X射线特性研究及XCT

序言X射线的产生X射线与物质的相互作用X射线影像1895年，伦琴发现X射线1896年2月，苏格兰医生约翰·麦金泰在格拉斯哥皇家医院设立了世界上第一个放射科。1901年，伦琴因发现X射线而获得首届诺贝尔物理学奖WilhelmConradRoentgen://bbs.instrument.com.cn/shtml/20101204/2977333/1896年的广告描述了一种名为科勒的解毒剂的治疗头疼的方法，它是通过使病人暴露在X射线下而达到治疗效果，虽然这种药物并不发出任何X射线。年美国总统西奥多罗斯福在威斯康星州密尔沃基遭遇暗杀未遂后胸腔的图片艺术历史学家常常利用X射线窥视刚完成的油画表面的深层图像，比如卡拉瓦乔17世纪的杰作“牧羊人的崇拜”，展示了油画的草图，并能从中发现艺术家在绘画过程中的变化。用X射线观察古埃及猫棺材里面的猫用X射线太空望远镜拍摄的太空照片年2月国家地理发布的广告大力赞美所谓的X射线照明的优点://bbs.instrument.com.cn/shtml/20101204/2977333/轫致辐射特征辐射钼的能级图钼的X光发射光谱图X光管光电效应康普顿效应电子对效应窄束单能X射线在物质中的衰减规律为：deII00.00.51.01.52.02.53.00200400600800100012001400Intensity(arb.unit)d(mm)X射线透过不同厚度铝板后的强度变化1963年，A.M.Cormack提出用X射线数据重建图像的数学方法1971年，G.N.Hounsfield设计并扫描出第一幅具有诊断价值的头部X-CT像1974年，第一台全身扫描的X-CT研制成功,并安装于美国乔治镇大学医疗中心1979年，Cormack和Hounsfield获得诺贝尔生理学或医学奖运用物理技术，以测定X射线在人体内的衰减系数为基础，采用数学方法，经计算机处理，求解出衰减系数值在人体某剖面上的二维分布矩阵，转变为图像画面上的灰度分布，从而实现重新建立断面图像的现代医学成像技术。本质：衰减系数成像指导思想：如何确定衰减系数值在人体某剖面上的二维分布断层与解剖断面断层：受检体内接受检查并欲建立图像的薄层，又称之为体层。断层有一定的厚度，它的两个表面可视为是平行的平面。解剖断面：断层标本的表面。体素与像素体素：在受检体内欲成像的断层表面上，按一定大小和一定坐标人为地划分的很小的体积元。对划分好的体素要进行空间位置编码（或说坐标排序），这就形成了具有坐标排序的体素阵列。重建CT像的任务就是要求出每个体素的衰减系数值，从而获取衰减系数值在欲成像断层上的分布矩阵。像素：在图像平面上划分的很小的单元，它是构成一幅图像的最小点，是构成图像的基本单元。同样大的图像，像素划分得越多，像素就越小，图像画面就应越细腻，携带的生物信息量就应越大。像素与体素在坐标上要一一对应。一般体素的大小：长和宽：1-2mm，高（体层厚）：3-10mm扫描与投影扫描：用X射线束以不同的方式、按一定的顺序、沿不同的方向对划分好体素编号的受检体断层进行投照，并用高灵敏度的检测器接收透射体素阵后的出射X线束强度。投影：把投照受检体后出射X线束的强度I称为投影，投影的数值称为投影值，投影值的分布，称为投影函数。μ2μ1μ3μn（1）μ值非连续变化)dμμ(μ0nn21IIennIId021ln)(niIId0lndnnnIIe1pIIdni0ln1I0II1I2I3InP称投影理论基础：X射线在物质中的衰减规律μ(l)P称投影或投影函数llpd)(p（2）μ值连续变化(一维)求解出衰减系数分布的思路联立方程法、迭代法、（滤波）反投影法1.先假设图像的每个像素具有适当的相同初始μ值2.然后从某个给定视角计算该方向的投影值,并把它与实际测出投影值进行比较,根据其差值计算出修正值修正值=投影差值/n,n:矩阵的行数或列数3.把修正值加到相关的像素μ值中,完成一次迭代4.对其他的不同视角重复进行上述过程,并完成一次次迭代;直到修正值为零或很小.像素的μ值逐渐逼近真实值f1=5f2=8f3=7f4=30000812111513100065.565.511.511.5f1=5f2=8f3=7f4=36.756.255.254.7581211151310587311.511.5反投影法利用投影数值近似地复制出μ值的二维分布。把各个方向得到的投影值沿反方向反馈到相应方向的体素中,并把各个投影值迭加,然后把每个像素的μ值减去底数,再除以它们的最大公约数,使各体素μ值间为简单的比例.最后得到各体素的μ值.反投影法的缺点:星状伪影；优点为重建速度快滤波反投影法:将投影信号进行滤波处理,使信号两侧各加一个正\负脉冲,然后再进行反投影计算.123446461554131619220045090033771350减基数10化简基数等于所有体素特征的总和5235369121234反射投影法图解滤波反射投影法图解钉子射线源检测器扫描区钉子射线源检测器扫描区第二次反投影滤波信号反投影与滤波反投影比较图第二次反投影脉冲信号CT值：表示像素所对应的体素对X射线平均衰减量大小灰度显示：灰度分布显示CT影像。空气脂肪水血液脑白质脑灰质凝固血致密骨-1000-80~-10001222~3236~4656~761000窗口技术：CT机放大或增强某段范围内灰度的技术图像再加工技术：用一定的数学模型对图像进行变换对CT值进行数学变换和计算图像加减图像缩放多幅显示旋转位移图像过滤2窗位minmaxCTCT窗口窗位(windowlevelW.L)窗宽(windowwidthW.W)窗宽=CTmax－CTmin观测组织CT值范围范围以下压缩为全黑范围以上增强为全白1）窗口(Window)技术增强的灰度范围对应灰度范围上下限之差窗口中心灰度值（a）软组织窗W=350,L=40（b）肺窗W=1500，L=-600用两种窗宽窗位，以便观察不同CT值范围的组织。对比度模糊与细节可见度噪声与信噪比伪影畸变平移采集160个数据*旋转180°每次扫描共采集28800个数据；计算80×80矩阵的图像，6400个像素；一个断层约需5min缺点：射线利用率极低，扫描速度很慢，只适用于无体动器官的扫描。扇角：15°-20°；步幅：5°-10°；X球管1个，检测器20-30个；一个断层需10-60s；缺点：由于监测器排列成直线，对于X射线发出的扇形束，中心射束和边缘射束的测量值不等，需要校正。一个断层需约5s；应用范围：全身（心脏除外）缺点：要对每个相邻监测器的接收灵敏度差异进行校正，否则由于同步旋转扫描运动产生伪像。一幅图像约需2s;应用范围：全身。特点：扫描时间短，较好消除运动伪影。传统CT扫描的技术缺憾扫描床静止电缆供电不能连续扫描时间延缓断层间隔环形靶体的X射线管和静止排列的检测器环时间约50-100ms应用范围：心、肺等动态器官扫描方式：X线管绕被查人体匀速单向旋转，人体匀速前进供电方式：滑环（slipring)技术，电刷与滑环平行滑动接触优点：①扫描速度高，减少运动伪影②无采集数据遗漏：容积数据，任意位置、任意方位重建图像。对原始螺旋投影数据进行插值处理得到重建平面投影数据。线性内插法(linearinterpolation,LI)全扫描内插法(full-scanwithinterpolationFI)半扫描内插法(half-scanwithinterpolation,HI)(a)16排检测器，检测器宽度1.25mm；(b)34排检测器，靠中央四排宽度为0.5mm，其他30排均为1mm;(c)8排检测器，从中央向两边宽度分别为1mm、1.5mm、2.5mm、5mm多层面螺旋CT传统CT机是X射线管和检测器绕人体一周获得一副人体断层图像，而多层面螺旋CT则旋转一周同时可以获得2副以上图像。检测器在Z轴方向的数目从一排增加到几排直至上百排。普通CT和单层CT只有一个DAS，而多层螺旋CT则有4~64个DAS。每个DAS能独立完成一个层面图像数据的采集。按DAS与检测器的匹配方式不同，通过电子切换可得4层、16层或64层图像等。多排结构的检测器可以通过不同的组合方式，获得不同层厚的多层扫描图像。例如16排对称型检测器每排宽度为1.25mm，可获得不同层厚系列为1.25mm4,2.5mm4,3.75mm4,5mm4,10mm2。通过电子开关将数据传给数据采集系统DAS。(1.251)4(1.252)4(1.253)4(1.254)4(1.258)2MSCT显示腹主动脉机架旋转90即可获得180数据检测器组均采用不对称模式主辅检测器组两射线管在XY平面上间隔90两个X射线源和两套检测器采集数据（dualsourcecomputedtomography，DSCT）双源螺旋CT双源CT示意图常规检查或非心脏冠状动脉检查只需一个射线源放射剂量却只有常规CT的50%极大提高对组织特征的分辨力全自动减影算法将血管与骨骼相分离探头由多层检测器和滤线层组成能够同时探测低能和高能X射线两个X射线管的管电压分别为80kV和140kV双能量技术X-CT优点：1、真正断面像：准直系统准直，无层面外组织结构干扰软件处理重建，获得诊断所需多方位像2、密度分辨力高：严格准直，灵敏探测器；窗口技术，灰阶可调节；无断层外干扰3、可做定量分析：测量μ值，定量分析X-CT缺点：1、空间分辨力仍低于常规X线检查2、不是所有脏器都适合CT检查（如空腔性脏器、胃肠道）3、CT定位、定性诊断的准确性仍受各种因素的影响:病变部位、大小、性质、病程长短）4、不能反映脏器的功能、生化信息（基本上只反映解剖学方面的性质）X-CT机X-CT控制台脑内出血区呈高密度影，CT值约45-90HU之间实质性肿瘤CT为高密度影囊性肿瘤为低密度影数码相机Pixel200-3401024x10000.25mm0.048mm,48mCMOS传感器与USB模块CMOS传感器CT得到的图像参考文献：冀敏、陆申龙.医学物理学实验.人民卫生出版社.2009.92-99吉强、洪洋等.医学影像物理学.人民卫生出版社.2000.5-71顾本立、万遂人、赵兴群.医学成像原理.科学出版社.2012.17-131百度文库