CT 能谱成像

CT能谱成像•当阳光穿越三棱镜，会产生一条如彩虹般的色带。色谱的顺序为红、橙、黄、绿、蓝、靛蓝、紫。这是因为每一种光的波长都是不同的。X光与可见光的区别•X光：波长短，光子能量高,肉眼不可见可见光：波长较长，光子能量低,肉眼可见•波长方面：X射线在0.01-10nm之间，可见光在380-760nm之间。•光子能量方面：X射线强于可见光。•X射线是由于原子中的电子在能量相差悬殊的两个能级之间的跃迁而产生的粒子流，是波长介于紫外线和γ射线之间的电磁波。其波长很短约介于0.01~100埃之间。由德国物理学家W.K.伦琴于1895年发现，故又称伦琴射线。•产生X射线的最简单方法是用加速后的电子撞击金属靶。撞击过程中，电子突然减速，其损失的动能（其中的1%）会以光子形式放出，形成X光光谱的连续部分，称之为韧制辐射。•通过加大加速电压，电子携带的能量增大，则有可能将金属原子的内层电子撞出。于是内层形成空穴，外层电子跃迁回内层填补空穴，同时放出波长在0.1纳米左右的光子。由于外层电子跃迁放出的能量是量子化的，所以放出的光子的波长也集中在某些部分，形成了X光谱中的特征线，此称为特性辐射。辐射分类•轫致辐射：当高速电子流撞击阳极靶受到制动时，电子在原子核的强电场作用下，速度的量值和方向都发生急剧的变化，一部分动能转化为光子的能量而辐射出去，这就是轫致辐射。x射线管在管电压较低的时，被靶阻挡的电子的能量不越过一定限度，只发射连续光谱的辐射。•特征辐射：一种不连续的，它只有几条特殊的线状光谱，这种发射线状光谱的辐射叫做特征辐射，特征光谱和靶材料有关。波长分类名称管电压（kv)最短波长（nm）主要用途极软X射线5~200.25~0.062软组织摄影、表皮治疗软X射线20~1000.062~0.012透视和摄影硬X射线100~2500.012~0.005较深组织治疗极硬X射线250以上0.005以下深部组织治疗X线的能量谱•X线和微波、可见光、紫外线等一样，其本质都是电磁波。•由X线管产生的X线并非单一能谱，而是包括特征谱和连续谱两部分。钨靶的特征曲线：不同管电压、相同管电流的X射线辐射能量分布图。•1、单一kV球管输出的并不是单一能量的光电子，而是一个较宽的能量频谱，由多个keV的信息混杂在一起。•2、80kV球管输出的光电子最大能量为80keV，而其光电子数量峰值在60keV左右，平均能量为55.857keV；140kV球管输出的光电子最大能量为140keV，而其光电子数量峰值在60keV左右，平均能量为75.7keV。•3、任意管电压的X射线能量频谱图的尖峰位置总是保持恒定，位于60以及70keV附近，这是由阳极靶面的材料所决定的，称之为阳极靶面特征曲线，图中所示即为钨靶的特征曲线。X线的衰减•光电效应和康普顿散射共同决定了X线的衰减，即每种物质的X线衰减曲线是特定的，CT图像重建过程即是求解每个体素线性衰减系数的过程。普通CT•CT成像的基本原理是X射线光子束通过人体时的衰减。•=s22-WbfajJnzJTAlw7QLFXgfWIUiZ36KhY564i1URwmiCvjwZDHlVQDJoLKnuFFNDLvrWte5lIl5Vtsy_uODGjMqT68bLafwms-1nd8dvdC###•单能量图像：在医用X线能量范围内，光电效应和康普顿效应共同决定了物质对X线的衰减，这样人体中任何物质会随X线能量变化呈现出不同的X线吸收衰减能力，即每种物质都有其特征X线吸收曲线。•当X线的能量远离K吸收边界时，物质的衰减系数与X线能量的关系为一平滑的曲线。•因此可以认为在人体中，当X线能量高于40keV时，作为CT图像重建时体素的衰减曲线为一平滑的曲线，而曲线上的任何两点便决定整个曲线走向，也就是说仅需要2次能量采集即可确定一条特征吸收曲线。•2种能量X线的采样数据，并根据这两种能量数据确定体素在40～140keV能量范围内的衰减系数，进一步得到101个单能量图像，这种相对纯净的单能量图像能够大大降低硬化伪影的影响并获得相对纯净CT值的图像，即CT值无论在整个视野不同位置、不同扫描，还是不同病人中，都更为一致和可靠。••CT图像重建是运用物理技术，测定X线透过人体某断层各方向的透射强度，采用数学方法，求解出衰减系数在人体某剖面上的二维分布矩阵，再将其转变为人眼看到的二维灰度分布图，从而实现断层成像。•线性衰减系数μ是光子能量E的函数，即μ(E)，普通CT计算出的μ值是混能量等效值，即采用平均辐射能的计算方法得到μ值。1．CT值（CTnumber）•X线穿透人体时，不同的组织密度值代表不同的线性衰减系数μ，一般用它的相对值表示，称为CT值。CT值＝（（μ物质-μ水）/μ水）×KK为分度因数（设为1000），则CT值的单位为HU（HounsfieldUnit）•CT值的定义是以水为标准，其它组织与之比较后得出。水的线性衰减系数为1，致密骨约为2，空气约为0（实际为0.0013），水的CT值为0HU，人们将－1000～+1000分为2001个等级来表示CT值的差别。•硬化效应：由于X线为一混合能量射线，当X线束（如120kV）穿过人体时，低能量X光子首先被吸收掉，这种现象称为硬化效应。•CT值的“漂移”：即使X线在均匀物质中穿行，先接触到射线的物质对X线的吸收要多于后接触射线的物质，而CT成像原理又决定了对X线吸收能力强的物质，其CT值要高于对X线吸收能力弱的物质，所以同为一种物质却表现为不同的CT值，即CT值的“漂移”。•不同的CT设备因为使用不同的球管，其CT值亦不再具备可比性。双球管双能量成像技术•双球管双能量成像技术是在CT机架中内嵌两套球管和探测器，两个球管呈一定角度排列，成像时两球管同时产生X射线，一个球管产生高kVp的X射线，一个球管发射低kVp的X射线。•两套系统分别独立采集数据信息，并在图像空间匹配，进行双能减影分析。通常使用最低电压（80kVp）和最高电压（140kVp）来达到最大能量分离以最大限度地区分不同的物质。双源CT(DSCT)由两套球管和相对应的两组探测器构成的两套数据采集系统组成利用两种不同能量的X射线成像•由于不同物质对于不同能量的X射线有不同的、特异性的吸收系数。当物质的比例未知时，可以分别利用两种不同能量的X射线对物体进行成像，通过类似解线性方程的方法得到物质的构成比例。•这是双能CT相比传统单能CT相比最大的优势所在。•双能CT对两种不同物质的区分能力，一方面取决于两种物质本身原子序数的差别，另一方面取决于“双能”的两种能谱本身的重叠程度。理论上两种能量的峰值相差越远，重叠成分越少，物质区分能力就越强，哪怕原子序数相对接近的两种物质亦能够被区分出来。•kV的中文名称为“千伏”，指的是球管的工作电压。•keV的中文名称为“千电子伏特”，指的是一个电子经过一千伏特的电位差所获得的动能。•简而言之，kV是管电压的单位，keV是电子能量的单位。无数个具备不同keV的X线光电子共同组成一束混合能量X线，并依据其最大能量值称为某个kV的X线。•管电压：kV•X射线能量：keV•kV决定了最高keV值单能量图像•在医用X线能量范围内，光电效应和康普顿效应共同决定了物质对X线的衰减，这样人体中任何物质会随X线能量变化呈现出不同的X线吸收衰减能力，即每种物质都有其特征X线吸收曲线。•当X线的能量远离K吸收边界时，物质的衰减系数与X线能量的关系为一平滑的曲线。•因此可以认为在人体中，当X线能量高于40keV时，作为CT图像重建时体素的衰减曲线为一平滑的曲线，而曲线上的任何两点便决定整个曲线走向，也就是说仅需要2次能量采集即可确定一条特征吸收曲线。物质组成分析与物质分离•任何物质的X线吸收系数可由任意2个基物质的X线吸收系数来决定，因此可将一种物质的衰减转化为产生同样衰减的2种物质的密度，这样可以实现物质组成分析与物质的分离。•双能能谱成像物质组成分析并不是确定物质组成，而是通过给定的2种基础物质来产生相同的衰减效应；成分分离时，并不是固定以某种物质作为基物质进行物质分离，而是可选择任意2种基物质进行物质分离。•基础物质：水和碘X射线穿过物质发生康普顿效应及光电效应，如下图所示：-----------Ep=hnKLM+photoelectric=X-rayattenuationCompton物质的吸收系数:(E)=fpe(E)+fc(E)光电效应康普顿效应在传统CT扫描中，采用的是混合能量射线扫描，所以u值实际为物质在各种能量下衰减的平均值，所得到的CT值也是平均CT值。存在射线硬化伪影。如下图：传统图像单能图像在能谱成像时，得到的单一能量下的图像，物质的衰减更为纯净，最大程度降低硬化伪影，如下图：能谱成像依据了解能谱成像,首先要了解的一些基本物理现象:1.X线通过物质的衰减能够客观反映X-线的能量；2.X线经过物质后产生的光电效应与康普顿效应共同决定了物质的衰减曲线；3.物质的衰减曲线呈线性关系(不包括K峰区域),可以选择两种物质作为基物质进行物质分离。那么,如果我们测量X-线高低两种能量,能够测量出物质的X-线衰减系数,可以进一步将这种衰减转化为会产生同样衰减的两种物质的密度,这样的过程称之为物质组成分析与物质的分离。特别需要强调的是,物质组成分析并不是确定物质组成,而是通过给定的两种基础物质来产生相同的衰减效应。对于医学成像来说,水和碘是常用的组合,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,并且通过物质密度图像易于解释。双kVp技术能够得到单能量的图像，核心是任何一种组织的吸收都可以由相应比例的基物质对的组合来表示，如果以水和碘作为基物质对，组织在某种单能量下的CT值可记为：CT(x,y,z,E)=Dwater(x,y,z)μwater(E)+DIodine(x,y,z)μiodine(E)因为水、碘在不同kev下的衰减系数已经由实验室获得，那么中间仅有两个未知数Dwater(x,y,z)和DIodine(x,y,z)，而这两个值可以从双kvp获得的两组数据进行吸收投影数据到物质密度投影数据的转换而得到。因此如果我们需要知道感兴趣物质在70keV单能量下的吸收或CT图像，我们只要把μwater(70keV)和μiodine(70keV)代入公式即可。能谱曲线•能谱曲线是物质或结构的衰减（即CT值）随X射线能量变化的曲线，从能谱曲线上可以得到40~140keV每个能量点的平均CT值和标准差。能谱曲线反应了物质的能量衰减特性，从物理学角度看，每一种物质都有其特有的能谱曲线，由此可以推断出医学上不同的能谱曲线代表不同的结构和病理类型，在一个有限的疾病分型中，类似的能谱曲线提示同样或类似的结构和病理类型。能谱曲线的应用可推广到肿瘤来源的鉴别、良恶性肿瘤的鉴别、恶性肿瘤的分级等方面。