X射线计算机断层成像

1、第三章第三章 X射线计算机断层成像射线计算机断层成像 CT ( Computed Tomography ) 章节分布章节分布 1. X-CT历历史史 2. X-CT的基的基础础知知识识 3. 传统传统X-CT的的扫扫描方式描方式 4. X-CT后后处处理技理技术术 5. X-CT图图像的像的质质量控制量控制 6. 螺旋螺旋 CT 一一. X-CT历历史史 v1917年奥地利数学家雷当（年奥地利数学家雷当（Radon）：根据面投影到线并重建图像的计）：根据面投影到线并重建图像的计 算公式。算公式。 v1963年美国物理学家柯马克（年美国物理学家柯马克（A.M.Cormack）：在）：在“应用物理

2、杂志应用物理杂志” （Journal of Applied Physics）上发表了二篇题为）上发表了二篇题为“用线积分表示一函用线积分表示一函 数的方法及其在放射学上的应用数的方法及其在放射学上的应用”的系列文章。的系列文章。 v1967年至年至1970年间英国年间英国EMI公司的工程师豪斯菲尔德公司的工程师豪斯菲尔德 （G.N.Hounsfield）研制成功世界上第一台用于医学临床的）研制成功世界上第一台用于医学临床的X线线CT扫描扫描 机，于机，于1971年年9月被安装在伦敦的月被安装在伦敦的Atkinson-Morleys医院。医院。 v1972年利用这台年利用这台X线线CT首次为一名

3、妇女诊断出脑部的囊肿，并取得了世首次为一名妇女诊断出脑部的囊肿，并取得了世 界上第一张界上第一张CT照片。照片。 v1974年美国年美国George-town大学医学中心的大学医学中心的Ledly研制成第一台全身研制成第一台全身CT扫扫 描机。描机。 v为此为此Hounsfield和和Cormack共同获得了共同获得了1979年的年的诺贝尔生理和医学奖。诺贝尔生理和医学奖。 伦琴与伦琴与X-Ray 18951895年，年，X-RayX-Ray 第一次被发现第一次被发现 但解剖结构是重叠的但解剖结构是重叠的 而且软组织是不能区分的而且软组织是不能区分的 Hounsfield与第一张与第一张CT图

4、图 CT 消除了这些障碍消除了这些障碍. 3D 图像的合成图像的合成 CT影像质量的进步影像质量的进步. 二二.X-CT基础知识基础知识 CT扫描形成扫描形成 - “slice(断层断层)” 受检体内接受检查并欲建立 图像的薄层 断层两个表 面的其中一 个平面 解剖断面解剖断面 二二.X-CT基础知识基础知识 CT影像形成影像形成 “Voxel(体素体素)” 把层厚分成很小的体积单位称把层厚分成很小的体积单位称 “voxels(体素体素)” 通常体素长通常体素长 和宽都为和宽都为1mm, 与体积相对应；与体积相对应； 体素的大小在体素的大小在CT图像上的表现图像上的表现 即为即为 “pixel

5、s(像素像素)”。 二二.X-CT基础知识基础知识 数字矩阵以相应灰阶转换成黑白影像。数字矩阵以相应灰阶转换成黑白影像。 CT影像形成过程影像形成过程- A/D/A* *Analog - Digital - Analog 3536393433 3134333532 3180859078 二二.X-CT基础知识基础知识 扫描：扫描：X 射线束对射线束对 受检体断受检体断 层进行投层进行投 照照 投影：投照投影：投照 受检体后出受检体后出 射射X线束的强线束的强 度度 二二.X-CT基础知识基础知识 窄束X-ray的获取： 源源 散射光散射光 探测器探测器 铅准直铅准直铅准直铅准直 x 准直器吸收

6、散射线，通过后X-ray成为窄束X 射线 二二.X-CT基础知识基础知识 )( 0 )( 01 121 n i i nn x xx nn eIeIeII CT图像重建的数理基础（图像重建的数理基础（1） N1 N2 N3 Nn 1 12 23 3n n xxx m m I I0 0I In n x I Im-1 m-1I Im m x X射线通过非均匀介质射线通过非均匀介质： 二二.X-CT基础知识基础知识 CT图像重建的数理基础（图像重建的数理基础（2） 狄拉克函数（狄拉克函数（ 函数）函数） 00 0 0 (), ( ) () 0, b a f xaxb f xxx dx x 为其他值 其

7、投影可表述为如下形式：其投影可表述为如下形式： ( , )( , ) ( cossin)pRx yxyR dxdy 二二.X-CT基础知识基础知识 CT图像像素如何计算出来？图像像素如何计算出来？ 3 7 46 2 5 3 1 5 4 直接矩阵求解法直接矩阵求解法 逐次近似法逐次近似法(迭代法迭代法) 总和法总和法(逆投影法逆投影法) 卷积反投影法卷积反投影法 逐次近似法逐次近似法 (迭代法迭代法) 总和法总和法(逆投影法逆投影法) 逆投影法缺点逆投影法缺点 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 4 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 6 2 2 2 2 2 2 2 2 2

8、2 2 22222 2 2 2 8 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 22222 2 2 2 2 2 2 2 晕状效应晕状效应 滤波反投影法滤波反投影法 优点：消除了反投影法产生优点：消除了反投影法产生 的图像的边缘失锐的图像的边缘失锐 2 1.5 -0.5 3 -1 剖面数据剖面数据 滤波函数滤波函数 滤波后滤波后 剖面数据剖面数据 n x n n y z N k knn xyZ 1 滤波后的剖面数据滤波后的剖面数据 由下列公式得出：由下列公式得出： 3 3 3 -1 -1 -1 -1 -1 -1 6 -2 -2 2 2 -2 -2 2 2 9 -3 1 1 1 1 -3 1 1

9、12 0 0 0 0 0 0 0 0 二二.X-CT基础知识基础知识 CT值值CT影像中每个像素所对应的物质对影像中每个像素所对应的物质对X射线线性平均射线线性平均 衰减量大小的表示衰减量大小的表示。 - 1000 W W CTHU CT值的定义式值的定义式： 人体各组织CT值约为-10001000HU，即约有2000个CT值 二二.X-CT基础知识基础知识 灰度显示灰度显示在图像上，表现各像素黑白或明暗程度的量在图像上，表现各像素黑白或明暗程度的量 -1000 0 1000 传传 统统 C C T T 扫扫 描描 方方 式式 三三.传统传统X-CT的扫描方式的扫描方式 单束平移单束平移-旋转

10、（旋转（T/R）方式）方式 第一代第一代CT 特点：特点： 直线笔形扫描束直线笔形扫描束 单一探测器单一探测器 一次平移获得一次平移获得240个数据个数据 每次旋转每次旋转1度度 共重复共重复180次次 检测一个层面检测一个层面4-5min 窄扇形束扫描平移窄扇形束扫描平移-旋转（旋转（T/R）方式）方式 特点：特点： 直线多路笔形扫描束直线多路笔形扫描束 探测器探测器3-52个个 每次旋转每次旋转3-30度度 检测一个层面检测一个层面20-120S 第二代第二代CT 旋转旋转-旋转（旋转（R/R）方式）方式 特点：特点： 扇形扫描束扇形扫描束 连续或脉冲方式的连续或脉冲方式的X射线射线 环形

11、阵列探测器环形阵列探测器300-800个个 每次旋转每次旋转360度度 检测一个层面检测一个层面3-5S 第三代第三代CT 静止静止-旋转（旋转（S/R）方式）方式 特点：特点： 扇形扫描束扇形扫描束 连续或脉冲方式的连续或脉冲方式的X射线射线 环形整圈探测器环形整圈探测器 探测器共探测器共600-1500个个 球管每次旋转球管每次旋转360度度 检测一个层面检测一个层面1-5S 第四代第四代CT 传统传统CT扫描的缺撼扫描的缺撼 1 单电缆供电 X射线管不 能进行连续 的扫描 2 单次扫描结 束后要停止 扫描，并回 到扫描的起 始位置 3 延缓了全部 扫描工作的 时间，且存 在断层间的 间隔

12、 电子束扫描方式电子束扫描方式 第五代第五代CT 特点：特点： 14个球管排成半圆形个球管排成半圆形160度度 相对的有相对的有14个视频成像系统个视频成像系统 荧光屏荧光屏+电视摄像系统电视摄像系统 使用电扫描方式控制球管依使用电扫描方式控制球管依 次曝光次曝光 每每10毫秒可采集毫秒可采集14幅图像幅图像 1S内重复内重复60次，可达次，可达840幅幅 图像图像 电子束扫描结构示意图电子束扫描结构示意图 第五代第五代CT 超高速超高速CT扫描机扫描机 (电子速电子速CT) UFCT: Ultrafast CT Scanner EBIS: Electronic Beam Imaging Sy

13、stem 四四.X-CT后处理技术后处理技术 1.窗口技术窗口技术CT机放大或增强某段范围内灰度的技术机放大或增强某段范围内灰度的技术 Window width窗宽窗宽 (W):选择窗位的灰阶范围。选择窗位的灰阶范围。 Lung Window肺窗 Mediastinum Window (纵隔窗/软组织窗) maxmin CTCT窗宽 窗口必须根据窗口必须根据 相关显象组织相关显象组织 来设置来设置 Narrow Window Width窄窗宽 Broad Window Width宽窗宽 窄窄 窗宽窗宽: 适用于软组织部位适用于软组织部位,如脑和腹部。如脑和腹部。 但窗宽以外的结构就不能正确的但

14、窗宽以外的结构就不能正确的 被反映出来。被反映出来。 宽宽 窗宽窗宽: 适用于对比度较大的部位，适用于对比度较大的部位， 如肺和骨骼。密度差别较小如肺和骨骼。密度差别较小 的组织不易显示。的组织不易显示。 Window center窗位窗位 (C):整个整个CT值范围内某一所选定的位置，值范围内某一所选定的位置， 确定的图像显示则以该确定的图像显示则以该CT值为中心。值为中心。 Hounsfield unit +1000 -1000 0 Window width W 窗宽窗宽 Window center C窗位窗位 灰阶显示灰阶显示 White Black 窗位应根据窗位应根据观察组织观察组织

15、CT值的数值范围值的数值范围来选择来选择 双窗技术双窗技术* 一幅图像上同时观一幅图像上同时观 测肺和纵隔。测肺和纵隔。 *双窗不推荐用于诊断双窗不推荐用于诊断 图像的再加工处理图像的再加工处理 2.图像的放大和缩小图像的放大和缩小-为了扩展或缩小显示的视野为了扩展或缩小显示的视野 数据矩阵数据矩阵显示图像矩阵显示图像矩阵 缺点：产生数据的间断，出现图像粗糙现象缺点：产生数据的间断，出现图像粗糙现象 为了解决缺少数据的问题，采用两点平均插值为了解决缺少数据的问题，采用两点平均插值 0 y X a b c b-a c=a+ 2 两点平均插值示意图两点平均插值示意图 五五.X-CT图像的质量控制图

16、像的质量控制 1.分辨率分辨率 显示分辨率：包括显示器分辩率和胶片分辨率显示分辨率：包括显示器分辩率和胶片分辨率 空间分辨率空间分辨率(Spatial Resolution) 密度分辨率密度分辨率(Density Resolution) 空间分辨率空间分辨率 在在 High Contrast情况下区分相邻情况下区分相邻 最小物体的能力最小物体的能力, (又称又称 “High Contrast Resolution”) 受系统几何因素影响，决定影受系统几何因素影响，决定影 像清晰度，常用多少线对像清晰度，常用多少线对/厘厘 米，即米，即LP/CM 空间分辨率空间分辨率 清晰度清晰度-影像清晰度即

17、物体周围相关组织的影像清晰度即物体周围相关组织的锐利度锐利度 清晰度清晰度 影响因素影响因素 密度分辨率密度分辨率 低对比度情况低对比度情况下分辨物体微小差别的能力下分辨物体微小差别的能力 (又称又称 “Low Contrast Resolution”) 受影像受影像清晰度清晰度 & 噪声噪声影响影响 噪声噪声 我们在质量较差的电视机上可以看到重叠于图像上、有规律分布、小颗粒的我们在质量较差的电视机上可以看到重叠于图像上、有规律分布、小颗粒的 现象即为噪声。现象即为噪声。CT图像中噪声的产生与射线的剂量，也就是到达探测器上光子数图像中噪声的产生与射线的剂量，也就是到达探测器上光子数 量的大小有

18、关，射线剂量越大或光子数越多，噪声越小。均匀物体的影像中各像量的大小有关，射线剂量越大或光子数越多，噪声越小。均匀物体的影像中各像 素的素的CT值参差不齐，使图像呈颗粒性，直接影响其密度分辨率，尤以低密度的可值参差不齐，使图像呈颗粒性，直接影响其密度分辨率，尤以低密度的可 见度为甚，增加见度为甚，增加X线量可降低噪声线量可降低噪声。 206 mA60 mA 噪声的影响因素噪声的影响因素 kV mAs 重建算法重建算法 层厚层厚 操作方式操作方式 像素大小像素大小 噪声噪声 显示矩阵显示矩阵 图像噪声可用图像噪声可用CT值的标准偏差来表示或估计值的标准偏差来表示或估计: 2 () 1 i CTC

19、T n X-CT图像的伪像图像的伪像 伪影伪影-由于设备或病人所造成的、物体中并不存在的影像。由于设备或病人所造成的、物体中并不存在的影像。 系系统测统测 量量误误差差 X射射线线受受检检体体成像装置成像装置 测量失准测量失准 等引起渐等引起渐 晕伪像，晕伪像， 部分容积部分容积 伪像伪像 由由X射线射线 质量所引质量所引 起起 受检体移受检体移 动产生运动产生运 动条纹伪动条纹伪 像像 参数选择参数选择 不当、重不当、重 建算法不建算法不 完善等完善等 运动伪影运动伪影 & 扫描时间扫描时间 运动伪影运动伪影 严重严重 适中适中 短短长长 扫描时间扫描时间 (s) 经验得知经验得知: 越短的

20、扫描时间，发生运动伪影的越短的扫描时间，发生运动伪影的 概率越小概率越小. 运动伪影运动伪影 & 校正校正 运动伪影可以用运动伪影重建算法运动伪影可以用运动伪影重建算法 (MCA)进行补偿进行补偿 Before After 金属伪影金属伪影 金属，金属， 例如黄金，例如黄金， 几乎完几乎完 全吸收全吸收X线辐射，线辐射， 应此产生应此产生 “放射状的阴影放射状的阴影”， 从而在整个重建图像上导致从而在整个重建图像上导致 显著的条状伪影。显著的条状伪影。 可用倾斜机架角度避开或扫描前去除病人体外随带的金属可用倾斜机架角度避开或扫描前去除病人体外随带的金属 物质，以及使扫描层面避开金属性物体。物质

21、，以及使扫描层面避开金属性物体。 部分容积效应部分容积效应 5 mm 条纹状伪影条纹状伪影也称部分容积伪影，也称部分容积伪影， 经常发生在多骨组织结构经常发生在多骨组织结构。 这是因为高原子序数或吸这是因为高原子序数或吸 收系数大的物体收系数大的物体 (骨骼骨骼) 仅仅部分在被断层面里仅仅部分在被断层面里, resulting in high contrast errors. 1 2 3 123 部分容积效应部分容积效应 5 mm 2 mm 选择薄的层厚能预防伪影的发生选择薄的层厚能预防伪影的发生, 因为高对比度组织结构因为高对比度组织结构 只有一小部分被包括；但同时却增加了噪声水平，等于只有

22、一小部分被包括；但同时却增加了噪声水平，等于 损失了密度分辨率。损失了密度分辨率。 容积伪影容积伪影&校正校正 2 x 2 mm 结合几个薄的层厚结合几个薄的层厚 (减少部分容积伪影减少部分容积伪影) 来形成厚来形成厚 的层厚的层厚(减少像素噪声减少像素噪声 并提供最佳密度分辨率并提供最佳密度分辨率)。 5 mm 射线束硬化效应射线束硬化效应 由由X线球管发出的线球管发出的X射线束是具有不同能量的、连续的射线束是具有不同能量的、连续的 光谱，通过物体后光子能量的改变由该物质的衰减系光谱，通过物体后光子能量的改变由该物质的衰减系 数决定，而有效能转移到高端一值这一现象，称为数决定，而有效能转移到

23、高端一值这一现象，称为 “线束硬化线束硬化”. 在所看到的图像中表现为在所看到的图像中表现为 条状条状 或或 环环 状状 伪影。伪影。 线束硬化线束硬化 & 校正校正 “环状环状” 伪影可以用伪影可以用“线束硬化校正线束硬化校正”补偿。补偿。 w/o correctionw/ correction 严重的环状伪影严重的环状伪影homogeneuous CT values 扫描系统误差扫描系统误差 由于环境、系统本身等种种原因，对相同强度的入射由于环境、系统本身等种种原因，对相同强度的入射X 线，线，探测器不可能始终输出同样的扫描信号探测器不可能始终输出同样的扫描信号。 当探测器输出错误信号甚至

24、无当探测器输出错误信号甚至无 信号，会导致图像中的信号，会导致图像中的“环状环状 伪影伪影”。 可通过每天开机或连续几小时可通过每天开机或连续几小时 不工作后，作系统校正测量及不工作后，作系统校正测量及 其定期地作系统维护来防止，其定期地作系统维护来防止， 而一旦排除不了，须由维修工而一旦排除不了，须由维修工 程师来解决程师来解决 ! 伪影伪影 & 校正校正 伪影的原因各式各样，伪影的原因各式各样， 我们所能做的是以相应的校正技我们所能做的是以相应的校正技 术来防止伪影。术来防止伪影。 但有时伪影不能完全被补偿。但有时伪影不能完全被补偿。 没有十全十美的东西没有十全十美的东西. But we

25、keep on working to reduce them as much as possible! 六六.螺旋螺旋CT CT真好真好! 但仍然存在很多问题但仍然存在很多问题. 常规扫描方式的缺点：常规扫描方式的缺点： 1、需要较长的扫描时间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、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、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、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。描了有限的几个层面。 缓慢呼吸缓慢呼吸 由于不同层次呼吸而导致的漏诊

26、由于不同层次呼吸而导致的漏诊 深呼吸深呼吸 常规常规CT存在的问题存在的问题. 层厚定位选择所引起的问题层厚定位选择所引起的问题. 对不起对不起, 因为不在层厚里面所因为不在层厚里面所 以引起病变的遗漏以引起病变的遗漏. 一只老鼠一只老鼠. 漏掉了漏掉了 扫到了扫到了 2D 层厚层厚 3D 容积容积 常规常规 vs. 螺旋螺旋 CT . 在扫描过程中，在扫描过程中，X线管连续地围绕受检者旋转，与此同时承线管连续地围绕受检者旋转，与此同时承 托着受检者的病床匀速的向机架的扫描孔内推进托着受检者的病床匀速的向机架的扫描孔内推进(或匀速地或匀速地 离开扫描孔离开扫描孔)，这样，这样X射线束在受检者身上勾画出一条螺旋射线束在受检者身上勾画出一条螺旋 线轨迹，因此称之为线轨迹，因此称之为螺旋螺旋CT。 螺旋线限定了人体组织的一段容积，所以这一技术也叫作螺旋线限定了人体组织的一段容积，所以这一技术也叫作容容 积扫描。积扫描。 供电方式供电方式 采用采用滑环滑环技术技术 不使用电缆供不使用电缆供 电电 螺旋螺旋CT优势优势 扫描方式扫描方式 X线管能线管能连续连续 地沿着一个方地沿着一个方 向转动向转动 滑环技术滑环技术 螺旋螺旋CT的扫描方式的扫描方式 优点：优点： u扫描速度提扫描速度提 高，