最全的医学成像原理计算机X线体层成像.pptx
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1、主要内容第一节 概述第二节 CT成像原理第三节 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图像质量第1页/共73页第一节 概述1971 年9 月英国工程师豪斯费尔德(G.N.Hounsfield)研制出第一台CT 并与放射线医生一起获得第一幅头部的CT 图像。1974 年全身CT 成像装置研制成功。1989 年在滑环技术的基础上,螺旋CT 问世,由传统二维采样的扫描模式进展为三维采样。1992 年研制成功双层螺旋CT,开创了多层螺旋扫描的先河。1998 年多层面CT 的诞生,使得X线管围绕人体旋转一圈能同时获得多幅断面图像。2004 年推出的64 排螺旋CT(容积C
2、T),开创了容积数据成像的新纪元。2005 年双源CT(DSCT)研制成功,通过两套X 线管系统和两套检测器来采集数据,实现了单扇区的数据采集。第2页/共73页CT 成像比常规X 线的影像学检查有优势:1断面图像 CT 通过准直器的准直,可消除人体内组织、器官间的相互重叠影像,获得无层面外组织结构干扰的横断面图像,能准确地反映横断平面上组织、器官的解剖结构。2密度分辨力高 CT 的准直器减少了散射线。此外,CT 还利用软件对灰阶的控制,加大了人眼的观测范围。一般CT 的密度分辨力比常规X 线检查高20 倍。3可做定量分析 CT 能够通过各种计算进行定量分析,如CT 值、骨矿含量、心脏冠状动脉的
3、钙化等测量,有助于临床诊断。4可进行各种图像的后处理 可借助各种图像处理软件,对病灶的形状及结构进行分析,获得高质量的三维图像和多平面图像。第3页/共73页但CT 也有其局限性和不足:1空间分辨力不如常规X 线成像 目前,中档的CT 机其极限分辨力约10LP/cm,而高档的CT 机其极限分辨力约14LP/cm。2对部分脏器的检查有局限性 CT 对于空腔性脏器如胃肠道的显示,由于其无规则的蠕动,还不能替代常规的X 线检查。CT 对于血管造影的图像质量不及DSA。3目前不能实现功能成像 目前,CT 图像主要反映的还是解剖学的结构,对于脏器功能和生化方面成像尚处于研究中。第4页/共73页第二节 CT
4、 成像原理一、CT 机的基本构造CT 机的基本结构是指CT 机的硬件组成,主要包括扫描机架系统、计算机系统和外围设备。1扫描机架系统 扫描机架可根据检查的需要,进行正负25o的倾斜。扫描机架系统包括X 线管、X 线发生器、检测器、准直器和模/数转换器等。目前CT 机使用的检测器分为固体和气体检测器。CT 准直器分为:一是X 线管端的准直器(前准直器);二是检测器端的准直器(后准直器)。准直器的作用通过调节X 线束的宽度减少被检者的X 线剂量和散射线,此外,还决定CT 扫描的层厚。第5页/共73页2计算机系统 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:控制和监视扫描过程
5、,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;故障检修及分析。列阵处理机是在主控计算机的控制下进行图像重建等处理。3外围设备 包括检查床、操作台和图像存储和记录部分(硬盘、软盘、磁带机、光盘等)第6页/共73页二、C T 成像过程第7页/共73页三、CT 成像原理(一)CT 图像相关概念1体层 2体素3CT 值 国际上对CT 值的定义为:CT 影像中每个像素所对应的物质对X 线线性平均衰减量大小。实际应用中,均以水的衰减系数作为基准,CT 值定义为:人体被检组织的吸收系数x 与水的吸收系数w的相对差值,即:式中:K 是分度因数
6、,常取为1000。CT 值的单位为HU(Hounsfield Unit)。第8页/共73页第9页/共73页4 投影 把投照受检体后出射的X 线束强度I 称为投影(projection),投影的数值称为投影值,投影值的分布称为投影函数。5部分容积现象 如果划分的体素内包含有几种不同的组织成分,则该体素的CT 值应是所含各种成分的加权平均值。在这种情况下,平均CT 值不能准确地与体素内任何一种组织成分的密度相对应,这种现称为部分容积现象(partial volume phenomenon)。第10页/共73页(二)CT 成像原理第11页/共73页在X 线穿透人体组织、器官时,由于人体组织、器官是由
7、多种物质成分构成的,所以各点对X线的吸收系数是不同的。为了便于分析,将每个体素内物质的密度均匀,即为单质均匀密度体,用表示体素的吸收系数。第12页/共73页第13页/共73页吸收系数受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。第14页/共73页第三节 数据采集与扫描方式一、数据采集的基本原理、原则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。第15页/共73页第16页/共73页(二)数据采集原则1投影是X 线束扫描位置的函数
8、数据采集须按照被测体层平面的空间位置有规律地进行,图像重建过程也是按数据采集中确定好的空间位置来重建。2扫描应毫无空隙的覆盖或局部的重叠 在将被检测体层平面预先划分好各个体素后,X 线束的扫描要通过各个体素一次以上,这样才能保证得到各个位置上的投影值,计算出各个体素的吸收系数。3提高扫描速度 根据人体正常的生理状态,将扫描速度提到高于这些组织器官的运动速度,可使数据采集受被测体层内的组织器官的蠕动干扰影响较小。4数据采集要精确 CT 图像重建和图像处理等都是以数据采集为依据的,所以提高数据采集过程中的精确度,是保证获取高质量的CT 图像的关键。第17页/共73页二、常规CT 扫描方式扫描(sc
9、anning):是用近似于单能窄束的X 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层进行投照,并用高灵敏度的检测器接收透过一排排体素后的出射X线束的强度(I)。扫描是通过扫描装置来完成的。X 线管和检测器组成扫描机构,它们围绕扫描床上的受检体进行同步扫描运动,这种同步扫描运动形式称为扫描方式。第18页/共73页第19页/共73页第20页/共73页第21页/共73页第22页/共73页第23页/共73页第24页/共73页第25页/共73页三、螺旋CT(一)单层螺旋CT螺旋CT 扫描是一种容积扫描(volumetric scan),实现了由二维解剖结构图像进入三维解剖结构图
10、像的飞跃。螺旋CT 最重要的突破是使用滑环技术,去掉了常规CT 扫描过程中旋转的电缆。第26页/共73页在螺旋扫描过程中,由于X 线管和检测器相对于被检者作螺旋状运动,螺旋扫描的覆盖区域是对某一区段进行连续采集。需要对原始螺旋投射数据进行插值处理,才能得到足够多的重建平面投射数据。常用的插值方法为线性内插法,线性内插法包括全扫描内插法(FI,360线性内插)和半扫描内插法(HI,180线性内插)。第27页/共73页螺距(pitch):定义为扫描架旋转一周360 进床距离与透过检测器的X 线束厚度的比值,是一个无量纲的量:式中:d 为扫描架旋转一周进床距离,S 为透过检测器的X 线束厚度。在单层
11、螺旋CT 中,X 线束厚度等于检测器准直宽度,即等于采集层厚。螺旋CT 扫描与常规CT 扫描相比主要优点:提高了扫描速度,不会产生病灶的遗漏,并减少了运动伪像;由于是容积扫描,即对人体的某一区段做连续的扫描,获得的是某一区段的连续数据(容积数据),提高了二维和三维重建图像的质量;根据需要任意地、回顾性重建图像,无层间隔大小的约束和重建次数的限制;单位时间内的扫描速度提高,提高了增强时对比剂的利用率。第28页/共73页(二)多层面螺旋CT传统CT 机是X 线管和检测器围绕人体旋转一圈获得一幅人体断面图像,而多层面CT 机则旋转一圈同时可以获得2 幅以上的图像。MSCT 的核心之一是检测器阵列的结
12、构和数据采集系统(DAS)。检测器在Z 轴方向的数目已从一排增加到了几排直至上百排,又称多排检测器CT(multirow detectorCT)。目前检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 轴方向的多排检测器宽度是一致的;另一种是检测器的宽度不均等分配的非等宽型(非对称型排列)。这些组合是由检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。第29页/共73页第30页/共73页第31页/共73页以四层螺旋CT 为例,说明多层面CT 的特点。1检测器阵列 四层螺旋CT 具有四组通道的多排检测器阵列,分为对称型和非对称型两种。检测器阵列的排列方式
13、主要有以下三种。第一种是有16 排检测器,每排均为1.25mm 宽、每排912 个检测器,最大覆盖范围为20mm。第二种的检测器有34 排,中间4 排为0.5mm,两侧是30 排1.0mm 宽、每排896 个检测器,最大的Z 轴覆盖范围为32mm。第三种是4 对8 排非对称型检测器,宽度分别为1mm、1.5mm、2.5mm、5mm,每排672 个检测器,最大的Z 轴覆盖范围为20mm。第32页/共73页2数据采集通道 四层螺旋CT 根据所选层厚的不同,将多排检测器组合成不同的四组,构成四组数据采集通道。3X 线束 在单层螺旋CT 中,X 线束的宽度等于层厚。在MSCT 中,X 线束的宽度等于多
14、个(或4 个)层厚之和,覆盖检测器Z 轴方向的总宽度,X 线的利用率大大提高。第33页/共73页4层厚的选择 单层螺旋层厚是通过前准直器改变X 线束的宽度完成的,使线束的宽度等于层厚。多层螺旋的层厚不仅取决于X 线束的宽度,而且取决于不同检测器阵列的组合,因此,其层厚是由X 线管端和检测器端的两个准直器共同完成的。5螺距 多层面CT 应用了多排检测器阵列,X 线束被多排检测器分为多束更细的X 线,因此,多层面CT 的螺距为:式中:d 为扫描架旋转360o进床距离;S 表示层厚;M 表示检测器排数,即扫描一周获得的图像层数。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。7智能扫描
15、可在扫描过程中变化扫描条件。第34页/共73页MSCT 与单层螺旋CT 相比有很多优点。1提高了X 线利用率 MSCT 的X 线管输出的X 线可多层同时利用,提高了效率,提高X 线利用率。曝光时间缩短降低了X 线管的热量积累,延长了X 线管的使用寿命。2扫描速度更快 由于MSCT 旋转一周可以产生四层或更多层的图像,其扫描速度可达单层螺旋CT 的4 倍以上。3提高时间分辨力 单层螺旋CT 的旋转一周时间通常是1 秒,而MSCT 可提供0.5 秒/周甚至更快的转速,目前使用的64 层螺旋CT 的旋转时间最快可达0.33 秒。旋转时间的缩短明显提高了时间分辨力。4提高Z 轴空间分辨力 MSCT 单
16、个检测器的宽度从0.55.0mm 不等,最薄扫描层厚达到0.5mm,提高了Z 轴的空间分辨力,实现各向同性分辨力。达到各向同性分辨力的成像可以任意角度重建图像。第35页/共73页四、双源CT双源计算机断层成像系统(DSCT)是2005 年在北美放射学会上推出的,它使用两个X 线源和两套检测器来采集数据。两套X 线管和两套检测器在XY 平面上间隔90,即通过机架旋转90 即可获得180 数据。双源CT 采用双能量探头技术,扫描时两个X 线管的管电压分别为80kV 和140kV,可同时采集高能和低能的数据。第36页/共73页第四节 CT 图像重建一、数理基础1系数分布的数学描述第37页/共73页投
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