医学成像技术-第2.3.1节

普通X射线摄影X-CT断层图像示意图X射线断面重叠像非重叠像X射线底片检测器X射线管Chapter2.3X-CT•普通X摄影图像与X-CT断层图像比较X-CT断层图像腿骨多层X-CT断层图像一、X-CT的基础知识Tomography体层摄影？断面解剖X-CT与X射线摄影相比较有很大区别，X射线摄影产生的是多器官重叠的平片图像CT是用X射线对人体层面进行扫描，取得信息，经计算机处理而获得重建图像，显示的是断面解剖图像，空间分辨率<0.5mm；其密度分辨力明显优于X线图像，能分辨组织的密度差<0.5%；可确定受检脏器的位置、大小和形态变化等。显著的扩大人体的检查范围，提高病变的检出率和诊断的准确率。X射线平片与CT断层对比图

肝癌CT平扫示：肝脏体积明显增大，边缘不平整，肝实质密度不均，内见结节状、团块状低密度癌灶，边缘模糊，密度不均。肝右叶巨大癌灶肝内结节状癌灶CT的成像结果静脉注入造影剂后CT扫描，动脉期示：肝内癌灶不均匀增强，密度增高，其内见肿瘤坏死部分不强化，呈更低密度。

癌灶增强，密度增高瘤内坏死部分呈更低密度静脉早显肿瘤血管肿瘤假包膜静脉注入造影剂后CT扫描，静脉期示下腔静脉内癌栓呈低密度充盈缺损表现。肝右叶癌灶腹主动脉静脉注入造影剂后CT扫描，静脉期示：由于造影剂洗脱，肿瘤呈较低密度。本例见癌肿侵犯门静脉，门脉左支受压变形，门脉右支未见显影。门静脉左支受压变形肝内癌灶静脉注入造影剂后CT扫描，平衡期示：肝内癌灶随造影剂进一步洗脱呈低密度表现。本例门静脉左支内还可见稍低密度癌栓。门静脉左支及其内癌栓肝内癌灶更多的结果心脏成像CT仿真内窥镜脊髓造影CTCT透视下穿刺活检§2.3.1X-CT的基础知识X-raycomputedtomography历史：1917年奥地利Radon证明，利用x射线投影数值可重建二维或三维图像

1972英国hounsfield发明CT，获得第一台头部CT图像，1979获诺贝尔医学生物学奖1974应用于临床Ledley设计成功全身CT1989螺旋CT问世1991双螺旋1998四层螺旋CT问世200216层螺旋CT问世200432层螺旋CT问世4-8-16-32-64-2561901

伦琴(Roentgen) 发现X射线(1895)1914

劳厄（Laue） 晶体的X射线衍射1915

布拉格父子(Bragg) 分析晶体结构1917 巴克拉(Barkla) 发现元素的标识X射线1924

塞格巴恩(Siegbahn) X射线光谱学1927

康普顿(Compton等六人) 康普顿效应1936

德拜(Debye) 化学1946

马勒(Muller) 医学1962 沃生(Wason等三人) 医学1964

霍奇金(Hodgkin) 化学1979

柯马克和豪森菲尔德（Cormack/Hounsfield）医学1981 塞格巴恩(Siegbahn) 物理同X射线有关的诺贝尔奖我国CT的发展1）85年第二代CT,上海计算技术研究所等2）安科公司3）Siemens4）GE定义：运用一定的物理技术，以测定X射线在人体内的衰减系数为基础，采用一定的数学方法，经电子计算机处理，求解出衰减系数数值在人体某剖面上的二维分布矩阵，再应用电子技术把此二维分布矩阵转变为图像画面上的灰度分布，从而实现建立断层图像的现代医学成像技术。本质：衰减系数成像

X-CT成像装置与流程X-CT成像装置主要由X线管、准直器、检测器、扫描机构，测量电路、电子计算机、监视器等部分所组成的。X-CT成像流程是：X线----准直器----检测器-----转变电信号------放大电信号----转变为数字信号----计算机系统----存入计算机的存贮器----编码----显示图像ＣＴ工作过程：高压发生器模/数转换器计算机对比增强器数/模转换器显示器照像机探测器X线管一、断层、断面、像素、体素•断面：生物体的某一剖面。•断层：体层，受检体中接受检查并欲建立图像的薄层（注：两剖面平行）。越薄两个表面的形态结构越接近，建立的断面图像越接近于解剖断面的真实形态结构。一般用某断层形态结构的某种平均来表示该解剖断面的形态结构。•像素(pixel)：构成图像的基本单元，携带的生物信息不同，按大小和一定坐标人为的划分的，即是图像平面的面积元。一幅图像像素越多，像素越小，画面越细，携带的信息量越大。对划分的像素进行空间位置编码，形成编码排序的像素阵列。•体素(voxel)：受检者体内欲成像的断层表面上按大小和一定坐标人为的划分的小体积元，对其进行空间编码，则形成体素阵列。voxel与pixel在坐标上一一对应。大小一般为（1-2mm）×（1-2mm）×（3-15mm）（厚），划分的方案至少为25600个体素。

（1）断层(体层)（2）解剖断面X-CT图像是断层形态结构的平均图像薄层人体剖面此平均代表解剖断面形态结构头部断层（3）体素脑断层体素体素长或宽1～2mm高3～15mm断层内小体积元空间位置编码体素体素阵列（4）像素图像基本单元像素与体素一一对应图空间位置编码像素像素矩阵每个体素的X线衰减系数排列成矩阵二、扫描与投影Scanning:用近于窄束x射线以不同的方式，按一定的顺序，沿不同的方向对划分好体素编号的受检体体层进行投照，并用高灵敏度探测器接受透射一串串体素后的x射线的强度，从而获得重建图象中采用的投影数值的技术。常见有平移扫描、旋转扫描、平移加旋转扫描等。扫描方式的选择着眼于加快建立图像的速度，同时，扫描方式的采用也受算法的制约。Projection（狭义）: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，投影值的分布称为投影函数。

•CT扫描用的射线束为具有一定能谱宽度的连续窄束X射线。•窄束x射线的获取准直器用一定厚度的铅制成，准直孔径小，能吸收散射线，通过准直器后的射线可视为理想窄束，束宽决定于准直孔径宽度，1-2mm，束高决定于准直孔径高度，3-15mm。窄x射线束通过一体层，断层厚度=束高=体素的高度宽扇形束所配置的排在圆弧上的每个检测器都有准直器。可认为是多个窄束。

获取窄束X射线的装置或准直器的示意图

散射光子散射光子源Δy铅准直器铅准直器准直器检测器Δx受检体窄束X射线的获取薄扇形X射线束扫描三、图像重建的数学基础

选择数学方法的基本思路：

根据扫描所获取的投影值来求解成像剖面上衰减系数的分布。朗伯定律：I：透过介质后的X射线强度I0：入射X射线强度：均匀介质线性吸收系数(linearabsorptioncoefficient)整理得测定物质线性衰减系数的基本关系式和基本依据

由此出发，运用一定数学方法处理所得的多个投影值，获取衰减系数值的二维分布矩阵。

注意：不同的物体对单能射线的衰减系数大小不同；同一物体对不同能量的射线衰减系数也不同，而CT使用的是具有一定能谱宽度的连续X射线，所以重建CT图像时确定的每一个体素的衰减系数实际上是不同能量不同成分的衰减系数值的加权平均值。对连续能谱，可理解为用积分表示的平均衰减系数。1.射线通过非均匀物质假定将人体划分为具有均匀衰减系数、一定长、宽、高的体素作为计算单元。dI0InI0：入射强度d：每个体素长或宽：各个体素的衰减系数I：射线出射强度，前述投影P：d一定时，由路径L确定的值，可认为广义上的投影当x射线通过的路径上介质不均匀，且衰减系数连续变化，即衰减系数是路径的函数，则上式可化为单一X射线束在单一路径（一维）上的投影函数：法一：直接方程法求解

令X射线沿不同路径对受检体投照（扫描）会得到一系列投影值，而获得若干线性方程，独立方程数=体素个数=所有体素对应衰减系数的个数，联立方程，可以求出所有体素的衰减系数的数值，得到其二维分布矩阵（衰减系数的数字图像），利用上述求的结果重建图像。第一代CT曾用过该方法。

缺点：费时太多

举例：直接法计算体素衰减（吸收）系数的计算法二：实际中求解衰减系数二维分布

→（x,y），P→P（x,y）引进新坐标系（R，）表示x射线束路径在x-y坐标平面的位置。设x线路径l到坐标中心o的距离是R，与y轴的夹角为，则x线束路径l的直线方程为