XCT成像原理ppt课件

《XCT成像原理ppt课件》由会员分享，可在线阅读，更多相关《XCT成像原理ppt课件（55页珍藏版）》请在装配图网上搜索。

1、第三章第三章 X 射线计算机断层扫描成像射线计算机断层扫描成像 (X-ray computed tomography,X-CT)1；.普通普通X X射线影像的缺点射线影像的缺点X X射线穿透不同密度和厚度组织结构后的总和投影射线穿透不同密度和厚度组织结构后的总和投影 Computed tomography 2；.X XCTCT是运用物理技术，以是运用物理技术，以测定测定X X射线在人体内的衰减系数射线在人体内的衰减系数为基础，采用为基础，采用数学方法，经计算机处理，求解出衰减系数值在人体某剖面上的二维分布数学方法，经计算机处理，求解出衰减系数值在人体某剖面上的二维分布矩阵，转变为图像画面上的灰

2、度分布，从而实现重新建立断面图像的现代矩阵，转变为图像画面上的灰度分布，从而实现重新建立断面图像的现代医学成像技术。医学成像技术。X XCTCT像的像的本质本质是衰减系数成像是衰减系数成像指导思想指导思想：如何确定衰减系数值：如何确定衰减系数值在人体某剖面上的二维分布在人体某剖面上的二维分布31 X-CT成像原理成像原理体层、体素体层、体素3；.体层、体素、像素体层、体素、像素体层（断层）体层（断层）：受检体中的一个薄层受检体中的一个薄层像素像素(pixel)(pixel)：构成图像的基本单元：构成图像的基本单元,体素的平均密度决定其灰度值。体素的平均密度决定其灰度值。像素越多，像素就越小，画

3、面越细腻像素越多，像素就越小，画面越细腻 ，携带的生物信息量越多，携带的生物信息量越多体素体素（voxel)voxel)：成像的体层分成：成像的体层分成按矩阵排列的若干个小基本体元按矩阵排列的若干个小基本体元体积：长体积：长宽宽高高一般体素的大小：一般体素的大小：长和宽：长和宽：1 12mm2mm高（体层厚）：高（体层厚）：3 310mm10mm体素划分：体素划分：256256256256（=65536=65536个体素）；个体素）；512512512512（=262144=262144）4；.一、投影采集与图象重建一、投影采集与图象重建扫描扫描：用：用X X射线束以不同方式、按一定顺序、沿不

4、同方向对体层进行投照，射线束以不同方式、按一定顺序、沿不同方向对体层进行投照，并用高灵敏度的探测器接受出射并用高灵敏度的探测器接受出射X X射线的强度射线的强度 。1 1、扫描与投影、扫描与投影投影投影：投照受检体后出射：投照受检体后出射X X线束的强度；投影值的分布为投影函数线束的强度；投影值的分布为投影函数5；.2 2、窄束、窄束X X射线的获取射线的获取准直器准直器：允许：允许X X射线通过的细长狭窄通道射线通过的细长狭窄通道3 3、图象重建、图象重建美国物理学家科马克美国物理学家科马克(A.M Cormack,1963)(A.M Cormack,1963)通过模拟实验，提出用通过模拟实

5、验，提出用X X射线射线投影数据重建人体断层图像投影数据重建人体断层图像的数学方法。的数学方法。像素像素6；.二、二、CTCT成像的物理基础成像的物理基础IIlnx1eII0 x0注意：注意：是物体种类和是物体种类和X X射线能量的函数射线能量的函数1 1、均匀物质对均匀物质对X X射线的吸收规律：射线的吸收规律：33)(hZ光电衰减系数：7；.2 2、X X射线束通过非均匀物质射线束通过非均匀物质1 2 3 nxI0InI1=I0e(1x)I 2=I1e(2x)In=I0e-(1+2+n)xi 视为均匀视为均匀投影或PIIIIinn0n021lnx1lnx)(dx)x(P8；.1 1、CTC

6、T值值CTCT测量并计算测量并计算 ，获取一定数目体素的，获取一定数目体素的值重建图像值重建图像 用用CTCT值来作为表达组织密度的统一单位。值来作为表达组织密度的统一单位。以水的吸收系数（以水的吸收系数（w w=1 =1）为标准，各组织对）为标准，各组织对X X射线的吸收系数射线的吸收系数与与水的吸收系数水的吸收系数w w的相对比值，称为的相对比值，称为CTCT值。值。3 3、CTCT值与灰度显示值与灰度显示ww KCT值K=1000 K=1000 为分度因数为分度因数CTCT值的单位是值的单位是 Hu Hu 或或H H（亨）（亨）水 骨 空气 1.0 2.0 0CT值 0 +1000 10

7、009；.病变病变CTCT值值 可鉴别病变的性质可鉴别病变的性质 如肝囊肿如肝囊肿 0 015H15H2.灰度显示灰度显示CTCT值与灰度对应值与灰度对应10；.脑内出血区呈高密度影，脑内出血区呈高密度影，CTCT值约值约454590Hu90Hu之间之间实质性肿瘤实质性肿瘤CTCT表现为表现为高密度影高密度影囊性肿瘤为低密度影囊性肿瘤为低密度影11；.三、图像重建的数学方法三、图像重建的数学方法1、代数（迭代）重建法、代数（迭代）重建法（联立方程组）（联立方程组）12；.123446461 55 413 1619 220045090033771350减基数减基数10化简化简基数等于所有体素特征

8、的总和基数等于所有体素特征的总和52353691212342 2、反投影法、反投影法13；.14；.3、滤波反投影法、滤波反投影法（Filtered back projection)也称为卷积反投影法也称为卷积反投影法(convolution back projection,CBP)反投影法反投影法得到的图像四周伴有星得到的图像四周伴有星状伪像；状伪像；滤波反投影滤波反投影在反投影之前，用滤在反投影之前，用滤波函数与反投影信号相加（卷积波函数与反投影信号相加（卷积处理），消灭星状伪影。处理），消灭星状伪影。15；.dttxxxx)t()(u)()()(u表示卷积积分表示卷积积分卷积核卷积核卷积

9、核卷积核：在：在CTCT图像重建过程中用于滤波反投影的专用函数，图像重建过程中用于滤波反投影的专用函数，改善像素噪声和几何分辨率。改善像素噪声和几何分辨率。16；.17；.18；.32 CT扫描机的结构扫描机的结构 扫描架扫描架控制台（显示）控制台（显示）高压发生器高压发生器电源控制电源控制 计算机系统计算机系统成像系统的核心成像系统的核心扫描床扫描床19；.一、扫描装置一、扫描装置扫描架扫描架 X X线管线管 探测器探测器20；.（1 1）X X线管：线管：功率功率202060kW;60kW;高压高压8080140kVp140kVp 焦点焦点0.50.52.0mm2.0mm;扫描持续时间扫描

10、持续时间3030 60s 60s21；.高压氙气探测器高压氙气探测器电离室在高压下充入惰性气体氙电离室在高压下充入惰性气体氙优点：结构简单；单个探测器通道的优点：结构简单；单个探测器通道的灵敏度相同。灵敏度相同。缺点：量子效率低；相邻探测器之间缺点：量子效率低；相邻探测器之间存在缝隙。存在缝隙。闪烁晶体探测器闪烁晶体探测器(NaI)(NaI)碘化钠、碘化钠、(CsI)(CsI)碘化铯、碘化铯、(CaF2)(CaF2)氟化钙、氟化钙、(BGO)(BGO)锗酸铋晶体等。锗酸铋晶体等。加入微量增光或减少余辉的物质（铊、加入微量增光或减少余辉的物质（铊、铕）铕）优点：探测效率高优点：探测效率高（2 2

11、）探测器）探测器22；.CTCT原理框图原理框图二、计算机系统二、计算机系统23；.计算机系统以控制计算机为中心控制和管理核心，它是中央处理系统计算机系统以控制计算机为中心控制和管理核心，它是中央处理系统提供数据采集系统提供数据采集系统(date acquisition system,DAS)(date acquisition system,DAS)、阵列处理计算机等、阵列处理计算机等以及机架和高压系统的微处理器间的输入、输出的连接，通过中央处理器以及机架和高压系统的微处理器间的输入、输出的连接，通过中央处理器(CPU)(CPU)和存储器和存储器(memory)(memory)完成执行功能：完

12、成执行功能：1 1）控制和监视扫描过程，将扫描数据（投影值）送入存储器；）控制和监视扫描过程，将扫描数据（投影值）送入存储器；2 2）CTCT值校正（插值处理）；值校正（插值处理）；3 3）控制）控制CTCT扫描等信息的传递扫描等信息的传递数据管理；数据管理；4 4）图像重建的程序控制；）图像重建的程序控制；5 5）故障诊断及分析等。）故障诊断及分析等。24；.3 33 CT3 CT扫描方式与设备扫描方式与设备平移采集平移采集160160个数据个数据*旋转旋转180 180 每次扫描共采集每次扫描共采集2880028800个数据；个数据；计算计算80808080矩阵的图像，矩阵的图像，6400

13、6400个像素；个像素；一幅图像约需一幅图像约需5min5min一次检查约需一次检查约需35min 35min。应用范围：脑应用范围：脑1 1、单束平移、单束平移旋转方式旋转方式 第第1 1代（代（19701970）一、普通一、普通CT25；.2 2、窄扇形束扫描平移、窄扇形束扫描平移旋转方式旋转方式 第第2 2代（代（19721972）扇角：扇角：15152020 步幅：步幅：5 51010；X X球管球管1 1个，个，检测器检测器20203030个个；一幅图像需时一幅图像需时202060 s60 s；应用范围：头部应用范围：头部26；.一幅图像需时约一幅图像需时约 5s5s；应用范围：全身

14、（心脏除外）应用范围：全身（心脏除外）3030606030030010001000个个3 3、广角扇束形、广角扇束形旋转旋转旋转旋转（常用）（常用）第第3 3代（代（19761976）：27；.一幅图像约一幅图像约需需 2s2s;应用范围：全身。应用范围：全身。特点：扫描时间短，较好消除运动伪影。特点：扫描时间短，较好消除运动伪影。40040015001500个检测器组成个检测器组成 静止环形检测器环静止环形检测器环4 4、反扇束形静止、反扇束形静止旋转旋转（常用）（常用）第第4 4代（代（19781978）28；.第三代与第四代比较第三代与第四代比较(From(From Siemens)Si

15、emens)传统传统CTCT的缺点：的缺点：旋转部分为往返旋转运动，限制了扫描速度；旋转部分为往返旋转运动，限制了扫描速度；控制电路复杂；控制电路复杂；电缆长期作往返缠绕，易发生折断，故障不易查找。电缆长期作往返缠绕，易发生折断，故障不易查找。29；.二、螺旋二、螺旋CT（1989）1 1、扫描方式与供电方式：、扫描方式与供电方式：扫描方式扫描方式：X X线管绕被查人体匀速单向旋转，人体匀速前进线管绕被查人体匀速单向旋转，人体匀速前进扫描轨迹为螺旋曲线，故称螺旋扫描轨迹为螺旋曲线，故称螺旋CTCT优点：优点：扫描速度高：扫描速度高：减少运动伪影减少运动伪影无采集数据遗漏：无采集数据遗漏：容积数

16、据，任意位置、容积数据，任意位置、任意方位重建图像。任意方位重建图像。30；.供电方式供电方式：滑环（：滑环（slip ring)slip ring)，碳刷在滑环上运动完成机架旋转部，碳刷在滑环上运动完成机架旋转部分与静止部分馈电和信号传递，无电缆的缠绕，机架单向连续旋转分与静止部分馈电和信号传递，无电缆的缠绕，机架单向连续旋转31；.2)2)低压滑环低压滑环：传递电压为数百伏。：传递电压为数百伏。优点优点：传递电压低，易处理；高压电缆短，损耗小。：传递电压低，易处理；高压电缆短，损耗小。缺点缺点：高压电源与：高压电源与X X线管组合一起旋转，增加旋转部分重量。线管组合一起旋转，增加旋转部分重

17、量。高压发生器高压发生器X X线管线管高压电缆高压电缆低压电缆低压电缆1)1)高压滑环高压滑环：传递电压万伏以上：传递电压万伏以上优点优点：高压电源放在扫描机架外部；：高压电源放在扫描机架外部；缺点缺点：易发生高压放电导致高压噪声。影响数据采集系统和图像质量：易发生高压放电导致高压噪声。影响数据采集系统和图像质量高压高压电源电源X X线管线管高压电缆高压电缆32；.单层探测器多层探测器X X 光管X X 光管2 2、多层面扫描螺旋、多层面扫描螺旋CTCT（19981998）单层螺旋单层螺旋CTCT：线束宽度近似于层厚；线束宽度近似于层厚；多层螺旋多层螺旋CTCT：线束以线束以X X射线管为顶点

18、，呈四棱锥形射线管为顶点，呈四棱锥形33；.检测器结构检测器结构：单排、多排（：单排、多排（6464）、等宽、不等宽）、等宽、不等宽34；.1 1、动态空间扫描、动态空间扫描 2828个个X X线管（半圆），线管（半圆），2828个检测器（半圆）；个检测器（半圆）；电子开关控制轮流发射电子开关控制轮流发射X X射线脉冲束；射线脉冲束；时间时间1s1s 。应用范围：心、肺动态器官应用范围：心、肺动态器官三、超高速扫描三、超高速扫描 第第5 5代代（19871987）35；.2 2、电子束扫描、电子束扫描钟形钟形X X射线管和静止排列的检测器环射线管和静止排列的检测器环时间约时间约 10ms10m

19、s应用范围：应用范围：心、肺等动态器官心、肺等动态器官36；.CTCT的优缺点的优缺点优点：优点：1 1、真正断面像：准直系统准直，无层面外组织结构干扰；、真正断面像：准直系统准直，无层面外组织结构干扰；软件处理重建，获得诊断所需多方位像。软件处理重建，获得诊断所需多方位像。2 2、密度分辨力高：严格准直，灵敏探测器；、密度分辨力高：严格准直，灵敏探测器；窗口技术，灰阶可调节；窗口技术，灰阶可调节；无断层外干扰。无断层外干扰。3 3、可做定量分析：测量、可做定量分析：测量值，定量分析。值，定量分析。局限性：局限性：1 1、空间分辨力仍低于常规、空间分辨力仍低于常规X X线检查；线检查；2 2、

20、不是所有脏器都适合、不是所有脏器都适合CTCT检查（如空腔性脏器、胃肠道）检查（如空腔性脏器、胃肠道）3 3、CTCT定位、定性诊断的准确性仍受各种因素的影响定位、定性诊断的准确性仍受各种因素的影响 （病变部位、大小、性质、病程长短）；（病变部位、大小、性质、病程长短）；4 4、不能反映脏器的功能、生化信息、不能反映脏器的功能、生化信息 （基本上只反映解剖学方面的性质）。（基本上只反映解剖学方面的性质）。37；.ww KCT值38；.34 X-CT图像的质量评价图像的质量评价用物理学、影像学原理用物理学、影像学原理检测、评价设备性能检测、评价设备性能主要有：分辨率、噪声、均匀性等参数主要有：分

21、辨率、噪声、均匀性等参数评价方法评价方法：在临床应用条件下对：在临床应用条件下对标准测试体模标准测试体模作断层扫描，采集影像作断层扫描，采集影像数据，用物理学方法做数据分析处理，根据各项指标的数据，用物理学方法做数据分析处理，根据各项指标的测量值相对于测量值相对于标称值的偏差标称值的偏差评定是否合格，并进行校正、维修评定是否合格，并进行校正、维修一、图像的主要质量参数一、图像的主要质量参数1 1、对比度及对比度分辨力、对比度及对比度分辨力对比度：对比度：不同物质的密度差异不同物质的密度差异X X射线透射差异射线透射差异 像素灰度间的黑白程度的对比像素灰度间的黑白程度的对比%100bbbaCTa

22、值为两体素之间的、定义式：设39；.对比度分辨力（密度分辨力）：对比度分辨力（密度分辨力）：将一定大小的细节从背景中鉴别出来的能力。将一定大小的细节从背景中鉴别出来的能力。检测方法：检测方法：低密度体模（单位低密度体模（单位 mmmm）影响因素：影响因素：噪声噪声像颗粒度像颗粒度对比度分辨力对比度分辨力；被照物细节被照物细节对比度分辨力对比度分辨力；X X射线剂量射线剂量信噪比信噪比对比度分辨力对比度分辨力 窗宽、窗位的选择窗宽、窗位的选择40；.2 2、低对比度分辨力和高对比度分辨力、低对比度分辨力和高对比度分辨力低对比度分辨力：低对比度分辨力：细节与背景之间具有低对比度时，能使细节从背景中

23、鉴别出来的能力。细节与背景之间具有低对比度时，能使细节从背景中鉴别出来的能力。条件：物体（细节）与均质环境的吸收系数差别的相对值条件：物体（细节）与均质环境的吸收系数差别的相对值 1%1%或或 CTCT10Hu10HuX-CT:0.5X-CT:0.51%1%普通普通X X线片：线片：5%5%低对比度分辨力低对比度分辨力CTCT优于优于X X片片 低对比度分辨力高是低对比度分辨力高是X-CTX-CT的优势！的优势！原因：原因：CTCT与普通与普通x x线摄影比较线摄影比较 无重叠干扰；无重叠干扰；高度准直，散射线少；高度准直，散射线少；探测器比胶片灵敏。探测器比胶片灵敏。41；.影响因素：影响因

24、素：探测器孔径（射线采样宽度）探测器孔径（射线采样宽度）空间分辨力空间分辨力 间距（采样间隔）间距（采样间隔）空间分辨力空间分辨力 图像重建算法（滤波函数的选择）。图像重建算法（滤波函数的选择）。高对比度分辨力：高对比度分辨力：在高对比度条件下，将一定大小的细节从背景中鉴别出来的能力。在高对比度条件下，将一定大小的细节从背景中鉴别出来的能力。条件：物体（细节）与均质环境的吸收系数差别的相对值条件：物体（细节）与均质环境的吸收系数差别的相对值 10%10%；或或CTCT100Hu100Hu 3 3、空间分辨力：、空间分辨力：在高对比度条件下，鉴别两个距离很近的微小组织或病灶的能力。在高对比度条件

25、下，鉴别两个距离很近的微小组织或病灶的能力。体素体素（矩阵越大）（矩阵越大）空间分辨力空间分辨力42；.空间分辨力取决于空间分辨力取决于检测器有效受照检测器有效受照宽宽度（与线束度（与线束宽宽度相对应）度相对应）检测器有效受照检测器有效受照高高度（与线束度（与线束高高度相对应）度相对应）43；.空间分辨力的检测：高密度测试体模空间分辨力的检测：高密度测试体模 线对数线对数LP/Cm;LP/Cm;分辨最小圆孔的直径（分辨最小圆孔的直径（mm)mm)普通普通X X光片光片：0.10.10.2mm (0.2mm (胶片颗粒尺寸）；胶片颗粒尺寸）；X-CTX-CT：1 12mm2mm核素成像核素成像：

26、5 510mm10mm对骨骼和胸腔等高对比度器官的检查，对骨骼和胸腔等高对比度器官的检查，X XCTCT尚不能代替普通尚不能代替普通X X光摄影光摄影44；.图像中可观察到的光密度的随机变化。图像中可观察到的光密度的随机变化。X X光机噪声主要由三个来源：光机噪声主要由三个来源：量子统计噪声量子统计噪声(92%)(92%)：X X光量子统计涨光量子统计涨落在照片上记录的反映；落在照片上记录的反映；散射噪声：主要是康普顿散射线；散射噪声：主要是康普顿散射线；系统电子学的热噪声系统电子学的热噪声图像表现：斑点、细粒、网纹、雪花点图像表现：斑点、细粒、网纹、雪花点信噪比信噪比(signal to n

27、oise ratio,SNR)(signal to noise ratio,SNR)评价指标评价指标NSSNR 图像信号幅度图像信号幅度噪声幅度噪声幅度噪声对低对比度的结构影响较明显噪声对低对比度的结构影响较明显 4、图像噪声与、图像噪声与X射线剂量射线剂量45；.12nTCCTi（量子）噪声表示给定区域的各（量子）噪声表示给定区域的各CTCT值值对其平均值的变化量（由探测器检测对其平均值的变化量（由探测器检测到的到的X X线数量的波动引起）。是一种线数量的波动引起）。是一种随机的干扰信号。随机的干扰信号。高剂量扫描高剂量扫描极低剂量扫描极低剂量扫描03/hDwBcw w：像素大小；：像素大小

28、；h h：断层厚度：断层厚度：D D0 0：最大皮肤剂量：最大皮肤剂量(只要诊断许可，尽量采用大剂量条件）只要诊断许可，尽量采用大剂量条件）C C：描述剂量效率的常数；：描述剂量效率的常数；B B：射线衰减（性能）因数：射线衰减（性能）因数噪声标准差噪声标准差46；.在扫描野中，均质体各局部在在扫描野中，均质体各局部在CTCT图像上显示出图像上显示出CTCT值得一致性值得一致性匀质体各局部区域平均匀质体各局部区域平均CTCT值值 偏离程度偏离程度均匀性均匀性影响因素：图像噪声；影响因素：图像噪声；X X射线束硬化射线束硬化5 5、均匀性、均匀性测量中央和边缘取五个面积相等的测量中央和边缘取五个

29、面积相等的ROIROI的的CTCT值；值；计算两两之间计算两两之间CTCT值的最大偏离值的最大偏离CTCTm m#本例本例 CTm#=3.7HU国际评价标准：国际评价标准：CTm#5HU-1.0-2.10.5-1.3-3.247；.6 6、空间分辨力、对比度分辨力、噪声、均匀度和、空间分辨力、对比度分辨力、噪声、均匀度和X X射线剂量之间的关系射线剂量之间的关系X X射线剂量一定：体素射线剂量一定：体素空间分辨力空间分辨力 光子数光子数 信噪比、均匀性信噪比、均匀性对比度分辨力对比度分辨力03/hDwBcw w：像素大小：像素大小(空间分辨率空间分辨率）；）；h h：断层厚度（：断层厚度（空间

30、分辨率空间分辨率，大层厚图像较细腻，大层厚图像较细腻，小层厚图像分辨率较高。二者相互制约）：小层厚图像分辨率较高。二者相互制约）：D D0 0：最大皮肤剂量：最大皮肤剂量(只要诊断许可，尽量采用大剂量条件）只要诊断许可，尽量采用大剂量条件）C C：描述剂量效率的常数；：描述剂量效率的常数；B B：射线衰减（性能）因数：射线衰减（性能）因数噪声标准差噪声标准差48；.伪影：伪影：扫描中不存在而出现在重建图像中的干扰图样。扫描中不存在而出现在重建图像中的干扰图样。产生伪影的原因产生伪影的原因1 1、成像系统的测量误差、成像系统的测量误差电器故障电器故障二、二、X-CTX-CT图像的伪像图像的伪像人

31、体超出测量范围人体超出测量范围定期做系统维护定期做系统维护49；.部分容积效应部分容积效应抑制方法：减小切层厚度，采用薄层扫描抑制方法：减小切层厚度，采用薄层扫描周围间隙现象周围间隙现象50；.条纹伪影条纹伪影51；.金属植入物金属植入物条纹状伪影条纹状伪影52；.线束硬化线束硬化2 2、X X射线的原因（硬化效应等）射线的原因（硬化效应等）CTCT值随厚度而异（条状或环状伪影）值随厚度而异（条状或环状伪影）骨性结构X X射线平均能量增高射线平均能量增高53；.3 3、受检体的原因、受检体的原因 体位移动、体位移动、体内器官心、肺、肠等非自主运动等体内器官心、肺、肠等非自主运动等抑制方法：抑制方法：缩短扫描时间缩短扫描时间训练呼吸训练呼吸54；.4 4、成像装置原因、成像装置原因扫描及数据处理不当扫描及数据处理不当图像重建算法不完善图像重建算法不完善扫描系统状态不稳定扫描系统状态不稳定检测器性能不一致检测器性能不一致采集数据重复性不好（采集数据重复性不好（旋转中心不重合）旋转中心不重合）X X射线高压不稳定（电压波动）射线高压不稳定（电压波动）伪像的识别已成为影像诊断水平的主要标志之一伪像的识别已成为影像诊断水平的主要标志之一环中一个探测器损坏后环中一个探测器损坏后出现的环状伪影示意图出现的环状伪影示意图55；.