第四章-CT成像系统(2011-03-15)

1第四章X线计算机断层成像2011-03-15天津医科大学生物医学工程学院主讲教师肖振国24.1X-CT的发展历史；4.2X-CT的成像原理；4.3X-CT的扫描方式与成像系统；4.4投影重建图像原理-中心切片定理；4.5X-CT图像的后处理技术4.6螺旋X-CT技术及其发展教学内容3传统的X射线装置的缺点影像重叠：不同深度方向上的信息叠加在一起，形成多器官组织重叠的平片图像。密度分辨率低，对软组织分辨能力低。传统X胶片存档困难，难于实现远程医疗。45为了克服在投影X线成像中出现的影像重叠问题，出现了对接收到的投影数据进行计算，利用计算机由投影重建图像的数学原理出发，实现了计算机断层成像，即X射线计算机断层成像（X-raycomputedtomography，X-CT）。6784.1X-CT的发展历史X-Rays的发现...116年前,德国科学家,WilhelmConradRoentgen,发现了X-Rays(1895)...1901年获首届诺贝尔物理学奖9X-CT的发展历史1917年奥地利数学家雷当（Radon）：提出了投影重建图像的理论。1963年美国物理学家柯马克（Cormack）：不仅证明了在医学领域中X射线投影重建图像的可能性，而且提出了实验的方法，并完成了仿真与实验研究。1967年至1970年间英国EMI公司的工程师豪斯菲尔德（Hounsfield）研制成功世界上第一台用于医学临床的X线CT扫描机，于1971年9月被安装在伦敦的Atkinson-Morley’s医院。1972年利用这台X线CT首次为一名妇女诊断出脑部的囊肿，并取得了世界上第一张CT照片。1998年11月在北美放射学会年会（RSNA，98）上有四家公司同时展出了多层CT机（multisliceCT，MSCT）...10Hounsfield和Cormack因X-CT荣获1979年诺贝尔医学和生理学奖G.N.HounsfieldA.M.CormackCentralResearchLaboratories,EMILondonTuftsUniversityMedford,MA,USA11CT会是什么样?12第一台SiemensCT扫描仪...图像获取时间7分钟,图像矩阵80x80像素,空间分辨率13mm(4LP/cm)。SIRETOM(in1974)13CT(ComputedTomography)计算机断层摄影设备X-CT机实物照片14双排螺旋CT超高速64排螺旋CT15X-CT机基本组成部分检查床操作控制台机箱扫描部分1617CT扫描部分X光球管高压发生器探测器数据采集系统18CTScanner19CTScanner20CTScanner21CTScanner22CTScanner23CTScanner24CTScanner25CTScanner26CTScanner27CTScanner28CTScanner29CTScanner30CT图像314.2X-CT成像原理CT如何工作?重建&后处理数据获取X-ray发生32成像原理将X射线准直后成为一束很窄的射线束，当X射线管沿一个方向移动时，相对应的检测器也将平移，采集经人体透射的X射线，接收到的信号为投影数据。将X射线源与检测器沿圆弧围绕被测物旋转180或360度，完成一次扫描过程。将全部投影数据送入计算机后，通过图像重建计算方法，重新构建探测平面的二维图像。构成图像每点像素的灰度值是与被测物对X射线透射衰减的衰减系数相对应，由此得到断层图像。3334X-CT成像装置主要由X线管、准直器、检测器、扫描机构，测量电路、电子计算机、监视器等部分所组成的。X-CT成像流程是：X线--准直器--检测器--转变电信号--放大电信号--转变为数字信号--计算机系统--存入计算机的存贮器--编码--显示图像。35基本术语体层体素像素36CT扫描形成-“slice(层厚)”X-rays通过准直器仅仅穿透物体轴向层面,称a”slice(层厚)“。37把层厚分成很小的体积单位称“voxels(体素)”通常体素长和宽为1mm,与体积相对应；体素的大小在CT图像上的表现即为“pixels(像素)”。38数字矩阵以相应灰阶转换成黑白影像。CT图像形成A/D/A*Analog-Digital-Analog35363934333134333532318085907839扫描与投影1.X射线窄束的获取与扫描40扫描时X射线只扫描一薄层，X射线高度即为成像断层的厚度。41投影4243投影44投影函数45CT图像重建的数学基础X射线通过介质的衰减规律)exp(0zII介质的吸收系数IIz0ln146X射线通过非均匀介质)exp(0zII47N1N2N3Nnμ1μ2μ3μnΔxΔxΔxμmΔxI0InIm-1ImΔx)(0)(01121niinnxxxnneIeIeIIX-CT图像的像素如何计算出来？48滤波反投影法（重建算法）4950514.3X-CT的扫描方式与成像系统52高压发生器X线球管人体模型探测器群操作控制台多幅激光照相机电子计算机模数转换器内外存储器CRT显示器基本结构框图CT扫描成像系统的基本结构535455但耗时太长(10分/幅)。且分辨率尚需提高。所以我们能看到断层解剖结构&且带有不同密度人体被“切成”一层、一层...56CT影像质量的进步...SIRETOM(1974)SOMATOMPlus4UFC(1996)5758593DFace(threshold:-400HU)3DHead(threshold:150HU)3D图像的合成60X-CT的扫描方式611、单束平移—旋转方式X线管检测器平移采样点旋转采样特点：直线笔形扫描束单一探测器一次平移获得240个数据每次旋转1度共重复180次检测一个层面4-5min622、窄扇形束扫描平移—旋转方式X线管平移采样点X线束张角为θ检测器旋转采样特点：直线多路笔形扫描束探测器3-52个每次旋转3-30度检测一个层面20-120S633、旋转—旋转方式（R/R)摄影领域检测器X线管旋转采样点检测器轨道X线管轨道扇形X线束64特点：扇形扫描束连续或脉冲方式的X射线环形阵列探测器300-800个每次旋转360度检测一个层面3-5S第三代CT是目前临床上广泛应用的扫描方式654、静止—旋转扫描方式（S/R)664、静止—旋转扫描方式（S/R）检测器X线管X线管轨道旋转数据采样点67特点：扇形扫描束连续或脉冲方式的X射线环形整圈探测器探测器共600-1500个球管每次旋转360度检测一个层面1-5S68Third&FourthGenerations(FromPicker)(FromSiemens)695、螺旋扫描方式（SpiralCT,SCT）70Spiral/HelicalScanning71螺旋锥形束CT72心脏动态成像737475766、静止—静止扫描方式超高速CT扫描机(电子速CT)UFCT:UltrafastCTScannerEBIS:ElectronicBeamImagingSystem7778E-BeamCTScanner速度:50,100ms扫描厚度:1.5,3,6,10mm心脏造影成像(FromImatron)79可用于血管造影和心脏造影全身扫描，观察除心脏外的脏器头颅扫描主要用途0.03s-0.1s1s~10s2.8s~10s10s~2min3min扫描时间连续扫描方式平移/旋转方式运动方式扇束扫描笔束扫描扫描方式第五代第四代第三代第二代第一代各代CT比较检测器数量112-52256-1024600-1088864（分两组）多笔窄扇束广角扇束倒置锥形扫描角度30~260480~1200210~45080X-CT的特点断层成像密度分辨率高，对软组织分辨能力高。（相对于常规X射线摄像）投影剂量小（相对于X射线摄像）动态范围大（相对于X光片）存储方便