X-CT多参数成像物理基础

X-CT多参数成像介绍冀敏2015.6提纲1.几种医学影像的成像参数2.传统X-CT成像的物理基础与图像缺陷3.X-CT多参数成像介绍（1）已用于临床的几个成像参数（2）基物质组合系数成像的基本思路（3）单能量(单色µ值)成像的思路（4）体素能谱图的获得1.几种医学影像的成像参数（1）超声影像成像参数一般B型超声成像：反射超声波的强度I彩色多普勒超声成像：血流速度矢量M型超声图：反射超声波的强度I超声-弹性模量成像（2）核磁共振影像成像参数横向弛豫时间纵向弛豫时间等效密度（3）放射性核素影像成像参数放射性活度（4）X射线影像成像参数普通X光片和透视；X射线强度传统X-CT：线性吸收系数（混合能量,用CT值表达）四种影像1.超声影像2.MRI影像3.核素影像4.X-CT影像2.传统X-CT成像的物理基础与图像缺陷（1）X射线的衰减规律（对单色X线）整理：（2）X射线连续通过不均匀物质的衰减等厚度：（P：投影值）积分式：（一维）（3）X射线对某断层多方向投射的投影值表达二维（至少n2个）0xIIe01ln()IxI01ln()niiIdPI0()ln()IPldlI,),(),(rdsyxrp（4）如何快速获得这些投影值？95年以前：让广角扇束X线绕人体旋转；95年以后：为充分利用X光的能量，采用椎型束螺旋扫描，但必须使用多排探测器。（5）需要说明的问题对单色X射线：吸收系数µ=kλ3Ζ3.5X射线管产生的X射线不是单一波长的光人体组织一般也不是单一原子序数的物质因此重建图像的µ值实际是关于波长和原子序数的等效值。对图像有什么影响呢？（6）图像缺陷A.按上式，比例各异的多种原子组成的两种人体组织的等效µ值可能相同，导致两种不同组织在图像上的灰度相同，这两种组织不能被分辨。（如硬度不同的肿瘤组织不能分辨）B.X射线随着穿透深度的硬化现象也会导致某两种组织不能被分辨。（不同性质的结石）如何解决这个问题呢？3.X-CT多参数成像介绍**多参数成像的提出为提高X-CT图像的分辨率，上世纪90年代美国某公司研发团队提出了“基于线性吸收系数的其它参数成像”，于2009年开始用于临床。几个成像参数：（1）基物质组合系数成像（如：水基成像、碘基成像、钙基成像等）（2）单能量成像（3）体素能谱图(4)等效原子序数成像(不讲)（1）基物质组合系数成像（基本思路）A。以X射线被衰减的微观机制为基础光电效应康普顿散射（只考虑这两种情况）电子对效应（对较低能量的X射线可忽略）瑞利散射（对原子序数较小的物质可忽略）**光电效应发生的概率由光电截面来表示：（几乎只与K壳层有关）其中，为精细结构常数，为经典物理中的汤姆逊截面，Z表示与X射线相互作用的物质的原子序数，E表示入射X射线的光子能量（keV）,54phphKph7/2255450,7/27/222phKTmcZZaZhhE1/137a222522086.65103Tecmmc**康普顿散射发生的概率由康普顿散射截面(σc)来表示（发生在光子与自由电子间）康普顿散射截面基本与入射X光能量无关，仅与物质的原子序数有关。*总散射截面：*µ可表示为：为阿伏伽德罗常数，为物质密度（），为原子摩尔质量。225086.65103cceZrZZ(,)(,)(,)phcZEZEZE(,)ANnZEAAN3/gcmA*同理有：以上表示质量吸收系数。可将质量吸收系数表示为光电效应和康普顿散射分别引起的质量吸收系数之和：从下面的两条曲线可以确认这一点。(,)AmNnZEA1()mphc实验可得到两条曲线，分别表示和时Z和E之间的关系。可见，对于低能X射线和原子序数大的物质，光电效应占优势；对于中等能量的X射线和原子序数小的作用物质，康普顿散射占优势；对于能量在1MeV到4MeV之间的X射线，康普顿散射占主要地位，与Z几乎无关；对于高能X射线和原子序数高的作用物质，电子对效应占优势。医学影像光子能量在0.08—0.15Mev，因此只考虑光电效应和康普顿散射的衰减。phccpB。衰减系数的等效分解-------物质分离非相对论近似条件下，物质的线性吸收系数可以表示成光电效应贡献和康普顿散射贡献两者之和：两种效应又可以分解为和的乘积。其中是与材料的原子序数Z和密度有关的项，是和入射X射线能量E有关的项。对原子序数较低的物质，µ值都可以分成两项。因此，可以把两种不同的散射吸收等效为两种不同物质的吸收(因为物质对X光的吸收与Z和E都有关)*可以有：(即称为物质分离)表示两种基物质的线性吸收系数（通常为已知），表示基物质的线性组合系数。1122()()phcphphccfEfE()fE()fE12,12,通过给定的两种基物质组合来产生相同的吸收效应，实验表明,以两种基物质的线性组合系数分别作为参数重建图像可以提高”µ”值分辨率。---------这就是基物质成像。一般情况下，选择衰减系数高、低不同的两物质作为基物质对。对于医学成像来说，水和碘是合适的组合，因为它包含了从软组织到含碘对比剂以及医学中常见物质的范围。当然也可以有其它不同的基物质对组合，如水和钙等。用水和碘作为基物质所重建的图像分别称为水基成像、碘基成像。*问题是：如何计算得出。12,C.基物质投影模型（1）物质在高、低能量X射线下的投影函数：a.单色（单能量）X射线投影函数表示为：I0表示入射X射线光强，I表示经物质散射、吸收后，探测器接收到的光强。b.多色（连续能谱）X射线投影函数表示为：将µ分为两项有：0=,lnIPEldlI0=ln()ln()ln()dlIPSEdESEedEI1122()dldl令：则有：c.在高\低两种管电压下的多色X线投影表达式：分别表示高低能量X射线发射谱的最高能量；分别表示高低能量X射线的发射能谱。从以上两式可以解出。进而由求出基物质成像参数：β1β2。1122(),()BrdlBrdl1122dlBB1122()()0ln()ln()hEBEBEhhhPSEedESEdE1122()()0ln()ln()lEBEBElllPSEedESEdE,hlEE(),()hlSESE12,BB1122(),()BrdlBrdl80kVp140kVp100keV70keVWater基像Iodine基像双能量成像，重建物质分离图像以及单能量图像（2）单能量成像A。若已知两种基物质的线性衰减系数关于光子能量的分布，且选定某能量E时的µ值，以水和碘为基物质时，对某体素而言有：µx,y（E）＝βx,y1µ水（E）＋βx,y2µ碘（E）可认为：µ（E）是单色X光通过体素的衰减系数。----算出一个断层各个体素的µx,y（E），即可得到似单色X光通过物质的CT图像。（3）体素能谱图根据表达式:以及两种基物质的μ1(E)和μ2(E)曲线针对任一体素都可以求出它的μ(E)曲线,即体素能谱图.1122A-D依次为CT图像、碘基图、水基图及原子序数图--------------------A为感兴趣区CT能谱曲线(离体甲状腺组织)参考文献:[1]JournalofComputedTomography,Volume11No.3,April2010[2]JournalofComputedTomography,Volume12No.1,January2011[3]杨福家，原子物理，高等教育出版社，1990.4:280-285[4]王元熙，X射线及X射线衍射，高等教育出版社，1988.8:201-203[5]丁富荣，辐射物理，北京大学出版社，2004[6]周光湖，计算机断层摄影原理及应用，成都电讯工程学院出版社，1986.6[7]庄天戈，CT原理及算法，上海交通大学出版社，1992.7:22-25谢谢!