生物医学工程基础生医图象2林江莉

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1、2021/8/15 生物医学工程基础生医图象2林江莉 1 生物医学图象(Biomedical Image) 生物医学工程基础（四） X射线断层成象 （2007.11） Imaging technologies are changing the way science is done (R.P. Crease, Science, Vol. 261, July 1993) 2021/8/15 生物医学工程基础生医图象2林江莉 2 第一部分：第一部分：医学成像医学成像 1.1 医学成像过程的组成部分及成像系统模型医学成像过程的组成部分及成像系统模型 1.2 基本概念基本概念 1.3 主要的成像系统及

2、其应用主要的成像系统及其应用 1.4 评价图像系统与图像质量评价图像系统与图像质量 1.5 X射线断层成象射线断层成象 1.6 核磁共振成象核磁共振成象 1.7 超声医学成象超声医学成象 2021/8/15 生物医学工程基础生医图象2林江莉 3 1.5 X射线断层成象射线断层成象 2021/8/15 生物医学工程基础生医图象2林江莉 4 The History Johan Radon (1917)Johan Radon (1917) showed how a reconstruction from showed how a reconstruction from projections was

3、 possible.projections was possible. Cormack (1963,1964)Cormack (1963,1964) introduced Fourier transforms introduced Fourier transforms into the reconstruction algorithms.into the reconstruction algorithms. Hounsfield (1972)Hounsfield (1972) invented the Xinvented the X- -ray Computer ray Computer sc

4、anner for medical workscanner for medical work (for which Cormack and Hounsfield shared a Nobel (for which Cormack and Hounsfield shared a Nobel prize).prize). EMI Ltd (1971)EMI Ltd (1971) announced development of the EMI announced development of the EMI scanner which combined Xscanner which combine

5、d X- -ray measurements and ray measurements and sophisticated algorithms solved by digital computers. sophisticated algorithms solved by digital computers. 2021/8/15 生物医学工程基础生医图象2林江莉 5 X-CT的发展历程的发展历程 1917 奥地利数学家奥地利数学家Radon：从投影重建图像的原理：从投影重建图像的原理 1920-60 美国物理学家美国物理学家A.M.Cormack：可行性证明、试验：可行性证明、试验研究、仿真研

6、究、仿真 1972 G.N.Housfield：装置和断层成像结果：装置和断层成像结果 2021/8/15 生物医学工程基础生医图象2林江莉 6 X-CT成像的演变成像的演变 19011901年年( (投影）投影） 19751975年年（断层）（断层） 20002000年（断层）年（断层） 2021/8/15 生物医学工程基础生医图象2林江莉 7 第一幅脑第一幅脑CT图象图象 2021/8/15 生物医学工程基础生医图象2林江莉 8 一一.投影投影X线成像技术线成像技术 1. X线的产生线的产生 X线管线管 加热的灯丝发射出电子加热的灯丝发射出电子 30200千伏高压作用千伏高压作用 灯丝射出

7、电子灯丝射出电子 吸引到阳极靶子上吸引到阳极靶子上 电子与靶内的原子相互作用产生电子与靶内的原子相互作用产生X射线射线(少于少于1%1%的的入射电子能量转换成了入射电子能量转换成了X X射线，射线，旋转阳极旋转阳极) X射线穿过管壁发射出来射线穿过管壁发射出来 2021/8/15 生物医学工程基础生医图象2林江莉 9 2.X线的性质线的性质 (a)(a)穿透作用穿透作用: : 波长短，能量大，能穿透一般光线不能穿透波长短，能量大，能穿透一般光线不能穿透的物质，的物质，0.50.001A，25Kev1Mev。 (b)(b)荧光作用荧光作用: : 当当X X线照射某些物质时可产生荧光，利用这一线照

8、射某些物质时可产生荧光，利用这一性质，可以在荧光屏上直接观察性质，可以在荧光屏上直接观察X X线图像。线图像。 (c)(c)电离作用电离作用: :具有足够能量的具有足够能量的X X线光子不仅能击脱物质原子线光子不仅能击脱物质原子轨道上的电子，使该物质产生一次电离，而且脱离原子轨道上的电子，使该物质产生一次电离，而且脱离原子的电子又与其它原子相碰，还会产生二次电离。可根据的电子又与其它原子相碰，还会产生二次电离。可根据气体分子电离电荷的多少来测定气体分子电离电荷的多少来测定X X线的剂量。线的剂量。 (d)(d)生物效应生物效应: :X X线是一种电离辐射。生物细胞经一定量的线是一种电离辐射。生

9、物细胞经一定量的X X线线照射后会受到损害甚至坏死。放射治疗破坏肿瘤组织；照射后会受到损害甚至坏死。放射治疗破坏肿瘤组织；也会导致一定正常组织的损伤也会导致一定正常组织的损伤 2021/8/15 生物医学工程基础生医图象2林江莉 10 3. X线与人体组织的作用线与人体组织的作用 当当X射线穿过物体时，能量射线穿过物体时，能量 物质的吸收物质的吸收，转换成其它形式的能量转换成其它形式的能量 散射散射，改变了原来的传播方向，改变了原来的传播方向 透射透射，穿过被探查物体沿原方向继续向前，穿过被探查物体沿原方向继续向前传播，称为透射分量。传播，称为透射分量。 2021/8/15 生物医学工程基础生

10、医图象2林江莉 11 最早的最早的X线成像方法是靠投影成像线成像方法是靠投影成像 投影成像分为：投影成像分为： 透视：透视： 荧光透视成像系统荧光透视成像系统 摄影：摄影： 胶片摄影系统胶片摄影系统 二、投影二、投影X线成像系统线成像系统 2021/8/15 生物医学工程基础生医图象2林江莉 12 第一代的荧光透视接收器第一代的荧光透视接收器 平板荧光屏平板荧光屏 优点优点：观察组织形态、位置外，：观察组织形态、位置外，还可以还可以观察脏器的运动观察脏器的运动 缺点：屏的亮度比较低，观察缺点：屏的亮度比较低，观察起来比较吃力。起来比较吃力。 放射科医生一般要在黑暗环放射科医生一般要在黑暗环境中

11、待境中待15分钟左右才能使分钟左右才能使自己的眼睛适应，可观察到自己的眼睛适应，可观察到的信息也较少）的信息也较少） 2021/8/15 生物医学工程基础生医图象2林江莉 13 采用影像增强管采用影像增强管 影像增强管的引入影像增强管的引入是透视是透视X射线成像射线成像系统的一项重大改系统的一项重大改进。进。 解决方案解决方案 使亮度的总增益达到使亮度的总增益达到5000倍左右倍左右 2021/8/15 生物医学工程基础生医图象2林江莉 14 现代的投影现代的投影X射线成像设备射线成像设备 采用影像增强管采用影像增强管-电视系统电视系统 包含包含影像增强管影像增强管、光学图像分配系统光学图像分

12、配系统和一个包括摄和一个包括摄像机、监视器的像机、监视器的闭路视频系统闭路视频系统及辅助电子设备及辅助电子设备 视频系统的引入是荧光透视成像系统的又一项重大视频系统的引入是荧光透视成像系统的又一项重大改进改进 2021/8/15 生物医学工程基础生医图象2林江莉 15 用摄影胶片代替透视的荧光屏用摄影胶片代替透视的荧光屏 X射线在胶片上形成潜影，经过显影、定影，将影像射线在胶片上形成潜影，经过显影、定影，将影像固定在胶片上固定在胶片上 临床中使用屏临床中使用屏-胶片系统：胶片系统：它是由涂上感光乳胶的胶片和它是由涂上感光乳胶的胶片和与胶片紧密接触的一个或两个荧光增强屏组成的。与胶片紧密接触的一

13、个或两个荧光增强屏组成的。 X射线的能量由增强屏吸收，并将大约射线的能量由增强屏吸收，并将大约520%转变转变为光线，使胶片曝光。这样胶片曝光所需的实际为光线，使胶片曝光。这样胶片曝光所需的实际X射射线辐射剂量大幅度地降低。但线辐射剂量大幅度地降低。但产生一定的模糊产生一定的模糊 数字数字X射线摄影射线摄影 胶片摄影系统胶片摄影系统 2021/8/15 生物医学工程基础生医图象2林江莉 16 数字电视数字电视X射线摄影系统射线摄影系统 2021/8/15 生物医学工程基础生医图象2林江莉 17 重叠：重叠：三维物体结构投影在一个二维平面上三维物体结构投影在一个二维平面上 办法：办法：设法获取某

14、一指定设法获取某一指定断面的图像断面的图像，或者是，或者是人为人为突出突出人体中人体中某种结构某种结构（如血管、骨（如血管、骨骼）的形象。骼）的形象。 投影投影X线成像的问题？线成像的问题？ 2021/8/15 生物医学工程基础生医图象2林江莉 18 三、三、 数字减影技术数字减影技术DSA 最早应用于血管系统的研究最早应用于血管系统的研究 在病人的血管中注入造影剂（在病人的血管中注入造影剂（造影剂对造影剂对X线线的衰减系数大于人体的骨骼和软组织的衰减系数大于人体的骨骼和软组织） 摄下同一部位注入造影剂前后的两帧图像。摄下同一部位注入造影剂前后的两帧图像。原则上讲，只要将这两帧图像相减，就能消

15、原则上讲，只要将这两帧图像相减，就能消除血管外其余的组织形象，而只保留造影血除血管外其余的组织形象，而只保留造影血管的图像管的图像 2021/8/15 生物医学工程基础生医图象2林江莉 19 四、运动断层摄影四、运动断层摄影 为了获取为了获取某一深度的图像某一深度的图像 只要只要X线源与检测器按指定线源与检测器按指定规律运动，就可能使聚焦平规律运动，就可能使聚焦平面中面中A、B点的影像在整个点的影像在整个移动过程中始终落在胶片的移动过程中始终落在胶片的固定位置上，而其它深度处固定位置上，而其它深度处的结构的影像则从胶片的一的结构的影像则从胶片的一端移动到另一端。最后图像端移动到另一端。最后图像

16、将突出聚焦平面所在深度上将突出聚焦平面所在深度上的断面结构。的断面结构。 2021/8/15 生物医学工程基础生医图象2林江莉 20 五五. X线计算机断层摄影（线计算机断层摄影（X-CT） X射线发现后的七八十年射线发现后的七八十年，始终没有解决始终没有解决两个根本性的问题两个根本性的问题 一是：器官重叠一是：器官重叠，读片困难；读片困难； 二是：固有的分辨率差二是：固有的分辨率差 投影投影X射线成像系统对软组织的分辨能力射线成像系统对软组织的分辨能力比较差比较差。 XCT 从根本上克服了上述困难，是从根本上克服了上述困难，是80多年来多年来X射线诊断学上的一次射线诊断学上的一次重大突破。重

17、大突破。 2021/8/15 生物医学工程基础生医图象2林江莉 21 X射线被准直后成为一条射线被准直后成为一条很窄的射线束。当很窄的射线束。当X射线射线管沿一个方向平移时，与管沿一个方向平移时，与之相对应的检测器也跟着之相对应的检测器也跟着作平移运动。这样，作平移运动。这样，射射线线束就对整个感兴趣的平面束就对整个感兴趣的平面进行了一次扫描，检测器进行了一次扫描，检测器接收到了与脏器衰减系数接收到了与脏器衰减系数直接相关的投影数据直接相关的投影数据。 1.基本原理基本原理 检测器作同步平移运检测器作同步平移运动，并旋转进行扫描来获动，并旋转进行扫描来获得投影数据得投影数据 2021/8/15

18、 生物医学工程基础生医图象2林江莉 22 平移平移 旋转扫描旋转扫描 2021/8/15 生物医学工程基础生医图象2林江莉 23 假设用一种单一能量的假设用一种单一能量的X线照射厚线照射厚度为度为d的物体的物体，其入射射线强度为其入射射线强度为Io，透透射后的强度为射后的强度为I，则有：则有： 称为线性衰减系数称为线性衰减系数，表示特定能量的表示特定能量的X射线照射某种特定的物质时单位距离上射线照射某种特定的物质时单位距离上的衰减分数的衰减分数。 doeII衰减系数衰减系数 VS 投影数据投影数据 2021/8/15 生物医学工程基础生医图象2林江莉 24 1 4 2 3 Io Io I1 I

19、2 Io Io I3 I4 doeII)(141doeII)(232式中式中d为像素的宽度。为像素的宽度。 doeII)(321doeII)(4342021/8/15 生物医学工程基础生医图象2林江莉 25 1)能鉴别出较小的衰减系数差能鉴别出较小的衰减系数差，从而提高从而提高了对软组织的诊断能力了对软组织的诊断能力。从从CT图像上能图像上能识别出与周围组织的衰减系数只差识别出与周围组织的衰减系数只差0.5%的病灶的病灶。 2)能精确地测定出组织的能精确地测定出组织的X射线衰减系数射线衰减系数值值，从而对组织性质做出判断从而对组织性质做出判断。 3)可做出人体任意部位的断面图像可做出人体任意部

20、位的断面图像，并利并利用计算机图像处理技术构造出人体结构用计算机图像处理技术构造出人体结构的三维图像的三维图像。 2. XCT成像的突出优点成像的突出优点 2021/8/15 生物医学工程基础生医图象2林江莉 26 根据投影数据计算出原始图像根据投影数据计算出原始图像 迭代法和反投影法迭代法和反投影法 (1)迭代法迭代法:用逐次近似法来求解联立方程组用逐次近似法来求解联立方程组 目的：寻找二维分布度函数目的：寻找二维分布度函数f(x,y) 具体做法为：先假设一个最初的密度分布具体做法为：先假设一个最初的密度分布(如假如假设所有各点的值为设所有各点的值为0)，根据这个假设得出相应的，根据这个假设

21、得出相应的投影数据，然后与实测到的数据进行比较。投影数据，然后与实测到的数据进行比较。 3.图像重建技术图像重建技术 2021/8/15 生物医学工程基础生医图象2林江莉 27 如果不符，就根据所使用的迭代程序进行修正，如果不符，就根据所使用的迭代程序进行修正，得出一个修正后的分布。这就是第一次迭代得出一个修正后的分布。这就是第一次迭代过程。以后，就可以把前一次迭代的结果作过程。以后，就可以把前一次迭代的结果作为初始值，进行下一次迭代。为初始值，进行下一次迭代。在进行了一定在进行了一定次数的迭代后，如果认为所得结果已足够准次数的迭代后，如果认为所得结果已足够准确，则图像重建过程就到此结束。确，

22、则图像重建过程就到此结束。 2021/8/15 生物医学工程基础生医图象2林江莉 28 右图给出了一幅由四个象素右图给出了一幅由四个象素组成的图像，若四个象素的组成的图像，若四个象素的值分别为值分别为5、7、6、2。则可。则可以分别获得以分别获得6个投影数据，包个投影数据，包括两个水平方向，两个垂直括两个水平方向，两个垂直方向和两个对角线方向，分方向和两个对角线方向，分别是别是7、11、9、13、12和和8。这就是所能得到的所有的。这就是所能得到的所有的已知数据。已知数据。 f f1 1=5=5 f f2 2=7=7 f f3 3=6=6 f f4 4=2=2 1111 9 9 7 7 8 8

23、 1212 1313 例：代数重建技术例：代数重建技术 2021/8/15 生物医学工程基础生医图象2林江莉 29 迭代开始，先令所有的重建单元迭代开始，先令所有的重建单元的值为的值为0，第一步计算出垂直方向的，第一步计算出垂直方向的投影值，分别都是投影值，分别都是0，如右上图。把，如右上图。把这个计算值与实测值这个计算值与实测值11和和9相比较后，相比较后，将其差值除以将其差值除以2以后分别加到相应的以后分别加到相应的单元上去，就可得到垂直方向的迭代单元上去，就可得到垂直方向的迭代结果，如右下图。结果，如右下图。 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 5.55.5 4.54.5 5

24、.55.5 4.54.5 1010 1010 5. 520110)1(3)1(1 ff5. 42090)1(4)1(2 ff2021/8/15 生物医学工程基础生医图象2林江莉 30 在此基础上可以再做水平方向在此基础上可以再做水平方向的迭代，此时有计算值的迭代，此时有计算值10、10，实测值为，实测值为12、8，将它，将它们比较后求出差值，分别加到们比较后求出差值，分别加到有关的象素上去，结果是：有关的象素上去，结果是： 5.55.5 4.54.5 5.55.5 4.54.5 1010 1010 5. 6210125. 5)2(1f5. 5210125. 4)2(2f5. 421085. 5

25、)2(3f5. 321085. 4)2(4f6.56.5 5.55.5 4.54.5 3.53.5 1010 1010 2021/8/15 生物医学工程基础生医图象2林江莉 31 最后再作对角线方向的迭代最后再作对角线方向的迭代，就得到了所要求就得到了所要求的真实数据的真实数据。实际上实际上，要求重建的矩阵很大要求重建的矩阵很大，因此选代算法是非常耗费时间的因此选代算法是非常耗费时间的。 521075. 6)3(1f7210135. 5)3(2f6210135. 4)3(3f221075. 3)3(4f2021/8/15 生物医学工程基础生医图象2林江莉 32 基本做法：基本做法： 把每次测得

26、的投影数据原路反投把每次测得的投影数据原路反投影到射线经过的各个象素上影到射线经过的各个象素上。也就也就是说是说，指定投影线上所有各象素点指定投影线上所有各象素点的值等于所测得的投影值的值等于所测得的投影值。 (2)直接直接反投影法反投影法 2021/8/15 生物医学工程基础生医图象2林江莉 33 2021/8/15 生物医学工程基础生医图象2林江莉 34 将测得的投影数据与一个将测得的投影数据与一个“核函数核函数”作卷积作卷积运算运算，然后再用所得的结果作反投影然后再用所得的结果作反投影。 选择选择“核函数核函数” 序列序列-1/3，1，-1/3，用这个序列与测用这个序列与测量到的投影数据

27、量到的投影数据0，1，0做卷积运算后可做卷积运算后可得到一个新的序列得到一个新的序列-1/3，1，-1/3，用用这个序列数据作反投影这个序列数据作反投影 (3)卷积卷积反投影法反投影法 2021/8/15 生物医学工程基础生医图象2林江莉 35 卷积：卷积：设序列设序列x x(n),h(n),(n),h(n),它们的卷积和它们的卷积和y(n)y(n)定定义为：义为： mmnhnxmnxmhmnhmxny)()()()()()()(n: -1， 0， 1 h(n):-1/3，1，-1/3 x(n) 0， 1， 0 y(n): -1/3，1，-1/3 2021/8/15 生物医学工程基础生医图象2

28、林江莉 36 2021/8/15 生物医学工程基础生医图象2林江莉 37 (4)傅立叶傅立叶滤波反投影法滤波反投影法 Radon 变换变换 中心面片理论中心面片理论 滤波反投影法滤波反投影法 2021/8/15 生物医学工程基础生医图象2林江莉 38 Fourier Transform 傅里叶傅里叶1768年生于法国 Fourier的两个最主要的贡献的两个最主要的贡献 1807年提出 “周期信号都可表“周期信号都可表示为成谐波关系的正弦信号的加示为成谐波关系的正弦信号的加权和”权和”傅里叶的第一个主要傅里叶的第一个主要论点论点 “非周期信号都可用正弦信号的“非周期信号都可用正弦信号的加权积分表

29、示”加权积分表示” 傅里叶的第二个主要论点傅里叶的第二个主要论点 2021/8/15 生物医学工程基础生医图象2林江莉 39 周期函数的Fourier级数 112T)sincos()(11101tnbtnaatfnnn直流分量 n =0 基波分量 n =1 谐波分量 n1 2021/8/15 生物医学工程基础生医图象2林江莉 40 100).(110TttdttfTa100.cos).(211TttndttntfTadttntfTbTttn.sin).(210011直流直流系数系数 余弦分量余弦分量 系数系数 正弦分量正弦分量 系数系数 周期函数的Fourier级数的系数 2021/8/15

30、生物医学工程基础生医图象2林江莉 41 1D Fourier Transform 定义：定义：若函数若函数f（x）满足狄里赫赖条件：）满足狄里赫赖条件： 1）具有有限个间断点；）具有有限个间断点； 2）具有有限个极值点；）具有有限个极值点； 3）绝对可积）绝对可积 则把变换称为：则把变换称为： Fourier 正变换：正变换： dxuxjxfuF2exp)()(Fourier 反变换：反变换： duuxjuFxf2exp)()(2021/8/15 生物医学工程基础生医图象2林江莉 42 1D Discrete Fourier Transform （1D DFT） Fourier 正变换：正变换

31、： 1, 1, 02exp)()(10NuuxNjxfuFNxFourier 反变换：反变换： 1, 1, 02exp)(1)(10NxuxNjuFNxfNu求反变换：求反变换： *10*2exp)(1)(NuuxNjuFNxf2021/8/15 生物医学工程基础生医图象2林江莉 43 2D Fourier Transform - j 2 ()(,)(,) ed du x v yF u vfx yx y j 2 ()(,)(,) ed du xv yfx yF u vu v 2021/8/15 生物医学工程基础生医图象2林江莉 44 2D DFT 1 10 0(,)(,) e x p 2MNx

32、 yv yu xF u vfx yjMN 0,1 ,2,10,1 ,2,1uMvN0,1 ,2,10,1 ,2,1xMyN1 10 01(,)(,) e x p2MNu vv yu xfx yF u vjMNM N 2021/8/15 生物医学工程基础生医图象2林江莉 45 FT性质性质 对称性和叠加性 奇偶虚实性 尺度变换特性 时移特性和频移特性 微分和积分特性 卷积定理 Paseval定理 2021/8/15 生物医学工程基础生医图象2林江莉 46 2021/8/15 生物医学工程基础生医图象2林江莉 47 Fourier变换 幅度谱 原图像 2021/8/15 生物医学工程基础生医图象2

33、林江莉 48 v u 图象表示图象表示 函数图形表示函数图形表示 谱的表示谱的表示 2021/8/15 生物医学工程基础生医图象2林江莉 49 dxdytyxyxftP)sincos(),()(linetdsyxftP),(),()(tyxsincos1sincostyx1)(tP),(yxfyxThe function is known as the Radon transform of the function f(x,y). 1)(tPRadon TransformRadon Transform Line Integrals and ProjectionsLine Integrals a

34、nd Projections 2021/8/15 生物医学工程基础生医图象2林江莉 50 Fourier Slice Theorem 2021/8/15 生物医学工程基础生医图象2林江莉 51 Fourier Reconstruction x y g(s,) (x,y) x y s 1D-Fourier transform Fg(s) 2021/8/15 生物医学工程基础生医图象2林江莉 52 Fourier Reconstruction 1D Fourier transform Fg(s,) of one projection 2D Inverse Fourier transform 202

35、1/8/15 生物医学工程基础生医图象2林江莉 53 Fourier Reconstruction x y g(s,1,2) (x,y) x y s 1D-Fourier transform Fg(s) 2021/8/15 生物医学工程基础生医图象2林江莉 54 Fourier Reconstruction 1D Fourier transforms Fg(s,1,2) of two projections 2D Inverse Fourier transform 2021/8/15 生物医学工程基础生医图象2林江莉 55 Fourier Reconstruction x y x y g(s,

36、1,2,3,4) 1D-Fourier transform Fg(s) (x,y) 2021/8/15 生物医学工程基础生医图象2林江莉 56 Fourier Reconstruction 1D Fourier transforms Fg(s,1,2,3,4) of four projections 2D Inverse Fourier transform 2021/8/15 生物医学工程基础生医图象2林江莉 57 Fourier Reconstruction x y x y s g(s,1,2,8) 1D-Fourier transform Fg(s) (x,y) 2021/8/15 生物医

37、学工程基础生医图象2林江莉 58 Fourier Reconstruction 1D Fourier transforms Fg(s,1,2,8) of eight projections 2D Inverse Fourier transform 2021/8/15 生物医学工程基础生医图象2林江莉 59 Influence of # of Projections 64 projections 16 projections 8 projections 1 projection 2 projections 4 projections 2021/8/15 生物医学工程基础生医图象2林江莉 60 例

38、：反投影例：反投影 One Projection 2021/8/15 生物医学工程基础生医图象2林江莉 61 例：反投影（完全：未滤波）例：反投影（完全：未滤波） Sinogram Backprojected Image 2021/8/15 生物医学工程基础生医图象2林江莉 62 滤波反投影滤波反投影 Filtered Sinogram Sinogram 2021/8/15 生物医学工程基础生医图象2林江莉 63 |w| - Filters Shepp-Logan Hamming Lowpass Cosine RAM - LAK 2021/8/15 生物医学工程基础生医图象2林江莉 64 例：

39、滤波反投影例：滤波反投影 Filtered Sinogram Reconstructed Image 2021/8/15 生物医学工程基础生医图象2林江莉 65 discrete implementation: Filtered Backprojection 2021/8/15 生物医学工程基础生医图象2林江莉 66 图像重建图像重建是是X-CT中的中的核心核心技术，技术，也是众多科技人员研也是众多科技人员研究的热门课题。它是确保获究的热门课题。它是确保获得高质量图像的关键。得高质量图像的关键。 2021/8/15 生物医学工程基础生医图象2林江莉 67 五代五代CT 2021/8/15 生物

40、医学工程基础生医图象2林江莉 68 First Generation EMI Mark I (Hounsfield), “pencil beam” or parallel-beam scanner (highly collimated source) excellent scatter rejection, now outdated 180 - 240 rotation angle in steps of 1 Used for the head 5-min scan time, 20-min reconstruction Original resolution: 80 80 pixels (e

41、a. 3 3 mm2), 13-mm slice 2021/8/15 生物医学工程基础生医图象2林江莉 69 Second Generation Hybrid system: Fan beam, linear detector array (30 detectors) Translation and rotation, however Reduced number of view angles scan time 30 s Slightly more complicated reconstruction algorithms because of fan-beam projection 202

42、1/8/15 生物医学工程基础生医图象2林江莉 70 Third Generation Wide fan beam covers entire object 500-700 detectors (ionization chamber or scintillation detector) No translation required scan time seconds (reduced dose, motion artifacts) Reconstruction time seconds Pulsed source (reduces heat load, radiation dose) 202

43、1/8/15 生物医学工程基础生医图象2林江莉 71 Fourth Generation Stationary detector ring (600 4800 scintillation detectors) Rotating x-ray tube (inside or outside detector ring) Scan time, reconstruction time seconds Source either inside detector ring or outside (rocking, nutating detectors) 2021/8/15 生物医学工程基础生医图象2林江莉

44、 72 Comparison of 3rd and 4th Generation Both designs currently employed, neither can be considered superior 3rd Generation (GE, Siemens): Fewer detectors (better match, cheaper) Good scatter rejection with focused septa Cumulative detector drift 4th Generation (Picker, Toshiba): Less moving parts D

45、etectors calibrated twice per rotation 2021/8/15 生物医学工程基础生医图象2林江莉 73 2021/8/15 生物医学工程基础生医图象2林江莉 74 Spiral/Helical/Volumetric CT Continuous & Simultaneous Source rotation Patient translation Data acquisition 2021/8/15 生物医学工程基础生医图象2林江莉 75 六、投影与六、投影与X-CT图象图象 2021/8/15 生物医学工程基础生医图象2林江莉 76 投影与投影与X-CT图象：图

46、象：Kidney 2021/8/15 生物医学工程基础生医图象2林江莉 77 X-CT：Liver 2021/8/15 生物医学工程基础生医图象2林江莉 78 XCT特点：与投影成像比较特点：与投影成像比较 能鉴别处较小的衰减系数差，对软组织的分辨能力能鉴别处较小的衰减系数差，对软组织的分辨能力高；高； 可获得任意部位的断层图象，并可重建三维图象；可获得任意部位的断层图象，并可重建三维图象； 可精确测定组织的衰减系数，有利于组织性质判断；可精确测定组织的衰减系数，有利于组织性质判断； 2021/8/15 生物医学工程基础生医图象2林江莉 79 XCT特点：与特点：与MRI等成像比较等成像比较

47、分辨率高；分辨率高； 骨组织与软组织的分辨能力较强骨组织与软组织的分辨能力较强 软组织之间的分辨能力差软组织之间的分辨能力差 对人体有一定的辐射对人体有一定的辐射 只给出解剖结构信息，几乎无功能信息只给出解剖结构信息，几乎无功能信息 2021/8/15 生物医学工程基础生医图象2林江莉 80 七、系统的性能七、系统的性能 噪声、对比度和空间分辨率噪声、对比度和空间分辨率 此外，重要的是识别其伪象的出现并辨识出它们产此外，重要的是识别其伪象的出现并辨识出它们产生的原因生的原因 2021/8/15 生物医学工程基础生医图象2林江莉 81 噪音噪音 2021/8/15 生物医学工程基础生医图象2林江

48、莉 82 分辨率分辨率 在一个重建图象上能观看到的最小的高对比度物体的在一个重建图象上能观看到的最小的高对比度物体的尺寸取决于三个因素：尺寸取决于三个因素： (1)探测器孔径的宽度和聚焦点的大小的组合；探测器孔径的宽度和聚焦点的大小的组合； (2)测量点的分离程度；测量点的分离程度； (3)显示的象素数目。显示的象素数目。 描述光学系统分解图象细节的能力的一种标准方法描述光学系统分解图象细节的能力的一种标准方法是：是：调制传递函数调制传递函数 2021/8/15 生物医学工程基础生医图象2林江莉 83 2021/8/15 生物医学工程基础生医图象2林江莉 84 伪像伪像 生物医学工程基础生医图象2林江莉