X射线特性研究及XCT

1、姚红英姚红英2016年年9月月18日日序言X射线的产生X射线与物质的相互作用 X射线影像1895年，伦琴发现年，伦琴发现X射线射线1896年年2月，苏格兰医生约翰月，苏格兰医生约翰麦金泰在格拉麦金泰在格拉斯哥皇家医院设立了世界上第一个放射科。斯哥皇家医院设立了世界上第一个放射科。 1901年，伦琴因发现年，伦琴因发现X射线而获得首届诺贝射线而获得首届诺贝尔物理学奖尔物理学奖Wilhelm Conrad Roentgenhttp:/ ，展示了展示了油画的草图，并能从中发现油画的草图，并能从中发现艺术家在绘画过程中的变化。艺术家在绘画过程中的变化。http:/ 窄束单能窄束单能X射线在物质中的衰减

2、规律为：射线在物质中的衰减规律为： deII00.00.51.01.52.02.53.00200400600800100012001400 Intensity (arb. unit)d (mm)X射线透过不同厚度铝板后的强度变化射线透过不同厚度铝板后的强度变化1963年，年，A. M. Cormack提出用提出用X射线数据射线数据重建图像的数学方法重建图像的数学方法1971年，年，G. N. Hounsfield设计并扫描出第设计并扫描出第一幅具有诊断价值的头部一幅具有诊断价值的头部X-CT像像1974年，第一台全身扫描的年，第一台全身扫描的X-CT研制成功研制成功,并并安装于美国乔治镇大学医

3、疗中心安装于美国乔治镇大学医疗中心1979年，年，Cormack和和Hounsfield获得诺贝尔获得诺贝尔生理学或医学奖生理学或医学奖运用物理技术，以测定运用物理技术，以测定X X射线在人体内的衰减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，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而实现重新建立断面图像的现代医学成像技术。术。本质：衰减系数成像本质：衰减系数成像指导思想：如何确定衰减系数值在

4、人体某剖指导思想：如何确定衰减系数值在人体某剖面上的二维分布面上的二维分布断层与解剖断面断层与解剖断面 断层断层：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一定的厚度，它的两个表面可视为是平行的平面。 解剖断面解剖断面：断层标本的表面。：断层标本的表面。体素与像素体素与像素 体素体素：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（或说坐标划分的很小的体积元。对划分好

5、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。重建排序），这就形成了具有坐标排序的体素阵列。重建CTCT像的任务就是要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。布矩阵。 像素像素：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，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，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。

6、像素与体素在坐标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。上要一一对应。一般体素的大小：长和宽：一般体素的大小：长和宽：1-2mm1-2mm，高（体层厚）：，高（体层厚）：3-10mm3-10mm扫描与投影扫描与投影 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。 http:/ )d(0nn21IIennIId021ln)(niIId0lndnnnIIe1pII

7、dni0ln1I I0 0I II1I2I3InP 称称投影投影理论基础：理论基础：X射线在物质中的衰减规律射线在物质中的衰减规律(l)P称投影或投影函数称投影或投影函数 llpd )(p（2）值连续变化值连续变化(一维一维) 求解出衰减系数分布的思路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先假设图像的每个像素具有适当的相同初始值值 2.然后从某个给定视角计算该方向的投影值然后从某个给定视角计算该方向的投影值,并把它并把它与实际测出投影值进行比较与实际测出投影值进行比较,根据其差值计算出修正值根

8、据其差值计算出修正值 修正值修正值= 投影差值投影差值/n , n: 矩阵的行数或列数矩阵的行数或列数3. 把修正值加到相关的像素把修正值加到相关的像素值中值中, 完成一次迭代完成一次迭代4. 对其他的不同视角重复进行上述过程对其他的不同视角重复进行上述过程, 并完成一次次迭代并完成一次次迭代; 直到修正值为零或很小直到修正值为零或很小. 像素的像素的值逐渐逼近真实值值逐渐逼近真实值 f1=5f2=8f3=7f4=30000812111513100 065.565.511.511.5f1=5f2=8f3=7f4=36.75 6.255.25 4.7581211151310587311.511.

9、5反投影法反投影法利用利用投影数值近似地复制投影数值近似地复制出出值值的二维分布。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体素中 ,并把各个投影值迭加并把各个投影值迭加, 然后把每个像素的然后把每个像素的值减去底数值减去底数,再除以它们的最大公约数再除以它们的最大公约数,使各体素使各体素值值间为简单的比例间为简单的比例.最后得到各体素的最后得到各体素的值值.反投影法的缺点反投影法的缺点: 星状伪影星状伪影； 优点为重建速度快优点为重建速度快 滤波反投影法滤波反投影法:将投影信号进行滤波处理将投影信号进行滤波处理,使信号两侧

10、各加一个正使信号两侧各加一个正负负脉冲脉冲,然后再进行反投影计算然后再进行反投影计算.123446461 55 413 1619 220045090033771350减基数减基数10化简化简基数等于所有体素特征基数等于所有体素特征的总和的总和5235369121234反射投影法图解反射投影法图解滤波反射投影法图解滤波反射投影法图解钉子钉子射线源射线源检测器检测器扫描区扫描区钉子钉子射线源射线源检测器检测器扫描区扫描区第二次反投影滤波信号滤波信号第一次反投影第三次反投影反投影与滤波反投影比较图反投影与滤波反投影比较图第二次反投影第一次反投影第三次反投影脉冲信号脉冲信号CT值：表示像素所对应的体素

11、对值：表示像素所对应的体素对X射线平均衰射线平均衰 减量大小减量大小 灰度显示：灰度分布显示灰度显示：灰度分布显示CT影像。影像。 1000HUww值CT空气空气脂肪脂肪水水血液血液脑白质脑白质脑灰质脑灰质凝固血凝固血致密骨致密骨-1000-80-1000122232364656761000http:/ 多幅显示多幅显示旋转位移旋转位移图像过滤图像过滤2窗位minmaxCTCT窗口窗口窗位窗位(window level W.L)窗宽窗宽(window width W.W)窗宽窗宽= CTmaxCTmin 观测组织观测组织CT值范围值范围范围以下压缩为全黑范围以下压缩为全黑范围以上增强为全白范围

12、以上增强为全白1）窗口）窗口(Window)技术技术增强的灰度范围增强的灰度范围对应对应 灰度范围上下限之差灰度范围上下限之差窗口中心灰度值窗口中心灰度值（a）软组织窗）软组织窗W=350,L=40 （b）肺窗）肺窗W=1500，L=-600 用两种窗宽窗位，以便观察不同用两种窗宽窗位，以便观察不同CT值范围的组织。值范围的组织。 对比度对比度模糊与细节可见度模糊与细节可见度噪声与信噪比噪声与信噪比伪影伪影畸变畸变平移采集平移采集160160个数据个数据* *旋转旋转180180每次扫描共采集每次扫描共采集2880028800个数据；个数据；计算计算80808080矩阵的图像，矩阵的图像，64

13、006400个像素；个像素；一个断层约一个断层约需需5min5min缺点：射线利用率极低，扫描缺点：射线利用率极低，扫描速度很慢，只适用于无体动器速度很慢，只适用于无体动器官的扫描。官的扫描。扇角：扇角：1515-20-20；步幅：；步幅：5 5-10-10；X X球管球管1 1个，检测器个，检测器20-3020-30个；一个断层需个；一个断层需1 10-60 s0-60 s；缺点：由于监测器排列成直线，对于缺点：由于监测器排列成直线，对于X X射线发出的扇形射线发出的扇形束，中心射束和边缘射束的测量值不等，需要校正。束，中心射束和边缘射束的测量值不等，需要校正。一个断层需约一个断层需约 5

14、s5 s；应用范围：全身（心脏除外应用范围：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。则由于同步旋转扫描运动产生伪像。 一幅图像约需一幅图像约需 2s; 2s; 应用范围：全身。应用范围：全身。特点：扫描时间短，较好消除运动伪影。特点：扫描时间短，较好消除运动伪影。传统传统CT扫描的技术缺憾扫描的技术缺憾 扫描床静止扫描床静止电缆供电电缆供电不不能能连连续续扫扫描描时间延缓时间延缓断层间隔断层间隔环形靶体的环形靶体的X X射线管和静止排列的检测器环射线管和静止排列的检测器环时间约时间约

15、50-100 ms50-100 ms应用范围：应用范围： 心、肺等动态器官心、肺等动态器官扫描方式：扫描方式：X X线管绕被查人体匀速单向旋转，人体匀速前线管绕被查人体匀速单向旋转，人体匀速前进进供电方式：滑环（供电方式：滑环（slip ring)slip ring)技术技术 ，电刷与滑环平行滑电刷与滑环平行滑动接触动接触优点：优点：扫描速度扫描速度高，减少高，减少运运动伪影动伪影无采集数据遗漏：无采集数据遗漏： 容容积数据，任意位置、积数据，任意位置、 任任意方位重建图像。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。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。

16、u线性内插法线性内插法(linear interpolation, LI)u全扫描内插法全扫描内插法(full-scan with interpolation FI)u半扫描内插法半扫描内插法(half-scan with interpolation, HI)(a) 16 排检测器，检测器宽度排检测器，检测器宽度1.25 mm；(b) 34 排检测器，靠中央四排宽度为排检测器，靠中央四排宽度为0.5 mm，其他，其他 30 排均为排均为1 mm ; (c) 8排排 检测器，从中央向两边宽度分别为检测器，从中央向两边宽度分别为1 mm 、1.5 mm、 2.5 mm、 5 mm多层面螺旋多层面螺

17、旋CT传统传统CT机是机是X射线管和检测器绕人体一周获得一副人体断层图像，射线管和检测器绕人体一周获得一副人体断层图像，而多层面螺旋而多层面螺旋CT则旋转一周同时可以获得则旋转一周同时可以获得2副以上图像。副以上图像。检测器在检测器在Z轴方向的数目从一排增加到几排直至上百排。轴方向的数目从一排增加到几排直至上百排。普通普通CT和单层和单层CT只有一个只有一个DAS，而多层螺旋，而多层螺旋CT则有则有4 64个个DAS。每个。每个DAS能独立完成一个层面图像数据的采集。按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与检测器的匹配方式不同，通过电子切换可得同，通过电子切换可得4层

18、、层、16层或层或64层图像等。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。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。例如例如16排对称型检测器每排宽度为排对称型检测器每排宽度为1.25 mm，可获得不同层厚系列为，可获得不同层厚系列为1.25 mm 4, 2.5 mm 4, 3.75 mm 4, 5 mm 4, 10 mm 2 。通过电子开关将数据传。通过电子开关将数据传给数据采集系统给数据采集系统DAS。(1.25 1) 4(1.25 2) 4(1.25 3) 4(1.25 4) 4(1.25 8) 2MSCT显示腹主动脉显示腹主

19、动脉 机架旋转机架旋转90 即可获得即可获得180 数据数据 检测器组均采用不对称模式检测器组均采用不对称模式 主主辅辅检测器组检测器组两射线管在两射线管在XY平面上间隔平面上间隔90 两个两个X射线源和两套检测器采集数据射线源和两套检测器采集数据 （dual source computed tomography，DSCT） 双双源螺旋源螺旋CT 双源双源CT示意图示意图 常规检查或非心脏冠状动脉检查只需一个射线源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放射剂量却只有常规CT的的50% 极大提高对组织特征的分辨力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头由多层检测器和滤线层组成能够同时探探 测测低能和高能低能和高能X射线射线 两个两个X射线管的管电压分别为射线管的管电压