運動偽影的概率越小.運動偽影

&校正運動偽影可以用運動偽影重建算法(MCA)進行補償金屬偽影金屬，例如黃金，幾乎完全吸收X線輻射，應(yīng)此產(chǎn)生“放射狀的陰影”，從而在整個重建圖像上導(dǎo)致顯著的條狀偽影。部分容積效應(yīng)5mm

條紋狀偽影，也稱部分容積偽影，經(jīng)常發(fā)生在多骨組織結(jié)構(gòu)。

這是因為高原子序數(shù)或吸收系數(shù)大的物體(骨骼)僅僅部分在被斷層面里,resultinginhighcontrasterrors.1231235mm

2mm選擇薄的層厚能預(yù)防偽影的發(fā)生,因為高對比度組織結(jié)構(gòu)只有一小部分被包括；但同時卻增加了噪聲水平，等于損失了密度分辨率。部分容積效應(yīng)VAR-容積偽影減少2x2mm結(jié)合幾個薄的層厚(減少部分容積偽影)來形成厚的層厚(減少像素噪聲并提供最佳密度分辨率)。5mm射線束硬化效應(yīng)由X線球管發(fā)出的X射線束是具有不同能量的、連續(xù)的光譜，通過物體后光子能量的改變由該物質(zhì)的衰減系數(shù)決定，而有效能轉(zhuǎn)移到高端一值這一現(xiàn)象，稱為“線束硬化”.在所看到的圖像中表現(xiàn)為條狀或環(huán)狀

偽影。線束硬化

&校正

“環(huán)狀”偽影可以用“線束硬化校正”補償。嚴重的環(huán)狀偽影homogeneousCTvalues掃描系統(tǒng)誤差由于環(huán)境、系統(tǒng)本身等種種原因，對相同強度的入射X線，探測器不可能始終輸出同樣的掃描信號。當探測器輸出錯誤信號甚至無信號，會導(dǎo)致圖像中的“環(huán)狀偽影”。偽影

&校正偽影的原因各式各樣，我們所能做的是以相應(yīng)的校正技術(shù)來防止偽影。但有時偽影不能完全被補償。沒有十全十美的東西...Butwekeeponworkingtoreducethemasmuchaspossible!CT影像質(zhì)量標準CT影像質(zhì)量空間分辨率密度分辨率偽影影響CT圖像質(zhì)量?

四、X線-CT的一些基本參數(shù)

機架床高壓發(fā)生器控制臺計算機從外表來看...控制臺計算機床機架高壓發(fā)生器

五、X線-CT的組成

第一臺SiemensCT掃描儀...圖像獲取時間7分鐘,圖像矩80x80像素,掃描野25cm,空間分辨率1.3mm(4LP/cm)。SIRETOM(in1974)CT機架?從內(nèi)部看...球管探測器DAS*球管探測器DAS*DataAcquisitionSystem(數(shù)據(jù)獲取系統(tǒng))

五、X線-CT的組成

X線管與X線機的X線球管相比1、額定功率、熱容量要大得多。2、冷卻裝置采用高速旋轉(zhuǎn)陽極(轉(zhuǎn)速10000rpm以上)，以及油循環(huán)技術(shù)。3、目前CT中使用X線管的最大功率為100kW。4、脈沖工作方式。柵控式柵控陽極X線管(即在X線管靠近燈絲附近做一個專門的控制柵極)。5、管電壓和管電流必須有足夠的穩(wěn)定度。探測器-----閃爍探測器

氙探測器有很好的穩(wěn)定性和短的響應(yīng)時間，而且沒有余輝問題。然而它們的轉(zhuǎn)換效率要低于固態(tài)探測器，僅為35%~45%。探測器-----氣體電離室探測器DAS(DataAcquisitionSystem)CT床及控制?高壓控制器主要包括：KV控制板MA控制板顯示面板MA調(diào)整板曝光控制板旋轉(zhuǎn)陽極啟動板高壓油箱(變壓器)整流濾波電路變頻電路操作控制臺與計算機操作控制臺與計算機CT真好!但仍然存在很多問題...

六、螺旋X線-CT介紹

常規(guī)CT...常規(guī)掃描方式的缺點：1、需要較長的掃描時間2、成像中會產(chǎn)生遺漏人體某些組織的情況3、不能準確地重建三維圖像和多方位圖像4、使用造影劑掃描時，在造影劑的有效時間里，只掃描了有限的幾個層面。緩慢呼吸由于不同層次呼吸而導(dǎo)致的漏診。常規(guī)CT存在的問題...深呼吸不能準確地重建三維圖像和多方位圖像層厚定位選擇所引起的問題...

因為不在層厚里面所以引起病變的遺漏...一只老鼠...2D層厚3D容積

常規(guī)

vs.螺旋

CT...

第三章X射線計算機體層成像112供電方式采用滑環(huán)技術(shù)不使用電纜供電螺旋CT優(yōu)勢掃描方式X線管能連續(xù)地沿著一個方向轉(zhuǎn)動第三章X射線計算機體層成像113螺旋CT在掃描過程中，X線管連續(xù)地圍繞受檢者旋轉(zhuǎn)，與此同時承托著受檢者的病床勻速的向機架的掃描孔內(nèi)推進(或勻速地離開掃描孔)，這樣X射線束在受檢者身上勾畫出一條螺旋線軌跡，因此稱之為螺旋CT。

螺旋線限定了人體組織的一段容積，所以這一技術(shù)也叫作容積掃描。

Continuouslyrotatingtube/detectorsystem -球管/探測器連續(xù)旋轉(zhuǎn)。

Continuousradiation-連續(xù)投照。

Continuousdataacquisition-連續(xù)數(shù)據(jù)獲取。