第三章 X射线计算机体层成像

第三章

X线CT技术CT(ComputedTomography)计算机断层摄影1

自1895年伦琴发现X射线之日起，人们就很快地意识到了X射线在医学成像中的应用前景。在这之后的几十年中，X射线摄影技术有了不小的发展，包括使用旋转阳极X射线管、影像增强管及采用运动断层摄影、数字化X射线成像技术等。2如何克服在投影X射线成像中出现的影像重叠问题，一直是医学界迫切希望解决的问题。这个问题的数学描述应该是：如何根据接收到的投影数据计算出人体内的断层图像(而不是结构重叠的图像)。X射线计算机断层成像(X—CT)成功地解决了这一问题。

34要点

一、X线-CT的历史

二、X线-CT成像原理

三、X线-CT的扫描方式

四、X线-CT的一些基本参数

五、X线-CT的组成

六、螺旋X线-CT介绍

七、多层螺旋X线-CT介绍5

X-Rays的发现...107年前,

WilhelmConradRoentgen,

德国科学家,发现了x-rays...

一、X线-CT的历史

6看到人体内部结构...

但解剖结构是重叠的。

而且软组织是不能区分的。人们破天荒头一次能无损伤看到人体内部的解剖结构！

一、X线-CT的历史

7在

1972,两位科学家

-

Hounsfield

andAmbrose-推出第一幅临床CT图像

...

CT消除了这些障碍...

一、X线-CT的历史

8

一、X线-CT的历史

CT的历史1917年奥地利数学家雷当（Radon）：根据面投影到线并重建图像的计算公式。1963年美国物理学家柯马克（A.M.Cormack）：在“应用物理杂志”（JournalofAppliedPhysics）上发表了二篇题为“用线积分表示一函数的方法及其在放射学上的应用”的系列文章。1967年至1970年间英国EMI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X线CT扫描机，于1971年9月被安装在伦敦的Atkinson-Morley’s医院。1972年利用这台X线CT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CT照片。1974年美国George-town大学医学中心的Ledly研制成第一台全身CT扫描机。为此Hounsfield和Cormack共同获得了1979年的诺贝尔生理和医学奖。

9CT会是什么样?1011

但耗时太长(10分

/幅)。

且分辨率尚需提高。所以我们能看到断层解剖结构

&且带有不同密度人体被“切成”一层、一层...

一、X线-CT的历史

12CT影像质量的进步...SIRETOM

(1974)SOMATOMPlus4UFC(1996)133DFace(threshold:-400HU)3DHead(threshold:150HU)3D图像的合成14CT成像特点1具有较高的X射线检测能力。2能显示人体某一断层平面上的器官或组织的解剖结构。3能分辨人体内器官或组织密度微小的变化。15

二、X线-CT成像原理

CT如何工作?重建

&后处理数据

获取X-ray发生161718CT扫描形成

-“slice(体层)”

进行扫描时，通过受检体的X射线束是一个薄层，即体层(slice)，层厚与束高相对应，决定了体素的高度。国标对层厚的定义：在扫描野的中心处，X射线扫描层的有效高度。层厚和在体层厚度内沿轴向的X射线能量分布情况将影像图像的质量。

二、X线-CT成像原理

19把体层分成很小的体积单位称“voxels(体素)”通常体素长和宽都为1mm,与体积相对应；体素的大小在CT图像上的表现即为

“pixels(像素)”。CT影像形成

–“Voxel(体素)”

二、X线-CT成像原理

20重建CT图像都要通过扫描来采集足够的投影数据，扫描是采集重建图像数据而使用的物理技术。在X-CT重建图像过程中，首先要进行的就是对受检体的扫描。所谓扫描，是用近于单能窄束的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的受检体体（断）层进行投照，并用高灵敏度的探测器接受透射各体素后的出射X线束的强度I。扫描21扫描扫描的方式有平移扫描、旋转扫描、平移加旋转扫描等。扫描方式的选择着眼于加快重建图像的速度，同时，扫描方式的采用也与算法互相制约。22投影(Projection)投照受检体后出射X射线束的强度I称为投影，投影的数值称为投影值；投影值的空间分布，称为投影函数。获取的投影就是运用扫描技术而采集到的数据。23Example:ProjectionSinogramIdealImageProjectionProjection24近似单能窄束的X射线束近似单能X射线束的获取：利用标识X射线的波长与X射线管电压无关，以及标识辐射的强度较其波长附近的连续谱的强度大得多的性质，产生X射线，使发射出的X射线束中主要是标识辐射的X射线。这样的线束再经过滤就可获得近似于单能的线束。CT机中常用的管电压约为110～140kv，用4~5mm厚的铝板作附加过滤物。25近似单能窄束的X射线束－cont.窄束X射线的获取：方法是配准直器。准直器可理解为允许X射线通过的细长狭窄通道，通过准直器后的X射线称为窄束X射线。26根据X射线通过介质时衰减的物理规律，通过对受检体扫描，测出足够多的投影值，运用一定的数学方法求解成像剖面上衰减系数的分布，从而得到CT图像。。单能窄束X射线强度透射均匀介质时强度衰减的规律符合朗勃-比尔（Lambert-Beer）定律：

二、X线-CT成像原理

27数字矩阵以相应灰阶转换成黑白影像。CT影像形成

-A/D/A*

二、X线-CT成像原理

28I为穿过某一物质后的X射线强度；I0为射入该物质之前的X射线强度；μ为该物质的吸收系数（不同物质的μ值不同，由物质的物理特性决定）；X为该物质的厚度；

II0

XCT影像的像素值由什么来决定？由该像素对X射线的衰减系数μ来决定

二、X线-CT成像原理

29测试到衰减后的X线值,转换成CT值并传送到计算机。CT影像形成

-“Matrix(矩阵)”

353639343331343335323180859078

二、X线-CT成像原理

30

N1N2N3

Nn

μ1

μ2

μ3

μn

ΔxΔxΔxμm

ΔxI0

In

Im-1

Im

ΔxCT影像的像素值如何计算出来？(1)

二、X线-CT成像原理

31通过射线方向上的投影值，来计算各像素的衰减系数值。CT影像的像素如何计算出来？(2)？？？？3746253154

直接矩阵求解法

逐次近似法(迭代法)

总和法(反投影法)

卷积反投影法

二、X线-CT成像原理

32反投影法(总和法)

backprojection

二、X线-CT成像原理

反投影法又称总和法(累加法)，此法是利用投影数值法近似的复制出μ的二维分布。定性地说明反投影法的原理就是：沿投影路径的反方向，把所得投影的数值反投回投影路径上的各体素中去，求出各体素的μ值而实现图像重建的方法。33反投影重建原理3422222222224222222222222262222222222222222222822222222222222222222222反投影法会产生晕状效应

二、X线-CT成像原理

35滤波反投影法（卷积反投影法）

（filteredbackprojection）反投影重建法的缺点是产生的图像的边缘失锐伪影。为了消除反投影法重建图像中的边缘失锐，在实际中采用是滤波反投影法，或卷积反投影法。此方法是把获得的投影函数做卷积处理，即人为设计一种滤波函数，用它对所得投影函数进行改造，而后用这些经改造过的投影函数进行重建，以达到消除伪影的目的。

二、X线-CT成像原理

36滤波反投影重建3721.5-0.53-1剖面数据滤波函数滤波后，剖面数据nxnnyz滤波反投影法

二、X线-CT成像原理

滤波后的剖面数据由下列公式得出：

38333-1-1-1-1-1-16-2-222-2-2229-31111-3111200000000滤波反投影法消除了晕状伪影CT中最常用的成像计算方法就是：滤波反投影法

二、X线-CT成像原理

39CT值与灰度显示（1）CT机中的X射线强度测量是相对测量，也就是测得的是μ值的相对值，或者说是μ值的对比度。CT值是把μ值对比度加以标准化而引入的量。

二、X线-CT成像原理

40国标对CT值的定义为：CT影像中每个像素所对应的物质X射线线性平均衰减量大小的表示。实际中，均以水的衰减系数μ水作为标准，若某种物质的衰减系数为μ，则与其对应的CT值由下式给出.41

CT值与灰度显示（2）

CT值的单位为“Hu(Hounsfieldunit)或H”，规定μ水为能量为73keV的X射线在水中的线性衰减系数,μ水=19m-1。定义式中的k称为分度因数，实际中取k=1000。按此定义，水的CT值为0；空气的CT值为－1000；致密骨的CT值约为1000。

二、X线-CT成像原理

42

三、X线-CT的扫描方式

第一代CT运动方式：平移+旋转特点：直线笔形扫描束单一探测器一次平移获得240个数据每次旋转1度共重复180次检测一个层面4-5min射线利用率低，扫描速度慢，只适用于无运动器官的扫描43

三、X线-CT的扫描方式

第二代CT运动方式：平移+旋转特点：直线多路笔形扫描束探测器6-30个张角3-30度检测一个层面10-120S一次扫描可获得多个扫描数据，采样速度加快，可增大平移扫描的步长，增大旋转的角度，使重建速度加快。检测器排列成直线，对于X射线管发出的扇形束来说，中心射束和边缘射束的测量值不等，需校正，否则会产生伪影。44

三、X线-CT的扫描方式

第三代CT运动方式：旋转+旋转特点：扇形扫描束环形阵列探测器250-700个张角30～45度无需直线平移检测一个层面1S左右射线利用率提高可靠性提高第三代CT是目前临床上广泛应用的扫描方式需要对检测器灵敏度差异进行校正，否则由于同步旋转扫描运动会产生环形伪影45

三、X线-CT的扫描方式

第四代CT运动方式：静止+旋转特点：扇形扫描束环形整圈探测器探测器共600-1500个球管每次旋转360度检测一个层面1S左右每个检测器相继完成多个方向上投影的检测，即一个检测器上获得多个方向上的投影数据，能较好地克服旋转－旋转扫描方式中由于检测器差异带来的伪影。46

三、X线-CT的扫描方式

以上四类一般称为传统扫描方式，X射线管由电缆供电，限制了X射线管的工作，不能进行连续的扫描。大大延缓了完成全部扫描的工作时间。47

三、X线-CT的扫描方式

第五代CT－实现对动态器官的扫描采用电子控制的非机械式同步扫描动态空间重现机DSR特点：28个球管排成半圆形160度相对的有28个视频成像系统荧光屏+电视摄像系统使用电扫描方式控制球管依次曝光每10毫秒可采集14幅图像1S内重复60次，可达840幅图像DynamicSpatialReconstructor

48

三、X线-CT的扫描方式

第五代CT超高速CT扫描机(电子速CT)UFCT:UltrafastCTScannerEBIS:ElectronicBeamImagingSystem494个紧挨的环状钨靶，半径90CM，围成210度两排环形探测器阵列，半径67.5CM，围成210度第一个环864个探测器，第二个环432个探测器特点：电子束扫描示意图50

四、X线-CT的一些基本参数

CT值(Hounsfield值)Water水Mamma乳腺Air空气Bone骨Spleen脾Fat脂肪Pancreas胰腺Lung肺Kidneys肾AdrenalGland肾上腺Blood血Heart心脏Liver肝脏Intestine肠Tumor瘤Bladder膀胱100060400-100-200-900-1000以上是相关组织的CT值，单位为

Hounsfieldunit(HU)从公式得知:水的CT值为0空气为–1000其他组织的值是根据水的相对值计算出来的。51

CT图像是灰度图像，所以

，单位为HU。

若图像的宽度X，图像的高度Y，X×Y即为像素总和。

四、X线-CT的一些基本参数

CT图像的像素表示—像素和像素值

数字图像是用点阵来表示的，点称为像素，点的亮度(灰度图像)或颜色(彩色图像)用像素值来表示：

灰度图像的像素表示彩色图像的像素表示，RGB三元色52CT值的定义范围从

-1000到

+1000,但人眼仅能分辨30-40级灰阶。

所以，窗口必须根据

相关显象组织

来设置。LungWindow肺窗MediastinumWindow(纵隔窗/软组织窗)窗口技术—窗位和窗宽

四、X线-CT的一些基本参数

53Windowwidth窗宽

(W):选择窗位的灰阶范围。Windowcenter窗位

(C):整个CT值范围内某一所选定的位置，

确定的图像显示则以该CT值为中心。

Hounsfield

unit+1000-10000WindowwidthW－窗宽WindowcenterC－窗位灰阶显示WhiteBlackCT窗口技术

四、X线-CT的一些基本参数

54NarrowWindowWidth窄窗宽BroadWindowWidth宽窗宽窄

窗宽:

适用于软组织部位,如脑和腹部。但窗宽以外的结构就不能正确的被反映出来。

宽

窗宽:

适用于对比度较大的部位，如肺和骨骼。密度差别较小的组织不易显示。

四、X线-CT的一些基本参数

55Hounsfield

unit+1000-10000Window1窗位GrayscaledisplayWhiteBlackCTWindowingWindow2双窗技术把两种CT值相差较大的组织在同一窗口中显示,例如肺和纵隔(软组织)。

四、X线-CT的一些基本参数

56双窗技术*一幅图像上同时观测肺和纵隔。*双窗不推荐用于诊断。

四、X线-CT的一些基本参数

57LungWindow肺窗Mediastinum

Window纵隔窗DoubleWindow双窗Image2:仅观察肺Image1:同时观察肺、胸腔和纵隔。Image3:仅观察纵隔和胸腔

四、X线-CT的一些基本参数

58

四、X线-CT的一些基本参数

分辨率

显示分辨率：包括显示器分辩率和胶片分辨率

对比度/密度分辨率(contrast/DensityResolution)

空间分辨率(SpatialResolution)59

四、X线-CT的一些基本参数

对比度表示不同物质密度差异、或对X射线透射度微小差异的量。表现在图像上，是灰度间黑白程度的对比。相对对比度60

四、X线-CT的一些基本参数

对比度/密度分辨率CT像表现不同物质的密度差异的能力，常用能分辨的最小对比的数值表示。典型CT对比度分辨率为0.1%~1%影响因素：X射线能量噪声窗宽窗位的选择CT机检测对比度分辨力的方法：给低密度体膜做CT，然后对其CT像做主观的视觉评价61

四、X线-CT的一些基本参数

线度与对比度：

高对比度下，即物体与周围环境的线形衰减系数差别较大时，物体线度不是很大时，就可能被识别和分辨出来。低对比度下，即物体与周围环境的线形衰减系数差别较小时，物体线度需较大时，才可能被识别和分辨出来。62高对比度分辨力...在

HighContrast情况下区分相邻最小物体的能力,(又称“HighContrastResolution”)常用多少线对/厘米，即LP/CM来表示

四、X线-CT的一些基本参数

高对比度：物体与周围环境的X射线线形衰减系数差别的相对值大于10％63低对比度情况下分辨物体微小差别的能力(又称“LowContrastResolution”)受影像清晰度

&

噪声影响。低对比度分辨力...

四、X线-CT的一些基本参数

低对比度：物体与周围环境的X射线线形衰减系数差别的相对值小于1％64空间分辨率CT像分辨两个距离很近的微小组织结构的能力，是从空间分布上表征图像分辨物体细节的能力。轴向分辨率：由层厚决定，传统CT:3~15mm;

多层CT：0.6mm左右横向分辨率：由束高、束宽（准直器孔径）决定，

0.5mm左右检测空间分辨率的方法：用高密度模体做CT，然后对其CT像做主观视觉评价65清晰度扫描时间重建算法球管焦点尺寸层厚采样频率清晰度(空间分辨率)...影像清晰度即物体周围相关组织的锐利度，

它受以下一些因素的影响：66噪声...在均匀物质的影像中，表示给定区域的各CT值对其平均值变化的量。可用象素CT值的标准偏差来表示：67噪声...噪声mAskV重建算法层厚像素大小操作方式显示矩阵

“噪声”受到达探测器并贡献给图像的x-ray线光子量影响，

它取决于：68

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。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象素的CT值参差不齐，使图像呈颗粒性，直接影响其密度分辨率，尤以低密度的可见度为甚，增加X线量可降低噪声。噪声：可影响图像质量！206mA60mA69在软组织研究病例中,用高mAs来保持低噪声是非常重要的。越小的噪声越容易识别微小密度差别的组织结构。如在软组织为主的肝脏部位，需要提高扫描剂量，以能分辨肝脏内微小的病变；而在肺或内耳的检查中，可适当降低扫描条件，因为这些部位本身具有较高的对比度，少量的噪声不会影响诊断。

mAs(剂量)建议

...70管电压-kV越高的电压越多的射线频谱转移到

高能量水平，最终减少辐射衰减。

这在骨和造影剂中是显而易见的。140kV80kV71边缘增强(HighRes-快速重建)重建算法能产生好的边缘锐利度(空间分辨率)，

同样也会产生高的

噪声水平，

而用平滑重建算法则产生低的噪声水平，

但边缘锐利度较差。作为常规诊断推荐用标准算法。重建算法723mmSlice10mmSlice层厚...对于软组织来讲厚的层厚能提供低噪声、高密度分辨率的图像。735mmSlice1mmSlice对于骨组织来讲薄层厚能提供更好的空间分辨率。层厚...74层厚选择层厚厚，意味:层厚薄，意味:

选择适当层厚是边缘锐利度(空间分辨率)和噪声的平衡，因为他们相互制约。低噪声

更好的密度分辨率

边缘锐利度(空间分辨率)较差

部分容积效应高噪声密度分辨率差更好的边缘锐利度(空间分辨率)无部分容积效应75均匀性

描述在断面不同位置上的同一种组织成像时，是否具有同一平均CT值的量。国标定义：在扫描野中，匀质体各局部在CT图像上显示出的CT值的一致性。76检测方法：配置匀质圆柱形试模（水模），模体圆柱轴线与扫描层面垂直，并处于扫描野的中心；采用头部和体部扫描条件分别进行扫描，获取模体CT像。在图像中心处取一大于100个象素点且小于图像面积10％的区域，测出此区域的CT均值和噪声，然后在图像0、90、180、270方向距模体边缘1cm处的四个位置上取面积同于前述规定的面积区域，分别测出四个区域的CT均值，其中与中心区域CT均值的最大差值表示图像的均匀性。77

四、X线-CT的一些基本参数

图像伪影

-为什么会产生？伪影：由于设备或病人所造成的、

原来物体中并不存在的影像。

图像伪影

运动扫描系统误差

部分容积效应线束硬化

金属误操作...78图像伪影

-什么样？

图像伪影

纹状直线状

条状环状79运动伪影

&扫描时间运动伪影严重适中短长扫描时间

(s)经验得知:越短的扫描时间，发生运动伪影的概率越小.80运动伪影

&校正运动伪影可以用运动伪影重建算法

(MCA)进行补偿81金属伪影金属，

例如黄金，

几乎完全吸收X线辐射，

应此产生

“放射状的阴影”，

从而在整个重建图像上导致显著的条状伪影。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物质，以及使扫描层面避开金属性物体。82部分容积效应5mm

条纹状伪影，

也称部分容积伪影，

经常发生在多骨组织结构。

这是因为高原子序数或吸收系数大的物体

(骨骼)仅仅部分在被断层面里,resultinginhighcontrasterrors.123123835mm

2mm选择薄的层厚能预防伪影的发生,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，等于损失了密度分辨率。部分容积效应84VAR-容积伪影减少2x2mm结合几个薄的层厚

(减少部分容积伪影)来形成厚的层厚(减少像素噪声

并提供最佳密度分辨率)。5mm85射线束硬化效应由X线球管发出的X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数决定，而有效能转移到高端一值这一现象，称为“线束硬化”.在所看到的图像中表现为

条状

或

环状伪影。

86线束硬化

&校正

“环状”伪影可以用“线束硬化校正”补偿。严重的环状伪影homogeneousCTvalues87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X线，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无信号，会导致图像中的“环状伪影”。可通过每天开机或连续几小时不工作后，作系统校正测量及其定期地作系统维护来防止，而一旦排除不了，须由维修工程师来解决

!88伪影

&校正伪影的原因各式各样，

我们所能做的是以相应的校正技术来防止伪影。

但有时伪影不能完全被补偿。没有十全十美的东西...Butwekeeponworkingtoreducethemasmuchaspossible!89CT影像质量标准CT影像质量空间分辨率密度分辨率伪影90影响CT图像质量?

91

四、X线-CT的一些基本参数

装置参数92机架床高压发生器控制台计算机从外表来看...控制台计算机床机架高压发生器

五、X线-CT的组成

93第一台SiemensCT扫描仪...图像获取时间

7分钟,图像矩阵80x80像素,扫描野

25cm,空间分辨率

1.3mm(4LP/cm)。SIRETOM

(in1974)94CT机架?从内部看...球管探测器DAS*球管探测器DAS*DataAcquisitionSystem(数据获取系统)

五、X线-CT的组成

95X线管与X线机的X线球管相比1、额定功率、热容量要大得多2、冷却装置采用高速旋转阳极(转速10000rpm以上)，以及油循环技术3、目前CT中使用X线管的最大功率为100kW。4、栅控式X线管使扫描时X线管间断的发射X射线，称为脉冲工作方式。栅控式栅控阳极X线管(即在X线管靠近灯丝附近做一个专门的控制栅极)5、管电压和管电流必须有足够的稳定度。CT扫描机中一般采用闭环反馈方法稳定X线管的电压和电流，使其误差控制在

0.01％～0.05％范围内。

96

它具有灵敏度高、噪声小、线性好、工作频率范围宽、放大倍数高、光谱响应范围宽、稳定性好和工作电压范围宽等优点。材料：早期的CT扫描机使用

NaI（Tl）晶体耦合光电倍增管。由于余辉问题和NaI(Tl)晶体的动态范围有限，其它一些晶体如氟化钙（CaF2）、锗酸铋（Bi4Ge3O12,BGO）得到了应用。现在使用带有固态光电二极管放大器的闪烁晶体探测器。探测器-----闪烁探测器97

氙探测器有很好的稳定性和短的响应时间，而且没有余辉问题。然而它们的转换效率要低于固态探测器，仅为35%~45%。探测器-----气体电离室探测器98DAS(DataAcquisitionSystem)99CT床及控制?100高压控制器主要包括：KV控制板MA控制板显示面板MA调整板曝光控制板旋转阳极启动板高压油箱(变压器)整流滤波电路变频电路101操作控制台与计算机102操作控制台与计算机103CT真好!但仍然存在很多问题...

六、螺旋X线-CT介绍

104常规CT...常规扫描方式的缺点：1、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3、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，只扫描了有限的几个层面。105缓慢呼吸由于不同层次呼吸而导致的漏诊。常规CT存在的问题...深呼吸106不能准确地重建三维图像和多方位图像。107层厚定位选择所引起的问题...对不起,因为不在层厚里面所以引起病变的遗漏...一只老鼠...1082D层厚3D容积

常规

vs.螺旋

CT...

在扫描过程中，X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(或匀速地离开扫描孔)，这样X射线束在受检者身上勾画出一条螺旋线轨迹，因此称之为螺旋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容积扫描。

109

Continuouslyrotatingtube/detectorsystem -球管/探测器连续旋转。

Continuousradiation-连续投照。

Continuousdataacquisition-连续数据获取。

Continuoustablefee