X-CT成像原理.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,.,*,第三章 X 射线计算机断层扫描成像,(X-ray computed tomography,X-CT),.,普通X射线影像的缺点,X射线穿透不同密度和厚度组织结构后的总和投影,影像重叠:深度方向上的信息重叠在一起，引起混淆,密度分辨率低:对软组织分辨能力低,剂量大,Computed tomography,.,XCT是运用物理技术，以,测定X射线在人体内的衰减系数,为基础，采用数学方法，经计算机处理，求解出衰减系数值在人体某剖面上的二维分布矩阵，转变为图像画面上的灰度分布，从而实现重新建立断面图像的现代医学成像技术。,XCT像的,本质,是衰减系数成像,指导思想,：如何确定衰减系数值在人体某剖面上的二维分布,31 X-CT,成像原理,体层、体素,.,体层、体素、像素,体层（断层）,：,受检体中的一个薄层,像素,(pixel)：构成图像的基本单元,体素的平均密度决定其灰度值。,像素越多，像素就越小，画面越细腻，携带的生物信息量越多,体素,（voxel)：成像的体层分成按矩阵排列的若干个小基本体元,体积：长宽高,一般体素的大小：,长和宽：12mm,高（体层厚）：310mm,体素划分：256256（=65536个体素）；512512（=262144）,.,一、投影采集与图象重建,扫描,：用X射线束以不同方式、按一定顺序、沿不同方向对体层进行投照，并用高灵敏度的探测器接受出射X射线的强度,。,1、扫描与投影,投影,：投照受检体后出射X线束的强度；投影值的分布为投影函数,.,2、窄束X射线的获取,准直器,：允许X射线通过的细长狭窄通道,3、图象重建,美国物理学家科马克(A.M Cormack,1963)通过模拟实验，提出用X射线,投影数据重建人体断层图像,的数学方法。,像素,.,二、CT成像的物理基础,注意：,是物体种类和,X,射线能量的函数,1、均匀物质对X射线的吸收规律：,.,2、X射线束通过非均匀物质,1,2,3,n,x,I,0,I,n,I,1,=,I,0,e,(,1,x),I,2,=,I1,e,(,2,x),I,n,=,I,0,e,-(,1,+,2,+,n,)x,i,视为均匀,.,1、CT值,CT测量并计算，获取一定数目体素的值重建图像,用CT值来作为表达组织密度的统一单位。,以水的吸收系数（,w,=1）为标准，各组织对X射线的吸收系数与水的吸收系数,w,的相对比值，称为CT值。,3、CT值与灰度显示,K=1000 为分度因数,CT值的单位是 Hu 或H（亨）,水 骨 空气,1.0 2.0 0,CT值,0 [phone],.,病变CT值 可鉴别病变的性质 如肝囊肿 015H,2.灰度显示,CT值与灰度对应,.,脑内出血区呈高密度影，CT值约4590Hu之间,实质性肿瘤CT表现为高密度影,囊性肿瘤为低密度影,.,三、图像重建的数学方法,1、代数（迭代）重建法,（联立方程组）,.,1,2,3,4,4,6,4,6,1,5,5,4,13,16,19,22,0,0,45,0,90,0,3,3,7,7,135,0,减基数10,化简,基数等于所有体素特征的总和,5,2,3,5,3,6,9,12,1,2,3,4,2、反投影法,.,.,3、滤波反投影法,（,Filtered back projection,),也称为卷积反投影法(,convolution back projection,CBP),反投影法,得到的图像四周伴有星状伪像；,滤波反投影,在反投影之前，用滤波函数与反投影信号相加（卷积处理），消灭星状伪影。,.,表示卷积积分,卷积核,卷积核,：在CT图像重建过程中用于滤波反投影的专用函数，,改善像素噪声和几何分辨率。,.,.,.,32,CT扫描机的结构,扫描架,控制台（显示）,高压发生器,电源控制,计算机系统,成像系统的核心,扫描床,.,一、扫描装置,扫描架,X线管,探测器,.,（1）X线管：,功率2060kW;,高压80140kVp,焦点0.52.0mm,;,扫描持续时间30 60s,.,高压氙气探测器,电离室在高压下充入惰性气体氙,优点：结构简单；单个探测器通道的灵敏度相同。,缺点：量子效率低；相邻探测器之间存在缝隙。,闪烁晶体探测器,(NaI)碘化钠、(CsI)碘化铯、(CaF2)氟化钙、(BGO)锗酸铋晶体等。,加入微量增光或减少余辉的物质（铊、铕）,优点：探测效率高,（2）探测器,.,CT原理框图,二、计算机系统,.,计算机系统以控制计算机为中心控制和管理核心，它是中央处理系统,提供数据采集系统(date acquisition system,DAS)、阵列处理计算机等以及机架和高压系统的微处理器间的输入、输出的连接，通过中央处理器(CPU)和存储器(memory)完成执行功能：,1）控制和监视扫描过程，将扫描数据（投影值）送入存储器；,2）CT值校正（插值处理）；,3）控制CT扫描等信息的传递数据管理；,4）图像重建的程序控制；,5）故障诊断及分析等。,.,33 CT扫描方式与设备,平移采集160个数据*旋转180,每次扫描共采集28800个数据；,计算8080矩阵的图像，6400个像素；,一幅图像约需5min,一次检查约需35min。,应用范围：脑,1、单束平移旋转方式,第1代（1970）,一、普通CT,.,2、窄扇形束扫描平移旋转方式 ,第2代（1972）,扇角：1520,步幅：510；,X球管1个，,检测器2030个,；,一幅图像需时2060 s；,应用范围：头部,.,一幅图像需时约 5s；,应用范围：全身（心脏除外）,3060,3001000个,3、广角扇束形,旋转旋转,（常用）,第3代（1976）：,.,一幅图像约,需 2s,;应用范围：全身。,特点：扫描时间短，较好消除运动伪影。,4001500个检测器组成 静止环形检测器环,4、反扇束形静止旋转,（常用）第4代（1978）,.,第三代与第四代比较,(From Siemens),传统CT的缺点：,旋转部分为往返旋转运动，限制了扫描速度；,控制电路复杂；,电缆长期作往返缠绕，易发生折断，故障不易查找。,.,二、螺旋CT,（1989）,1、扫描方式与供电方式：,扫描方式,：X线管绕被查人体匀速单向旋转，人体匀速前进,扫描轨迹为螺旋曲线，故称螺旋CT,优点：,扫描速度高：,减少运动伪影,无采集数据遗漏：容积数据，任意位置、任意方位重建图像。,.,供电方式,：滑环（slip ring)，碳刷在滑环上运动完成机架旋转部分与静止部分馈电和信号传递，无电缆的缠绕，机架单向连续旋转,.,2)低压滑环,：传递电压为数百伏。,优点,：传递电压低，易处理；高压电缆短，损耗小。,缺点,：高压电源与X线管组合一起旋转，增加旋转部分重量。,高压发生器,X线管,高压电缆,低压电缆,1)高压滑环,：传递电压万伏以上,优点,：高压电源放在扫描机架外部；,缺点,：易发生高压放电导致高压噪声。影响数据采集系统和图像质量,高压,电源,X线管,高压电缆,.,单层探测器,多层探测器,X,光管,X,光管,2、多层面扫描螺旋CT（1998）,单层螺旋CT,：,线束宽度近似于层厚；,多层螺旋CT：,线束以X射线管为顶点，呈四棱锥形,.,检测器结构,：单排、多排（64）、等宽、不等宽,.,1、动态空间扫描,28个X线管（半圆），28个检测器（半圆）；,电子开关控制轮流发射X射线脉冲束；,时间1s,。,应用范围：心、肺动态器官,三、超高速扫描,第5代,（1987）,.,2、电子束扫描,钟形X射线管和静止排列的检测器环,时间约 10ms,应用范围：心、肺等动态器官,.,CT的优缺点,优点：,1、真正断面像：准直系统准直，无层面外组织结构干扰；,软件处理重建，获得诊断所需多方位像。,2、密度分辨力高：严格准直，灵敏探测器；,窗口技术，灰阶可调节；,无断层外干扰。,3、可做定量分析测量,值，定量分析。,局限性：,1、空间分辨力仍低于常规X线检查；,2、不是所有脏器都适合CT检查（如空腔性脏器、胃肠道）,3、CT定位、定性诊断的准确性仍受各种因素的影响,（病变部位、大小、性质、病程长短）；,4、不能反映脏器的功能、生化信息,（基本上只反映解剖学方面的性质）。,.,.,34 X-CT图像的质量评价,用物理学、影像学原理检测、评价设备性能,主要有：分辨率、噪声、均匀性等参数,评价方法,：在临床应用条件下对,标准测试体模,作断层扫描，采集影像数据，用物理学方法做数据分析处理，根据各项指标的,测量值相对于标称值的偏差,评定是否合格，并进行校正、维修,一、图像的主要质量参数,1、对比度及对比度分辨力,对比度：,不同物质的密度差异X射线透射差异,像素灰度间的黑白程度的对比,.,对比度分辨力（密度分辨力）：,将一定大小的细节从背景中鉴别出来的能力。,检测方法：,低密度体模（单位 mm）,影响因素：,噪声像颗粒度对比度分辨力；,被照物细节对比度分辨力；,X射线剂量信噪比对比度分辨力,窗宽、窗位的选择,.,2、低对比度分辨力和高对比度分辨力,低对比度分辨力：,细节与背景之间具有低对比度时，能使细节从背景中鉴别出来的能力。,条件：物体（细节）与均质环境的吸收系数差别的相对值,1%或 CT10Hu,X-CT:0.51%普通X线片：,5%,低对比度分辨力CT优于X片,低对比度分辨力高是X-CT的优势！,原因：,CT与普通x线摄影比较,无重叠干扰；,高度准直，散射线少；,探测器比胶片灵敏。,.,影响因素：,探测器孔径（射线采样宽度）空间分辨力,间距（采样间隔）空间分辨力,图像重建算法（滤波函数的选择）。,高对比度分辨力：,在高对比度条件下，将一定大小的细节从背景中鉴别出来的能力。,条件：物体（细节）与均质环境的吸收系数差别的相对值,10%；或CT100Hu,3、空间分辨力：,在高对比度条件下，鉴别两个距离很近的微小组织或病灶的能力。,体素,（矩阵越大）空间分辨力,.,空间分辨力取决于,检测器有效受照,宽,度（与线束,宽,度相对应）,检测器有效受照,高,度（与线束,高,度相对应）,.,空间分辨力的检测：高密度测试体模,线对数LP/Cm;分辨最小圆孔的直径（mm),普通X光片,：0.10.2mm (胶片颗粒尺寸）；,X-CT：12mm,核素成像,：510mm,对骨骼和胸腔等高对比度器官的检查，XCT尚不能代替普通X光摄影,.,图像中可观察到的光密度的随机变化。,X光机噪声主要由三个来源：,量子统计噪声(92%)：X光量子统计涨落在照片上记录的反映；,散射噪声：主要是康普顿散射线；,系统电子学的热噪声,图像表现：斑点、细粒、网纹、雪花点,信噪比,(signal to noise ratio,SNR),评价指标,图像信号幅度,噪声幅度,噪声对低对比度的结构影响较明显,4、图像噪声与X射线剂量,.,（量子）噪声表示给定区域的各CT值对其平均值的变化量（由探测器检测到的X线数量的波动引起）。是一种随机的干扰信号。,高剂量扫描,极低剂量扫描,w：像素大小；,h：断层厚度：,D,0,：最大皮肤剂量(只要诊断许可，尽量采用大剂量条件）,C：描述剂量效率的常数；,B：射线衰减（性能）因数,噪声标准差,.,在扫描野中，均质体各局部在CT图像上显示出CT值得一致性,匀质体各局部区域平均CT值 偏离程度均匀性,影响因素：图像噪声；X射线束硬化,5、均匀性,测量中央和边缘取五个面积相等的ROI的CT值；,计算两两之间CT值的最大偏离CT,m,#,本例 CT,m,#,=3.7HU,国际评价标准：CT,m,#,5HU,-1.0,-2.1,0.5,-1.3,-3.2,.,6、空间分辨力、对比度分辨力、噪声、均匀度和X射线剂量之间的关系,X射线剂量一定：体素,空间分辨力,光子数,信噪比、均匀性,对比度分辨力,w：像素大小(空间分辨率）；,h：断层厚度（空间分辨率，大层厚图像较细腻，,小层厚图像分辨率较高。二者相互制约）：,D,0,：最大皮肤剂量(只要诊断许可，尽量采用大剂量条件）,C：描述剂量效率的常数；,B：射线衰减（性能）因数,噪声标准差,.,伪影：,扫描中不存在而出现在重建图像中的干扰图样。,产生伪影的原因,1、成像系统的测量误差,电器故障,二、,X-CT,图像的伪像,人体超出测量范围,定期做系统维护,.,部分容积效应,抑制方法：减小切层厚度，采用薄层扫描,周围间隙现象,.,条纹伪影,.,金属植入物,条纹状伪影,.,线束硬化,2、X射线的原因（硬化效应等）,CT值随厚度而异（条状或环状伪影）,骨性结构,X射线平均能量增高,.,3、受检体的原因,体位移动、,体内器官心、肺、肠等非自主运动等,抑制方法：,缩短扫描时间,训练呼吸,.,4、成像装置原因,扫描及数据处理不当,图像重建算法不完善,扫描系统状态不稳定,检测器性能不一致,采集数据重复性不好（,旋转中心不重合）,X射线高压不稳定（电压波动）,伪像的识别已成为影像诊断水平的主要标志之一,环中一个探测器损坏后出现的环状伪影示意图,.,