计算机断层成像技术PPT幻灯片课件

1、计算机断层成像技术 X射线计算机断层成像（Xray computed tomography，简称XCT）从根本上克服了上述困难，是80多年来X射线诊断学上的一次重大突破。2022/7/252普通X线摄影和CT摄影图示2022/7/253 CT发展简史1895年，伦琴发现X射线 （诺贝尔奖）1917年，奥地利数学家Radon提出图像重建理论的数学方法1961年，天文学家Oledendorf做了一个称为“旋转平移”的试验，实现了最早的图像重建1963年，美国教授cormark进一步发展了从X线投影重建图像的准确数学方法（79年诺贝尔奖）19671970年，hounsfield提出了断层的方法（79

2、年诺贝尔奖）2022/7/2541972年 CT正式应用于临床1974年 全身CT应用于临床1978年 国内开始引进CT1983年 电子束CT（EBCT）研制成功1989年 螺旋CT应用于临床1993年 双排CT研制成功1998年 多层螺旋CT应用于临床2000年 采集8层的螺旋CT问世2002年 采集16层的螺旋CT问世2004年 采集64层的螺旋CT问世2022/7/255目前医用商用CT的生产厂家国外： GE、TOSHIBA、Siemens 、 PHILIPS 垄断国际85%市场国内：沈阳东软爱迪生 2022/7/256Early laboratory prototype of CT s

3、cannerCentral Research Laboratories, EMI (Electric and Musical Industries )London需要9天时间才能完成数据采集。Hounsfield and his prototype2022/7/257Hounsfields ApparatusFirst CT image (1971) showing cyst (confirmed)Hounsfields Prototype with cow brain slice囊肿 改进后需要9个小时才能完成数据采集。2022/7/258Hounsfield and EMI CT4分钟可生

4、成图像。2022/7/259CT scanner 结构图2022/7/25104.1 概述一、CT的用途医学诊断辅助治疗工业CT2022/7/2511二、CT的优点显示真正的断层图像图像清晰、密度分辨率高操作简单、安全三、CT的局限有些病变不适宜成分、生物、化学结构造价高2022/7/25124.2几种典型CT1 医用X-CTA、全身型组成：X射线管、固体探测器阵列、转动扫描机构、可调床位和纵向扫描机构、数据采集系统，图像处理、存储和输出系统以及整机电控系统。（为了减少扫描引起的图像模糊和避免患者吸收不必要的剂量，X射线管选用脉冲工作方式。）B、动态X-CT2022/7/25132工业CT工业

5、CT与X-CT的不同之处主要在于：（1）吸收剂量限不同（2）成像时间要求不同（3）谱的硬化和检测标定不同用途：缺陷检测、尺寸测量、装配结构分析、反馈工程2022/7/2514工业CT工件旋转2022/7/25152Mev加速器工业CT系统工业CT420Kev X射线工业CT集成检测系统2022/7/25161974年 全身CT应用于临床Multiple detectorsSimultaneous Table translation1998年 多层螺旋CT应用于临床Source-detector RotationPre-CollimatorHigh-voltage generator清华同方威视

6、技术股份有限公司X-ray sourceHigh-voltage generator为进一步提高扫描速度而设计的第五代CT完全靠电子的方法进行扫描，扫描时间缩短在一秒钟之内。Rotation of the x-ray source around a fixed detector array (rotation-stationary)Several thousand individual detectorsRestriction of the useful x-ray beam to the anatomical area of interest电子束CT（electronic beam tom

7、ography, EBT）是CT的一种特殊类型，与常规CT的主要区别在于由电子束取代了X线球管的机械旋转。通过电子枪内的偏转线圈使电子束扫描钨靶，被扫描的钨靶产生往返运动的X线，以对患者进行扫描。它将常规的单层扫描改为单方向螺旋式轨迹的连续扫描，其射线束呈螺旋状切入人体，做不间断地连续扫描并获得容积诊断信息，大大地提高了扫描速度，因此具有扫描时间短、无间隔、一次屏息即可完成大区域扫描的特点。不同准直器的临床应用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.清华同方威视技术股份有限公司 大型集装箱检查系统 2022/7/2517由清华同方股份有限公司承担

8、的集装箱检测系统产品化工作通过了国家组织的专家审定。专家委员会认为，该系统已达到可投产制造的程度，清华同方具备在海关建造系统工程项目的能力。威视大型集装箱检查系统发展历程我国某边境口岸。海关人员正焦急地将货物往花了整整一上午才抽检完的一只集装箱里塞。身后，数以千计的卡车排开长龙，司机焦躁地按着喇叭；8 0 年代末：1 9 9 1 年，法国戴高乐国际机场世界上第一台集装箱检测系统投入使用，集装箱内小如香烟盒的物体在高能X 射线的透视扫描下都清晰可辨。清华大学四位教授致信校领导，建议注意这一新动向，迅速开展独立研制工作。1 9 9 8 年1 月7 日2022/7/2518X射线能量150KV以下常

9、用电压420KVX射线强度150mA左右2mA左右放射性同位素不采用60Co源高能直线加速器不采用10MeV以上扫描和结构方式病人静止检测对象运动X光机和探测器运动X光机和探测器保持静止工业CT装置和医用CT装置的区别医用CT装置工业CT装置2022/7/25193核医学发射CT原理：将放射性核素注入到人体后，由于放射性核素参与人体的正常或异常功能和代谢变化，因而可以通过放射性核素在人体内分布和代谢反映人体内的病理或生理变化。A、单光子发射CT（SPECT) SPECT使用的放射性核素通常为鍀-99、碘-131、碘-123、铊-201等。这些核素发生-衰变，每次固定产生一个光子。2022/7/

10、2520B、正电子发射CT(PET) PET使用的核素为短半衰期核素碳-11、氧-15、氟-18、氮-13.这类核素衰变时发生+衰变，释放出一个正电子。 PET的优点： （1）人体累积剂量小； （2）可以显示新陈代谢的情况； （3）图像空间分辨率好，信噪比高。 2022/7/2521其它医用CT-PET,发射式正电子湮灭断层扫描(PET)PET装置的剖面图注入+ 核素于人体内目标发射的正电子和周围的负电子发生湮没现象用两个位置相对的探测器符合探测这一对运动方向相反而能量相同的光子即可对人体的脏器成像300万像素彩色LCD 2022/7/25224.2基本原理 X射线被准直后成为一条很窄的射线束

11、。当X射线管沿一个方向平移时，与之相对应的检测器也跟着作平移运动。这样，射线束就对整个感兴趣的平面进行了一次扫描，检测器接收到了与脏器衰减系数直接相关的投影数据。2022/7/2523 一次扫描过程结束后，整个X射线源及检测器系统将沿圆弧旋转一个角度（如每次旋转1），然后再重复平移扫描过程，直至在整个180圆周上扫描一遍。当把全部投影数据送入计算机后，就可以通过图像重建算法来重构关于探测平面的二维图像，图像的灰度值与组织的衰减系数相对应。这就是CT的基本工作原理。2022/7/2524 右下图为一幅只含四个像素的图像，每个像素的衰减系数的值是未知的。根据公式，入射X射线强度为Io，透射后的强度

12、为I，则在水平方向上可以得到以下方程： 1423IoIoI1I2IoIoI3I42022/7/2525 同理还可以在垂直方向与对角线方向列出类似的方程。从原理上讲，只要把其中四个相互独立的方程联立起来求解，就能得出14四个未知数的值。所形成的这幅关于衰减系数的图像就是所要的X-CT图像，它将向人们显示探查平面上脏器的结构。这就是X-CT能够从投影数据重建图像的基本原理。2022/7/2526A、单光子发射CT（SPECT)产生于1989年，是在滑环扫描技术的基础上形成的，大致属于第三代CT的发展。所形成的这幅关于衰减系数的图像就是所要的X-CT图像，它将向人们显示探查平面上脏器的结构。Mult

13、iple detectors1989年 螺旋CT应用于临床Small fan-beamHigh-voltage generatorX射线被准直后成为一条很窄的射线束。1895年，伦琴发现X射线 （诺贝尔奖）Translation-rotationHead image only, not capable of body imaging5mm，其他的30排均为1mm等宽的探测器。Usually 18 translations with 1 rotation between translationsIncresing in mAs increse in contrast resolution检测器阵

14、列通常由几百个检测器单元依次排列而成。5mm，其他的30排均为1mm等宽的探测器。清华大学四位教授致信校领导，建议注意这一新动向，迅速开展独立研制工作。(From Siemens)为进一步提高扫描速度而设计的第五代CT完全靠电子的方法进行扫描，扫描时间缩短在一秒钟之内。Source-detector Rotation4.3、各代CT扫描机1、First GenerationOne detectorTranslation-rotationParallel-beam2022/7/25272022/7/2528Finely collimated x-ray beamSingle radiation

15、detectorTranslate-rotate motion180 translations with 1 rotation between translationSingle image projection per translationFive minute image timeHead image only, not capable of body imaging2022/7/2529 第一代CT的数据采集方法是用一个X射线源，一个检测器作同步平移运动，并旋转进行扫描来获得投影数据。它的基本问题是扫描时间比较长(约几分钟）。因此只能对那些相对稳定的部位（如头部）成像。 2022/7/

16、25302、Second GenerationMultiple detectorsTranslation-rotationSmall fan-beam2022/7/25312022/7/2532Fan shaped x-ray beamMultiple radiation detectors - a detector arrayTranslate-rotation motionUsually 18 translations with 1 rotation between translationsMultiple image projections per translationApproxim

17、ately 30 s imaging timeHead and body imager2022/7/2533 第二代扫描仪也采用平移加旋转的扫描方式。所不同的是它用一个小角度扇形的射线束和多个检测器来代替原来的单一检测器。因使用多个检测器，就可在每个发射位置上同时检测到多个投影数据。因此，在一次平移扫描后，可以让X线源与检测器一次转过一个较大的角度（如10）后再作第二次平移扫描。这样可以使系统数据采集时间缩短到几分之一分钟。2022/7/25343、Third GenerationMultiple detectorsSource-detector RotationLarge fan-beam2

18、022/7/25352022/7/2536普通X线摄影和CT摄影图示Developed principally to suppress ring artifacts420Kev X射线工业CT集成检测系统为进一步提高扫描速度而设计的第五代CT完全靠电子的方法进行扫描，扫描时间缩短在一秒钟之内。我国第一台螺旋CT已由东大阿尔派研制成功，成为世界第四个可生产螺旋CT的国家。由清华同方股份有限公司承担的集装箱检测系统产品化工作通过了国家组织的专家审定。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排为一半宽度0.Storage units:我国第一台螺旋CT已由东大阿尔派研制成功，成为世界

19、第四个可生产螺旋CT的国家。Single radiation detector（）可进行薄层扫描，断层之间无数据遗漏，可在任意位置重建图像，还可提供用于三维重建的容积数据。GE、TOSHIBA、Siemens 、 PHILIPSSPECT使用的放射性核素通常为鍀-99、碘-131、碘-123、铊-201等。X-ray sourceStorage units:Hounsfield and EMI CTX光机和探测器保持静止Detector array从原理上讲，只要把其中四个相互独立的方程联立起来求解，就能得出14四个未知数的值。A Fan beam x-ray sourceSeveral hu

20、ndred radiation detectors - curvilinear detector arrayBoth the x-ray source and the detector array rotate about the same axisImaging time is reduced to 1 s or lessRing artifacts2022/7/2537 第三代扫描机它只包含一个扇形束的旋转扫描而不包括X线源与检测器的平移扫描。检测器阵列通常由几百个检测器单元依次排列而成。扇形角已扩大至可复盖全身横断面。光源-探测器阵列的组合绕着物体旋转，一组中的数据可以同时采集。这一代扫

21、描机的明显优点是简化了机械结构，从而使扫描速度明显提高，通常只需几秒钟。2022/7/25384、Fourth GenerationDetector ringSource-rotationLarge fan-beam2022/7/25392022/7/2540Developed principally to suppress ring artifactsA fan beam x-ray sourceSeveral thousand individual detectorsRotation of the x-ray source around a fixed detector array (ro

22、tation-stationary)Imaging time is 1 s or less2022/7/2541第四代扫描机的检测器在360圆周上固定安装，因而在数据采集过程中只需旋转X线源。光源运动时，每个探测器到光源的直线形成了一组发散射线。当探测器到光源的射线在重建区域的外面时，这组射线可用来对探测器进行校准。 优点：克服环形伪影，图像分辨率略有提高2022/7/2542Third & Fourth Generations(From Picker)(From Siemens)2022/7/25435、Spiral/Helical Scanning 螺旋CT是在常规CT技术应用的基础上发展

23、起来的新型CT，是CT技术改革的又一次重大飞跃。产生于1989年，是在滑环扫描技术的基础上形成的，大致属于第三代CT的发展。 它将常规的单层扫描改为单方向螺旋式轨迹的连续扫描，其射线束呈螺旋状切入人体，做不间断地连续扫描并获得容积诊断信息，大大地提高了扫描速度，因此具有扫描时间短、无间隔、一次屏息即可完成大区域扫描的特点。并有图象清晰、分辨率高等优点。2022/7/2544 Source rotationSimultaneous Table translation Data acquisition 2022/7/25452022/7/2546用途：缺陷检测、尺寸测量、装配结构分析、反馈工程这就

24、是CT的基本工作原理。清华同方威视技术股份有限公司2000年 采集8层的螺旋CT问世清华大学四位教授致信校领导，建议注意这一新动向，迅速开展独立研制工作。5mm，其他的30排均为1mm等宽的探测器。工业CT与X-CT的不同之处主要在于：过去全世界只有美、日、德三个国家掌握这项技术，并垄断着全世界的CT市场。Developed principally to suppress ring artifacts过去全世界只有美、日、德三个国家掌握这项技术，并垄断着全世界的CT市场。多层螺旋X线-CT介绍这类核素衰变时发生+衰变，释放出一个正电子。以GE公司的Light Speed为代表。Storage

25、units:Multiple detectors三维容积采样还能重建出高质量的冠状或矢状断层图象，弥补了CT不能直接进行冠、矢状扫描的不足。1961年，天文学家Oledendorf做了一个称为“旋转平移”的试验，实现了最早的图像重建GantryData acquisitionsystemDetectorsStorage units:Tapes, disksDisplayControlconsoleComputerParallelprocessorTableRecordingSourceNetwork2022/7/2547Spiral CT ScannerGantry：Data acquisit

26、ion system TableComputer：Parallel processorsControl consoleStorage units：Tapes, disksRecording deviceNetwork interfaceX-ray generatorHeat exchanger2022/7/2548一、单层螺旋CT 1、供电与扫描方式 传统：高压电缆供电，往复扫描。 螺旋：电刷与滑环，滑动的接触式连接，连续旋转。的优势（）提高了扫描速度。 （）可进行薄层扫描，断层之间无数据遗漏，可在任意位置重建图像，还可提供用于三维重建的容积数据。2022/7/25492、螺距与层厚 （）相邻

27、螺线圈沿床移动方向的距离。 （）扫描一圈床移动的距离扫描线束宽度。 层厚：断层的厚度。由准直器孔径决定。 2022/7/25503、螺旋插值 图像重建所使用的数据应为同一层面扫描的结果。 螺旋扫描所获得的数据并非取自同一层面，而是不同层面的螺旋数据。 为了获得同一层面的数据以重建图像，必须根据实际的投影值，通过内插算法来获取属于同一断层的数据。 在欲重建图像所对应的同一断层内进行内插数据的方法称为螺旋插值。 2022/7/2551多层螺旋X线-CT介绍单层螺旋CT与多层螺旋CT的比较2022/7/25522022/7/25532022/7/25542022/7/25552022/7/2556M

28、ultiple detectors（2）可以显示新陈代谢的情况；Portion of the CT that accomodates the patient and source and detector assembliesStorage units:Control consolePre-CollimatorFan shaped x-ray beam1978年 国内开始引进CTX光机和探测器保持静止Detector ringSingle radiation detectorSpeed: 50, 100 msData Acquisition System (DAS)其它医用CT-PET,发射式

29、它在Z轴方向有16排探测器，每排探测器是等宽的。清华同方威视技术股份有限公司身后，数以千计的卡车排开长龙，司机焦躁地按着喇叭；1 9 9 8 年1 月7 日与常规CT扫描相比它不会因呼吸的幅度不同出现病灶遗漏和层面重叠，因此更适合于肺部、腹部这些易受呼吸运动影响脏器的小病灶的检查，扫描速度快又利于病灶的连续动态观察。Approximately 30 s imaging time2022/7/25572022/7/2558多排探测器(1)以GE公司的Light Speed为代表。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。 2022/7/

30、2559多排探测器(2)以西门子公司为代表。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。 2022/7/2560多排探测器(3)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排为一半宽度0.5mm，其他的30排均为1mm等宽的探测器。 2022/7/2561 过去全世界只有美、日、德三个国家掌握这项技术，并垄断着全世界的CT市场。由于其技术复杂，价格非常昂贵，进口一台螺旋CT机需要300多万至1000万元人民币。据国家卫生部门统计，过去我国已进口各类螺旋CT机近100台，现在仍以每年近

31、百台的需求速度在发展。我国第一台螺旋CT已由东大阿尔派研制成功，成为世界第四个可生产螺旋CT的国家。 2022/7/2562 为进一步提高扫描速度而设计的第五代CT完全靠电子的方法进行扫描，扫描时间缩短在一秒钟之内。第五代CT将一排X线管安放成半圆形，与之对应地把影像增强器安排在另一半圆弧上。它既能对静止或慢运动的组织作高密度分辨率成像，还能充分利用快速的电子扫描对心脏和肺的动态功能进行研究。2022/7/25636、E-Beam CT ScannerSpeed: 50, 100 msThickness: 1.5, 3, 6, 10 mm2022/7/25642022/7/2565 电子束CT

32、（electronic beam tomography, EBT）是CT的一种特殊类型，与常规CT的主要区别在于由电子束取代了X线球管的机械旋转。EBT由电子枪发射电子束，再由电子束轰击扫描架上的靶环，由靶环发出X线。通过电子枪内的偏转线圈使电子束扫描钨靶，被扫描的钨靶产生往返运动的X线，以对患者进行扫描。所以EBT无X线球管机械旋转的速度限制，扫描速度要远远高于多层螺旋CT，成像时间大大缩短，特别适用于心脏等运动器官的检查。 2022/7/2566 与常规CT扫描相比它不会因呼吸的幅度不同出现病灶遗漏和层面重叠，因此更适合于肺部、腹部这些易受呼吸运动影响脏器的小病灶的检查，扫描速度快又利于病

33、灶的连续动态观察。三维容积采样还能重建出高质量的冠状或矢状断层图象，弥补了CT不能直接进行冠、矢状扫描的不足。2022/7/2567CT Gantry Portion of the CT that accomodates the patient and source and detector assembliesX-ray sourceHigh-voltage generator Detector arrayCollimator assembly2022/7/25682022/7/2569Collimator Restriction of the useful x-ray beam to the anatomical area of interestPrepatient and postpatientPrepatient collimation controls patient dose profilePostpatient collimation controls slice thickness2022/