1、医学成像系统及医学图像处理,孙文红,从信息量的角度看，一幅图像所包含的信息远比一条曲线或几个数据要多。它以直观的形式向医生展示人体内部的结构或有关生理参数的空间分布，为医生的诊断提供重要依据，成为临床诊断与医学研究中不可缺少的工具。,图像科学包含图像的形成、获取、传输、存储、分析、识别等。在医学图像研究领域中主要包含以下两个相对独立的研究方向：医学成像系统（Medical Imaging System）和医学图像处理（Medical Image Processing）。,成像系统是指图像形成的过程，它研究从源到像的物理过程，包括对成像机理、成像设备、成像系统的分析等问题的研究；图象处理是指对已
2、经获得的图像作进一步的处理，其目的一是使原来不够清晰的图像复原；二是为了突出图像中的某些特征信息（如突出图像轮廓边缘）；三是对图像作模式分类等。,医学图像涉及物理学、电子学、计算机技术等广泛的学术领域。随着各项高新科技的发展，医学图像已经从形态到功能、从静态到动态、从平面到立体、从局部到整体获得了飞速的发展。,在实际应用中，医学图像与计算机图形学结合可以让医生从各个不同角度观察人体内部结构，医学图像与计算机及通信技术结合可以完成图像的传输、归档、管理等复杂的工作。,医学成像系统概述,医学成像技术的发展历史一般可追溯到1895年伦琴发现X射线。X射线在医学上的应用使医生有可能观察到人体内部的结构
3、，为医生诊断疾病提供了重要的信息。,从五十年代开始，医学成像技术逐步进入了飞速发展的年代，各种新技术相继被应用于医学成像系统中。新的成像方式不断出现，所成的图像不仅提供了人体组织在解剖上的结构，而且为器官功能检查提供了可能。所用的技术包括超声、核素成像等。,六十年代早期，计算机断层摄影技术的出现使医学成像技术的发展达到了一个高峰。它从根本上克服了传统X线成像中影像重叠的问题，获得了高分辨率的清晰的断层图像。是八十多年来X线诊断学上的一次重大革命性飞跃。也是二十世纪科学技术的重大成就之一。发明者因此获得了1979年度的诺贝尔医学奖。,今天，几乎所有的物理方法都已或多或少地渗透到了医学成像的领域，
4、如X射线成像、超声成像、放射性同位素成像及磁共振成像等。这些不同的成像方式所提供的人体结构或生理参数的图像为提高临床诊断与治疗的有效性发挥了极大的作用。医学成像设备已成为现代化医院的一个重要的标志。,常见医学图像,医学成像系统简介,投影X射线成像系统 X射线计算机断层成像 超声成像系统 放射性核素成像 磁共振成像系统 红外线成像系统 医学成像新技术,1. 投影X射线成像系统,X射线的发现使人们意识到了X射线在医学成像中的应用前景。在此后的几十年中，X射线摄影技术有了不小的发展，包括使用旋转阳极X射线管、影像增强管及采用运动断层摄影等。,但由于常规的X射线成像技术是将人体三维结构投影到一个二维平
5、面上，会产生图像重叠，造成读片困难。此外，投影X射线成像对软组织的分辨能力较差，使得它在临床中的应用也受到一定的限制。,为了获得脏器的清晰图像，人们又设计了一些特殊的X射线成像装置。如X射线数字减影装置(digital subtraction angiography，简称DSA)就是一个例子。,DSA的基本工作原理是：将X射线机对准人体的某一部位，并将X射线造影剂注入人体血管中。如果在注入造影剂的前后分别摄取这同一部位的X射线图像，然后再将这两幅图像相减，那么就可以消除图像中相同结构的部分，而突出注人造影剂的血管部分。DSA在临床中已成功地用于血管网络的功能检查。,2. X射线计算机断层成像,
6、X射线计算机断层成像（Xray computed tomography，简称XCT），成功地解决了投影X射线成像中出现的影像重叠问题。,实现XCT的理论基础是从投影重建图像的数学原理。当代图像重建理论最杰出的贡献者之一是美国的物理学家A.M.Cormack。他自20世纪50年代开始发表了一系列的论文，不仅证明了在医学领域中从X射线投影数据重建图像的可能性，而且提出了相应的实现方法并完成了仿真与实验研究。,真正设计出一个装置来实现人体断面成像是在1972年，一位名叫 G.N.Hounsfield的工程师公布了计算机断层成像的结果。这项研究成果可以说是在X射线发现后的七八十年中放射医学领域里最重要
7、的突破性进展，也是20世纪科学技术的重大成就之一。1979年的诺贝尔生理与医学奖破例地授给了这两位没有专门医学资历的科学家。,自从XCT问世以来，技术有了很大的发展，设备装置也不断地更新换代。早期的XCT扫描仪，数据采集与图像重建的计算过程需要较长的时间，图像的分辨率相对比较低，而病人接受的射线照射剂量却相对比较大。较新的XCT装置采用多个检测器构成的扇形扫描方式，它不仅减少了扫描与数据处理的时间，减少了照射剂量，同时还改善了图像的分辨率。,在这个发展过程中，大量的研究工作是在努力开发高速有效的图像重建算法，包括代数方法与解析方法。目前的XCT装置其成像厚度可以小到lmm，断面中的图像分辨率也
8、已经可以做到小于lmm。,3. 超声成像系统,超声成像设备是目前医院中仅次于投影X射线机使用得最频繁的成像设备。目前临床上使用的超声成像系统基本上都是采用脉冲回波方式成像(即B型超声显像仪)。超声成像的突出优点是对人体无损、无创、无电离辐射，同时又能提供人体断面实时的动态图像。因此广泛地用于心脏或腹部的检查。,除断面成像外，血流测量也是超声成像设备中的重要组成部分。超声血流测量是借助多普勒原理完成的。射入人体的一定频率的超声波在遇到运动的红血球时，血球产生的后向散射信号会出现多普勒频移。通过对多普勒回波信号的分析就能得到血流的方向与速度信息，这些信息是心血管疾病与脑血管疾病诊断中的重要依据。,
9、20世纪 80年代初问世的超声彩色血流图（color flow mapping，以下简称CFM）是目前临床上使用的高档超声诊断仪。它的特点是把血流信息叠加到二维B型图像上。凡是指向换能器的血流在B超图中用红颜色表示，而背离换能器的血流则用蓝颜色表示。由于在一张图像上既能看到脏器的解剖形态，又能看到动态血流，它在心血管疾病的诊断中发挥了很大的作用。,4. 放射性核素成像,放射性核素成像是把某种放射性同位素标记在药物上，然后引人病人体内，当它被人体组织吸收后，人体自身便成了辐射源。放射性同位素在衰变的过程中，向体外放射射线，可以用核子探测器在体外定量地观察这些放射性同位素在体内的分布情况。,从所得
10、的放射性同位素图像中，不仅可以看到器官的形态，更重要的是可以从中了解到人体脏器新陈代谢的情况。这是其他成像系统所不容易做到的。因此，尽管放射性同位素图像的分辨率比较低（约为1cm左右），但它仍是临床诊断中的重要工具。,早期的同位素成像装置是同位素扫描仪，成像速度非常低。目前临床上用得比较多的是照相机，可快速地拍摄体内脏器的图片，并从一系列连续的图像中了解器官新陈代谢的功能。,发射型CT（emission computed tomography，简称ECT）是放射性同位素成像系统的较新发展。ECT可分为单光子发射型CT（single photon ECT，简称SPECT）和正电子CT（posit
11、ron emission tomography，简称PET）两类。,目前，SPECT在临床上已得到较广泛的应用。它是将照相机的探测器围绕探查部位旋转并采集相应的投影数据，然后采用与XCT类似的重建算法计算出放射性同位素分布的断层图像。,PET是根据有一类放射性同位素在衰变过程中释放正电子的物理现象来设计的。正电子与电子相互作用发生湮灭现象后，会产生两个能量为51Kev且传播方向完全相反的光子，用一个符合检测器就可以检测出这种成对出现的射线光子。根据这样采集到的数据同样能重建出断层图像。由于PET系统价格昂贵，目前主要是在实验室或研究中心使用。,5. 磁共振成像系统,1945年美国学者Block
12、和Purcell首先发现了核磁共振现象，从此产生了核磁共振谱学这门科学。它在广泛的学科领域中迅速发展成为对物质的最有效的非破坏性分析方法之一。核磁共振作为一种成像方法的应用是一个较新的发展。,1973年P.C.Lauterbur第一个做出了仿真模块的二维核磁共振图像。之后又有人完成了对小物体成像。直至70年代后期，对人体的成像才获得成功。核磁共振成像系统也称为磁共振成像（magnetic resonance imaging，简称MRI）系统。,磁共振成像的过程是将人体置人一强磁场中，如果同时对人体施加一个一定频率的交变射频场，那么被探查的质子就会产生共振，并向外辐射共振信号，在接受线圈中就会有
13、感应电势产生。所接收到的信号经过计算机处理后，就可以得到清晰的人体断面图像。,磁共振成像的突出优点是对人体无创、无电离辐射，并且可以对人体组织做出形态与功能两方面的诊断。此外，磁共振图像的分辨率比较高，而且可以较容易地获取人体的三维图像。,6. 红外线成像系统,红外线热成像技术在医学上的应用是在五十年代后期开始的。目前有不少国家用于临床诊断和基础研究，成为健康普查的一常规手段。,红外线热成像是一种非接触无损伤式的体表温度测量方法。它利用红外辐射成像的原理研究人体表面温度。能把体表某一部分的温度分布以热图像的形式显示或记录下来，温度分辨率可达0.030.1，用作早期发现近表皮恶性肿瘤及其转移情况
14、（如皮肤癌、乳腺癌、甲状腺癌等），协助诊断一般良性肿瘤、各类炎症、末梢血管疾病等。,目前来说，红外热成像仪也有一些不足之处：一是造价昂贵，二是使用条件要求高，这些缺点是影响红外热成像仪普及推广的重要原因。但无论如何，红外热成像仪是一项新技术，很有发展前途。,对于它的研究国内外都很重视。如研制廉价的室温条件下工作的红外检测器，设法用电子扫描取代现有的机械扫描系统，并将扫描成像合为一体，组成固体成像器件，从而大大减少成本和体积重量。将热成像仪与计算机配套，由计算机处理热像信息，构成热成像自动诊断，研究热图像数字化仪以提高分析诊断的效率和精度。,医学成像新技术,由于人体脏器结构是一个三维空间分布，因
15、此仅仅依靠一幅或几幅二维图像来理解三维结构是有一定的局限性的，它不能完全满足临床上在疾病诊断、治疗决策及外科手术研究中的需要。,为了给医生提供真正的三维结构显示图，自70年代开始就有人着手研究医学三维成像的方法。早期的三维成像曾经采用过全息摄影等方法。随着计算机技术的发展及计算机图形学的成熟应用，医学三维成像在近十年中有了很大的发展。,三维图像一般是由一系列二维图像叠合构成。将二维数据的集合变成三维数据结构后，人们就可以根据需要取出任意角度下的剖面来观察。这样可以使医生更准确、更全面地了解脏器的内部结构。,此外，医生还可以“剥出”任意局部区域作进一步分析，或模拟外科手术过程，从而制定最佳的手术
16、方案。目前，三维图像已应用于放射学诊断、肿瘤学、心脏学与外科手术的研究中，并已成为计算机辅助制定治疗方案的得力工具。,随着计算机技术的发展，各类医学图像的数据库与医学图像的管理系统也日趋成熟。医学图像的管理是建立在实现大容量数字图像存储的基础上的。现在，一张12in（1in=25.4mm）的光盘大约可存储近2000幅10241024像素的图像，并能根据需要很快地分门别类调出所需的图像。,此外，利用现有的计算机网络或其他通信系统进行数字图像的通信也已成为现实，形成了当今所谓的“图像归档与通信系统”（picture archiving and communications system，简称PAC
17、S）。,医学成像技术,投影X线成像技术 数字X线成像的发展 X线计算机断层摄影（X-CT） 放射性核素成像 磁共振成像系统,一.投影X线成像技术,1. X线的基础知识 (1)X线的产生在医学诊断用的X线管中，被加热的灯丝发射出电子，在30200千伏高压的作用下，灯丝射出的电子被吸引到阳极靶子上，这些电子与靶内的原子相互作用产生X射线，X射线穿过管壁发射出来。,在X线产生的过程中伴生出大量的热，只有少于1%的入射电子能量转换成了X射线，为了使热能从被轰击的区域尽快散除，以免损坏靶面，现代X线管中设计了旋转阳极。,(2)X线的性质X线在本质上属电磁波。诊断用X线的波长大约在0.50.001A的范围
18、中，相当于光子能量为25Kev至1Mev。X线具有以下基本性质：,(a)穿透作用: X线波长短，能量大，能穿透一般光线不能穿透的物质。用来检查人体内部器官的结构是很合适的。 (b)荧光作用: 当X线照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X线图像。,(c)电离作用:具有足够能量的X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，而且脱离原子的电子又与其它原子相碰，还会产生二次电离。气体分子被电离后，其电离电荷很容易被收集，于是人们可以根据气体分子电离电荷的多少来测定X线的剂量。许多X线检测器就是利用这一原理制成的。,(d)生物效应:X线是一种电离辐射。生物细胞
19、经一定量的X线照射后会受到损害甚至坏死。利用X线的这个效应，可以用放射治疗的方法来破坏肿瘤组织。当然，人体受到一定剂量X线的照射后，也会导致正常组织的损伤。,(3) X线与人体组织的作用当X射线穿过物体时，入射X线中的一部分能量将从射线束中消失。一方面是由于物质的吸收，即部分X线能量转换成其它形式的能量；另一方面是由于散射，即部分X射线改变了原来的传播方向。实际上，只有一部分X射线穿过被探查物体沿原方向继续向前传播。这部分射线被称为透射分量。,假设用一种单一能量的X线照射厚度为d的物体，其入射射线强度为Io，透射后的强度为I，则有：称为线性衰减系数，表示特定能量的X射线照射某种特定的物质时单位
20、距离上的衰减分数。,2. 投影X线成像系统 最早的X线成像方法是靠投影成像，也被称作传统的X线成像方式。投影成像又可分透视和摄影两种不同的方式。,(1)荧光透视成像系统X线管发出的X射线穿过人体投射到荧光屏上，荧光屏将入射的射线能量转换成光。由于人体不同的组织对X线的衰减不同，穿过人体后的X线强度也随之发生变化。在荧光屏上就可以看到与人体组织结构对应的明暗阴影。透视方法除了可以观察组织形态、位置外，还可以观察脏器的运动。这是透视检查方法的一个优点。,第一代的荧光透视接收器是一块平板荧光屏。平板荧光屏透视检查方法的主要缺点是屏的亮度比较低，观察起来比较吃力。放射科医生在进行透视工作前，一般要在黑
21、暗环境中待15分钟左右才能使自己的眼睛适应黑暗环境。即使这样，在屏上可观察到的信息也比同一病人的X射线照片要少。,为解决荧光屏亮度低的问题，现代X射线成像系统中都采用了影像增强管。影像增强管的引入是透视X射线成像系统的一项重大改进。,在影像增强管中，X射线的输入荧光屏和一个光电阴极紧密相接。入射X射线与荧光屏作用后产生可见光，可见光又使光电阴极产生电子，这些电子经过一个透镜系统加速后聚焦到输出荧光屏上。输入荧光屏的直径为150mm550mm，输出屏的直径为16mm35mm。由于输出面积减小及电子加速等原因使亮度的总增益达到5000倍左右。,荧光屏是一种无源器件，只能将吸收的部分X射线能量转换为
22、光能；而影像增强管则是一个可以在转换过程中增添能量的有源器件。影像增强管所产生的图像比荧光屏图像要亮得多，质量也要好得多。其图像可在明室中观察。,现代的投影X射线成像设备都采用影像增强管-电视系统。它包含影像增强管、光学图像分配系统和一个包括摄像机、监视器的闭路视频系统及辅助电子设备。其中的光学系统用于将图像从影像增强管的输出屏传递到视频摄像管的输入屏。,闭路视频系统用导线或电缆传输图像，其工作原理与一般广播电视中的视频系统基本相同。电视系统不仅可以使医生在正常光线下借助监视器进行观察，而且可以用录相带作为 X射线影像的永久记录。视频系统的引入是荧光透视成像系统的又一项重大改进。,(2)胶片摄
23、影系统X射线胶片摄影与X射线透视的不同在于用摄影胶片代替透视的荧光屏。入射的X射线在胶片上形成潜影，然后经过显影、定影处理，将影像固定在胶片上。,用X射线直接对胶片曝光的效率是比较低的。在临床中使用屏-胶片系统作为投影X射线成像系统的接收器。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。荧光增强屏是涂有荧光材料的薄层。,X射线的能量由增强屏吸收，并将其能量的一部分（大约520%）转变为光线。此光线将使胶片曝光。由于增强屏对光线较敏感，使胶片曝光所需的实际X射线辐射剂量大幅度地降低。但使用增强屏会使图像产生一定程度的模糊。,X射线摄影照片的分辨率比较高，用摄影胶片作为X射
24、线图像的永久记录仍然是目前临床上常用的方法。但是，为了得到照片，必须配备一套冲洗设备，操作过程也比较麻烦。,目前数字X射线摄影也得到了应用。在传统的投影X射线成像设备中，所记录和显示的信号都是模拟信号，在模拟X射线摄影中要求严格掌握曝光强度，因为记录器的动态范围很小。另外，对所记录的图像也很难做进一步的处理。,现代的数字X射线摄影采用了大动态范围的数据采集系统，克服了胶片摄影系统的局限性。此外，数字图像便于处理、存储、归档与通信，这些特点也是传统的模拟系统所不能比拟的。,数字电视X射线摄影系统,投影X线成像实际上是将三维物体结构投影在一个二维平面上，由于结构重叠造成了读片困难，为此，人们一直在
25、寻找新的成像方法，或者是设法获取某一指定断面的图像，或者是人为突出人体中某种结构（如血管、骨骼）的形象。,3. 数字减影技术 减影技术最早应用于血管系统的研究。在病人的血管中注入造影剂（造影剂对X线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。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，而只保留造影血管的图像。,减影后的图像突出了差异部分，更易于判读、处理及分析。早期的减影是用模拟方法实现的，应用较有限。现代减影设备都是由数字计算机来完成的，因此称为数字减影（digital Subtraction Angiography，简称DSA）。根据用于相减
26、的两帧图像的不同来源，数字减影又可分为时间减影（不同时刻摄取的同一部位的两帧图像相减）、能量减影（不同能量下摄取的两帧图像相减）和深度减影等。其中，时间减影是目前临床常规应用的主要方法。,4. 运动断层摄影传统X线摄影把三维物体结构投影到一个二维显示平面上。这就使沿深度方向上的信息重叠在一起，造成读片困难。为了获取某一深度的图像。早期的做法是采用运动断层摄影。,运动断层摄影的做法是：让X线源与胶片作相对运动，运动方式可以是直线运动或圆周运动等。假定A、B是病人体内需要研究的区域。在曝光时间内，X线源从S1移动到S2，胶片则沿反方向移动。,只要X线源与检测器按指定规律运动，就可能使聚焦平面中A、
27、B点的影像在整个移动过程中始终落在胶片的固定位置上，而其它深度处的结构的影像则从胶片的一端移动到另一端。于是最后所得到的图像将突出聚焦平面所在深度上的断面结构。当然，其他层次上的结构也会在胶片上留下模糊的图像。这是运动断层摄影的不足。,二.数字X线成像的发展,传统X线摄影的弊端表现为： 1.数量庞大的胶片使存储、查阅的效率低。 2.摄影采用模拟技术，图像灰阶度分辨率低，不便用计算机处理、储存和传输，更不能异地医生同时观察一幅图像（如远程诊断或电话会诊），不便实现多人共享。 3.X线摄影需要的曝光剂量相对较大，且X线摄影一旦完成，影像质量再不能改善，当质量达不到要求时往往需要重摄，给投照者和患者
28、带来负担。,为解决传统X线成像的弊端，计算机放射摄影（computed radiography，CR）应运而生。1.CR CR将透过人体的X线影像信息记录在存储荧光板（storage phosphor plate，简称SPP）上，构成潜影。用激光束以25102510的像素矩阵（像素约0.1 mm大小）对SPP进行扫描读取，经计算机计算处理，通过改善影像的细节、图像降噪、灰阶对比度调整、影像放大、数字减影等，将未经处理的影像中所看不到的特征信息在荧屏上显示图像，还可用激光照相机记录其图像。,CR摄影条件低，为传统X线摄影的1223；摄影条件的宽容范围宽；数字化图像可存储于光盘中，为医学影像存档与
29、通讯系统的应用创造了条件。CR最显著的优点在于：将传统的X线技术与现代计算机技术相结合，使大小传统X线机免遭淘汰，这也是有别于其他各类数字X线摄影（DR）的卓越之处，使X线影像直接数字化。,CR可提供的数据量大、分辨率高、数据获取速度快，不管X线曝光有变化，即使X线曝光技术错误也可避免重复检查，并潜在地降低可能射线辐射，可免除辐射不足或过度时造成的影像不清晰，可反复多次使用上万次。该系统自动操作，成像参数可预调，影像处理过程约需5分钟。总之，在实现平片信息数字化的工作中，CR系统是为主流的方式。,2. DR（digital radiography)DR由电子暗盒、扫描控制器、系统控制器、影像监
30、示器等组成，直接将X线光子转换为数字化图像。CR和DR由于均采用数字技术，动态范围广，有很宽的曝光宽容度，允许照相中的技术误差，即使在一些曝光条件难以掌握的部位，也能获得很好的图像；CR和DR均可根据临床需要进行各种图像后处理（如滤波，放大、拼接以及距离、面积、密度测量等丰富的功能），为影像诊断中的细节观察、前后对比、定量分析提供技术支持。,3. CR与DR的比较 （1） DR是一种X线直接转换技术，成像环节少；CR是一种X线间接转换技术，它利用图像板作为X线检测器，成像环节相对于DR较多。 （2） DR系统无因光学散射而引起的图像模糊，其清晰度主要由像素尺寸大小决定；CR系统由于自身的结构，
31、在受到X线照射时，图像板中的磷粒子使X线存在着散射，会引起潜像模糊；,（3）DR是今后的发展方向，但费用昂贵，还需改装已有的X线机设备，而CR相对费用较低，且多台X线机可同时使用，无需改变现有设备。（4）CR系统更适用于X线平片摄影，它可与常规X线摄影机匹配使用，更适用于复杂部位和体位的X线摄影；DR系统则较适用于透视与点片摄影及各种造影检查，由于单机工作时的通量限制，不易取代大型医院中多机同时工作的常规X线摄影设备，但较适用于小医疗单位和诊所的一机多用目的。事实上，CR和DR系统在相当长的一段时间内将是一对并行发展的系统。,三. X线计算机断层摄影（X-CT）,X射线发现后的七八十年中技术有
32、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多年来X射线诊断学上的一次重大突破。,1.基本原理 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
33、关的投影数据。,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。,右图为一幅只含四个像素的图像，每个像素的衰减系数的值是未知的。根据公式，入射X射线强度为Io，透射后的强度为I，则在水平方向上可以得到以下方程：,式中d为像素的宽度。,同理还可以在垂直方向与对角线方向列出类似的方程。从原理上讲，只要把其中四个相互独立的方程联立起来求解，就能得出14四个未知数的值
34、。所形成的这同幅关于衰减系数的图像就是所要的X-CT图像，它将向人们显示探查平面上脏器的结构。这就是X-CT能够从投影数据重建图像的基本原理。,XCT成像具有以下突出的优点：(1)能鉴别出较小的衰减系数差，从而提高了对软组织的诊断能力。据报道，放射学家能从CT图像上识别出与周围组织的衰减系数只差0.5%的病灶。(2)可做出人体任意部位的断面图像，并利用计算机图像处理技术构造出人体结构的三维图像。(3)能精确地测定出组织的X射线衰减系数值，从而对组织性质做出判断。,2. 投影数据的采集 X-CT自问世以来发展迅速。产品经过了几代更新，各项性能指标均有明显提高。 (1) 第一代X-CT第一代CT的
35、数据采集方法是用一个X射线源，一个检测器作同步平移运动，并旋转进行扫描来获得投影数据。它的基本问题是扫描时间比较长(约几分钟）。因此只能对那些相对稳定的部位（如头部）成像。,(2)第二代X-CT第二代扫描仪也采用平移加旋转的扫描方式。所不同的是它用一个小角度扇形的射线束和多个检测器来代替原来的单一检测器。因使用多个检测器，就可在每个发射位置上同时检测到多个投影数据。因此，在一次平移扫描后，可以让X线源与检测器一次转过一个较大的角度（如10）后再作第二次平移扫描。这样可以使系统数据采集时间缩短到几分之一分钟。,第一代CT扫描仪 第二代CT扫描仪,(3) 第三代X-CT第三代扫描机它只包含一个扇形
36、束的旋转扫描而不包括X线源与检测器的平移扫描。检测器阵列通常由几百个检测器单元依次排列而成。扇形角已扩大至可复盖全身横断面。这一代扫描机的明显优点是简化了机械结构，从而使扫描速度明显提高，通常只需几秒钟。(4)第四代X-CT第四代扫描机的检测器在360圆周上固定安装，因而在数据采集过程中只需旋转X线源。,第三代CT扫描仪 第四代CT扫描仪,为进一步提高扫描速度而设计的第五代X-CT完全靠电子的方法进行扫描，扫描时间缩短在一秒钟之内。第五代CT将一排X线管安放成半圆形，与之对应地把影像增强器安排在另一半圆弧上。它既能对静止或慢运动的组织作高密度分辨率成像，还能充分利用快速的电子扫描对心脏和肺的动
37、态功能进行研究。,（5）第五代CT-螺旋CT,螺旋CT是在常规CT技术应用的基础上发展起来的新型CT，是CT技术改革的又一次重大飞跃。它将常规 的单层扫描改为单方向螺旋式轨迹的连续扫描，其射线束呈螺旋状切入人体，做不间断地连续扫描并获得容积诊断信息，大大地提高了扫描速度，因此具有扫描时间短、无间隔、一次屏息即可完成大区域扫描的特点。并有图象清晰、分辨率高等优点。,与常规CT扫描相比它不会因呼吸的幅度不同出现病灶遗漏和层面重叠，因此更适合于肺部、腹部这些易受呼吸运动影响脏器的小病灶的检查，扫描速度快又利于病灶的连续动态观察。三维容积采样还能重建出高质量的冠状或天状断层图象，弥补了CT不能直接进行
38、冠、矢状扫描的不足。,过去全世界只有美、日、德三个国家掌握这项技术，并垄断着全世界的CT市场。由于其技术复杂，价格非常昂贵，进口一台螺旋CT机需要300多万至1000万元人民币。据国家卫生部门统计，过去我国已进口各类螺旋CT机近100台，现在仍以每年近百台的需求速度在发展。我国第一台螺旋CT已由东大阿派研制成功，成为世界第四个可生产螺旋CT的国家。,螺旋CT,3.图像重建技术 根据投影数据计算出原始图像就是图像重建。重建图像的计算方法有迭代法和反投影法。(1)迭代法迭代法的目的是寻找二维分布度函数f(x,y)，使它与检测到的投影数据相匹配。具体做法为：先假设一个最初的密度分布(如假设所有各点的
39、值为0)，根据这个假设得出相应的投影数据，然后与实测到的数据进行比较。,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。在进行了一定次数的迭代后，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。,一种最简单的迭代算法是所谓的代数重建技术，右图给出了一幅由四个象素组成的图像，若四个象素的值分别为5、7、6、2。则可以分别获得6个投影数据，包括两个水平方向，两个垂直方向和两个对角线方向，分别是7、11、9、13、12和8。这就是所能得到的所有的已知数据。,迭代开始，先令所有的重建单元的值为0，第一
40、步计算出垂直方向的投影值，分别都是0，如右上图。把这个计算值与实测值11和9相比较后，将其差值除以2以后分别加到相应的单元上去，就可得到垂直方向的迭代结果，如右下图。,在此基础上可以再做水平方向的迭代，此时有计算值10、10，实测值为12、8，将它们比较后求出差值，分别加到有关的象素上去，结果是：,最后再作对角线方向的迭代，就得到了所要求的真实数据。实际上，要求重建的矩阵很大，因此选代算法是非常耗费时间的。,(2) 反投影法直接反投影的基本做法是：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。也就是说，指定投影线上所有各象素点的值等于所测得的投影值。,下图给出一个简单的例子。假设原始图
41、像由9个象素组成。只有中心点象素的密度值为1，其余各象素的密度均为0。在垂直方向上可测得投影值0、l、0。直接反投影的做法就是把这三个数分别放人射线所经过的各个象素中，结果如图(b)。,用同样方法可以将水平方向及对角线方向测得的投影值反投影到有关的象素上，如图(c)(e)。把图(c)(e)四幅图像加起来可得到图(f)的最后结果。可以看出重建后的图像一方面确实在中心点给出了一个较高的密度值，但另一方面，在周围的象素上也出现了一些不希望有的值。这就是直接反投影方法的局限性。,为克服直接反投影方法的不足，目前许多X-CT设备中都使用了一种“卷积反投影”的重建算法。卷积运算是信号处理中常用的一种运算。卷积反投影方法是指将测得的投影数据与一个“核函数”作卷积运算，然后再用所得的结果作反投影。,如上例，选择“核函数”为序列-1/3，1，-1/3，用这个序列与测量到的投影数据0，1，0做卷积运算后可得到一个新的序列-1/3，1，-1/3，用这个序列数据作反投影可得如下图(a)(d)所示的结果。把各个不同方向的投影结果相加，可得如图(e)的结果。与上图(f)相比可以看出，卷积反投影的结果消除了直接反投影图像中的伪象。,此外还有许多其他的重建算法。总之，图像重建是X-CT中的核心技术，也是众多科技人员研究的热门课题。它是确保获得高质量图像的关键。,
