医学影像学：X线计算机体层成像

第二节X线计算机体层成像1

ComputedTomography:(CT）是由英国Hounsfield设计，1971年应用于临床的一种现代医学成像技术，CT的应用明显地提高了病变的检出率和诊断的准确率，显著扩大了医学影像诊断的应用领域2

Hounsfield，1979年诺贝尔生理医学奖

3

一，CT成像的基本原理4

一，CT成像的基本原理

1，获取扫描层面的数字化信息：用高度准直的X线束，环绕人体一定厚度的横断层面进行扫描，由探测器接收透过该层面的X线，并转为数字信息5CT的结构原理6CT成像的基本原理

2，获取扫描层面各个体素的X线吸收系数：将扫描层面分为若干个体积相同的立方体或长方体，称之为体素(voxel)7“体素”与像素8

输入计算机的数字信息为各个扫描方向上这些体素X线吸收系数的叠加量，经计算机处理，运用不同算法将其分开，即可获取该扫描层面各个体素的X线吸收系数，并依原有的位置排列为数字矩阵（digitalmatrix)9

CT成像的基本原理

3,获取CT灰阶图像：将扫描层面的数字矩阵，依其数值的高低赋予不同的灰阶，进而转化为黑白不同灰度的方形图像单元，称之为像素(pixel)，即可重建为CT图像10CT成像的基本原理

CT的技术原理不同于传统的X线成像，但也是利用X线穿透人体不同密度和厚度组织结构后，发生不同吸收而产生影像对比，CT成像所不同的两点：一是对人体具有一定厚度的横断面进行成像，二是通过数字化转换进行成像，因此穿透X线上的黑白灰度即密度概念，同样适用于CT图像的诊断描述11

CT成像的基本原理

当病变导致CT图像上组织结构密度发生改变时，也称之为密度增高或密度减低，还可描述为高密度、低密度或混杂密度12CT成像的基本原理13CT成像的基本原理14CT值是测定人体某一局部组织或器官密度

大小的一种计量单位，通常称亨氏单位15

二，CT设备与CT成像性能

CT设备发展与更新迅速，目前多层螺旋CT（multi-slicespiralCT,MSCT)已成主流机型，2-64层最多，最新机型还有256层，320层MSCT，双源（dualsourceCT,DSCT)和能谱CT等等16

多层螺旋CT的原理

1，MSCT，采用锥形X线束和Z轴上（纵轴）多排探测器的设计，故MSCT亦称多排螺旋CT，(multi-detectorrowCT,MDCT),常简称多排CT，MSCT工作时，X线管和多排探测器围绕人体做连续快速同步旋转和扫描，同时检查床沿纵轴恒速平移，如此扫描一周即可通过重建获得多个层面的CT图像171819

多层螺旋CT的原理

MSCT采集的不再是某一个层面的数字信息，而是某一段容积内的数字信息，因此也称为容积CT（VolumeCT),单周3600的扫描速度已达到0.27-0.40s,层厚可小至0.500-0.625mm,显著提高了时间分辨力和空间分辨力20

2，双源CT：同一个设备内配置两个X线球管和两组探测器的MSCT，从而进一步提高了成像的时间分辨力，此外，也可进行CT能谱成像212223

3，能谱CT:是一种具有崭新能谱成像功能的MSCT，通常CT成像所应用的X线包含不同能量的光子，为混合能量成像，在成像中，低能量的光子被吸收，导致穿透后的X线束硬化，因而CT值测量不精确并产生线束硬化伪影24

能谱CT是扫描中行两种电压（80KVp和140KVp）的瞬时切变（双源CT则为两个X线源用不同电压进行同时扫描），利用所获得的两组X线吸收系数数据，经公式计算出不同物质（如水和碘）空间分布的密度值，而该物质密度值与X线能量无关25

其后依据已知的各种物质（如水和碘）不同单能量下的X线吸收系数，用所计算出来的物质（如水和碘）密度值，再经计算并重建出各种单能量（如40kev、41kev、---140kev)下的CT图像，也可计算并重建出不同物质（如水和碘）密度的CT图像。提高图像质量、病变检出和定性诊断、消减线束硬化性伪影（如金属）26

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（二）CT成像性能1，CT成像的主要优势：（1）密度分辨力高：密度分辨力（densityresolution)高是CT成像的突出优点，是传统X线成像的10-20倍，能清晰显示密度差别较小的软组织结构和器官（如，脑，纵膈和腹部器官）2829（2）可行密度量化分析CT值：单位为亨氏单位Hu),人体各组织结构及其病变的CT值为-1000~+1000。为了使感兴趣的组织结构达到最佳的观察效果，需要根据其CT值范围，选用不同的窗设置,其中包括窗位(windowlevel)和窗宽（windowwidth);如肺窗和纵隔窗3031(3)组织结构影无重叠：CT图像通常为断层图像，明显提高了病变的检出率(4)可行多种图像后处理，二维显示、三维显示，如：VR、MIP、MIX等322，CT成像的局限性（1）常不能整体显示器官结构和病变，利用三维技术可以解决这一难题，但是增加了后处理时间(2)多幅图像不利于快速观察，一次CT扫描，少则几十幅，多则几百幅图像，在监视屏上可以利用电影浏览模式，可加速观察流程33（3）受到部分容积效应的影响：当CT图像中同一体素内同时含有两种密度不同组织时，则该像素所显示的密度或测得的CT值并非代表其中任一组织，此即部分容积效应（partialvolumeeffect),也称部分容积现象34（4）较高的X线辐射剂量，是传统的数十倍甚至上百倍，需加强防护35

三，CT检查方法(一）平扫检查plainscan:不注射造影剂的扫描，常规先行平扫，脑出血、支气管扩张、肾结石、肝囊肿等平扫即可确诊36（二），对比增强检查(contrastenhancement,CE):经静脉注入水溶性有机碘对比剂后再行扫描的方法，常简称为增强检查

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当平扫显示病变而未能明确诊断、或可疑异常、或未显示异常而临床和其他辅助检查提示有病变时，均应行增强检查，正常组织结构及病变内可因含对比剂而密度增高，称之为强化38增强检查的分类：1，普通增强检查:常用于颅脑疾病2，多期增强检查：腹部、盆腔等3，CT血管成像（CT

angiography,CTA)：肺动脉栓塞、主动脉夹层4，CT灌注成像(CTperfusionimaging)：急性脑梗死、肺梗死等39

普通平扫+增强40

多期增强41CT血管成像42CT灌注图像43

（三）能谱CT检查CT能谱检查能够提供：1，扫描层面内的各种单能量图像2，测量各个单能量图像上同一部位组织结构或病变的CT值，获得能谱CT值曲线，简称能谱曲线3，物质分离技术，扫描层面内物质密度的CT图像4445

（四）图像后处理技术1，二维显示技术：薄层面重组多平面重组（multiplanarreformation,MPR)曲面重建（如：冠脉）4647CPR482，三维显示技术：最大强度投影（maximumintensityprojection,MIP）,最小强度投影（minimumintensityprojection,minIP),如：支气管树，表面遮盖技术(surfaceshadeddisplay,SSD)和容积再现（volumerendering,VR)49

MIP,minIP50VR,SVR513,其他后处理技术：CT仿真内镜（CTvirtualendoscopy,CTVE),各种结构分离技术，肺结节分析技术，骨密度分析技术，冠脉分析技术等52CTVE53CT电影54

四，CT检查的安全性

CT的辐射剂量显著高于传统的X线检查，遵循防护三原则，改善CT的设计（自动电压、自动毫安技术、数据迭代重建算法等）5556

五，CT图像的特点1，黑白反映组织结构的密度2，多幅横断面，结构物重叠3，窗技术4，增强检查改变了组织结构的密度5，图像后处理技术改变了常规横断层面的显示模式57

识别CT图像1，识别CT平扫：多幅横断、骨皮质：白影，肌肉:灰影，脂肪：黑影2，识别增强CT：血管和富血供的器官明显强化，密度增高583，识别后处理的图像：MPR仅显示方位不同，CPR能显示弯曲的组织结构，MIP显示高密度的，minIP显示低密度的，SSD和VR具有立体感5960

第四节磁共振成像

磁共振现象是由美国Standford的F.Bloch和Harvard的E.M.Purcell于1946年同时发现，由于NMR在物理与化学应用中具有重大意义，他们于1952年获得诺贝尔物理奖61Magneticresonanceimaging,MRI:是利用强外磁场内人体中的氢质子核即氢质子1H在特定射频脉冲作用下产生磁共振现象，所进行的一种崭新的医学成像技术。1973年Lauterbur利用磁共振现象获得了人体的第一张MRI图像，他获得了2003年Nobel生理医学奖6212位因对磁共振的杰出贡献而获得诺贝尔奖科学家1944年I.Rabi1952年F.Block1952年E.M.Purcell1955年W.E.Lamb1955年P.Kusch1964年C.H.Townes1966年A.Kastler1977年J.H.VanVleck1981年N.Bloembergen1983年H.Taube1989年N.F.Ramsey1991年R.R.Ernst2003年lauterbur与Mansfierd63

一、磁共振成像的基本原理1，人体在强外磁场内产生纵向矢量和1H质子进动人体内含有1H，1H具有自旋特性，犹如一个小磁体，通常它们排列无序，磁矩相互抵消，当进入强磁场内，则依外磁场磁力线方向有序排列，而产生纵向磁矢量。同时，这些1H的自旋轴围绕磁力线做锥形运动，犹如旋转中的陀螺，称之为进动procession，进动的频率与外磁场场强呈正比64核磁共振=磁共振

NMR=MR652，发射特定频率的RF脉冲引起磁共振现象向外磁场内人体发射特定频率即与1H进动频率相同的RF脉冲，1H吸收能量而发射磁共振现象。结果同时产生两种改变：一种是吸收能量的1H呈反磁力线方向排列，致使纵向磁矢量变小、消失；另一种是1H呈同步、同速即同相位进动，由此产生横向磁矢量66

人体组织内的质子存在状态67

人体质子在磁场中68纵向弛豫自旋-晶格弛豫T1弛豫693，停止射频脉冲后1H恢复至原有状态并产生MR信号停止发射射频脉冲后1H迅速恢复至原有的平衡状态，这一过程称为弛豫过程(relaxationprocess)，所需的时间称为弛豫时间（relaxationtime)70

有两种时间，一种是纵向矢量恢复的时间，为纵向弛豫时间，亦称T1弛豫时间，简称T1，另一种是横向磁矢量的衰减和消失时间，称为横向弛豫时间，简称T2，发生共振的1H在弛豫过程中就会产生代表T1和T2值的MR信号71横向弛豫自旋-自旋弛豫T2弛豫72

共振现象73

4，采集、处理MR信号并重建为MRI图像MRI图像上黑白灰度对比，反映的是组织弛豫时间的差异，而不同于X线、CT和US图像上的灰度概念。MRI检查有两种基本成像，TIWI、T2WI，MRI检查就是通过图像上反映TI和T2值的黑白灰度及其改变来检查病变并进行诊断的74MRI图像上的黑白灰度称为信号强度，白影为高信号，灰影为中等信号，黑影为低信号或无信号，短T1高信号，长T1低信号，长T2高信号75

人体正常脑组织的T1、T2弛豫时间

弛豫时间(ms)脑白质脑灰质脑脊液颅板板障260T290100300-84T1WIPDWIT2WI76

二、MRI设备与MRI成像性能（一）MRI设备MRI设备的主要指标即场强，单位：特斯拉（Tesla,T),目前的主要两款机型：1，高场强1.5T及3.0T超导型，临床和科研2，低场强0.2-0.35T永磁型，临床疾病诊断其他：超高场的7.0TMR机，肢体专用MR机、心脏专用MR机、复合手术室MR机等7778

（二）MRI成像性能

1.MRI成像的主要优势：（1）组织分辨率高，SET1WI、FSET2WI、IR、GRE（2）直接水成像，利用重T2WI,MRCP(magneticresonancecholangiopancreatography)、MRU(Urography)、MRM(myelography）79磁共振胰胆管造影

（MRCP）80(3)直接进行血管成像，采用时间飞跃法（timeofflight,TOF)或相位对比法(phasecontrast,PC)813D-TOF-MRA82AVM83(4)在体分析组织和病变代谢物的生化成分，1H波谱（MRspectroscopy)84

单体素-MRS85

多体素MRS86(5)fMRI:DWIDTIPWI脑功能定位成像BOLD原理（bloodoxygenationlevel-dependent)87

左侧侧脑室旁脑梗塞DWI88DWIDTI89PWI902,MRI成像的局限性通常不能整体显示器官结构和病变多序列多幅不利于快速观察受部分容积效应影响④检查时间长⑤易发生不同类型伪影⑥识别钙化有限度91

三，MRI检查方法（一）平扫检查：1，普通平扫检查，SE：TIWI、T2WI，横、矢、冠2，特殊平扫，脂肪抑制TIWI、T2WI；梯度回波同反相位TIWI；水抑制T2WI；磁敏感加权成像(SWI)

92MRI检查方法（二），对比增强检查：GD-DTPA，缩短TI，其他：SPIO,缩短T2，GD-EOB-DTPA缩短TI，是一种新型肝细胞特异性对比剂，网状内皮细胞Kupffer细胞特异性对比剂931，普通增强：颅脑疾病2，多期增强3，超顺铁性氧化铁（SPIO）增强，缩短T2，4，GD-EOP-DTPA（钆塞酸二钠）增强，缩短T1，肝脏特异性对比剂94

正常子宫的多期增强表现95

（三）MRA检查1，普通MRA2，增强MRA,CE-MRA，对于小的血管显示效果优于普通MRA9697（四）MR水成像检查，MRCP、MRU、MRM膀胱癌，水成像+脂肪抑制98（五）1H磁共振波谱检查（1H-MRS）1H-MRS获取的是代表组织内不同生化成分中1H共振峰的谱线图，进而能明确其生化成分的组成和浓度，也可转化成伪彩图，用于脑肿瘤、前列腺肿瘤等99

良性前列腺增生的MRS100（六）功能性磁共振成像检查（fMRI)1，DWI，超急性期脑梗死、肿瘤性疾病的诊断与鉴别诊断，DTI,用于恶性肿瘤病理疾病评估和放疗疗效预测及监测等方面，脑白质纤维束成像1012，PWI：主要用于缺血性疾病的诊断，肿瘤性疾病的诊断与鉴别诊断以及肿瘤恶性程度的评估3，脑功能定位成像，抑郁，精神分裂症、毒品和网络成瘾者102

四MRI检查的安全性禁忌症：心脏起搏器者、体内有金属性（铁磁性）手术夹、支架、假体和假关节者，孕三月以内者、幽闭恐惧症者，家属也要注意。钆对比剂有可能引起肾源性系统性纤维化（NSF)肾功能受损者禁用此类对比剂103

禁忌症104

五MRI图像特点1，图像上的黑白灰度即信号强度2，多序列，多幅断层，组织结构影像无重叠3，图像上的信号强度与成像序列和技术有关4，黑白灰度受窗技术的影响5，增强检查改变了组织结构的信号强度6，MRA,MRS,FMRI改变了常规断层显示模式105MRI图像特点常是识别MRI图像的依据识别普通平扫MRI图像：1，常规为多序列多幅横断层，组织结构的影像清楚无重叠2，无论T1WI还是T2WI，骨皮质皆为极低信号黑影，（不同于CT），还可依赖于脑脊液或膀胱的液体来区分106T1WIT2WI107

识别特殊平扫MRI图像

1），识别脂肪抑制T1WI、T2WI，跟普通T1WI、T2WI

不同的是唯脂肪组织呈低信号1082）识别同反相位T1WI

同相位图像与普通T1WI相似，反相位图像的特征是：软组织结构与周围脂肪组织边界处表现为线状低信号1091103），水抑制T2WI图像，脑灰白质同普通T2WI图像，唯脑室脑池、脑沟呈低信号表现1113，识别增强（GD-DTPA