CT基本原理与概述

CT基本原理与概述陈瑞权CT：(COMPUTEDTOMOGRAPHY)以X线束对体部某一选定体层层面进行扫描,测定透过的X线量,数字化后经过计算得出该层面各个单位容积的吸收系数,然后重建图像的一种成像技术。1.CT的组成2.CT成像原理3.CT的发展过程CT机的组成X线发生装置X线检测接收装置机械运动装置计算机设备图像显示及存储装置工作站X线发生装置1.高压发生器2.X线管3.冷却系统4.准直器:调节层厚，减少辐射剂量，改善CT图像质量5.滤过器:吸收低能量X线，优化射线能谱，减少辐射剂量X线检测接收装置1.探测器2.数据采集系统DAS探测器作用：将X射线能转换为可供记录的电信号的装置，通过测量它接受的X射线量，然后产生与X射线量成正比的电信号。类型：①气体探测器：惰性气体-氙气电离，量子探测效率低，低端使用②固体探测器：X射线照射闪烁晶体使之瞬间发光，利用光电倍增管将这种闪烁晶体转换为电信号，再用电子线路和器件将它们放大并存储下来。几何利用率在50%-80%。闪烁晶体探测器（铊激活碘化钠晶体、铊激活碘化铯晶体、钨酸镉晶体）和稀土陶瓷探测器（宝石探测器：宝石加稀有元素-GE）③光子计数探测器数据采集系统DAS*模数转换器是CT数据采集系统（DataAcquisitionSystem，DAS）的主要组成部分。*CT最初探测到的是连续的随时间而变的模拟信号，可由电压表读取或由示波器显示，但无法被计算机识别。*模数转换器将来自探测器的输出信号放大、积分后多路混合变为数字信号送入计算机处理。机械运动装置1.扫描机架2.滑环3.扫描床扫描机架*机架与检查床相垂直。*机架内装有成像系统组件:滑环、X线管、高压发生器、准直器、探测器和数据采集系统等*机架孔径和倾斜范围在应用中较为重要:孔径:机架开口大小：多为70cm,最大80cm*机架须能倾斜，以适应不同患者情况和各种检查的需要，倾角:最大±30°滑环I.含义：CT扫描机架中去掉电缆，代以铜制滑环和导电碳刷，通过碳刷和滑环的接触导电,使机架作单向连续旋转，即滑环技术。II.结构形状：①盘状滑环:圆盘状，导通部分设在盘面上。②筒状滑环:圆筒状，导通部分位于圆筒侧面。III.传导方式:①低压滑环（大多数厂家都采用）。②高压滑环（易高压放电导致高压噪声）。扫描床*作用:运载患者,扫描定位*要求:承重:确保特殊体型患者的检查需要床面材料:由易被X线穿透、能承重和易清洗的碳素纤维组成驱动：磁悬浮气垫老式皮带*床纵向移动要求:平滑，精度高，绝对误差±0.5mm(高档机±0.25mm)与X线束射出同向位置上有定位光源:准确定位计算机设备1、主计算机：接收DAS的数字信号并处理重建成横断面的图像。2、图像重建计算机（阵列处理器）：在主计算机控制下，进行图像重建等处理。图像显示及储存部分1、监视器作用:通过键盘与计算机对话（包括患者资料的输入、扫描过程的监控等）和图像显示。2、存储器:硬磁盘、磁带、软盘和光盘等功能:存储图像、保存操作系统及故障诊断软件扫描原始数据存储于硬盘缓冲区;重建图像存入硬盘的图像存储区;磁带、光盘等存取图像通过硬盘作中介。CT图像的矩阵5122，一幅512×512字节的CT图像约需0.5MB的存储空间。工作站*工作站系统规模比微型机大*由于微型机（PC机）的硬件功能增强+图形图像处理软件，市场上许多基于微机的医学三维图像处理的计算机(也称作工作站，以表示功能强大)CT成像的基本原理x-线球管x-射线探测器检查物体CT数据采集：从不同投影方向获得扫描数据X线管围绕被检体旋转，X线按特定方式通过被检体横断面，探测器接收穿过人体的射线衰减信号送给计算机处理，经计算机重建处理形成被检体横断面图像X线管准直器人体准直器探测器A/D转换器计算机重建D/A转换器监视器CT图像激光打印机CT照片多幅相机CT照片采集信息系统影像信息产生经过部件及传递的过程成像原理CT图像原始数据由物理学的吸收定律(朗伯定律)可知，当一单色线束通过一密度均匀的小物体时，其能量因与物质的原子相互作用而减弱，减弱的程度与物质的厚度和组成成分或吸收系数有关，可用下式表达：I=IOe-µdIO：入射的X射线强度；I：穿过均匀密度物体后的X射线强度；µ：物质对该波长的线性衰减系数；d：穿过均匀密度物体的路径长度；e：自然对数底在X射线穿过的路径上，如果已知d、IO、In，则物体的衰减系数总和是可以计算出来的。这必须作出多方向投影,建立多个联立方程式，才能算出所有的衰减系数值来。CT采用横断面层面采样，形成图像的每一个像素衰减值都被单独与源射线比较计算，在重建时依照对应的像素位置和像素点不同的衰减值，使原组织密度一一还原；CT图像的重建过程，就是求每个小单元衰减系数的过程。N1N2N3Nnμ1μ2μ3μnΔxΔxΔxμmΔxI0InIm-1ImΔxX线方向上衰减系数μ值总和的测量CT影像的像素计算图像形成的重建阶段CT图像产生的第二个阶段就是图像重建阶段，这主要由阵列处理机进行处理。人体的每个体积元用一个象素来表示。每个象素用一个CT值来表示。校准滤波反投影球管体部探测器原始数据数据处理过程图像重建方法1.在2009年北美放射年会后，高端CT推出新的图像重建方法-迭代重建。迭代重建技术（IR)克服了滤波反投影(FBP)由于算法简单导致图像对噪声比较敏感和需要抑制伪影从而影响图像质量的弊端，一般可降低辐射剂量30%-70%,耗时，对计算机要求高2.各公司迭代重建算法名称*GE：自适应统计迭代重建（ASIR)和基于模型的迭代重建（MBIR)*西门子：图像空间迭代重建（IRIS)和原始数据迭代重建（SAFIRE)*东芝：自适应低剂量迭代重建（ADIR)*Philips:基于双模式迭代重建（iDose4)CT成像的相关概念体素与像素1、体素（voxel）为体积单位*CT扫描中，根据断层设置的厚度、矩阵的大小，能被CT扫描的最小体积单位*体素有三要素，即长、宽、高*通常CT中体素的长和宽都为1mm，高度或深度则根据层厚可分别为10、5、3、2、1mm等2、像素（pixel）又称像元构成CT图像最小的单位，与体素相对应，体素的大小在CT图像上的表现，即为像素。像素：组成二维矩阵图像的最小信息点像素是二维空间面积=长×宽大小与矩阵和FOV相关体素：组成层面图像的最小信息源体素是三维空间体积=长×宽×高（层厚）大小与矩阵、FOV和扫描层厚相关矩阵（matrix）：像素以二维方式排列的阵列。它与重建后图像的质量有关相同大小的采样野，矩阵越大，像素越多，重建后图像质量越高常用矩阵：5122和10242CT图像重建后用于显示的矩阵称为显示矩阵，通常为保证图像显示的质量，显示矩阵往往是等于或大于采集矩阵窗口技术窗宽/窗位在图像显示技术中称窗口技术。利用CT计算机灰阶的软件功能调节窗值适当显示兴趣区组织，适应人眼视觉灰阶范围的一种技术*窗位（L或C）：整个CT值范围内某一选定位置，图像显示以该CT值为中心*窗宽（W）：选定窗位的灰阶范围窗口技术抑制或去除噪声和无用信息，增强显示有用信息，但不能增加CT图像信息窗宽决定图像CT值的变化跨度，窗位则决定观察变化的区域如果图像的是12位深度则它的跨度为4096，即从-1024到+3071。一般当两个像素的灰阶相差60H时，人眼才能分辨出，为弥补人眼的不足，采用窗口技术。高于上限设定为全白，低于下限设定为全黑，这就增强了局部范围内不同CT值之间的对比度。不同的窗口条件下，显示人体的同一部位的图像效果C-W/2C+W/2窗口技术的调节原则：(1)宽窗宽(400-2000HU)：用于组织密度差别较大的部位，如肺和骨骼体部扫描，为显示脂肪、肌肉等软组织，采用窗宽350-600照相骨窗采用窗宽：1000-2000(2)窄窗宽(50-350HU)：用来区分组织密度较接近的图像，如脑和腹部颅脑图像的白质和灰质采用窗宽：80-100显示肝内高密度转移灶采用窗宽：100-250(3)窗位的设定：应取所需观察部位的平均值体部软组织的窗位：0-60肌肉和内脏器官增强扫描的窗位：60-150肺部的窗位：-300--550*重建（reconstruction）原始扫描数据经计算机采用特定算法处理，获得图像，称为重建或图像重建。*重组（reformation）①重组是不涉及原始数据处理的一种图像处理方法，如多平面图像重组、三维图像处理等②目前CT的三维图像处理是在横断面图像的基础上，重新组合或构筑形成三维影像③重组图像质量与已形成的横断面图像有密切关系，尤其是层厚的大小和数目④一般，扫描层厚越薄、图像数目越多，重组效果越好。卷积核（重建函数）：影响图像的分辨率和噪声对骨骼的细节感兴趣，可以用高空间分辨率的重建函数，强化边缘轮廓，但噪声大。对软组织的差异感兴趣，可以用平滑柔和的高密度分辨率的重建函数，噪声小。图像的过滤和重建噪声小，密度分辨率也低图像的过滤和重建噪声大，密度分辨率也高图像的过滤和重建在图像的锐利和噪声间达到平衡伪影*重建CT值与真实CT值间的系统差异。混淆伪影、截断伪影、风车伪影、部分容积效应伪影、射线硬化效应伪影、环形伪影、阶梯伪影、锥形线束伪影原因：X射线是非单能的散射线问题探测器和数据系统的非线性物体的运动测量误差焦点外辐射扫描物体金属存在X线量不足机架未对准扫描采样不足部分容积效应球管焦点漂移机械稳定性球管转子颤抖等部分容积效应：CT图像上各个像素的数值代表相应单位体积各组织CT值的平均数，它不能如实反映该组织内各个组织本身的CT值，而是这些组织衰减系数的平均值。扫描中，凡小于层厚的病变高密度组织中较小的低密度病灶，其CT值偏高低密度组织中较小的高密度病灶，其CT值偏低校正方法：薄层扫描选用窄的X射线束角度选用小的DFOV和大的扫描矩阵39螺距准直宽螺距：准直螺距和层厚螺距准直螺距和层厚螺距是4层螺旋CT出现后的不同计算方法。准直螺距(螺距因子）：扫描时准直器打开的宽度除以所用探测器阵列的总宽度，不考虑探测器的排数和宽度。如Siemens16层CT每排探测器宽度0.75mm，当旋转一周床移动12mm，16排探测器全使用，此时准直螺距为1（16X0.75mm=12mm,12mm/12mm=1)层厚螺距（容积螺距）：扫描时准直器打开的宽度（机架旋转一周扫描床移动的距离）除以扫描时所用探测器的宽度，并且乘以所使用探测器阵列的排数，着重体现扫描时所使用探测器的排数。如4层螺旋CT使用2排5mm探测器，床移动10mm，准则射线束宽度为10mm，层厚螺距为2（10mm/10mm=1,1X2=2)层和排*“层”（slice)和排（detector-row)是两个完全不同的概念。排：CT探测器在Z轴方向的物理排列数目，即有多少排探测器，是CT的硬性结构性参数。层：CT数据采集系统（DAS）同步获得图像的能力，即同步采集图像的DAS通道数目或机架旋转时同步采集的图像层数，是CT的功能性参数,决定同步多层采集图像的能力，代表DAS通道数目。*CT技术发展终将突破层和排的概念，但现阶段层更能精确的评价机器的性能。空间分辨力又称几何分辨力或高对比度分辨力（HCR）指在高对比度（目标和背景CT值差值大于100Hμ）情况下识别两个相邻物体的最小距离，即显示最小体积病灶或结构的能力。纵向分辨率是HCR在z轴方向的延伸。影响因素①有效探测器尺寸-制约HCR的根本-孔径大，HCR低。②像素点（FOV/矩阵）升高，HCR降低。③层厚大，HCR降低，噪声少。④采样间隔增大，HCR降低。⑤卷积函数形式—提高算法可以提高HCR。密度分辨率又称低对比度分辨率，指低对比度情况下（对比度小于1%）分辨物体微小差别的能力，通常以mm@%为单位影响因素①噪声越大，密度分辨率越小。②曝光条件高，光通量大，噪声小，密度分辨率大。③增加扫描层厚，光通量大，密度分辨率大。④选择平滑重建函数，减少噪声，密度分辨率大。纵向分辨率（Z轴分辨率）扫描床移动方向或人体长轴方向的图像分辨率，即扫描的有效层厚