第二章CT成像原理.ppt

第三节第三节X X射线计算机断层成像射线计算机断层成像X XCTCT一、一、X-CTX-CT的基础知识的基础知识二、传统二、传统X-CTX-CT的扫描方式的扫描方式 三、电子束扫描方式三、电子束扫描方式四、螺旋四、螺旋CT CT 五、五、X-CTX-CT图像的质量控制图像的质量控制 1917 Radon 提出三维图像重建理论 1972 英国研制成功第一台头部X-CT 此后 全身CT 心脏CT 螺旋CT（X-ray computed tomography）普通X射线摄影：多器官重叠影像X CT：清晰的断层影像清晰的断层影像普通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射线管第一节XCT的基础知识X-CT（x-ray computed tomography,X-CT)运用扫描并采集投影的物理技术，以测定X射线在人体内的衰减系数为基础，采用一定算法，经计算机运算处理，求解出人体组织的衰减系数值在某剖面上的二维分布矩阵，再转为图像上的灰度分布，从而实现建立断层解剖图像的现代医学成像技术。由此可见，CT的本质是衰减系数成像。基本原理：一、断层与解剖断面1.断层：是指在受检体内接受检查并欲建立图像的薄层，又称之为体层。断层有一定的厚度，它的两个表面可视为是平行的平面。2.2.解剖断面：是指生物体上的某一剖面，此剖面是一平面即是指断层标本的表面。图像薄层头部断层 X-CT图像是断层形态结构的平均，此平均代表解剖断面形态结构二、体素与像素1.体素（voxel）：是指在受检体内欲成像的断层面上，按一定大小和一定坐标人为地划分的很小的体积元。对划分好的体积元要进行空间编码，这就形成了具有坐标排序的体素阵列。脑断层体素体素长或宽 12mm高 315mm2.像素（pixel）：是指在图像平面上划分的很小的小单元，它是构成一幅图像的最小点，是构成图像的基本单元。3.体素与像素之间的对应关系三、扫描与投影1.扫描（scanning）：是指X射线束以不同的方式、按一定的顺序、沿不同的方向对划分好体素编号的受检体断层进行投照，并用高灵敏物检测器接收透射体素阵后的出射X线束强度。（采集数据）2.投影：把投照受检体后出射x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。检测器X ray tube检测器X ray tube位置1位置23.CT扫描用X射线束：它是有一定能谱宽度的连续X射线。4.窄束X射线的获取：准直器准直器散射线检测器射线源基本思路：由投影值求解衰减系数分布单能窄束X射线透射各向同性均匀连续介质衰减函数CT 本质即 值二维分布CT图像重建原理:基本原理：X射线衰减规律 I0是入射X射线强度，I是X射线出射强度，是均匀介质的线性衰减系数(linear attenuation coefficient)或线性吸收系数(linear absorption coefficient)四、图像重建的数理基础n32四、图像重建的数理基础1I0In1.投影方程建立（对于非均匀介质）d(l)P称投影或投影函数 值连续变化(一维)p（1）X射线束通过非均匀介质 当X射线沿不同路径扫描时就会得到一系列的线性方程只要独立方程数等于体素数目就可联立求出所有体素的 i i 值 i 值的二维分布矩阵 i 值的数字图像除方程法外还有多种算法目前CT机普遍采用滤波反投影法这种重建图像的算法称为方程法方程法因运算量太大而不实用（2）图像重建反投影法（总和法）投影反投影利用所获投影数值反向投回各体素中求出各体素的值实现图像的重建反投影法图像重建过程12344646155433775235369 1213 1619 22004509001350等效 10投影相加（体素格中数字表示该体素值）1234结论：反投影法可以重建原来的数据。基数等于所有体素的特征参数的总和。结论：反投影法将产生边缘失锐现象边缘失锐的消除滤波反投影法五、CT值与灰度显示1.CT值：CT机中的X射线强度测量是相对量，也就是说测得的是值的相对值。国标对CT值的定义为：CT影像中每个像素所对应的物质X射线线性平均衰减量大小的表示。实际中，均以水的衰减系数水作为基准，若某种物质的衰减系数为，则其对应的CT值由下式给出：式中 水水 为能量73keV的X射线 在水中的线性衰减系数人体中几种主要物质的CT值水 0 空气 -1000致密骨 +1000 凝固血 5676脑灰质 3646 脑白质 2232血液 12 脂肪 -1002.灰度显示是图像的黑白或明暗程度，它是在图像上，表现各像素黑白或明暗程度的量。从完全黑到完全白有无数多个不同的灰度。在图像画面上，是以灰度分布的形式显示CT影像。把各体素的CT值转换成图像上对应像素的灰度，变得到图像画面上的灰度分布。此灰度就是XCT像。显然，一个CT值对应一个灰度。3.窗口技术实际上采用一个CT值对应一个灰度的方法，人眼并不能分辨出这么多的灰度分级。其实显示器也无法显示这么多的灰度。一般人眼仅能分辨相差大于60HU的灰度级，从黑到白只能分为33个不同分级。为弥补人眼分辨能力不足的弊端，常采用窗口技术。主要有窗宽（window width)与窗位（window level)二个指标。窗口技术：CT机放大或增强某段范围内灰度的技术 窗位(window level W.L)：窗宽(window width W.W)：窗宽=CTmaxCTmin 观测组织CT值范围范围以下压缩为全黑范围以上增强为全白增强的灰度范围对应 灰度范围上下限之差窗口中心灰度值2）图像的再加工处理考虑每一像素与临近像素关系算出像素新数值。例:对33矩阵像素值平滑处理。E为某点原像素值,E为处理后像素值，不同滤波公式完成相应滤波计算。图像的过滤原理ECJFBHEAGD典型的 33图像矩阵滤波处理 2）图像的再加工处理l轮廓滤波l边缘增强滤波 l阴影滤波l平滑滤波l平均平滑滤波图像的过滤图像的放大和缩小2）图像的再加工处理图像的放大和缩小2）图像的再加工处理数据缺少图像粗糙插值法图像放大图像缩小数据增多数据压缩缺点缺点处理处理图像失真插值法abc两点平均插值示意图两点平均插值示意图 六、图像的主要质量参数1.对比度及对比度分辨力Contrast是CT图像表示不同物质密度差异、或对X射线透射度微小差异的量。表现在图像上像素间的对比度，是它们灰度间的黑白程度的对比。定义定义对比度主要由物质间的密度差来决定，但也受其它因素影响。对比度分辨力也叫密度分辨力，它是CT像表现不同物质的密度差异，或对X射线透射度微小差异的能力。用能分辨的最小对比度的数值表示。典型值：0.1%-1.0%之间。与X射线能量有关。检测方法：低密度体模。2.高对比度分辨力和低对比度分辨力当被分辨组织器官的较小结构或病灶的线度过小时，即使在满足对比度分辨力的条件下，该较小结构或病灶也未必能被分辨或识别出来。高对比度分辨力：物体与匀质环境的X射线线性衰减系数关别的相对值大于10%时，CT机能分辨该物体的能力。单位：mm或LP.cm-1。低对比度分辨力：物体与匀质环境的X射线线性衰减系数关别的相对值小于1%时，CT机能分辨该物体的能力。单位：mm。3.空间分辨力是指CT像分辨两个距离很近的微小组织结构的能力，抽象地说就是CT图像分辨断层上两邻近点的能力。可用分辨距离（即能分辨的两个点间的最小距离）表示。影响因素：检测器有效受照宽度、有效受照高度、重建算法、图像矩阵大小、图像对比度等。检测方法：高密度体模。4.图像噪声(noise)与X射线剂量(dose)Noise:在均质物质的影像中，表示给定区域的各CT值对其平均值变化的量。其量值用给定区域CT值的标准偏差表示。n是ROI内像素数。影响因素：量子噪声、电气测量系统热噪声、重建算法等。dose:是指在用X射线扫描中，投照受检体所使用的X射线的量，它决定于X射线强度和硬度。增大剂量可以减小图像噪声。噪声的检测：采用标准水模。5.均匀性（even)是描述在断面不同位置上的同一种组织成像时，是否具有同一个平均CT值的量。国标定义：在扫描野中，匀质体各局部在CT图像上显示出的CT值的一致性。可用CT值的标准偏差来表示。检测方法：标准圆柱形试模（仲裁时用水模）。6.各参数间的制约从临床角度，对图像质量的要求应是各方面的指标参数都好，但这在技术实现上又很难做到。这是因为各参数间的相互制约关系。二、XCT图像的伪像伪像（false image)又称为伪影（artifacts):是指在重建图像过程中，所有不同类型的图像干扰和各种其他非随机干扰在图像上的表现，它对应的是受检体中根本不存在的组织或病灶的影像。它与噪声不同。1.产生原因：成像测量系统产生的误差；X射线的原因：主要是X射线质量引起，如量子噪声、散射线等。受检本原因；成像装置原因；2.False image识别的意义有助于对真实图像的更深刻认识；有助于设备运行在最佳状态和受检体的调整；有助于成像设备软、硬件设计的进一步完善。