X-CT成像技术课件

1、第四章 X-CT 成像技术X-ray Computed Tomography Imaging一、CT 成像设备CT 成像系统发展概况1917 年波希米亚数学家 Radon 提出了图像重建的数学方法1963 年美国物理学家 Cormark 提出用 X 线投影数据重建图像的数学方法1971 年 10 月英国工程师 Hounsfield 设计成功第一台颅脑 CT 机 （EMI公司）1972 年应用于临床1974 年，美国工程师 Ledley 设计出全身 CT 机Hounsfield 和 Cormark 获得了 1979 年度诺贝尔医学生理学奖Hounsfield 于 2004 年 8月12日在英国逝

2、世，享年 84 岁CT 影像设备可应用于许多领域，如：应用在工业上可以进行无损检测；应用在农业上可以测量树木的年轮、虫蛀或含水情况； 应用在地球物理方面可以进行地球资源的勘探、地震的预测以及地质结构的确定等。在医学上，目前的 CT 影像设备几乎可以应用于人体各个部位的检查，在临床疾病的诊断和治疗中发挥越来越重要的作用。2. CT 的基本构造（1）扫描系统 a. 扫描机架： b. X 线管： c. 高压发生器 d. 准直器：前准直器-确定层厚；减小半影；降低辐射剂量。 后准直器-减少散射线 e. 探测器：接收透过 X 线并将它变成相应电信号的装置 气体探测器：氙气电离室 固体探测器：碘化铯、钨酸

3、钙、陶瓷材料 固态稀土陶瓷探测器-吸收 X 线效率 99；余晖少 f. 滤过器：吸收低能射线；减少散射线；降低辐射剂量 g. A/D 转换器 h. 检查床（2）操作台（3）其它设备：存储介质、激光打印机、自动洗片机、高压注射器（4）计算机硬件系统：高速 CPU、大内存、高档显卡（5）计算机软件系统： a. 系统软件：专用 OS、Unix、Linux、Windows 等 OS b. 基本功能软件：扫描、照相、存储、清盘、图像处理、故障诊断 c. 特殊功能软件：特殊扫描、三维重建、冠脉成像、灌注成像（2）探测器的数量 探测器是位于 X 线球管和计算机系统之间重要的数据检测部件。一般来说，探测器的数

4、量越多，采集到的扫描数据就越多，可提高 X 射线的利用率，相应的缩短扫描时间和提高图像的质量。（3）扫描时间、重建时间和周期时间扫描时间是指 X 线球管以一定的层厚围绕人体旋转扫描一周（360）所需要的时间。扫描时间取决于 X 线球管旋转的速度与能力，以往的 CT 扫描时间为 1s、2s、3s 或更长，现在已实现了亚秒扫描。重建时间是指计算机的阵列处理器将 CT 扫描的原始数据重建成图像所需要的时间。目前，由于计算机功能的异常强大，CT 图像的重建速度有了大幅度提升，如先进的1 6 排 MSCT 能够在 1 秒重建出 12 幅 512512 的图像。（5）高对比度分辨力（high contra

5、st resolution）也称空间分辨力（spatial resolution）是指在 CT图像中可辨认的相邻物体空间几何尺寸的最小限度，即对影像细微结构的分辨能力。 高对比度分辨力有两种表示方法，即每厘米包含多少线对数（Lp/cm）或毫米线径（mm）。以往的 CT 机的高对比度分辨力一般在 10 Lp/cm左右，目前的最先进的多层螺旋 CT 机分辨力可达到 24 Lp/cm或更高。（6） 低对比度分辨力（low contrast resolution）又称密度分辨力（density resolution）是指在低对比情况下，图像中能够区分物体密度的微小差别的能力，用百分数（%）表示。影响因

6、素有探测器灵敏度和采集层厚等。 CT 图像的密度分辨力明显高于 X 线图像，一般比 X 线图像高 1020 倍，这是 CT 机性能的标志性优点之一。（7）时间分辨率（temporal resolution） 是指影像设备在单位时间内采集图像的帧数。该性能指标与 CT 机对每帧图像的采集时间、重建时间以及连续成像的能力有关。CT 值：是 CT 图像中各种组织与 X 线吸收系数（ 值）相当的对应值，它是从人体组织器官的 值换算出来的。 CT 值=-w /wa ，其中 和 w 分别为受检物和水的吸收系数（骨皮质吸收系数为 2.0，空气吸收系数为 0，水的吸收系数为 1.0），a 为分度因数。一般将人

7、体组织CT 值划分为 2000 个单位（HU），最上界为骨+1000HU，最下界为空气 -1000Hu，水的理想 CT 值为 0。CT 值不是绝对不变的数值，与 X 线管电压、CT 设备、扫描层厚等因素有关。CT 值有助于大致判断组织类型，从而有助于提示疾病的诊断。周期时间是指从 CT 扫描开始、图像的重建、直到图像的显示这一全过程所需要的时间。最大连续扫描时间是指螺旋 CT 扫描时的 X 线球管连续、不间断曝光时间的长短。该时间的长短不仅与 X 线球管的热容量和散热率因素有关，还与 DAS 数据采集的速度、计算机的处理能力等因素有关。目前的多层螺旋 CT 最大的连续扫描时间可以超过 100

8、秒。1. CT 成像的物理学基础 CT 成像的物理学基础是物体对 X 线的吸收存在差异。高度准直的 X 线束对人体某个部位按一定厚度进行扫描穿过人体的 X 线由探测器接收 经放大变为电子流 A/D 转换输入计算机处理计算机通过运算得出该断面上各体素的 X 线吸收值，并排列成数字矩阵经 D/A 转换后用不同的灰度等级在显示器上显示即获得该部位的横断面或冠状面的 CT 图像。2. CT 成像的基本原理 CT 每扫描一次，即可得到一个方程，经过若干次扫描，即得到一联立方程。经过计算机运算（傅立叶转换、反投影法等）可以解出这一联立方程，从而求出每个体素的 X 线吸收系数或衰减系数，将其排列成数字矩阵

9、（digital matrix），数字矩 阵经过数字/模拟转换器 （D/A）把数字矩阵中的每个 数字转变为由黑到白不同灰 度的小方块，即像素（pixel） ，也按矩阵排列，即构成了 CT 图像。高压发生器X 线球管人体探测器群操作控操台多幅激光照相机电子计算机模数转换器内外存储器CRT显示器3. CT 影像设备的基本结构与工作原理流程 4. CT 成像的过程 包括数据采集、数据处理、图像重建、图像显示、打印等。5. X-CT 成像的数据采集与处理 X-CT 成像的数据采集是利用 X 线管和检测器等的同步扫描来完成的。检测器是一种 X 线光子转换为电流信号的换能器。X-CT 成像的数据采集根据

10、X-CT 成像的物理原理进行的。 X 线管发出直线波束 （4）反投影控制器将接收到的投影数据分配到反投影板上的各个单元，每个反投影单元（包含三个存储器，分别是E存储器、L 存储器和 H 存储器）容纳的数据可从一个投影到六个投影，并被同时存储起来。（5）在主存储器中，AP 软件为影像数据建立有一个分区，在投影数据被送到反投影单元后，影像数据已经为处理作好准备，反投影控制器接收影像数据并将它们送到反投影板进行处理。（6）影像数据与每个反投影单元的结果一起传送到每个反投影板进行求和运算，在离开最后一个反投影单元后，影像数据返回主存储器，等待下一组投影数据的装入。（7）在影像数据被输送到主控计算机之前

11、，合成扫描影像需要运算单元进行处理和统一换算。（8）最后，这些合成的像素数据被输送到主控计算机进行存储和显示。1. 第一代 CT 机 CT 机的分代主要以其 线管和探测器的关系、探测器的数目、排列方式以及 线管与探测器的运动方式来划分。到今天为止 CT 经历了 5 代发展，现在第 6 代 CT 正在研发中。 第 1 代 CT 机只有一个探测器，扫描角度为 1，扫描时间 270s/层。仅用于头部的扫描, 图像质量差, 以平移加旋转的扫描运动方式进行,称为平移/旋转型。2. 第二代 CT 机 第 2 代 CT 机探测器的数目增加 520 个左右，X 线束呈扇型，扫描角度增加为 360,扫描时间仍较

12、长,一般在20s1min /层，扫描方式为窄扇形束扫描平移-旋转方式 。3. 第三代 CT 机 第 3 代 CT 探测器数目一般多超过 100 个，有的接近1000 个，X 线扇形束扩大到 4050，足以覆盖人体的横径,这样扫描就不需要再平移，而只需要旋转就可以了,故称为旋转/旋转型。扫描时间一般均在几秒钟,最快速度 0.5s，实现了亚秒级扫描。4. 第四代 CT 机 第 1 代到第 3 代 CT 机的 X 线管和探测器都是同步旋转的，而第 4 代 CT 机与之不同，探测器呈 360 环状固定排列在机架内(目前有的机型多达 4800 个探测器)，X 线管则围绕人体和机架作 360 旋转,把第

13、4 代称固定/旋转型(螺旋 CT 属此型)。 5. 第五代 CT 机 第 5 代 CT 机与第 1 到第 4 代 CT 机不同，在成像过程中 X线管不需环绕机架作机械运动，它是用电子束方法产生旋转的 X线源,再穿透人体由探测器接受,这种 CT 机称为电子束 CT,也称超高速 CT，特点是扫描速度很快, 50100ms /层,每秒最多可扫34 层,就其扫描速度是普通 CT 的 40 倍，螺旋 CT 的 20 倍,可用于心脏一类运动器官的扫描。第 1 代 CT：扫描方式为平移(translate)+旋转(rotate)(T+R)方式的 CT。第 2 代 CT：扫描方式为平移(translate)+

14、旋转(rotate)(T+R)方式的 CT。第 3 代 CT：扫描方式为旋转+旋转(R+R)扫描方式的 CT。第 4 代 CT：扫描方式为静止(stationary)+旋转(S+R)扫描方式的 CT。第 5 代 CT：扫描方式为静止+静止(S+S)电子束扫描方式的 CT。第二代 16 层 CT现代螺旋 CT 结构图第五代 CTCT 机发展的三个阶段、五个时代第一代第二代第三代第四代第五代探测器数23 330 300800 6001500 864X 线束单笔形束520度小扇束3045度广角扇束广角扇束特制扫描(电子 X 线管)扫描方式旋转+平移旋转+平移旋转+旋转旋转+静止静止扫描时间35min

15、 2090s 29s 15s 30100ms用途颅脑CT颅脑CT全身CT螺旋CT电子束CT第1阶段：从发明到 1970 年代中期，扇形束，颅脑全身第2阶段：1987 年，螺旋 CT第3阶段：MSCT(MDCT), 1991 年双层/ 1998 年 4 层/ 2000 年 8 层/ 2001 年 12 层/ 2002 年 16 层/ 2003 年 40 层/ 2004 年 64 层256 层(东芝) 双源 CT(西门子64层)平板探测器（flat panel detector）CTCT 机的发展目标提高扫描速度提高图像质量完善特殊扫描功能扫描时间的缩短可以减少病人的检查时间，提高单位时间内病人的

16、检查量，还能减少不配合病人的运动伪影等。四、螺旋 CT 1. 螺旋 CT 的工作原理 螺旋扫描是指在扫描期间， X 线管连续旋转并产生 X 线束，同时扫描床在纵轴方向连续移动，这样，扫描区域 X 线束进行的轨迹相对被检查者而言呈螺旋运动，扫描轨迹为螺旋形曲线，这样可以一次收集到扫描范围内全部容积的数据，所以也称为螺旋容积扫描。 螺旋 CT 扫描装置包括探测器、X 线管滑环、机架与检查床、控制台与计算机。其中滑环技术是螺旋扫描的基础，螺旋扫描是通过滑环技术与扫描床的连续移动相结合而实现的。2. 螺旋 CT 扫描中的参数与概念（1）螺距（pitch） 螺距的定义是指 X 线球管扫描旋转一周检查床运

17、行的距离与射线束宽度的比值。 当螺距等于 1 时，说明扫描旋转一周检查床移动的距离与 X线射线束的宽度相等。一般来说，增加螺距可以提高扫描的速度，缩短扫描的时间，但是图像的质量会有所下降。当螺距等于 0 时与非螺旋 CT的扫描相同。（2）重建间隔 是指被重建的相邻两个层面横断面之间长轴方向的距离。 通过采用不同的重建间隔，可以确定被重建图像的层面重叠程度；另外重建间隔与被重建图像的质量也有直接关系，当重建间隔增大时图像的质量得以改善。（3）回顾性重建 螺旋 CT 扫描的一个重要特性就是可以回顾性重建，即先收集螺旋扫描的原始数据，然后可以脱离螺距在任何位置上对图像进行体层重建。（4）成像范围 即 CT 扫描一次采集中成像的第一层面中点与成像的最后一层面中点之间的距离。3. 螺旋 CT 扫描的图像重建 螺旋CT的图像重建方式必须采取特殊的方法从螺旋扫描数据中合成平面数据，该种重建方法称为内插法，其理论是螺旋扫描数据段的任何一点，可以采用相邻两点的扫描数据通过插值，然后再作滤过反投影重建出一幅螺旋扫描的平面图像。 目前常用的数据内插方式主要有两种：360线性内插和 180线性内插。 360线性内插算法多在螺旋 CT 的早期被使用，其主要缺点是由于层厚响应曲线增宽，是图像的质量有所下降。现在螺旋 C