CT

CT原理与技术医工什么是CT?•CT是指由投影重建图像,由Hounsfield发明，经历了五代。利用CT扫描成像系统，完成数据采集、图像重建、图像显示过程。对CT的评价可以从CT剂量、系统参数及伪影来判定。CT测什么eIdIμ01000-水水物μμμ值CT•线性衰减系数（μ）：干涉散射、光电效应、康普顿效应的总和•在CT所用的较高能量的X射线中，康普顿效应起主导作用•朗伯-比尔定律：当一单色线束通过一密度均匀的小物体时，其能量与物质的原子相互作用减弱，减弱程度与物质的厚度和组成成分或吸收系数有关，•CT值：μ不具有很强的描述性，很大程度上取决于X射线光谱能量。相对于水计算出来的μ为CT值。•CT值：骨密质1000空气-1000水0脑白质脑灰质凝固的血血液历史•伦琴：发现X射线•Rodon：图像重建•Bracewell：绘制太阳微波发射图像•Hounsfield：CT扫描机（头部）•Ledley：全身CT扫描机各类CT扫描机•第一代：平移+旋转扫描式——笔形扫描线束，时长伪影大•第二代：平移+旋转扫描式——扇形线束，射线利用率低•第三代：旋转-旋转扫描式——较宽的扇形角•第四代：旋转-静止扫描式——扇形线束角度大，对散射线及其敏感•第五代：电子束X射线管，对射线源要求比较高•螺旋CT（SSCT）：对整个容积进行快速连续扫描•多层面螺旋CT机（MSCT）：探测器呈弧面排列•双源CT•显微CT•工业CTCT扫描成像系统数据采集•球管发射X射线，穿过人体的X射线有探测器测量。从各个角度采集数据，每次采样的断面数据都存储到计算机的存储器中。•三种扫描模式：①定位像-确定要扫描的病变部位，选择扫描层和扫描区域（普通X线图像，球管和探测器不动，床移）②轴向扫描-包括数据采集阶段和非数据采集阶段（一个层面扫描，移动床，下一个层面扫描）③螺旋扫描-X射线源与患者扫描床同时移动，扫描时间短•在SSCT（单层面螺旋CT）中，螺距定义为-机架旋转一周进床距离d与扫描时设置准直器宽度s的比值；•Pitch=d/s=vt/s(v是进床速度，t是机架旋转一周所用的时间•利用系统部件：球管、探测器、准直器、滤过器、滑环、对数放大器、模数转换器、接口电路等球管•原理：管内高速运动的电子轰击在靶面上，电子运动骤然受阻，就是就辐射出X射线。•组成：•球管外壳：作用：保证电子在真空管内能够自由加速，运动不受阻；隔热与绝缘类型：玻璃外壳；金属陶瓷外壳•阴极：作用：发射电子，并使电子聚焦去轰击阳极。组成：灯丝：钨丝聚焦杯：把到达阳极的电子聚焦成一个窄束。•阳极：电子被加速至阳极，在阳极受阻，由于电子和靶材料之间的碰撞，使得阳极产生热和电磁辐射。分类：固定阳极：不能满足高负载的性能要求。旋转阳极：提高热容量，提高功率，焦点小。绝缘油散热和冷却。球管的技术指标•几何参数：焦点：实际焦点是指灯丝辐射的热电子在靶面上的轰击面积。有效焦点是指球管的实际焦点在垂直于球管轴线方向上的投影。大电流、高功率时使用大焦点，小电流、低功率时使用小焦点。靶面倾角：α一般选为7°•物理参数：最大热容量：管电压、管电流、曝光时间的乘积冷却速率•电参数：最高管电压、最高管电流、最长曝光时间高压发生器•作用：产生X射线的能量来源，一方面提供球馆所需的高压电场；另一方面供给球管以灯丝加热电流•组成：直流电路DCC、逆变器、高压变压器•工作方式：脉冲或连续。脉冲要求有较高的瞬时功率，第三代用的是脉冲方式。连续对发生器的最大功率要求比较低，MSCT用连续方式。•常见故障：球管放电、旋转异常、高压打火滤过器•球管产生多能线束，而兰博比尔衰减定律要求单能线束，滤过器使射线逼近单能。至于球管与患者之间•作用：①吸收低能X射线，使平均能量升高，射线变“硬”②使穿过滤过器和受检者的投射线束的能量分布达到均匀硬化。•分类：平板滤过器（铜/铝）在FOV范围内调节X射线光谱的均匀性楔形滤过器准直器•前准直器：放置在球管和受检患者之间•后准直器：放置在探测器的前端•在SSCT中的作用：前准直器控制线束在与人体平行方向上的宽度，从而控制扫描层厚度。层厚灵敏度剖面线取决于前准直器。后准直器作用是过滤散射线，有些SSCT中没有安装后准直器，因为求点的焦点足够小。前后准直器必须精确对准，否则有条形伪影。•在MSCT中的作用：d=D/N（D为前准直器，d为后准直器，约为探测器排的间距及探测器排的准直器，N为探测器排的数目），而在SSCT中，d=D，所以MSCTz周体积覆盖范围和z轴分辨力（层厚）都优于SSCT。层厚大于探测器单元大小：层厚由后准直器决定层厚小于探测器单元大小：前准直器和探测器共同决定层厚探测器•作用：将X射线能转换为可供记录的电信号的装置，通过测量它接受的X涉嫌量，然后产生与X射线量成正比的电信号。•类型：气体探测器：惰性气体-氙气电离，量子探测效率低，低端使用•固体探测器：X射线照射闪烁晶体使之瞬间发光，利用光电倍增管将这种闪烁晶体转换为电信号，再用电子线路和器件将它们放大并存储下来。几何利用率在50%-80%。•常用材料：铊激活碘化钠晶体（极易潮解）、铊激活碘化铯晶体、钨酸镉晶体、闪烁晶体探测器、稀土陶瓷探测器（利用率高）、纳米探测器（白水晶）、宝石探测器（宝石加稀有元素）探测器的特性•（一）效率：指照射的X射线束转化为有用信号的百分比。•①量子探测效率（QDE/吸收效率）随着探测器厚度、线性衰减系数增加，QDE增大。•②几何效率由每个探测器的孔径和与关系到每个探测器所占空间的比来决定的。•③总的检测效率：几何效率和吸收效率的乘积。•（二）稳定性：从某一瞬时到另一瞬时探测器的一致性和还原的可能性，探测器的零位漂移及增益的变化程度。•（三）响应性：探测器接受、记录和抛弃一个信号所需的时间。响应速度越快，就可以消除余晖或磷光，防止余晖造成的畸变和伪影。•（四）准确性：要求低电子噪声，线性，各探测器的均匀一致性及瞬时稳定性。•（五）辐射损伤：降低防伪影•（六）余晖：由于杂质的存在使少量受激电子陷入返回基态周期较长的激发态，产生较长的衰减时间常数。Hilight探测器通过掺杂西游元素消除。•（七）热稳定性MSCT探测器•排：CT探测器在z轴方向的物理排列数目，即有多少探测器•层：CT数据采集系统同步获得图像的能力•排的数目并不严格等于层面数•①矩形探测器阵列（均匀分布）•②自适应探测器阵列•③混合矩阵探测器阵列•参考探测器：测量入射人体前的原始X射线。•平板探测器：用于显微CT中，碘化铯闪烁体层•探测器故障：扫描空气获得校正因子数据采集系统•前置放大器（对数放大器）：对数压缩•积分器：每个角度下的X光子的总和•多路转换器：各路积分器输出信号经多路混合器变成一路•A/D转换器：逼近式A/D转换器和双积分式A/D转换器滑环•电缆多，使扫描架的旋转角度范围小——滑环技术•CT机中的转动部分和固定部分间采用碳刷-滑环接触的链接方式•组成：①传导设备操作与控制信号的低压环•②供应球管与变压器电源的高压环•③向探测器输入输出数据的数据环•由高压滑环上电压不同分高压滑环和低压滑环（低压馈电）•碳刷属于磨损消耗品，碳粉会引起短路和放电等，同时滑环上有高压电，要防止电击。其他•机架（龙门架）：扫描平面可以倾斜±30°，放疗定位CT属于大孔径CT机架驱动方式：①钢带驱动（不适合长时间快速扫描）②磁悬浮驱动③气垫驱动•检查床：床面要能够降到尽可能低的位置；扫描床的水平定位和运行速度要有很高的精度。一般选用碳化纤维材料。•计算机系统：①控制整个CT系统②数据处理：预处理（零点漂移校正、参考校正、空气校正、体模校正）图像重建CT图像重建•利用的系统部件：工作站和计算机等•术语•采样几何形状：第一代第二代CT-平行投影；第三代-扇形投影，多排CT-锥形投影•Shepp-Logan体模：数据仿真的经典头部模型，phantom函数•投影：由物体本身的密度和投影路径决定•弦图：重建前采集一层CT的投影分布图，纵轴表示探测器单元，横轴表示投影角度。弦图可用于检测CT系统是否正常，当某一探测器单元失效，弦图内则含有一条竖直的直线•Radon变换：(,),pxyfxydxdy傅里叶变换重建算法•中心切片定理：一个三维（二维）物体的二维（一维）投影的傅里叶变换精确地等于物体的傅里叶变换的中心截面（中心直线）重建方法：①收集CT扫描各角度投影②每一投影都计算1DFT③规整2D坐标FT平面④通过2D反FT算回原回影像特点：①需要插值，空间中某一样本的误差将影响整个图像。②需要存储完一维数据再进行二维逆变换，要求硬件内存大，等待时间长。③难实现目标重建，有时插值需补大量0，矩阵太大反投影法-将每次“投影”中心放回矩阵之中，并继续取阀门的射线和=0=2=1=31(0+1)5(2+3)1(0+1)5(2+30333+1(0+1)8(5+3)4(1+3)8(5+3→2244+3(2+1)10(2+8)8(4+4)12(4+8)要求的未知的3(2+1)10(2+8)8(4+4)12(4+8)02133213+6(3+3)12(2+10)9(1+8)15(3+12)6-612-69-615-6减去背景值（一个方向探测出的值的和（如1+5）0/36/33/39/3除以最大公约数0213得出与未知的对应的矩阵•即：各个方向（横向、纵向、左斜、右斜）都探测其吸收系数，四个矩阵相加，得到的结果再减去背景值，再除以最大公约数，即得原图像矩阵。•对于任何复杂形式的薄层可以认为是密度不同的像素点的几何，经过反复投影叠加，在每个点所对应的位置上形成了星形图像•缺点：反投影法是利用穿过某些像素的所有射线的投影值反过来估算该像素的吸收系数值。这样就把从各个方向上得到的投影看成这个方向上的像素具有同等贡献，邻近结构对反投影图像中所有点的密度都要产生影响。（星形伪影）——改进-滤波反投影法滤波反投影•BP和FBP的区别是FBP是BP基础上进行滤波运算（卷积运算）•P(,)表示对应于角度的单位投影的傅立叶变换；里层的积分是P(,)||的逆傅立叶变换，记为g(t,)，在空间域，它表示单位投影被一频域响应为||的函数做滤波运算，故称之为滤波反投影。ddePyxftj20,,测量每个视角的投影p(t,)对投影p(t,)补0，得到p(t,)傅立叶变换，得到P(,)乘以斜坡滤波器H()，得到G(,)傅立叶逆变换，得到滤波投影g(t,)。反投影g(t,)，并加入图像f(x,y)。循环结束？FBP实现步骤（平行束）滤波反投影特点•采用先修正、再反投影的做法，得到原始的密度函数。滤波反投影重建图像的基本做法是：在某一投影角下取得投影函数（一维函数）后，对其作滤波处理，得到一个经过修正的投影函数。然后再将此修正后的投影函数作反投影运算，得出所需的密度函数。•滤波反投影法在实现图像重建时，只需作一维的傅里叶变换。由于避免了费时的二维傅里叶变换，滤波反投影法明显地缩短了图像重建的时间。图像显示—窗口技术•利用系统部件：数模转换器（D/A）、图像显示器、照相机、接口电路等•窗位（WL）：对应于灰度级中心位置的CT值•窗宽（WW）：表示所显示CT值的范围•CT值比所设置的窗口下限低的组织在图像内显示为黑色•CT值比所设置的窗口上限高的组织在图像内显示为白色CT剂量•CT剂量和普通放射剂量的区别•普通放射剂量分布区域大，一般集中在皮肤表面，衰减近似指数；•CT剂量分布在窄带内，边缘与中心分布不均匀；且属于多层扫描，剂量大。普通放射CT单次扫描的CT剂量描述方法-CTDI•CTDI是长度剂量除以断层厚度的商dzzDTC)()/1(1TTFDAdzzDnTCTDI77)()/1(TTdzzDnTCTDI55)()/1(5010050(1)()mmmmCTDInTDzdz100,100,1233WcpCTDICTDICTDICTDIw、CTDIairCTDIw——中心