第四章-计算机X线体层成像

第四章计算机X线体层成像医学影像成像原理医学影像成像原理医学影像成像原理第一节概述第二节CT成像原理第三节CT数据采集与扫描方式第四节CT图像重建第五节CT图像处理第六节CT图像质量学习目标1.掌握CT图像特点、CT成像原理（物理原理、数据采集原理与CT图像重建原理方法）、普通CT与螺旋CT成像理论的区别；2.熟悉影响CT图像质量的因素及CT图像处理技术；3.了解CT简史、双源CT与能谱CT。第一节概述一、CT成像的特点（一）CT成像优势1．断面图像2．密度分辨率高CT的密度分辨率比常规X线检查高20倍3．可做定量分析CT能够准确地测量各组织的X线吸收衰减值，通过各种计算，做定量分析4．可进行各种后处理（二）CT局限性和不足1．空间分辨率不如常规的X线成像2．并非对所有脏器都适合3．目前不能进行功能成像二、CT成像的基本参数1．体层2．层厚3536393433313433353231808590783．图像矩阵4．像素5.体素6．CT值以吸收系数为依据，用CT值来表达人体组织密度的量值。CT值可用公式表示为：式中，K是分度因数，常取为1000。CT值的单位为“HU”KCTwwx值w1000-100007．灰度8．灰阶CT影像形成9．窗口技术是将全范围CT值分时分段进行显示技术。被显示灰阶的范围称为窗宽（W），其中间值称为窗位（C），窗宽以外的CT值不显示。显示CT值范围：C-W/2（下限）~C+W/2（上限）SinogramIdealImageProjectionProjection10．部分容积现象11．投影12．扫描13．扫描方式三、CT的临床应用CT机发展到今天，已经可以广泛应用到全身的任何一个部位的检查上。第二节CT成像原理控制台计算机床机架高压发生器一、CT机的基本硬件CT机的基本硬件，主要包括扫描机架系统计算机系统外围设备球管探测器DAS（一）扫描机架系统扫描机架系统内部包括X线球管高压发生器探测器准直器A/D转换器准直器（二）检查床（三）高压发生器（四）中央控制台（五）辅助设备（六）计算机及软件计算机系统一般由主控计算机和阵列计算机两部分组成。主控计算机的作用是：①控制和监视扫描过程，并将扫描数据送入存储器；②CT值的校正和输入数据的扩展；③与操作者对话并控制扫描等信息的传送；④图像重建的程序控制；⑤故障诊断及分析。列阵处理机主要的任务是在主控计算机的控制下，进行图像重建等处理。二、CT成像过程（二）CT成像原理三、CT成像原理吸收系数μ受X线波长、物质原子序数Z和密度ρ的影响。因此，必须对CT图像重建过程中的X线硬化效应要进行校正，减小由X线束硬化效应造成的CT图像不均匀性。线束硬化效应第三节CT数据采集与扫描方式一、CT数据采集的基本原理（1）CT数据采集基本原理CT数据采集目的是获取重建图像的原始数据。CT成像的数据采集是利用X线管和检测器等的同步扫描来完成的。目前使用的CT机，有两种不同的数据采集方法①逐层采集法（非螺旋扫描）②容积数据采集法（螺旋扫描）在理解数据采样过程中，还必须注意：①X线管与探测器是一个精确的准直系统；②X线管与探测器围绕人体旋转是为了采样；③X线管产生的射线是经过有效滤过的；④射线束的宽度是根据层厚大小设置严格准直的；⑤探测器接收的是透过人体后的衰减射线；⑥探测器接收的衰减射线转换为电信号。扫描方式静止-旋转（S/R）单束平移-旋转（T/R）窄扇形平移-旋转（T/R）旋转-旋转（R/R）二.传统X-CT的扫描方式二、常规CT扫描方式1.单束平移-旋转（T/R）方式第一代CT特点：直线笔形扫描束单一探测器一次平移获得240个数据每次旋转1度共重复180次检测一个层面4-5min2.窄扇形束扫描平移-旋转（T/R）方式特点：直线多路笔形扫描束探测器3-52个每次旋转3-30度检测一个层面20-120S第二代CT3.旋转-旋转（R/R）方式特点：扇形扫描束连续或脉冲方式的X射线弧形阵列探测器300-800个每次旋转360度检测一个层面3-5S第三代CT静止-旋转（S/R）方式特点：扇形扫描束连续或脉冲方式的X射线环形整圈探测器探测器共600-1500个球管每次旋转360度检测一个层面1-5S第四代CT4.宽扇形束静止-旋转方式5.电子束CT第五代CT－超高速CT4个紧挨的环状钨靶，半径90CM，围成210度两排环形探测器阵列，半径67.5CM，围成210度第一个环864个探测器，第二个环432个探测器电子束扫描示意图CT真好!但仍然存在很多问题...普通CT...常规扫描方式的缺点：1、需要较长的扫描时间2、成像中会产生遗漏人体某些组织的情况3、不能准确地重建三维图像和多方位图像4、使用造影剂扫描时，在造影剂的有效时间里，只扫描了有限的几个层面。缓慢呼吸由于不同层次呼吸而导致的漏诊。常规CT存在的问题...深呼吸不能准确地重建三维图像和多方位图像层厚定位选择所引起的问题...因为不在层厚里面所以引起病变的遗漏...一只老鼠...2D层厚3D容积常规vs.螺旋CT...三、螺旋CT1．单层螺旋CT螺旋CT扫描方式产生于1989年，是在滑环扫描技术的基础上发展起来的一种新型扫描技术。供电方式采用滑环技术不使用电缆供电螺旋CT优势扫描方式X线管能连续地沿着一个方向转动滑环技术?螺距（pitch）定义为床速与扫描层厚的比值，一个无量纲的量。单层螺旋CT扫描层厚由准直宽度决定，和准直宽度一致。如果用d表示床速，S表示扫描层厚，则螺距可用下式表示：Sdpitch螺旋插值线性内插全扫描内插法360°线性内插半扫描内插法180°线性内插两圈螺旋数据内插一圈螺旋数据内插-0.500.51圈02圈-112．多层面螺旋CT多层面CT同单层螺旋CT相比在Z轴方向的探测器排大于２数据采集系统大于把２图像重建算法、计算机系统有较大改进单层螺旋CT与多层螺旋CT的比较目前探测器的排列方式有两种类型：一种是均等分配的等宽型（对称型排列），即在Z轴方向的多排探测器宽度是一致的另一类是探测器的宽度不均等分配的非等宽型（非对称型排列），这些组合是由探测器后面的电子开关来实现的，通过电子开关再将信号传递给数据采集系统（DAS）以四层螺旋CT为例，说明多层面CT的特点（1）探测器阵列四层螺旋CT具有四组通道的多排探测器阵列，分为对称型和非对称型两种。探测器的排列方式主要有以下三种：第一种：它在Z轴方向有16排探测器，每排探测器是等宽的。探测器的宽度相当于层厚为1.25mm。材料为稀土陶瓷。东芝公司的探测器沿Z轴方向有3４排，基本上也是等宽型的，只是靠近中央的4排为宽度0.5mm，其他的30排均为1mm等宽的探测器。第二种第三种Z轴方向有8排探测器，每排探测器的宽度不等，从中间向两边，其宽度分别相当于层厚为1、1.5、2.5、5mm。材料为超速陶瓷材料。（2）数据采集通道（3）X线束（4）层厚的选择（5）螺距多层面CT的螺距定义为床速与整个准直宽度的比值。用公式表示为：ｄ：床速Ｍ：层数S：准直器宽度SMdpitch（6）图像重建算法主要采用两种方法：优化采样扫描和滤过内插法优化采样扫描：是通过调整采样轨迹的方法来获得补偿信息、缩短采样间隔、增加Z轴上的采样密度来获得图像质量的改善。滤过内插法：基于多点加权非线性内插法，即通过改变滤过波形和宽度来自由调整切层轮廓外形的有效层厚及图像噪声，实现Z轴方向的多层重建。（7）智能扫描多层面CT与单层螺旋CT相比有很多优点：（1）提高了X线利用率（2）扫描速度更快（3）提高时间分辨力（4）提高Z轴空间分辨力，有利实现各向同性成像四、双源CT2005年在北美放射学会上推出的，它通过两个X线源和两套探测器来采集数据，全面拓展CT的临床应用。优势：双能量成像技术①利于分离血管、骨性结构、血管硬性斑块②利于显示肺动脉栓塞所致肺段的灌注减少或缺失及肺血管栓子③显示心肌的灌注情况④利于区分肌腱和韧带结构⑤辨别脑出血中的新鲜或陈旧性出血心脏扫描技术大范围扫描技术第四节CT图像重建CT图像重建方法（一）迭代法(二）傅里叶变换法（三）反投影法反投影法应用：若层面中间有一固定CT值的像素单元，图中分别沿0°、45°、90°、135°投射X线，获得投影数值而后叠加回矩阵重建出图像。但反投影图像重建的边缘失锐。反投影法的缺点：会造成图像边缘的不清晰。如果在一均匀组织密度内，存在吸收系数特异的部分时，反投影图像与真实图会出现伪差，而使重建圆图像的边缘部分模糊不清，如下图所示。（四）滤波反投影法采用卷积计算的滤波反投影法是当前CT成像中应用最为广泛，也称卷积反投影法。成像的过程可分成三步：预处理卷积反投影第五节CT图像处理一、图像处理功能（一）显示功能处理1.定位片为了对某一横断面定位，常采用X线管和检测器相对静止、使被检体纵向随扫描床均匀移动，且在运动中曝光，进行多幅单方向扫描，然后将这些线条数据合成全貌定位片。2．窗口技术将层面某局部范围内CT值分布用相对应的16灰阶显示。CT值分布与16灰阶一一对应，把局部范围内CT值的上限增强为全白（灰度为0），把CT值的下限压缩为全黑（灰度为16），灰阶对应的CT值数目减小，灰阶间的CT值相差变小，人眼能分辨出这细微差异，这相当于放大或增强了局部CT值范围内灰度显示的黑白对比，更容易区分出CT值分布的细微差异。窗口：被放大或增强的CT值灰度显示范围；窗宽（WW）：上限CT值和下限CT值之差，也就是显示器所显示的CT值范围。窗位（WL）：CT值范围的中心CT值：下图所示的是某一选定的窗宽、窗位及显示灰阶，图中所示CT值〝＋〞的方向是显示亮的方向；〝－〞的方向显示暗的方向。窗宽选择注意事项窗位通常以欲观察组织的CT平均值为参考；选择窗宽要考虑窗口中组织结构密度差异窄窗显示的CT值范围小，每级灰阶代表的CT值跨度小，有利于低对比组织或结构（如脑组织）的显示；宽窗每级灰阶代表的CT值跨度大，适用于密度差别大的组织或结构（如肺、骨质等）的显示。二、CT图像后处理技术(一)多层面重组（MPR）技术是在横断面图像上，任意画线使横断面的二维体素单元重组，得到该断面的二维重建图像，主要有冠状面、矢状面及任意角度的图像（二）最大密度投影与最小密度投影是指对容积数据中的数据，以视线方向作为投影线，把该投影线上遇到的最大（最小）像素值，投影到与视线垂直的平面上，然后重建，形成MIP图像。（三）表面阴影显示（SSD）预先确定ROI内组织结构的最高和最低CT阈值，然后标定ROI内的组织结构，经计算机重建程序处理，形成图像。常用于颌面部、骨盆、脊柱等解剖结构复杂的部位。（四）容积再现（VR）是利用全部体素的CT值，通过功能转换软件，进行表面遮盖技术并与旋转相结合，加上假彩色编码与不同程度的透明化技术，使表面与深部结构同时立体地显示。常用于支气管、肺、纵膈、肋骨和血管的成像，图像清晰、逼真。（五）仿真内镜显示（VE）计算机技术与CT结合而开发出仿真内镜功能。即从一端向另一端逐步显示管腔器官的内腔。进行假彩色编码，使内腔显示更为逼真。第六节CT图像质量一、CT图像质量评价①诊断学标准②物理学标准③成像技术条件④临床和相关的性能参数⑤受检者辐射剂量二、成像参数对CT图像质量的影响（一）扫描时间和扫描周期1．扫描时间指完成某体层面数据采集X线束扫描所需要的时间2．扫描周期指对一个体层平面扫描开始，完成一次扫描到下一次扫描开始所需的时间（二）扫描范围和体层厚度1.扫描范围指CT扫描被照体的最大区域。2.体层厚度指被检体在CT扫描、成像薄层的厚度。（三）对比度与对比度分辨力1.对比度：CT图像对比度表示组织器官的密度差异。2.密度分辨力也称低对比分辨力：(1)定义：为物体与均质环境的X线衰减系数差别的相对值小于1%时，CT图像能分辨该物体的能力。（2）影响密度分辨力的因素①剂量②扫描层厚③体素④重建算法一般密度分辨力在0.1%~