1、第三章 医学X射线成像技术,高等学校计算机基础教育课程“十二五”规划教材 2011.3,医学成像及处理技术,本章 目录,3.1 普通X射线成像技术 3.2 数字X射线成像技术 3.3 X射线计算机体层成像技术（X-CT） 本章小结 思考与练习3,第三章 医学X射线成像技术,通过本章的学习，掌握普通X射线成像技术，了解计算机放射成像（Computed Radiopraphy，CR）、数字放射摄影（Digital Radiography，DR）的工作原理，了解X射线计算机断层摄影（X-ray computed tomography，X-CT）的扫描方式及后处理技术。,3.1.1 X射线的特性,X射
2、线的发现,3.1.1 X射线的特性,贯穿本领 电离作用 荧光作用 光化学作用 生物效应,3.1.2 X射线的衰减,1X射线衰减的微观机制 （1）光电效应,3.1.2 X射线的衰减,1X射线衰减的微观机制 （2）康普顿散射,3.1.2 X射线的衰减,2单色X射线在介质中的衰减规律：朗伯比耳定律,3.1.2 X射线的衰减,3.连续谱X射线在介质中的衰减规律,500,3.1.2 X射线的衰减,4X射线在人体组织中的衰减人体组织结构是由不同元素组成的，按各种组织单位体积内各元素总和大小的不同而有不同的密度。人体组织结构按密度来分可以归纳为三类： （1）属于高密度的有骨组织和钙化灶等； （2）中等密度的
3、有软骨、肌肉、神经、器官、结缔组织以及血液、体液等； （3）低密度的有脂肪组织以及存在于呼吸道、胃肠道、鼻窦和乳突内的气体等。骨骼和肌肉、脂肪、气体等在密度、原子序数、电子数密度上差异比较大，因此所形成的影像对比度比较高，肌肉和脂肪在上述指标上差异不是很大，因此X射线成像上所产生的影像对比度不够，不足以区分肌肉、脂肪等软组织，气体由于质量密度很小，所以也能区别于骨骼、肌肉等软组织。,3.1.3 X射线透视及X射线摄影,1X射线透视,3.1.3 X射线透视及X射线摄影,2X射线摄影传统X射线摄影与X射线透视不同的是,被照体经X射线照射后,是将影像信息记录在胶片上,然后经过一系列的处理将潜影变为可
4、见影像显示在胶片上 。,3.1.3 X射线透视及X射线摄影,2X射线摄影,3.1.3 X射线透视及X射线摄影,2X射线摄影 （1）胶片X射线胶片的主要功能是医学影像的记录显示和存储。那么如何确定胶片的性能呢？反映胶片性能的参数最主要的有两个： 曝光量-光密度曲线（H-D曲线）， 感光速度。,3.1.3 X射线透视及X射线摄影,2X射线摄影 （1）胶片,图3-10 胶片的H-D曲线,3.1.3 X射线透视及X射线摄影,2X射线摄影 （2）增感屏增感屏是X射线摄影中的重要器械,其性能的优劣直接影响图像的质量。增感屏是利用了物质的荧光现象，将X射线变成可见光，增强X射线胶片的感光作用，减少对病人和操
5、作者的有害辐射。,3.1.3 X射线透视及X射线摄影,2X射线摄影 （2）增感屏增感屏的性能质量可以从四个方面指标来说明： 增感效率(感度) 成像性能 发光均匀性 残留天然放射性元素,3.1.3 X射线透视及X射线摄影,3X射线造影临床上，常采用造影剂来提高图像的对比度。造影剂被输入目标器官或组织后，能使其与周围背景形成较大的密度差，从而改变器官或组织的密度，使它们能在影像上反映出来，造影剂主要应用于血管、肾、胆囊、心脏、胃等的显示。,3.1.3 X射线透视及X射线摄影,3X射线造影传统X射线成像技术运用X线的穿透性、荧光作用及感光效应,通过X线胶片感光成像,照片上点与点之间的灰度值是连续变化
6、的,中间没有间隔,产生模拟图像。这种模式经历了近百年的临床应用与实践，逐渐暴露了以下缺点： X射线能量的利用率不高。 密度分辨力低， 图像动态范围小。 影像重叠。 胶片存储、检索困难，图像不能进行后处理。解决这些问题的根本出路在于数字化。一种办法是将胶片通过激光扫描数字化仪变成数字图像，另一种办法是发展数字放射摄影。,3.2 数字X射线成像技术,3.2.1 数字X射线成像基础知识 3.2.2 X射线数字透视与数字摄影,3.2.1 数字X射线成像基础知识,“影像就是一切”，那么影像是如何形成的呢？我们需要了解一些和数字X射线成像相关的概念。 1视觉感知,3.2.1 数字X射线成像基础知识,1视觉
7、感知,3.2.1 数字X射线成像基础知识,2X射线图像感知和获取传感器的定义是能感受规定的被测量并按照一定的规律转换成可用信号的器件或装置，通常由敏感元件和转换元件组成。,3.2.1 数字X射线成像基础知识,2X射线图像感知和获取,传感器阵列输出后的图像,数字图像获取过程,3.2.1 数字X射线成像基础知识,3X射线图像的采样和量化 以原始苹果图像为例，若这是一张模拟图像，沿着X轴方向进行读取，则可以得到灰度级随着X变化而变化的曲线。为了将这条连续的曲线转换为数字形式，则需要选定坐标，并确定在坐标下的灰度级幅值，如图所示。数字化坐标值成为采样，数字化灰度级幅值成为量化。,3.2.1 数字X射线
8、成像基础知识,3X射线图像的采样和量化 （1）X射线采样和量化过程,3.2.1 数字X射线成像基础知识,3X射线图像的采样和量化 （2）灰度级分辨率：空间分辨率：是图像中可辨别的最小细节，常用单位是线对/毫米（LP/mm），表示每单位距离可分辨的最大线对数目。 灰度级分辨率：是指在灰度级别中可辨别的最小变化，通常灰度级数是2G，G就表示图像像素灰度值所需的比特位数。,3.2.1 数字X射线成像基础知识,3X射线图像的采样和量化 （2）灰度级分辨率：,（a）,（b）,（c）,阵列式传感器数字图像采样和量化过程,3.2.2 X射线数字透视与数字摄影,无胶片的数字化时代已经来临，X射线成像的数字化不
9、仅仅是为了实现放射科的无胶片化和医学影像存档与通信的需要,还为X射线摄影开拓了新的诊断领域,为计算机辅助诊断-CAD(Computer Assisted Diagnosis)提供了条件。数字化X射线成像技术的命名和分类可以分为以下几种： 按读出方式分类，可以分为直接读出方式和非直接读出方式。 按转换方式分类，可以分为直接转换方式和间接转换方式。 按工作方式分类，可分为X射线数字透视(Digital Fluorography，DF)，和数字摄影(Digital Radiography简称DR)。,3.2.2 X射线数字透视与数字摄影,1X射线数字透视X射线数字透视（digital fluoros
10、copy，DF）也称为数字荧光摄影（digital fluoroscopy，DF）。X射线数字透视系统的主要部件为影像增强器、电视摄影机、AD转换器和计算机。,X射线数字透视系统,3.2.2 X射线数字透视与数字摄影,2X射线数字摄影目前X射线数字摄影有两种数字化成像系统中临床上应用广泛，分别是计算机放射成像（Computed Radiopraphy，CR）和数字放射成像（Digital Radiopraphy，DR）。,3.2.2 X射线数字透视与数字摄影,2X射线数字摄影 （1）计算机放射成像,3.2.2 X射线数字透视与数字摄影,2X射线数字摄影 （1）计算机放射成像如图所示为CR系统成
11、像基本原理，分成三个子系统：信息采集、信息转换和信息处理与记录。 信息采集部分 信息转换部分 信息处理与记录,IP,3.2.2 X射线数字透视与数字摄影,2X射线数字摄影 （1）计算机放射成像,CR的发展简史：CR技术最早由美国Kodak公司在1976年申请专利，但是第一个CR系统却于1992年安装；1980年日本富士公司注册了成像板技术专利，于1983年展示了第一台CR影像阅读器；AGFA公司于1994年推出ADC7O型CR系统；1998年，美国Lumisys公司推出ACR一2000型CR系统。目前，我国医院CR系统，还是以进口品牌为主,鲜见国内产品，其主要为以Fuji、Kodak、AGFA
12、、GE等品牌为多。,3.2.2 X射线数字透视与数字摄影,2X射线数字摄影 （2）数字放射成像,1995年11月，北美放射年会上，美国杜邦公司首先发布了基于硒材料的X射线平板探测器的成功研制。FPD是由在玻璃基底上的薄膜硅晶体管阵列组成，每一个探测器像素由一个光电二极管和相连的薄膜硅晶体管组成，可以直接将X射线转换成电信号。从此以后，以半导体平板探测器为模拟数字转换媒介而开发的直接数字化摄影系统开始走入临床。现在习惯上，将应用FPD来实现X射线数字化摄影技术的称之为数字摄影（Digital radiography，DR）。,3.2.2 X射线数字透视与数字摄影,2X射线数字摄影 （2）数字放射
13、成像DR技术从X线探测器成像原理可分为非直接转换和直接转换两类。 第一代非直接转换采用的增感屏加光学镜头耦合的CCD (电荷耦合器)来获取数字化X线图像。 第二代是采用直接转换技术,即平板探测器。,3.2.2 X射线数字透视与数字摄影,2X射线数字摄影 （2）数字放射成像,DR的成像系统，是采用FPD将透过人体投射过来的X射线衰减信号直接转换为数字电信号，或者先转换成可见光信号，再通过半导体探测器转换成数字电信号，最后输入计算机进行处理、显示、存储、传输。,3.2.2 X射线数字透视与数字摄影,3.2.2 X射线数字透视与数字摄影,3X射线数字减影X射线数字减影是指将不同条件下摄取的数字图像做
14、减影处理。不同时刻摄取的同一部位的两幅图像相减，为时间减影；不同能量下摄取的两幅图像相减，为能量减影。,数字减影血管造影系统,3.2.2 X射线数字透视与数字摄影,3X射线数字减影（1）数字减影血管造影 （2）多能量数字减影随着X射线数字摄影技术的发展，还出现了很多专用设备，如数字化钼靶乳房专用X线机、数字胃肠X线机，数字减影血管造影机等，为X射线数字化摄影的应用开拓新的领域。,3.3 X射线计算机体层成像技术（X-CT）,3.3.1 X-CT的数学基础 3.3.2 X-CT的扫描方式 3.3.3 X-CT的处理技术X-CT是X射线计算机体层成像的简称,是X射线、计算机和现代科技应用于医学的产
15、物。它为诊断疑难疾病提供了一种全新的检查手段,在放射医学领域引起了一场深刻的技术革命。,3.3 X射线计算机体层成像技术（X-CT）,科马克(A.M.Cormack,1924-1998,美籍南非人)(G.N.Hounsfield,1919-,英国人), 发明电子计算机控制的X射线断层扫描仪(CT扫描仪)。CT的问世在放射学界引起了爆炸性的轰动，被认为是继1895年伦琴发现X射线后放射诊断学的又一划时代贡献。为此，Hounsfield和Cormack共同获得了1979年的诺贝尔生理和医学奖，这也是第一次由非生物医学科学家获此殊荣。,3.3 X射线计算机体层成像技术（X-CT）,3.3.1 X-C
16、T的数学基础 1傅里叶变换一维连续函数的傅里叶变换定义为其中， 。 傅里叶的反变换定义为,3.3 X射线计算机体层成像技术（X-CT）,3.3.1 X-CT的数学基础傅里叶变换具有以下性质： 对称性和叠加性 尺度变换特性 平移性和频移性 卷积 可分离性,3.3 X射线计算机体层成像技术（X-CT）,3.3.1 X-CT的数学基础 2线性代数基础 （1）向量空间与矩阵向量：设K是一个数域。K中m个数，它们组成一个元有序数组称为一个m维向量；用数学表达式表达为a称为一个m维列向量；而a称为一个m 维行向量。,3.3 X射线计算机体层成像技术（X-CT）,3.3.1 X-CT的数学基础 2线性代数基
17、础矩阵：对于给定数域K中的mn个aij元素（，）。把它们按一定次序排成一个m行n列的长方形表格上式称为K数域上的一个m行n列矩阵，简称为 矩阵。矩阵在数字医学图像中有着广泛的应用。,3.3 X射线计算机体层成像技术（X-CT）,3.3.1 X-CT的数学基础 2线性代数基础 （2）矩阵的运算 加法 乘法 （3）矩阵运算的性质 加法结合律 加法交换律 数乘结合律 数乘分配律 乘法结合律 乘法分配律,3.3 X射线计算机体层成像技术（X-CT）,3.3.2 X-CT的扫描方式 1CT系统的基本构架X射线CT系统可分为五个主要组成部分：扫描机架及扫描床，X线发生系统，数据采集系统，计算机和图像重建系
18、统，图像显示、记录和存储系统等部分组成。,3.3 X射线计算机体层成像技术（X-CT）,2X-CT的主要扫描方式,3.3 X射线计算机体层成像技术（X-CT）,3.3.3 X-CT的后处理技术1 CT图像的重建 （1）精确求解方程组法 朗伯比耳定律通过CT扫描，每一个测量值后面都有一条方程式，如果扫描线足够多且不重复，就可以得到足够多的方程式来求解每一个容积衰减系数。,3.3 X射线计算机体层成像技术（X-CT）,3.3.3 X-CT的后处理技术1 CT图像的重建 （2）反投影重建法在一次测量中,将检测器读出的X射线衰减系数经处理后,再沿着X射线照射的反方向涂抹在画面上得到重建图象，下面用矩阵
19、来演示反投影法。,3.3 X射线计算机体层成像技术（X-CT）,3.3.3 X-CT的后处理技术1 CT图像的重建 （2）反投影重建法,3.3 X射线计算机体层成像技术（X-CT）,3.3.3 X-CT的后处理技术1 CT图像的重建 （2）反投影重建法,3.3 X射线计算机体层成像技术（X-CT）,3.3.3 X-CT的后处理技术1 CT图像的重建（2）反投影重建法,3.3 X射线计算机体层成像技术（X-CT）,3.3.3 X-CT的后处理技术1 CT图像的重建 （3）迭代重建法反投影重建算法是解析的、近似的。迭代法是解矩阵方程常用的方法，是逐步逼近精确解的一种方法。可以假设图像的初始衰减系数
20、为任意一数值，然后将计算值和实际投影所测得的值进行比较，修正系统矩阵参数，不断重复，直至和实际测量值的差值在误差允许的范围之内。,3.3 X射线计算机体层成像技术（X-CT）,3.3.3 X-CT的后处理技术2CT图像的显示、记录和存储 (1)CT值在医学上,由于总是讨论吸收系数不太方便,因此国际上规定了以H(Hounsfield)为CT值的单位,作为表达组织密度的统一单位。CT值的计算公式如下:式中,分别为被测物质和水的线性衰减系数。,3.3 X射线计算机体层成像技术（X-CT）,3.3.3 X-CT的后处理技术 2CT图像的显示、记录和存储 （2）窗口技术 CT机能辨别20003000多个
21、灰阶，而人眼只能辨别1620个灰阶。人们仅能把CT值相差125以上的组织分辨出来。但实际上人体各种软组织CT值的差别只有几个，而CT诊断又主要对软组织区域感兴趣，如何解决这个矛盾？选择任意窗位为中心，再选择适当的窗宽，开一个窗口，把人眼能辨别出的16 个灰阶压缩在一个较小的范围内。,3.3 X射线计算机体层成像技术（X-CT）,3.3.3 X-CT的后处理技术 （3）图像显示、记录和存储系统由计算机和图像重建系统提供的数字图像，可以通过数/模转换，显示在监视器上供医生观看，可以直接存储在磁性载体上供以后需要时调用，也可以永久性地记录在胶片上。,3.3 X射线计算机体层成像技术（X-CT）,3.
22、3.3 X-CT的后处理技术 3CT技术的发展和应用 （1）双能CT系统 （2）新型的高效探测器 （3） X射线CT扫描机与其它成像设备的整合 （4）X线CT扫描机与放射治疗设备的整合,本 章 小 结,这一章沿着医学X射线成像技术的发展历程，讲述了普通X射线成像、数字X射线成像以及X射线计算机断层摄影的工作原理及相关技术。 1X射线的特性、X射线的衰减、X射线透视、X射线摄影、X射线造影 2数字图像基础知识、X射线数字透视、X射线数字摄影、X射线数字减影造影成像 3X-CT的数学基础、X-CT的扫描方式、X-CT的后处理技术,思考与练习 3,1简述X射线的特性及其在介质中的衰减规律。 2简述CR成像的基本原理。 3请说明X射线透视和X射线摄影的区别。 4请说明数字X射线摄影相比X射线摄影在系统上有什么变化。 5请说明CR和DR的优缺点。 6简述数字减影血管造影技术的基本原理。 7请说明CT的扫描方式有几种？请分别列出。 8简述螺旋CT相比前四代X-CT扫描机有什么优点。 9简述CT的后处理技术包含哪些。 10简述CT的发展趋势。,
