1、,第七章 现代生物医学影像设备生物医学电子及设备学,信息与通信工程学院,姓名：,第三 X 射线计算机断层扫描成像(X-ray computed tomography, X-CT),X线计算机断层摄影,X射线发现后的七八十年中技术有了许多进步，但始终没有解决两个根本性的问题。一是常规X射线摄影使人体的三维结构通过投影后显示在一个二维的平面上，造成器官重叠，读片困难；二是无论是荧光屏还是X射线胶片，其固有的分辨率都比较差。总的来说，投影X射线成像系统对软组织的分辨能力是比较差的。,X射线计算机断层成像（Xray computed tomography，简称XCT）从根本上克服了上述困难，是80多年
2、来X射线诊断学上的一次重大突破。,X射线成像原理,CT发展简史,1895年，伦琴发现X射线 （诺贝尔奖） 1917年，奥地利数学家Radon提出图像重建理论的数学方法 1961年，天文学家Oledendorf做了一个称为“旋转平移”的试验，实现了最早的图像重建 1963年，美国教授cormark进一步发展了从X线投影重建图像的准确数学方法（79年诺贝尔奖） 19671970年，hounsfield提出了断层的方法（79年诺贝尔奖）,1972年 CT正式应用于临床1974年 全身CT应用于临床1978年 国内开始引进CT1983年 电子束CT（EBCT）研制成功1989年 螺旋CT应用于临床19
3、93年 双排CT研制成功1998年 多层螺旋CT应用于临床2000年 采集8层的螺旋CT问世2002年 采集16层的螺旋CT问世2004年 采集64层的螺旋CT问世,CT发展简史,X射线被准直后成为一条很窄的射线束。当X射线管沿一个方向平移时，与之相对应的检测器也跟着作平移运动。这样，射线束就对整个感兴趣的平面进行了一次扫描，检测器接收到了与脏器衰减系数直接相关的投影数据。,基本原理,一次扫描过程结束后，整个X射线源及检测器系统将沿圆弧旋转一个角度（如每次旋转1），然后再重复平移扫描过程，直至在整个180圆周上扫描一遍。当把全部投影数据送入计算机后，就可以通过图像重建算法来重构关于探测平面的二
4、维图像，图像的灰度值与组织的衰减系数相对应。这就是X-CT的基本工作原理。,基本原理,普通X射线影像的缺点,X射线穿透不同密度和厚度组织结构后的总和投影,影像重叠:深度方向上的信息重叠在一起，引起混淆 密度分辨率低:对软组织分辨能力低 剂量大,Computed tomography,XCT是运用物理技术，以测定X射线在人体内的衰减系数为基础，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。,XCT像的本质是衰减系数成像,指导思想：如何确定衰减系数值在人体某剖面上的二维分布,31 X-CT成像原理,
5、体层、体素,体层、体素、像素 体层（断层）： 受检体中的一个薄层,像素(pixel)：构成图像的基本单元,体素的平均密度决定其灰度值。像素越多，像素就越小，画面越细腻 ，携带的生物信息量越多,体素（voxel)：成像的体层分成按矩阵排列的若干个小基本体元 体积：长宽高 一般体素的大小： 长和宽：12mm 高（体层厚）：310mm,体素划分：256256（=65536个体素）；512512（=262144）,一、投影采集与图象重建,扫描：用X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X射线的强度 。,1、扫描与投影,投影：投照受检体后出射X线束的强度；投
6、影值的分布为投影函数,2、窄束X射线的获取,准直器：允许X射线通过的细长狭窄通道,3、图象重建,美国物理学家科马克(A.M Cormack,1963)通过模拟实验，提出用X射线投影数据重建人体断层图像的数学方法。,像素,二、CT成像的物理基础,注意： X为组织厚度，是物体种类和X射线能量的函数,1、 均匀物质对X射线的吸收规律：,2、 X射线束通过非均匀物质,1 2 3 n,x,I0,In,I1 = I0e(1x) I 2= I1e(2x) In = I0e-(1 + 2+ n)x,i 视为均匀,1、CT值 CT测量并计算 ，获取一定数目体素的值重建图像用CT值来作为表达组织密度的统一单位。
7、以水的吸收系数（ w = 1 ）为标准，各组织对X射线的吸收系数与水的吸收系数w的相对比值，称为CT值。CT可以识别吸收系数千分之五的差异。,3、CT值与灰度显示,K=1000 为分度因数 CT值的单位是 Hu 或H（亨）,病变CT值 可鉴别病变的性质 如肝囊肿 015H,2. 灰度显示,CT值与灰度对应,脑内出血区呈高密度影，CT值约4590Hu之间,实质性肿瘤CT表现为高密度影,囊性肿瘤为低密度影,三、图像重建的数学方法,1、联立方程式法,2、迭代法,2、反投影法,3、滤波反投影法（Filtered back projection)也称为卷积反投影法(convolution back pr
8、ojection,CBP),反投影法得到的图像四周伴有星状伪像； 滤波反投影在反投影之前，用滤波函数与反投影信号相加（卷积处理），消灭星状伪影。,表示卷积积分,卷积核,卷积核：在CT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。,32 CT扫描机的结构:采样系统和图像处理系统,扫描架,控制台（显示）,高压发生器,电源控制,计算机系统 成像系统的核心,扫描床,一、采样系统,扫描架X线管准直器探测器,（1）X线管： 功率2060kW; 高压80140kVp焦点0.52.0mm; 扫描持续时间30 60s,高压氙气探测器 电离室在高压下充入20个大气压的惰性气体氙 优点：结构简单
9、；单个探测器通道的灵敏度相同。 缺点：量子效率低；相邻探测器之间存在缝隙。,闪烁晶体探测器 (NaI)碘化钠、(CsI)碘化铯、(CaF2)氟化钙、(BGO)锗酸铋晶体等。 加入微量增光或减少余辉的物质（铊、铕），与光电倍增管一起使用 优点：探测效率高,（2）探测器,（3）准直器,X线管一侧的准直器用于减少半影的作用；探测器一侧的准直器用于减少散乱射线，并限制断层厚度。准直器构造简单，但要求准确度很高。常见 CT用的准直器厚度是2mm，3mm，5mm，8mm，10mm，13mm，准直器决定像素的厚度，扫描矩阵决定像素的长度和宽度。,二、图像处理系统,计算机的功能有三个：1、根据扫描系统获得的原
10、始数据，按照建像的数学方程编制的软件程序计算出图像矩阵中的参数；2、将存储器中的图像矩阵编入电视扫描程序中，然后在屏幕上显示出CT图像；3、控制扫描系统的工作以及控制设备中的其他动作。,D/A,33 CT扫描方式与设备,平移采集160个数据*旋转180 每次扫描共采集28800个数据； 计算8080矩阵的图像，6400个像素； 一幅图像约需5min 一次检查约需35min 。 应用范围：脑,1、单束平移旋转方式 第1代（1970）,一、普通CT,2、窄扇形束扫描平移旋转方式 第2代（1972）,扇角：1520 步幅：510； X球管1个，检测器2030个； 一幅图像需时2060 s； 应用范围
11、：头部,一幅图像需时约 5s； 应用范围：全身（心脏除外）,3060,3001000个,3、广角扇束形旋转旋转（常用） 第3代（1976）：,一幅图像约需 2s; 应用范围：全身。 特点：扫描时间短，较好消除运动伪影。,4001500个检测器组成 静止环形检测器环,4、反扇束形静止旋转（常用）第4代（1978）,第三代与第四代比较,传统CT的缺点： 旋转部分为往返旋转运动，限制了扫描速度； 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。,二、螺旋CT（1989）,1、扫描方式与供电方式： 扫描方式：X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CT,优
12、点： 扫描速度高：减少运动伪影 无采集数据遗漏： 容积数据，任意位置、 任意方位重建图像。,供电方式：滑环（slip ring) ，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,2) 低压滑环：传递电压为数百伏。 优点：传递电压低，易处理；高压电缆短，损耗小。 缺点：高压电源与X线管组合一起旋转，增加旋转部分重量。,高压发生器,X线管,高压电缆,低压电缆,1) 高压滑环：传递电压万伏以上 优点：高压电源放在扫描机架外部； 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,高压 电源,X线管,高压电缆,2、多层面扫描螺旋CT（1998）,单
13、层螺旋CT： 线束宽度近似于层厚； 多层螺旋CT： 线束以X射线管为顶点，呈四棱锥形,检测器结构：单排、多排（64）、等宽、不等宽,1、动态空间扫描 28个X线管（半圆），28个检测器（半圆）； 电子开关控制轮流发射X射线脉冲束；时间1s 。 应用范围：心、肺动态器官,三、超高速扫描 第5代（1987）,2、电子束扫描 钟形X射线管和静止排列的检测器环 时间约 10ms 应用范围： 心、肺等动态器官,CT的优缺点,优点： 1、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。 2、密度分辨力高：严格准直，灵敏探测器；窗口技术，灰阶可调节；无断层外干扰。 3、可
14、做定量分析：测量值，定量分析。,局限性： 1、空间分辨力仍低于常规X线检查； 2、不是所有脏器都适合CT检查（如空腔性脏器、胃肠道） 3、CT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）； 4、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）。,34 X-CT图像的质量评价,用物理学、影像学原理检测、评价设备性能 主要有：分辨率、噪声、均匀性等参数,评价方法：在临床应用条件下对标准测试体模作断层扫描，采集影像数据，用物理学方法做数据分析处理，根据各项指标的测量值相对于标称值的偏差评定是否合格，并进行校正、维修,一、图像的主要质量参数,1、对比度及对比度
15、分辨力,对比度：不同物质的密度差异X射线透射差异像素灰度间的黑白程度的对比,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。,检测方法：低密度体模（单位 mm）, 影响因素：噪声像颗粒度对比度分辨力；被照物细节对比度分辨力；X射线剂量信噪比对比度分辨力窗宽、窗位的选择,2、低对比度分辨力和高对比度分辨力,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 1% 或 CT10Hu,X-CT: 0.51% 普通X线片：5% 低对比度分辨力CT优于X片低对比度分辨力高是X-CT的优势！ 原因： CT与
16、普通x线摄影比较 无重叠干扰； 高度准直，散射线少； 探测器比胶片灵敏。,影响因素：探测器孔径（射线采样宽度）空间分辨力间距（采样间隔） 空间分辨力图像重建算法（滤波函数的选择）。,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。条件：物体（细节）与均质环境的吸收系数差别的相对值 10%； 或CT100Hu,3、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。,体素（矩阵越大）空间分辨力,空间分辨力取决于 检测器有效受照宽度（与线束宽度相对应） 检测器有效受照高度（与线束高度相对应）,空间分辨力的检测：高密度测试体模 线对数LP/Cm; 分辨最
17、小圆孔的直径（mm),普通X光片：0.10.2mm (胶片颗粒尺寸）；X-CT： 12mm 核素成像： 510mm 对骨骼和胸腔等高对比度器官的检查，XCT尚不能代替普通X光摄影,图像中可观察到的光密度的随机变化。,X光机噪声主要由三个来源： 量子统计噪声(92%)：X光量子统计涨落在照片上记录的反映； 散射噪声：主要是康普顿散射线； 系统电子学的热噪声,图像表现：斑点、细粒、网纹、雪花点,信噪比(signal to noise ratio, SNR) 评价指标,图像信号幅度,噪声幅度,噪声对低对比度的结构影响较明显,4、图像噪声与X射线剂量,（量子）噪声表示给定区域的各CT值对其平均值的变化
18、量（由探测器检测到的X线数量的波动引起）。是一种随机的干扰信号。,高剂量扫描,极低剂量扫描,w：像素大小； h：断层厚度： D0：最大皮肤剂量(只要诊断许可，尽量采用大剂量条件）,C：描述剂量效率的常数； B：射线衰减（性能）因数,噪声标准差,在扫描野中，均质体各局部在CT图像上显示出CT值得一致性 匀质体各局部区域平均CT值 偏离程度均匀性 影响因素：图像噪声；X射线束硬化,5、均匀性,测量中央和边缘取五个面积相等的ROI的CT值； 计算两两之间CT值的最大偏离CTm#本例 CTm#=3.7HU 国际评价标准： CTm# 5HU,- 1.0,- 2.1,0.5,- 1.3,- 3.2,6、空
19、间分辨力、对比度分辨力、噪声、均匀度和X射线剂量之间的关系,X射线剂量一定：体素空间分辨力 光子数信噪比、均匀性对比度分辨力,w：像素大小(空间分辨率）； h：断层厚度（ 空间分辨率，大层厚图像较细腻，小层厚图像分辨率较高。二者相互制约）： D0：最大皮肤剂量(只要诊断许可，尽量采用大剂量条件）,C：描述剂量效率的常数； B：射线衰减（性能）因数,噪声标准差, 伪影：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 1、成像系统的测量误差,电器故障,二、X-CT图像的伪像,人体超出测量范围,定期做系统维护,部分容积效应:在CT扫描中，凡小于层厚的病变，其CT值受层厚内其它组织的影响，所测出的CT值不能代表病变的真正的CT值,抑制方法：减小切层厚度，采用薄层扫描,周围间隙现象,条纹伪影,金属植入物,条纹状伪影,线束硬化,2、X射线的原因（硬化效应等）,CT值随厚度而异（条状或环状伪影）,骨性结构,X射线平均能量增高,3、受检体的原因体位移动、体内器官心、肺、肠等非自主运动等,抑制方法： 缩短扫描时间 训练呼吸,4、成像装置原因,扫描及数据处理不当 图像重建算法不完善 扫描系统状态不稳定 检测器性能不一致 采集数据重复性不好（旋转中心不重合） X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,环中一个探测器损坏后出现的环状伪影示意图,
