最全的医学成像原理课件-第5章 计算机X线体层成像

第五章计算机X线体层成像主要内容•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CT），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。•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。•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。第二节CT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。•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：①控制和监视扫描过程，并将扫描数据送入存储器；②CT值的校正和输入数据的扩展；③与操作者对话并控制扫描等信息的传送；④图像重建的程序控制；⑤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）二、CT成像过程三、CT成像原理•（一）CT图像相关概念•1．体层•2．体素•3．CT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μx与水的吸收系数μw的相对差值，即：•式中：K是分度因数，常取为1000。CT值的单位为〝HU〞（HounsfieldUnit）。•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（partialvolumephenomenon）。•（二）CT成像原理•在X线穿透人体组织、器官时，由于人体组织、器官是由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μ表示体素的吸收系数。•吸收系数μ受X线波长、物质原子序数Z和密度ρ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。•（二）数据采集原则•1．投影是X线束扫描位置的函数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。二、常规CT扫描方式•扫描（scanning）：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。三、螺旋CT•（一）单层螺旋CT•螺旋CT扫描是一种容积扫描（volumetricscan），实现了由二维解剖结构图像进入三维解剖结构图像的飞跃。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。•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）。•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：①提高了扫描速度，不会产生病灶的遗漏，并减少了运动伪像；②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；③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；④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。•（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（multirowdetectorCT）。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。•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。•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。•3．X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。•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．智能扫描可在扫描过程中变化扫描条件。•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单个检测器的宽度从0.5～5.0mm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。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。第四节CT图像重建•一、数理基础•1．系数分布的数学描述•投影值是图像重建过程中通过检测器采集到的数据，每采集到一个数据就得到一个以线性衰减系数μi为未知数的多元一次线性方程，多方向投影得到一系列方程组，进一步可求解出μij的二维分布矩阵，这就是CT重建图像。•2．δ-函数δ-函数又称单位脉冲函数，或狄拉克（Dirac）函数。δ-函数具有筛选性质，即：•δ-函数的意义：函数f(x)把点x0从区间(a，b)中筛选出来。若用δ函数筛选X线束扫描的某一路径l，或者说路径l用δ-函数来限制，这样就可以纠正CT图像重建中重建图像的模糊。•3．卷积计算卷积计算是CT图像重建中重要数学算法之一，是进行积分变换的有效方法。它的作用是滤去反投影图像重建产生的模糊。为了尽可能地减少计算时间，在卷积计算中多采用快速傅里叶变换（FFT）实现高速运算。二、图像重建方法•1．解方程法计算时间长，不能满足图像重建的基本要求。•2．反投影法反投影法（backprojection）又称总和法。基本原理：是将测得的投影值按其原路径l平均分配到每一个点上，各个方向上投影值反投影放回矩阵后，在像素点处进行叠加，从而推断出原层面的μ值二维分布图像。•反投影法应用：若层面中间有一固定CT值的像素单元，图中分别沿0°、45°、90°、135°投射X线，获得投影数值而后叠加回矩阵重建出图像。但反投影图像重建的边缘失锐。•反投影法的缺点：会造成图像边缘的不清晰。如果在一