医学CT基本原理专题.ppt

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,*,CT基本原理,常规,X,线摄影,2,常规,X,线摄影三维人体二维投影,CT,与传统,X,线比较,1.X,线利用率；窄线束，高能量，检测器效率,2.,图像：无重叠,3.,分辨率：密度分辨率，空间分辨率,CT,成像的物理基础,X,线的穿透性,穿过物体的,X,线被吸收衰减,I=I,0,e,ul,CT,的发展,根据,CT,机发展的时序和构造性能，大致可分成五代,常规,CT,扫描方式,常规,CT,成像系统的进展,7,8,第三代,CT,扫描机,扫描方式,:,旋转,-,旋转,30,45,扇形,X,线束,探测器,:300,800,扫描时间,:2,9,秒,弧形探测器阵列,(,无空隙,),扇形束的中心和边缘与探测器的距离相等，无需作距离测量差异校正,缺点：扫描时需对相邻探测器的灵敏度差异进行校正,同步旋转扫描的环形伪影,CT,机的结构,X,线发生部分,X,线检测部分,机械运动部分,计算机部分,图像显示及存储部分,工作站,X,线发生部分,高压发生器：,X,线管：,准直器,楔形滤过器,/,板：,12,探测器（对X线敏感性远高于胶片）：碘化钠、锗酸铋高压氙气电离室稀土陶瓷探测器平板探测器,模数、数模转换器,模数转换器是,CT,数据采集系统（,Data Acquisition System,，,DAS,）,的主要组成部分,CT,最初探测到的是连续的随时间而变的,模拟信号,，可由电压表读取或由示波器显示，但无法被计算机识别,模数转换器将来自探测器的,输出信号,放大、积分后多路混合变为,数字信号,送入计算机处理,数模转化器是模数转换器的逆向运算,机械运动部分,扫描机架,滑环,扫描床,扫描机架,机架与检查床相垂直,机架内装有成像系统组件,:,滑环、,X,线管、高压发生器、准直器、探测器和数据采集系统等,机架孔径和倾斜范围在应用中较为重要,:,孔径,:,机架开口大小，多为,70cm,机架须能倾斜，以适应不同患者情况和各种检查的需要，倾角,:,12-30,滑环,非螺旋,CT,机,X,线管的供电及信号传递由电缆完成，扫描时球管随机架作往复旋转运动，电缆易缠绕,扫描速度慢,近年来，,CT,扫描机架中去掉电缆，代以铜制滑环和导电碳刷，通过碳刷和滑环的接触导电,使机架作单向连续旋转，即滑环技术,滑环有两种类型：,盘状滑环,:,圆盘状，导通部分设在盘面上,筒状滑环,:,圆筒状，导通部分位于圆筒侧面,导电刷有两种类型,:,金属导电刷,:,采用导电金属和滑环接触，每一道滑环有两个金属导电刷游离端与其接触，目的增加可靠性和导电性,混合导电刷,:,采用导电材料银石墨合金（碳刷）与滑环接触，,(,同样两个导电刷,),滑环的传导方式,高压滑环,:,交流电源直接供电给高压发生器，由高压发生器将高电压送入滑环，再送给,X,线管,通过滑环传递到,X,线发生器的电压达上万伏,采用小型高频发生器，高压发生器不安装在旋转机架上,缺点,:,易发生,高压放电导致高压噪声,，影响数据采集系统并影响图像质量,低压滑环,:,根据,X,线控制信号，交流电源经导电刷将电流送入滑环，经滑环将电流送入高压发生器，再由高压发生器把高电压送给,X,线管,通过滑环传递到,X,线发生器的电压为数百伏,X,线发生器、球管和其它控制单元全安装在机架的旋转部件上,(X,线发生器要求体积小、功率大的高频发生器,),目前,CT,机都采用低压滑环,扫描床,作用,:,运载患者,扫描定位,要求,:,承重,:,确保特殊体型患者的检查需要,床面材料,:,由易被,X,线穿透、能承重和易清洗的碳素纤维组成,上下运动,:,方便患者上下,纵向移动,:,头部至大腿的,CT,扫描,床纵向移动要求,:,平滑，精度高，绝对误差,0.5mm(,高档机,0.25mm),与,X,线束射出同向位置上有定位光源,:,准确定位,计算机部分,主计算机,:,阵列处理器,图像显示及存储部分,监视器,作用,:,通过键盘与计算机对话（包括患者资料的输入、扫描过程的监控等）和图像显示,存储器,:,硬磁盘、磁带、软盘和光盘等,功能,:,存储图像、保存操作系统及故障诊断软件,扫描原始数据存储于硬盘缓冲区,;,重建图像存入硬盘的图像存储区,;,磁带、光盘等存取图像通过硬盘作中介,为保证图像的动态范围，存储采取数字二维像素阵列方式，每个像素点由若干与图像灰阶有关的比特组成,CT,图像的矩阵,512,2,，深度,8-12,个比特，灰阶范围是,512,（,2,8,）,-4096,（,2,12,）,512,2,2,字节的,CT,图像约需,0.5MB,的存储空间,一次,CT,检查有,50,幅图像，需,25MB,的存储空间,工作站,（,workstation,）,工作站系统规模比微型机大,操作系统,:,UNIX,系统,大屏幕,三维图形处理功能强,著名品牌有,Sun,、,HP,、,SGI,等,由于微型机（,PC,机）的硬件功能增强,+,图形图像处理软件，市场上许多基于微机的医学三维图像处理的计算机,(,也称作工作站，以表示功能强大,),CT,的成像原理,CT,：,COMPUTED TOMOGRAPHY:,以,X,线束对体部某一选定体层层面进行扫描,测定透过的,X,线量,数字化后经过计算得出该层面各个单位容积的吸收系数,然后重建图像的一种成像技术。,27,数据采集的基本原理,X,线,管,准,直,器,人体,准,直,器,探,测,器,A/D,转换器,计算机,重建,D/A,转换器,监视器,CT,图像,激光打,印机,CT,照片,多幅,相机,CT,照片,采集信息系统,影像信息经过部件及传递的过程,29,模拟 信号,模拟 信号,激光相机,数字 信号,X,线的衰减及数据的转换,CT,数据采集：从不同投影方向获得扫描数据,X,线管,围绕被检体旋转,X,线按特定方式通过被检体横断面,探测器接收穿过人体的射线衰减信号送给计算机处理，经计算机重建处理形成被检体横断面图像,CT,数据采集的重要部件：数据采集系统,(,DAS,),DAS,的主要部件是模数转换器，主要作用：,1,）射线束测量,2,）将模拟数据编码转换为数字数据,3,）将数字数据送往计算机,CT,扫描时，,X,线管经过滤过和准直器,，,发出近似单一能谱的扇形射线束,X,线管围绕受检者旋转，旋转角度,360,度,32,CT,值的计算,CT,值：,CT,数，重建图像中一个像素的数值,相对值，以水的衰减系数作为参考：,水的,CT,值为,0,CT,值的计算公式,：,CT,值,=,（,组织,-,水,）,/,水,k,k,值,:1000,，每个,CT,值的百分比标尺为,1%,CT,值的大小与组织的线性衰减系数有关，每一个对应的数值都可用相应的灰阶表示,33,CT,扫描使用较高千伏值（,120-140kVp,）,:,CT,值受射线能量大小的影响，,CT,机中采取一些措施，如,CT,值校正程序，保证,CT,值的准确性,34,CT,应用中，各种组织包括空气的吸收衰减值都与水相比较，致密骨定为上限,+1000,，空气定为下限,-1000,，其它数值均表示为中间灰度，产生一个相对吸收系数标尺,为纪念,Houndsfield,，用,HU,作为,CT,值的测量单位,35,CT,的窗口技术,CT,图像：许多像素组成的数字图像,扫描原始数据,计算机,数字阵列图像（,像素阵列）图像,矩阵,扫描野,(FOV),、矩阵和像素的关系：,像素尺寸,=,扫描野,/,矩阵,一幅,CT,图像的像素为,0.6mm,，矩阵尺寸为,512512,，,FOV,大小约是,?,扫描野,=,像素尺寸,矩阵,FOV=0.6mm,512=30.7cm,36,像素、矩阵和显示野的关系,37,窗口技术,窗宽,/,窗位在图像显示技术中称窗口技术,利用,CT,计算机灰阶的软件功能调节并适应人眼视觉灰阶范围的一种功能,数字窗口：对应于整个,CT,值范围的相应位置,窗位（,L,或,C,）：整个,CT,值范围内某一选定位置，图像显示以该,CT,值为中心,窗宽（,W,）：选定窗位的灰阶范围,窗口技术抑制或去除噪声和无用信息，增强显示有用信息，但,不能增加图像信息,38,窗口技术的调节原则：,(1),宽窗宽,(400,2000HU),：用于组织密度差别较大的部位,肺和骨骼,体部扫描，为显示脂肪、肌肉等软组织，采用窗宽,350,600,照相,骨窗采用窗宽：,1000,2000,(2),窄窗宽,(50,350HU),：用来区分组织密度较接近的图像,脑和腹部,颅脑图像的白质和灰质采用窗宽：,80,150,显示肝内高密度转移灶采用窗宽：,100,250,(3),窗位的设定：应取所需观察部位的平均值,体部软组织的窗位：,0,60,肌肉和内脏器官增强扫描的窗位：,60,150,肺部的窗位：,-300,-750,39,根据设置的窗宽和窗位，可计算所显示的,CT,值范围：,C-W/2,C+W/2,式中,C,：窗位，,W,：窗宽,如,CT,图像的窗宽,80,、窗位,40,显示的,CT,值范围,0,80,40-80/2=0,40+80/2=80,CT,值,80,白色,40,CT,成像的相关概念体素与像素,体素（,voxel,）,为体积单位,CT,扫描中，根据断层设置的厚度、矩阵的大小，能被,CT,扫描的最小体积单位,体素有三要素，即长、宽、高,通常,CT,中体素的长和宽都为,1mm,，,高度或深度则根据层厚可分别为,10,、,5,、,3,、,2,、,1mm,等,像素（,pixel,）,又称像元,构成,CT,图像最小的单位,与体素相对应，体素的大小在,CT,图像上的表现，即为像素,像素：,组成二维矩阵图像的最小信息点,像素是二维空间,面积,=,长,宽,大小与矩阵,和,FOV,相关,体素：,组成层面图像的最小信息源,体素是三维空间,体积,=,长,宽,高（层厚）,大小与矩阵、,FOV,和扫描层厚相关,像素,体素,采集矩阵与显示矩阵,矩阵（,matrix,）：,像素以二维方式排列的阵列。它与重建后图像的质量有关,相同大小的采样野，矩阵越大，像素越多，重建后图像质量越高,常用矩阵：,256,2,、,512,2,和,1024,2,CT,图像重建后用于显示的矩阵称为显示矩阵，通常为保证图像显示的质量，显示矩阵往往是等于或大于采集矩阵,44,重建与重组,重建（,reconstruction,）,原始扫描数据经计算机采用特定算法处理，获得图像，称为重建或图像重建,重组（,reformation,）,重组是不涉及原始数据处理的一种图像处理方法，如多平面图像重组、三维图像处理等,目前,CT,的三维图像处理是在横断面图像的基础上，重新组合或构筑形成三维影像,重组图像质量与已形成的横断面图像有密切关系，尤其是层厚的大小和数目,一般，扫描层厚越薄、图像数目越多，重组效果越好,准直宽度、层厚与有效层厚,(Collimation,Slice and Effective Slice),准直宽度是指,CT,机球管侧和病人侧所采用准直器的宽度，在非螺旋和单层螺旋扫描方式时，所采用的准直器宽度决定了层厚的宽度，即层厚等于准直器宽度。,但在多层螺旋扫描方式时，情况则不完全一样，因为同样的准直宽度可由,4,排甚至,16,排探测器接收，而此时决定层厚的是所采用探测器排的宽度。如同样,10mm,的准直宽度，可以由,4,个,2.5mm,的探测器排接收，那么层厚就是,2.5mm,；如果由,16,个,0.625mm,的探测器排接收，那么层厚就变成了,0.625mm,。,有效层厚指扫描时实际所得的层厚，由于设备制造的精确性原因，标称,1mm,甚至,0.5mm,的层厚设备制造厂家无法做到如此精确，一般都有一定的误差，其误差范围大约在,10,50,之间，层厚越小，误差越大。一般，层厚的误差与扫描所采用的方式和设备的类型无关,。,时间分辨力（,Temporal Resolution,）,时间分辨力的主要含义是指扫描机架旋转一周的时间，但在多层螺旋,CT,中，它还与扫描覆盖范围和重建方式有关，它也是影像设备的性能参数之一，并且与每帧图像的采集时间、重建时间以及连续成像的能力有关。在,CT,中表示了设备的动态扫描功能，如在多层螺旋,CT,心脏成像时，时间分辨力的高低则决定了,CT,机在这方面临床应用的适应性和范围。,48,部分容积效应,CT,图像上各个像素的数值代表相应单位体积各组织,CT,值的平均数，它不能如实反映该组织内各个组织本身的,CT,值,部分容积效应与扫描体位相关,！,49,扫描中，凡小于层厚的病变,高密度组织中较小的低密度病灶，其,CT,值偏高,低密度组织中较小的高密度病灶，其,CT,值偏低,这种现象称为部分容积效应,50,周围间隙现象,在同一扫描层面上，与层面垂直的两种相邻且密度不同的结构，测其边缘部的,CT,值也不准确,密度高者其边缘,CT,值小,密度低者其边缘,CT,值大,二者交界边缘分辨不清,51,密度高者其边缘,CT,值小,密度低者其边缘,CT,值大,二者交界边缘分辨不清,滑环技术,球管,探测器系统可以单向连续旋转,扫描时检查床同时单向连续移动，球管焦点围绕病人旋转的运行轨迹形成一个类似螺旋管，故称螺旋,CT,扫描（,spiral CT,，,SCT,）。,单层螺旋,CT,滑环技术,:,处理旋转部分与静止部分的馈电及信号传递（通过电刷和滑环接触得以导电，作单方向旋转及信号传递）,螺旋扫描技术,螺旋状扫描轨迹,非螺旋,CT,与螺旋,CT,的扫描模式示意图,单层螺旋,CT,（一）硬件改进,滑环结构,：分,高压滑环和低压滑环。,X,线球管,热容量大于非螺旋,CT,机。,探测器,（,detector,）,采用固体稀土陶瓷探测器以提高,X,线的利用率。,发生器,采用体积小的高频发生器，并安装在机架内，高压范围是,80,140kv,。,（二）扫描技术,螺距（,pitch,）,：,扫描旋转架旋转一周检查床运行的距离与层厚或准直宽度的比值。,螺距为,1.0,，图像质量与射线剂量达到最佳。,增加螺距使探测器接收的射线量减少，图像质量下降,；,减小螺距在同一扫描范围射线量增加，图像质量改善,。,单层螺旋,CT,缺点,层厚敏感曲线增宽，使纵向（,Z,轴）分辨力下降,。,可出现部分容积效应（,partial volume effect,）而影响图像的质量。,对,CT,设备的要求较高,，如大容量,X,线球管，,增加了设备的成本与维修费用。,球管旋转的速度相对较慢和,Z,轴覆盖范围较窄，对心脏等动态器官的成像应用受到限制。,多层螺旋,CT,多层螺旋,CT,（,multi-slice CT,，,MSCT,）,是指,X,线球管曝光旋转一周可以同时形成两层以上图像的,CT,机。,主要特点,宽探测器结构：在,Z,轴上扩展增宽，,64,排,MSCT,的,Z,轴覆盖宽度可达到,28.8,40mm,MSCT,宽探测器设计：分为对称型与非对称型排列两种类型,X,线束呈锥形束：可出现半影区或称“无用”射线,先进的旋转方式：钢带驱动,磁悬浮驱动,锥形,X,线束与宽探测器结构,先进旋转方式：磁悬浮驱动，最快,0.3s/,周,锥形,X,线束与宽探测器,MSCT,磁悬浮扫描旋转方式,大容量,X,线球管,采集层厚与剂量：亚毫米层厚，剂量降低,大容量高速计算机：提高运算和处理能力,电子束控球管,各向同性,：,构成,CT,图像的像素为正方体时，则各个方面的重建图像的质量达到一致清晰。,63,多层螺旋,CT,基本结构同第三代,CT/,单层螺旋,CT,相比，最主要的差别：,探测器系统,数据采集系统（,DAS,）,计算机系统,64,探测器组合与扫描层厚,MSCT,使用的,X,线束在,Z,轴方向的宽度加大，形成锥形线束,准直器被用于限制辐射区域（减少非扫描区域的辐射），不再决定扫描层厚,X,线被,Z,轴方向的,N,排二维探测器阵列同时接受，通过不同的探测器组合来确定扫描的层厚,65,34,排检测器,0.5mm4,1mm15,1mm15,检测器阵列的不同组合可形成多种扫描层厚,66,MDCT,的螺距,单层螺旋扫描，螺距（,P,）：射线束宽度与床速的比值,MDCT,的螺距：,一次旋转床移动的距离,/,所采用探测器的宽度,射线束螺距的概念：,射线束螺距,=,一次旋转床移动的距离,/,射线束宽度,射线束螺距与单层螺旋,CT,螺距的概念接近，即螺距的变化与患者的辐射剂量直接相关,层厚螺距的概念：,层厚螺距,=,一次旋转床移动的距离,/,层厚宽度,层厚螺距是根据层厚宽度确定,它与射线束螺距的换算：层厚螺距,=,层厚数,射线束螺距,层厚螺距,3=,单层螺旋扫描的螺距,0.75,层厚螺距,6=,单层螺旋的螺距,1.5,螺距,P,能表示出在,z,轴方向上采集的连续数据是否存在间隙,(P1),或有重叠,(P1),。,例如，,64,层,MSCT x,线束总准直宽度为,640.625mm,，当进床距离为,60mm/,周时，,P=60/40=1.5,。,MSCT,的螺距定义为：,P=(X,线管旋转,1,周进床距离,),（,x,线束总准直宽度）。这一定义对单层螺旋,CT,和,MSCT,都适用。,68,多层螺旋,CT,的优点：,最主要,X,线输出效率提高,（,1,）扫描范围覆盖率增加，,扫描速度提高,（,2,）提高,X,射线利用效率和球管使用,寿命,（,3,）提高检查,速度,，减少患者等待时间，增加患者检查流通量,（,4,）,成像所需射线总量减少,（改进重建算法，,Z,轴数据利用率提高，与单层螺旋比，,40%,曝光量）,（,5,）散射线剂量降低,（,6,）,0.5mm,层厚扫描，体素各向同性,改善,多方位和三维重组图像质量,双源,CT,双源,CT,结构特点与优势,1,.,双球管呈,90,度排列，各对应相应探测器,2.,可提供两套系统的,kV,和,mAs,3.,可进行双能量成像,4.,采用磁悬浮驱动，运行速度,0.30,秒,/,周,5.,最大扫描范围,200cm,，,空间分辨率,0.4mm,320,排,CT,320,排是目前,CT,扫描仪中探测器排数最多的,CT,机，,Aquilion One CT,探测器阵列物理排数也为等宽并且达到,320,排，每排探测器的宽度为,0.5mm,，因此该款机型探测器阵列纵向的物理总宽度达到,160mm,，扫描机架旋转一周的最短时间是,0.35,秒。在冠状动脉扫描成像方式中，,Aquilion One,采用非螺旋扫描模式，由于,160mm,足够覆盖整个心脏，故在心率控制良好的情况下，一次旋转就能完成整个心脏图像的采集。心脏成像的图像重建方式根据心率的变化有单扇区（,180,）、双扇区（,90,）、,3,扇区（,60,）以及,5,扇区（,36,）。在螺旋扫描方式中，,320,排,CT,只采用了其中的,160,排探测器阵列，即,80mm,的物理覆盖宽度。,伪影：图像干扰诊断准确性的影像，形状各异,伪影来源分两类：,患者造成的伪影：多为运动伪影,体内不自主器官运动和体位移动,条状伪影,患者身上的金属物（,枕骨结节）,放射状伪影,软组织,/,骨边缘,条纹状伪影,（空间采样频率不足）,设备引起的伪影：不可避免的,性能不稳定、探测器间的响应不一致,环状伪影,投影数据测量转换误差,直线状伪影,采样频率较低,直线状伪影,射线硬化,宽条状伪影,常见的伪影及避免措施,患者运动伪影,:,训练患者,缩短扫描时间,(,最有效方法,),利用运动伪影抑制软件,金属伪影,:,去除患者携带金属物，无法取下,设法倾斜机架角度避开,利用金属伪影抑制软件,射线束硬化伪影,:,焦点侧采用弓形滤过减少伪影,调节窗宽窗位改善伪影,扫描时尽可能避开骨性结构,部分容积伪影,:,采用薄层扫描,改变图像重建算法,采用容积伪影抑制扫描技术,采样或测量系统误差,(,准确采样的前提原则,:,采样频率是被成像物体最高空间频率的两倍,):,局部放大扫描,根据不同部位采用合适重建算法（高分辨率、标准、软组织）,扫描系统误差,:,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,如出现伪影，及时与维修工程师联系,噪声引起的伪影,:,增加扫描剂量,采用专用滤过算法,73,78,CT,扫描的辐射防护特点,CT,窄束,X,线，常规,X,线检查,锥束,X,线：同样照射条件，宽束,X,线剂量大，散射线多,CT,的射线能量高：,120kV,以上，,X,射线线质硬、穿透性强、被人体吸收少,CT,：探测元器件转换效率高、损失少，,X,线利用率要较常规,X,线检查高,CT,的,X,线管滤过要求比常规,X,线管高，对人体有害的软射线基本被吸收：一束相对单一的高能射线,单击此处编辑母版标题样式,80,图像的显示、存储和传输,图像显示：显示器,-,“,监视器,”,-,阴极射线管，位于操作台，供操作技师和诊断医师观察图像及进行相关操作,图像储存：,硬盘：短期储存,数字磁带或光盘,长期,/,永久储存,光盘存储容量：,650,兆（,Mb,），约可存储未压缩的,CT,图像一千多幅,81,CT,图像的传输,CT,的,图像,和文字采用电子方式从,CT,机传输到其它设备,激光相机,拍摄照片,工作站,图像处理或诊断,其它显示工作站,传输方式：,直接连线,:CT,机,设备,专用网络：图像存储和通讯网络,PACS,（,picture archiving and communications system,）,采用传输网络协议和接口设备,知识点,7-1-2,机房的工作环境要求,温度：为宜。,湿度：要求保持在左右。,电源：最好采用专线，专用变压器，应避免电源 电压变化大的负载供线。,防尘：静电感应可使灰尘附着于元器件表面，既影响元器件的散热又影响其性能。,因此应保持室内良好的清洁度。,空气净化：室内必须安装通风设备。,机房射线防护：扫描室的墙壁要按照线防护要求的规定进行处理，控制室与扫描,间的隔墙应符合线防护的要求。,观察窗：应安装足够大的合乎防护要求的铅当量的铅玻璃，以观察病人。,83,CT,机的准备,训练,X,线球管,从低千伏、毫安到高千伏、毫安的多次曝光,目的,:,使一段时间不使用的冷却的球管逐渐升温，避免突然过冷、过热的情况出现，保护球管,训练程序由于,CT,型号的差别有所不同,CT,值校准,对电器设备（特别是探测器）由于环境变化在扫描时引起的误差进行修正，又称,“,零点漂移校正,”,具体要求参照,CT,的操作手册,