CT成像技术概述

CT成像技术概述西安市中心医院放射科齐武刚X-CTcomputedtomographytomo:Greektomos[section]希腊语tomos[切面]graphy:Latin-graphia,fromGreek,fromgraphein.writingorrepresentationina(specified)mannerorbya(specified)meansorofa(specified)object.1972年英国EMI公司工程师Housfield发明了用于头颅诊断的X射线计算机断层摄影装置1975年EMI公司又成功研制出全身用的CT装置，获得了人体各个部位鲜明清晰的断层图像。Hounsfield和Cormack因发明CT获得1979年诺贝尔医学和生理学奖。CentralResearchLaboratories,EMILondonG.N.HounsfieldA.M.CormackTuftsUniversityMedford,MA,USAElectricandMusicalIndustries百代唱片公司尽管许多人提出了CT的思想，但是只有Hounsfield首先把这个思想概念发展为CT扫描机。1971年英国AtdinsonMorley医院安装了世界上第一台原形设备。并于1971年10月4日检查了第一个病人。传统的X射线装置的缺点影像重叠。深度方向上的信息至叠在一起，引起混淆。密度分辨率低，对软组织分辨能力低。所用剂量大。CT优点：断层成像密度分辨率高，对软组织分辨能力高。（相对于X射线成像术）投影剂量小（相对于X射线成像术）动态范围大（相对于X光片）存储方便X线医学图像是反映受照体内部结构及组织或器官之间的关系。从研究医学图像与人体内部结构关系角度分为：人体结构医学图像医学图像人体结构正解问题反解问题X线-CT成像装置主要由X线管、准直器、扫描机构、检测器、计算机、监视器等部分组成。(FromPicker)(FromSiemens)X线-CT成像装置两个主要装置是数据采集和计算机图像重建部分。各代CT扫描机1971年安装在Wimbledon医院。多属头部专用，有一个X线管和几个NaI晶体探测器组成，由于X线束被准直成笔形扫描束装置，又称为笔形扫描束装置。扫描时间3~5min，重建一幅图像需要5min。一个病人做6层CT，需要35min的时间。是基本能够满足人体头部的扫描图像，但腹部伪影严重。第一代（平移+旋转扫描方式）与第一代明显区别是笔形X线束改成扇形X线束，探测器数目也增加到3~30个。每次扫描后的转角由1度提高到3~30度，这样180的扫描时间缩短到20~90s。第二代（平移+旋转扫描方式）缺点：仍然不能避免腹部器官的运动伪影产生散射线没有分别被准直，结果使投向病人的部分射线照射在探测器的间隔中没有得到有效利用平移+旋转的方式限制了扫描速度。为减少运动时间而取消平移运动，使得X射线管和探测器作为整体指围绕病人作旋转运动进一步缩短了扫描时间。1975年GE首先推出这种方式的CT机第三代（旋转+旋转扫描方式）扇形角30~45度。1~5s是目前临床上应用最为广泛的一种CT机1976年，美国科学工程公司首先推出了第四代CT扫描机。用600个探测器排成圆周。扫描方式是探测器静止，只有X线管旋转。扇形线束角度也较大，单幅数据获取时间缩短。第四代（旋转+静止扫描方式）缺点：对散射线极其敏感，因此在每只探测器旁加一小块翼片作准直器。但这却浪费了空间，增加了病人所受的辐射剂量。探测器数量72000个，加大了成本，并且在扫描过程中并没有充分利用。只有极少量厂家生产扫描时间在毫秒级，可作心脏扫描。目前全世界生产的厂家只有美国的Imatron公司。两个固定环，每个固定环上有432个探测器，共864个。优点：时间分辨率高减少运动伪影增加造影剂使用率第五代（静止+静止扫描方式）各代CT比较第一代第二代第三代第四代第五代扫描方式笔束扫描扇束扫描运动方式平移/旋转方式连续扫描方式扫描时间3min10s~2min2.8s~10s1s~10s更快主要用途头颅扫描全身扫描，观察除心脏外的脏器可用于血管造影和心脏造影使用散热性能好的大容量X线管和高效率的检测器优点：扫描时间短扫描范围在20~30s内达到24~30cm，避免漏扫和重扫，提高了扫描的准确性。缺点：处理需要长时间，大容量存储容量噪声大诊视床运动产生的伪影螺旋扫描方式——螺旋CTCT新技术的应用CT血管造影术（CTA）三维图象重建介入CTCT仿真内窥镜CT在放射治疗的应用X线-CT成像的数据采集X线-CT成像系统的数据采集是利用X线管和检测器的同步扫描，由检测器检测到的X线光子转换为电流信号，经A/D转换成数字值，送入到图像计算机进行图像重建。X线与物质的相互作用干涉散射光电效应：入射X光子消失，全部能量传给原子的内层电子。康普顿效应：X线与原子外层电子相互作用。在CT中起主导作用入射线透射线散射线ComptonScatteringX线-CT成像中，物体对X线的吸收占主要的作用，忽略对X线的散射作用。物质对X线的吸收规律衰减系数u值既是物体种类的函数，又是X射线能量的函数。也就是说不同物质对单能X线而言u值的大小不同；对同一种物质而言，不同能量的X射线对应衰减系数的大小也互不相同。可见，只有单一单能窄束X射线束透射物体衰减时才有唯一准确对应的衰减系数值。然而，CT使用的是具有一定能谱宽度的连续X射线，而不同能量的X射线对应的衰减系数值大小不同，所以，在重建CT像过程中要确定每一体素的衰减系数值。线性吸收系数小，X线不易吸收。线性吸收系数大，X线容易吸收。X线-CT成像扫描装置要从不同方向上进行多次观测，即所谓的扫描（scanning），来获取足够的数据建立求解吸收系数的方程。由此，经X线-CT扫描装置获取足够的扫描数据后，X线-CT图像成像过程就转换求解数学方程解的过程。研究图像重建方法要求即能求出方程解，又能快速求解，这就需要计算机的计算。CT值吸收系数是一个物理量，可以赋予它代表具有生理含义的量值。在医学上，以吸收系数为依据，用CT值统一表达人体组织密度的量值。KCTWWX值如选用X线能量约为73KeV时，设定水的吸收系数为1，可得骨骼的吸收系数为1.9~2.0，近似为2，空气为0.0013，近似为0。人体组织CT值人体组织CT值骨密质1000脂肪-100钙质60水0脑白质36血液16脑灰质24凝固的血56~70螺旋扫描的优点：（1）可连续扫描，使扫描范围在24～30s内达到24～30cm，可满足绝大部分不同部位的CT检查，可在一次屏气中完成扫描，避免了漏扫和重扫；（2）由于避免了呼吸运动引起的扫描遗漏以及在选定位置及距离上进行回顾性重建的能力，所以提高了病灶检出率；（3）无层间隔扫描使扫描时间缩短，不但有益于危重病人的检查，而且在注射造影剂增强扫描时，可使全部扫描几乎在全部扫描都在增强高峰期内完成，不但能获得最佳增强效果，还可减少造影剂的用量；（4）提高了病灶密度测量的准确性；（5）任何部位均可进行多断面或三维图像重建；（6）扫描时间短，短时间内对危重病人进行快速功能性诊断。螺旋扫描的缺点：（1）诊视床运动产生伪影；（2）螺旋扫描图像噪声较传统CT标准扫描图像噪声高；（3）螺旋CT图像处理时间较长及需要大容量的存储能力；（4）仍受到最大扫描容积的限制（大多部位一次屏气完成扫描）；（5）需要病人很好地屏气配合。X线-CT图像质量评价描述CT图像质量的参数及影响因素1．空间分辨力2．时间分辨力（temporalresolution）3．噪声与X线剂量4．对比度和对比度分辨力CT图像与传统X线照片评价的比较1.CT图像没有严重的散射线的影响。2.CT图像没有影像重叠。3.CT图像中出现的伪影或干扰源的影响较严重。4.CT图像的空间分辨力在某种情况下，比传统的X线照片低。5.影响CT图像质量因素多且复杂。描述CT图像质量的参数及影响因素1．空间分辨力通常用测试卡或用MTF来得到系统中的截止频率是多少。影响因素：（1）X线束与检测器受照有效宽度大小有关。在相同的扇形X线署张角，排列的检测器越多，受照有效宽度小则图像分辨能力高。（2）图像重建算法对分辨力的影响。（3）图像矩阵对分辨力的影响。2．时间分辨力（temporalresolution）时间分辨力是衡量图像质量好坏的一个参数，但它不能从CT图像中直接阅读出来，它的作用是间接的。在CT问世的最初几年里，扫描时间（时间分辨力）获得了迅速进步。3．噪声与X线剂量图像噪声是评价图像质量的有用参量。在X线-CT成像过程中，在X线束的检测、数值变换和处理过程等会形成图像的噪声，影响图像质量。这些噪声主要有X线量子噪声、电气元件及测量系统形成的噪声和重建算法等所造成的噪声等。在X线-CT成像装置中，如果扫描一个均匀材料的物体，在一个特定区域中观察其CT值，就会发现这一特定区域内的CT值并不是一个固定值，而是围绕着某一平均值上下做随机分布，这种随机分布就是由成像装置产生所致。可以用在这一特定区域内计算噪声的标准差。设CT图像中感兴趣区域（RangeofInterest,ROI）内的标准偏差为：2)(1值值CTCTn其中n为感兴趣区域内像素数目；CT值为ROI内的实际CT值；CT值为ROI内平均CT值，值值CTnCT1利用上述标准偏差可以衡量成像系统总体的噪声水平。在多种图像噪声中，X线的量子噪声占的比重最大。X线的量子噪声是通过X线管发出的X线剂量大小、采用的过滤方法、断层厚度、物体中对X线的衰减及检测器的检测能力等方面反映出来。当图像噪声主要是X线的量子噪声影响时，并考虑到断层厚度、像素尺寸和X线剂量，以及物体线性吸收系数，用布劳克斯（Brooks）公式来描述噪声的标准偏差为：02hDWBCB=e-μd为物体的衰减因子μ为平均线性吸收系数d为物体厚度C为描述剂量效率的一个常数（小的C值相当高的剂量效率）W为像素宽度h为断层厚度D0为断层的最大皮肤剂量σ减少一半D0增加四倍减少噪声需要提高剂量效率减少物体的衰减因子增加像素宽度增加断层厚度增加X线的剂量噪声大小不变时，像素宽度减小半，则剂量需要增加四倍；保持同样的噪声水平，要使断层厚度减少一半，则剂量需要增加二倍。4．对比度和对比度分辨力对比度是描述CT图像对不同物质及密度差异大小的，是对不同物体密度的分辨能力。设a和b分别为CT值的最大值和最小值，定义对比度为：%100)()(baba相对对比度为：%100)(aba对比度分辨力是在感兴趣区域内观察细节与背景部分之间具有低对比度时，将一定大小的细节部分从背景中鉴别出来的能力。对比度是由于X线的质量决定的。对比度分辨力是由相应的X线-CT成像装置的噪声状况所决定的。典型的CT图像干扰1．成像系统测量误差成像系统测量误差是指成像装置检测系统，由于某个检测元件损坏或性能下降产生的噪声所引起的，或由于测量过程中有失误也可以造成成像系统中测量误差。如（1）.丢失一个测量值，产生图像某部分的不连续显像；（2）.丢失一个方向投影测量值，产生图像中明显的一道痕迹；（3）.当测量系统中某些部分如X线管及电子电路元件产生固有噪声干扰，主要是X线量子噪声干扰，会使CT图像的对比度分辨力下降；（4）.在测量时如果被测人体某部分超出测量断层区域，会在图像中出现晕现象，越靠向测量区边沿越严重。2．扫描及数据处理参数选择不当X线-CT成像装置的空间分辨力受着X线焦点与检测器有效宽度影响，在焦点与检测器有效宽度被确定下来时，还受到其他因素的影响，如卷积滤波函数等。如果检测器之间的距离、两个投影方向之间的夹角、断层厚度以及图像矩阵选择的参数不匹配，将会产生图像质量下降。如（1）.当检测器数量固定时，扫描射束的个数增加，将使扫描射束变细，造成图像质量下降；（2）.投影数的多少决定图像的质量；（3）.选择不合适的卷积算法会造成图像质量下降。3．伪影（Artifa