第四章-计算机X线体层成像.ppt

,医学影像成像原理,第四章 计算机X线体层成像,第一节 概述,第二节 CT成像原理,第三节 CT数据采集与扫描方式,第四节 CT图像重建,第五节 CT图像处理,第六节 CT图像质量,学习目标,1.,掌握,C,T图像特点、CT成像原理（物理原理、数据采集原理与CT图像重建原理方法）、普通CT与螺旋CT成像理论的区别；,2.,熟悉,影响CT图像质量的因素及CT图像处理技术；,3.,了解,CT简史、双源CT与能谱CT。,第一节 概 述,一、,CT成像的特点,（一）,CT,成像优势,1断面图像,（二）CT局限性和不足,1空间分辨率不如常规的X线成像,2并非对所有脏器都适合,3目前不能进行功能成像,二、CT成像的基本参数,1体层,2层厚,3图像矩阵 4像素,5.,体素,6CT值,以吸收系数为依据，用CT值来表达人体组织密度的量值。,CT值可用公式表示为：,式中，K是分度因数，常,取为1000。,CT值的单位为“HU”,1000,-1000,0,7灰度,8灰阶,CT,影像形成,9窗口技术,是将全范围CT值分时分段进行显示技术。被显示灰阶的范围称为,窗宽（W）,，其中间值称为,窗位（C）,，窗宽以外的CT值不显示。,显示,CT,值范围：C-W/2（下限）C+W/2（上限）,Sinogram,Ideal Image,Projection,Projection,10部分容积现象 11投影,12扫描 13扫描方式,三、CT的临床应用,CT机发展到今天，已经可以广泛应用到全身的任何一个部位的检查上。,第二节 CT成像原理,控制台,计算机,床,机架,高压发生器,一、,CT,机的基本硬件,CT,机的基本硬件，主要包括,扫描机架系统,计算机系统,外围设备,球管,探测器,DAS,（一）扫描机架系统,扫描机架系统内部包括,X,线球管,高压发生器,探测器,准直器,A/D,转换器,准直器,（二）检查床,（三）高压发生器,（四）中央控制台,（五）辅助设备,（六）计算机及软件,计算机系统一般由主控计算机和阵列计算机两部分组成。,主控计算机的作用是：,控制和监视扫描过程，并将扫描数据送入存储器；,CT值的校正和输入数据的扩展；,与操作者对话并控制扫描等信息的传送；,图像重建的程序控制；,故障诊断及分析。,列阵处理机主要的任务是在主控计算机的控制下，进行图像重建等处理。,二,、CT成像过程,（二）,CT,成像原理,三、CT成像原理,吸收系数受X 线波长、物质原子序数Z 和密度的影响。因此，必须对CT 图像重建过程中的X 线硬化效应要进行校正，减小由X 线束硬化效应造成的CT 图像不均匀性。,线束硬化效应,第三节,CT,数据采集与扫描方式,一、,CT,数据采集的基本原理,（1）CT数据采集基本原理,CT,数据采集目的是获取重建图像的原始数据。,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。,目前使用的CT机，有两种不同的数据采集方法,逐层采集法,（非螺旋扫描）,容积数据采集法,（螺旋扫描）,在理解数据采样过程中，还必须注意：,X线管与探测器是一个精确的准直系统；,X线管与探测器围绕人体旋转是为了采样；,X线管产生的射线是经过有效滤过的；,射线束的宽度是根据层厚大小设置严格准直的；,探测器接收的是透过人体后的衰减射线；,探测器接收的衰减射线转换为电信号。,扫描方式,静止,-,旋转,（,S/R,）,单束平移,-,旋转,（,T/R,）,窄扇形平移,-,旋转,（,T/R,）,旋转,-,旋转,（,R/R,）,二,.,传统,X-CT,的扫描方式,二、常规,CT,扫描方式,1.,单束平移,-,旋转（,T/R,）方式,第一代,CT,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,2.,窄扇形束扫描平移,-,旋转（,T/R,）方式,特点：,直线多路笔形扫描束,探测器,3-52,个,每次旋转,3-30,度,检测一个层面,20-120S,第二代,CT,3.,旋转,-,旋转（,R/R,）方式,特点：,扇形扫描束,连续或脉冲方式的,X,射线,弧形阵列探测器,300-800,个,每次旋转,360,度,检测一个层面,3-5S,第三代,CT,静止,-,旋转（,S/R,）方式,特点：,扇形扫描束,连续或脉冲方式的,X,射线,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,1-5S,第四代,CT,4.,宽扇形束静止,-,旋转方式,5.,电子束,CT,第五代,CT,超高速,CT,4,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,电子束扫描示意图,CT,真好,!,但仍然存在很多问题,.,普通,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。,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,不能准确地重建三维图像和多方位图像,层厚定位选择所引起的问题,.,因为不在层厚里面所以引起病变的遗漏,.,一只老鼠,.,2D,层厚,3D,容积,常规,vs.,螺旋,CT.,三、,螺旋CT,1单层螺旋CT,螺旋CT扫描方式产生于1989年，是在滑环扫描技术的基础上发展起来的一种新型扫描技术。,供电方式,采用,滑环,技术不使用电缆供电,螺旋,CT,优势,扫描方式,X,线管能,连续,地沿着一个方向转动,滑环技术,?,螺距（pitch）定义,为床速与扫描层厚的比值，一个无量纲的量。单层螺旋CT扫描层厚由准直宽度决定，和准直宽度一致。如果用d表示床速，S表示扫描层厚，则螺距可用下式表示：,螺旋插值,线性内插,全扫描内插法,360,线性内插,半扫描内插法,180,线性内插,两圈螺旋数据内插,一圈螺旋数据内插,-0.5,0,0.5,1,圈,0,2,圈,-1,1,2多层面螺旋CT,多层面CT同单层螺旋CT相比,在Z轴方向的探测器排大于,数据采集系统大于把,图像重建算法、计算机系统有较大改进,单层螺旋,CT,与多层螺旋,CT,的比较,目前探测器的排列方式有两种类型：,一种是均等分配的等宽型（对称型排列），即在Z轴方向的多排探测器宽度是一致的,另一类是探测器的宽度不均等分配的非等宽型（非对称型排列），这些组合是由探测器后面的电子开关来实现的，通过电子开关再将信号传递给数据采集系统（DAS）,以四层螺旋CT为例，说明多层面CT的特点,（1）探测器阵列,四层螺旋CT具有四组通道的多排探测器阵列，分为对称型和非对称型两种。探测器的排列方式主要有以下三种：,第一种：,它在,Z,轴方向有,16,排探测器，每排探测器是等宽的。,探测器的宽度相当于层厚为,1.25mm,。材料为稀土陶瓷。,东芝公司的探测器,沿,Z,轴方向有,3,排，基本上也是等宽型的，只是靠近中央的,4,排为宽度,0.5mm,，其他的,30,排均为,1mm,等宽的探测器。,第二种,第三种,Z,轴方向有,8,排探测器，每排探测器的宽度不等，从中间向两边，其宽度分别相当于层厚为,1,、,1.5,、,2.5,、,5mm,。,材料为超速陶瓷材料。,（2）数据采集通道,（3）X线束,（4）层厚的选择,（5）螺距,多层面CT的螺距定义为床速与整个准直宽度的比值。用公式表示为：,：床速,：层数,S,：准直器宽度,（6）图像重建算法,主要采用两种方法：,优化采样扫描和滤过内插法,优化采样扫描：,是通过调整采样轨迹的方法来获得补偿信息、缩短采样间隔、增加Z轴上的采样密度来获得图像质量的改善。,滤过内插法：,基于多点加权非线性内插法，即通过改变滤过波形和宽度来自由调整切层轮廓外形的有效层厚及图像噪声，实现Z轴方向的多层重建。,（7）智能扫描,多层面CT与单层螺旋CT相比有很多优点：,（1）提高了X线利用率,（2）扫描速度更快,（3）提高时间分辨力,（4）提高Z轴空间分辨力，有利实现各向同性成像,四、,双源CT,2005年在北美放射学会上推出的，它通过两个X线源和两套探测器来采集数据，全面拓展CT的临床应用。,优势：,双能量成像技术,利于分离血管、骨性结构、血管硬性斑块,利于显示肺动脉栓塞所致肺段的灌注减少或缺失及肺血管栓子,显示心肌的灌注情况,利于区分肌腱和韧带结构,辨别脑出血中的新鲜或陈旧性出血,心脏扫描技术,大范围扫描技术,第四,节,CT图像重建,CT,图像重建方法,（一）迭代法,(,二）傅里叶变换法,（三）反投影法,反投影法应用：,若层面中间有一固定CT 值的像素单元，图中分别沿0、45、90、135投射X 线，获得投影数值而后叠加回矩阵重建出图像。但反投影图像重建的边缘失锐。,反投影法的缺点：,会造成图像边缘的不清晰。如果在一均匀组织密度内，存在吸收系数特异的部分时，反投影图像与真实图会出现伪差，而使重建圆图像的边缘部分模糊不清，如下图所示。,（四）滤波反投影法,采用卷积计算的滤波反投影法是当前,CT,成像中应用最为广泛，也称卷积反投影法。,成像的过程可分成三步：,预处理,卷积,反投影,第五节,CT,图像处理,一、图像处理功能,（一）显示功能处理,1.,定位片,为了对某一横断面定位，常采用,X,线管和检测器相对静止、使被检体纵向随扫描床均匀移动，且在运动中曝光，进行多幅单方向扫描，然后将这些线条数据合成全貌定位片。,2,窗口技术,将层面某局部范围内,CT,值分布用相对应的,16,灰阶显示。,CT,值分布与,16,灰阶一一对应，把局部范围内,CT,值的上限增强为全白（灰度为,0,），把,CT,值的下限压缩为全黑（灰度为,16,），,灰阶对应的,CT,值数目减小，灰阶间的,CT,值相差变小，人眼能分辨出这细微差异，这相当于放大或增强了局部,CT,值范围内灰度显示的黑白对比，更容易区分出,CT,值分布的细微差异。,窗口：被放大或增强的,CT,值灰度显示范围；,窗宽（,WW,）：上限,CT,值和下限,CT,值之差，也就是显示器所显示的,CT,值范围。,窗位（,WL,）：,CT,值范围的中心,CT,值：,下图所示的是某一选定的窗宽、窗位及显示灰阶，图中所示,CT,值的方向是显示亮的方向；的方向显示暗的方向。,窗宽选择注意事项,窗位通常以欲观察组织的,CT,平均值为参考；,选择窗宽要考虑窗口中组织结构密度差异,窄窗显示的,CT,值范围小，每级灰阶代表的,CT,值跨度小，有利于低对比组织或结构（如脑组织）的显示；,宽窗每级灰阶代表的,CT,值跨度大，适用于密度差别大的组织或结构（如肺、骨质等）的显示。,二、,CT,图像后处理技术,(,一,),多层面重组（,MPR,）技术,是在横断面图像上，任意画线使横断面的二维体素单元重组，得到该断面的二,维重建图像，主要有冠状,面、矢状面及任意角度的,图像,（二）最大密度投影与最小密度投影,是指对容积数据中的数据，以视线方向作为投影线，把该投影线上遇到的最大（最小）像素值，投影到与视线垂直的平面上，然后重建，形成MIP 图像。,（三）表面阴影显示,（SSD）,预先确定ROI 内组织结构的最高和最低CT 阈值，然后标定ROI 内的组织结构，经计算机重建程序处理，形成图像。常用于颌面部、骨盆、脊柱等解剖结构复杂的部位。,（四）容积再现（,VR,）,是利用全部体素的,CT,值，通过功能转换软件，进行表面遮盖技术并与旋转相结合，加上假彩色编码与不同程度的透明化技术，使表面与深部结构同时立体地显示。常用于支气管、肺、纵膈、肋骨和血管的成像，图像清晰、逼真。,（五）仿真内镜显示（,VE,）,计算机技术与CT 结合而开发出仿真内镜功能。即从一端向另一端逐步显示管腔器官的内腔。进行假彩色编码，使内腔显示更为逼真。,第六节,CT,图像质量,一、,CT,图像质量评价,诊断学标准,物理学标准,成像技术条件,临床和相关的性能参数,受检者辐射剂量,二、成像参数对,CT,图像质量的影响,（一）扫描时间和扫描周期,1,扫描时间,指完成某体层面数据采集,X,线束扫描所需要的时间,2,扫描周期,指对一个体层平面扫描开始，完成一次扫描到下一次扫描开始所需的时间,（二）扫描范围和体层厚度,1.扫描范围,指CT 扫描被照体的最大区域。,2.体层厚度,指被检体在CT 扫描、成像薄层的厚度。,（三）对比度与对比度分辨力,1.,对比度：,CT,图像对比度表示组织器官的密度差异。,2.,密度分辨力也称低对比分辨力：,(1),定义：,为物体与均质环境的,X,线衰减系数差别的相对值小于,1%,时，,CT,图像能分辨该物体的能力。,（,2,）影响密度分辨力的因素,剂量,扫描层厚,体素,重建算法,一般密度分辨力在,0.1%1.0%,之间,（四）空间分辨力,指,CT,图像能分辨断层面上相邻两点的能力，常用能分辨两个点间的最小距离来表示，普通,CT,图像的空间分辨力约为,1,2mm,。,影响空间分辨力的因素有：,1X 线束与检测器受照有效宽度,2图像重建算法,3图像矩阵,4.,焦点大小,5.,扫描层厚,6.,螺距,（五）噪声,单位体积（体素）之间光子量不均衡，导致采样过程中接受到的某些干扰正常信号的信息，表现为图像的均匀性差，呈颗粒性，密度分辨力明显下降。,影像,CT,图像噪声的因素主要有：,管电流量；,管电压；层厚；,重建滤过算法；,FOV,和矩阵；,螺距,。,噪声对,CT,图像的影响,（六）伪像,各种伪像照片,运动伪影,呼吸伪影,扫描伪影,机器伪影,机器伪影,金属伪影,金属伪影,胸外金属伪影,股骨伪影,动脉瘤术后伪影骨窗,动脉瘤术后伪影,（七）均匀度,(,或均匀性,),是描述同一种组织在断面上的不同位置成像时，是否具有同一个平均,CT,值。国际对均匀度的定义是：在扫描野中，匀质体各局部在,CT,图像上显示出,CT,值的一致性。,最好的均匀度是0HU。在测出图像均匀度的同时，也获得CT 值和噪声值。国标对均匀度的验收检测要求为2HU，状态检测要求为6HU，稳定性检测要,求,与基础值偏差2HU。,均匀度除受图像噪声影响外，还受X 线束硬化影响,小结,重点阐述,CT,成像的物理原理，数据采集的基本原理与原则，各种螺旋,CT,的图像重建。,阐述,CT,图像特点及图像处理；对于优质,CT,图像质量进行评价与分析,思考题,1,与,X,线平片比较,CT,成像有何优缺点？,2,简述,CT,基本硬件特点与成像过程。,3,简述,CT,物理原理，数据采集基本原理与原则。,4,简述,CT,图像的重建方法及原理。,5,何为窗口技术？有何临床应用价值？,6,简述,CT,图像质量评价指标。,