X线计算机体层成像设备

X线计算机体层成像原理与设备讲稿第1页共25页1第五章X线计算机体层成像设备§5-1X线-CT发展历史PPT3：德国物理学家于1895年发现了X-Rays的发现。PPT4：普通X线成像是一种重叠的二维影像。PPT5：CT的出现消除了普通X线成像的缺点。1972年，科学家毫斯菲尔德和阿姆布劳斯在英国放射学年会上发表正式论文，宣告了CT的诞生。PPT6：CT的发展简史。PPT7：CT是怎样的呢？对比：普通X线检查方法和普通X线图像。CT检查方法和CT图像。PPT9：CT图像的进步。像素的大小；像素的多少；PPT10：三维成像。CT成像与传统的x线成像相比，具有以下特点：1、具有较高的X线利用率：传统X线摄影，由于照射面积大，到达胶片的散射线多，使影像变得模糊；CT成像中，由于使用窄形X线束，大部分的散射线被排除掉，并有后准直器进一步滤除窄形线束内的X线散射线，提高了X线的检测能力和利用率以及影像的清晰度。2、能显示人体某一层面上的器官或组织的解剖结构：由于CT成像中消除了人体内器官或组织结构间的相互重叠影像，故能准确的反映体层平面上器官或组织的解剖结构。3、能分辨人体内器官或组织密度细小的变化：由于CT成像在获取图像信息时，克服了人体内器官或组织结构间的相互重叠影像和散射线的干扰，又经过高精度的图像重建计算，从而提高了对器官或组织密度的分辨能力，使传统的X线摄影难以区分的低对比度的软组织结构清晰可见，能够反映器官或组织的细小密度差异，从而提高了诊断能力。§5-2X线-CT成像原理一、CT是怎样工作的？X线球管发出的X线经过准直器准直后，得到一束接近单能的扇形X线束，穿过人体被X线探测器接收，探测器输出与X线照射强度成正比的模拟电信号，经过放大电路放大后，再进行A/D转换得到数字信号，由计算机进行图像重建处理，最后得到数字X线影像。X线计算机体层成像原理与设备讲稿第2页共25页2二、与CT成像有关的一些基本概念１、体层：它是受检体中的一个薄层，薄层的两面可以视为是平行的平面。ＣＴ成像中建立一幅图像的扫描过程，受检体中被Ｘ线束透射的部分就是体层。２、体素：定义：指在受检体内预成像的层面上按一定的大小和一定的坐标人为划分的小体积元素。体素阵列：对划分好的体素进行空间位置编码。体素大小：长和宽１～２ｍｍ，高（体层的厚度３～１０ｍｍ）。划分方案：２５６×２５６，３２０×３２０，５１２×５１２等。３、像素：由于人体各组织对Ｘ线的吸收系数不同，反映到ＣＴ照片上为灰度不同的黑白图像，如果把ＣＴ照片上的影像划分为许多点，每个点的面积足够小，小到超过人体眼睛的分辨力时，人眼所见的是一幅灰度连续变化的、非常清晰的图像。所谓像素，是指构成图像的点，它是构成图像的基本单元。对于二维图像来说，这些像素就是图像平面的面积元。４、体素和像素的关系：在ＣＴ成像中，将被检体层划分为许多体素，用每个体素对Ｘ线束的吸收系数来代表他的图像信息，并转换成各组织的ＣＴ值，这就构成平面图像的像素。各像素的坐标坐标排序要与体素的坐标排序相同，即体素和像素在坐标上要一一对应。5、扫描：1）、用X线束对受检体断层进行投照，用检测器获取衰减后X线强度I，称为一次扫描。2）、按一定顺序改变投照方向、位置，进行多次扫描。6、投影：1、一次扫描所获取的X线强度I，称为一个投影。2、多次扫描可获取大量投影值，称为投影函数。三、X线-CT成像的物理原理1、线性吸收系数：当具有一定能量的X线穿过物体时，物体对射入的X线起衰减作用，即物体对X线进行吸收和散射，物体对X线吸收多少与物体的密度、物体元素的原子序数以及X线的能量有关，在CT成像中，物体对X线的吸收起主要作用，下面仅讨论物体对X线的吸收作用，忽略对X线的散射作用。X线计算机体层成像原理与设备讲稿第3页共25页3图5-1如图（5-1）所示，当X线束沿坐标的X轴穿透厚度为l的一个均匀物体，设入射的X线强度为0I，经过物体吸收后射出的X线强度为I。如果物体中有以小薄层，其厚度为x处的X线强度iI的吸收量为iI有：xIIii（5-1）式中为与物体密度等有关的吸收系数。对于匀质物体来说它是一个常数。负号说明入射X线强度被物体吸收而减少，iI取负值，对（5-1）建立微分方程：llIIliieIIeIIlIIdxIdI0000ln0（5-2）由（5-2）式可见，物体越厚，或值越大，对X线的吸收越多。当X线穿过一定厚度的人体组织或者器官时，由于人体组织或器官是由多种物质成分和不同的密度构成的，所以各点对X线的吸收系数也就不同。为了便于分析，将沿着X线束的通过方向将物体分割成许多厚度为l的体素，每个体素被认为是单质均匀密度体，每个体素的吸收系数为一常数，如图（5-2）所示：图5-2对于第一个体素，透过的X线强度为：leII101第二个体素，透过的X线强度为：X线计算机体层成像原理与设备讲稿第4页共25页4lllleIeeIeII)(001221212)(则第n个体素透射出来的X线强度为：021)(0ln121IIleIIInlnn(5-3)由（5-3）式可以看出，如果X线的入射强度0I、透射X线强度I和物体的厚度l为已知的条件下，就可以将X线路经上的吸收系数之和计算出来。为了建立CT图像，必须先求出每个体素的吸收系数。从数学的角度讲，要计算n个未知的吸收系数，就需要建立n个或n个以上相互独立的方程，因此，CT成像装置要从不同的方向上进行多次观测，也即扫描，来获取足够的数据建立求解吸收系数的方程。四、X线-CT图像的重建方法1、直接矩阵变换法重建：射线和A：x1+x2=2射线和B：x3+x4=4射线和C：x1+x3=1射线和D：x2+x4=5综合这4个方程，可以看到：A+B=C+D也就是说：A=C+D-BB=C+D-AC=A+B-DD=A+B-C这4个方程中只有3个方程是独立的，而第4个方程是派生的，因此方程数少于未知数，不可能得出唯一解，必须再建立另一个独立方程。为此有必要取对角线的射线和，即：射线和E：x1+x4=3射线和F：x2+x3=3现在解联立方程组，由A-C得：x2-x3=1上式与射线和F相加，得：2x2=4，x2=2代入射线和A得：x1=2-x2=0由射线和C得：x3=1-x1=1由射线和D得：x4=5-x2=3这正是1967年CT研发时所采用的方法就是联立方出组法，当时为算得一幅图像，方程组方X线计算机体层成像原理与设备讲稿第5页共25页5程数量逾28000个，当把物质的扫描面分成越来越细的等分时，方程组的规模也越来越大，即便是在计算机上编程实现，其工作量也是很大的。此外，为获得足够数量的独立方程，必须采集远远多于N2个投影数据，其中有许多方程是相关的，即产生了冗余。而当方程组的数量超过未知数的数量时，方程组的解未必收敛。2、反投影法（backprojection）1）反投影方法反投影方有称为总和法，此法利用投影数值近似复制出值的二维分布。它的基本原理是将所测得的投影值按其原路径平静的分配到每一个点上，各个方向上投影至反投影后，在影像处进行叠加，从而推断出原图像。以一个矩形物体为例，分别在X、Y方向进行投影，得到X、Y方向的投影数值。在重建图像时，根据反投影法原理，从X、Y轴方向上分别按原路径平均分配投影数值，其结果在影像处是两个方向反投影值的叠加，即加重影像部位的显像值。在经过处理或调整基本显像灰度值，能突出投影相重叠部分，使显像部分近似地重现原图像。下面用四个体素（设44,33,22,11）矩阵图像的重建，作一定性说明。对四个体素矩阵作0、45、90、135投影（即扫描），在将投影值反投向原矩阵的对应位置（扫描过的各个体素）上，即可将原矩阵中的四体素的特征参数值解出，其过程如图所示。运算中的基数（cardinalnumber）等于所有体素的特征参数的总和，这个总和也等于任何一方向上的投影值的总和。算法由计算机执行。2）反投影法的缺点——边缘失锐：若某吸收体为一小正方形，经过四个方向投影，获得的投影数值而后加回矩阵的情况，由图可以看出，重建后的图像不是正方形，变成了“星”状物，中心处吸收系数值最大，离中心越远，值越低，这就是图像的边缘失锐。由于存在星形伪影，而使得重建图像的边缘部分模糊不清。3、滤波反投影法1）定义：定义：利用卷积的方法，先对反投影函数进行修正，然后用反投影的方法重建图像，又称卷积反投影法。也就是说，在反投影相加之前先用一个校正函数进行滤波，以修正图像，所以滤波反投影法又称卷积反投影法。2）反投影法和滤波反投影法的区别：反投影法是按照X线投影的大小作正比例的投影，卷积反投影法则是使用一种专用的过滤函数把所得的投影进行修正后再作反投影。3）优点：可以滤除简单反投影法产生的伪影。X线计算机体层成像原理与设备讲稿第6页共25页64、滤波反投影法图示所谓滤波反投影法，就是将每个投影信号在反投影之前，先进行滤波。滤波的功能是消除边缘模糊干扰，以对高密度的钉子扫描为例：由钉子所产生的脉冲信号，滤波后在脉冲的两侧出现了负的和正的脉冲突起，这种分布在主信号脉冲两侧的正负交替脉冲，在与其它滤波反投影信号叠加时，具有正、负抵消的作用，从而使图像信号更加相进于实际目标。钉子所对应的脉冲信号具有较宽的频谱成分，滤波作用使其中的高频成分有不同程度的丧失，这便是滤波后的信号出现正负交替脉冲的原因。如果滤波器设计得恰当，当这些滤波反投影信号叠加式，“辐射”状的正值和负值正好相互抵消，因而获得边缘清晰的图像，能够十分精确的反映原来的目标。反之，如果滤波器设计欠佳，不仅干扰信号得不到恰当的抵消，而且还会使主信号脉冲的形状有所改变，这是不希望的，所以一般设计的滤波器必须在实际应用中得到严格的检验。§5-3X线-CT扫描方式及CT发展趋势一、第一代CT：平移+旋转扫描方式1、特点：1）由一只X线管和1-2个晶体探测器（detector）组成。2）由于X线束被准直器准直为铅笔芯粗细的笔形线束，故又称笔形束CT。3）X线管和探测器先做同步直线平移扫描运动。获得240个透射测量数据后，X线管和探测器停止平移，再环绕病人头颅中心旋转1°，做与上次方向相反的直线扫描运动。2、缺点：1）扫描时间长：2）X线利用率低二、第二代CT（平移+旋转扫描方式）第二代CT与第一代CT没有质的区别。它是在第一代CT的基础上，由单一笔形束改为扇形线束，由一只X线管和3~30个晶体探测器组成。1、特点：1）X线束为5°~20°的小扇形束，所以又称小扇束CT。2）由呈扇形排列的多个探测器代替单一的探测器，每次平移扫描后的旋转角由1°提高到扇面夹角角度，这样旋转180°时，扫描时间缩短到20~90s.3）不但可作头颅检查，实际上已具备了做全身CT检查的条件。2、主要缺点：在扫描过程中，由于病人的生理运动，易产生伪影。X线计算机体层成像原理与设备讲稿第7页共25页7第一代CT和第二代CT对病人运动引起的伪影特别敏感，因为在旋转期间不采集数据，如果病人运动，就会引起透射读数的差异，致使重建图像出现条纹伪影。目前，第二代CT已基本淘汰。三、第三代CT（旋转-旋转扫描方式）1、特点：1）CT的扇形角较宽（30°~45°），可包含整个病人扫描层面，所以又称为广角扇束CT。2）探测器增加到300~1000个，逐个依次无空隙的排列。3）X线管和探测器无需再做直线平移运动，仅做围绕病人进行的连续旋转运动即可。因此，大大缩短了扫描时间，故全身扫描时间可缩短到2~9s或更短。2、缺点：需对相邻探测器的灵敏度差异进行校正，这是因为一个角度的投影由不同的相邻探测器进行测量，相邻探测器的性能差异将产生同心环形伪影。目前，第三代CT的环形伪影已被解决，成为当代CT的主流。四、第四代CT（旋转-静止扫描方式）1、特点：1）具有更多的探测器（600~1500个，分布在360°的圆周上）。2）扫描时，仅X线管做围绕病人一周的旋转运动，而探测器则固定不动。2、缺点：探