CT成像原理 PPT

CT值Kw w
K=1000 为分度因数 CT值的单位是 Hu 或H（亨）
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2. 灰度显示
CT值与灰度对应
病变——μ——CT值 可鉴别病变的性质 如肝囊肿 0—15H
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实质性肿瘤CT表现为 高密度影
囊性肿瘤为低密度影
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脑内出血区呈高密度影， CT值约45～90Hu之间
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三、图像重建的数学方法
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。
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表示卷积积分 卷积核
u (x ) (x ) (x ) u (x t) (t)dt
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。
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♂ 大家好
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扫描架
§3—2 CT扫描机的结构
高压发生器
电源控制
扫描床
控制台（显示）
计算机系统
大家好 成像系统的核心
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●扫描架 X线管 探测器
一、扫描装置
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（1）X线管： 功率20—60kW; 高压80—140kVp 焦点0.5—2.0mm; 扫描持续时间30— 60s
xI
注意：
光电衰减系数 (： hZ3)3
μ是物体种类和X射线能量的函数
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2、 X射线束通过非均匀物质
I0
μ1
μ2 μ3
……μi 视为均匀
μn
In
x
I1 = I0e(—μ1x) I 2= I1e(—μ2x)
……
In
=
I0e[-(μ1
+
μ +…+ 2
μ )]x n
(1
2
n )x
ln
I0 In
普通X光片：0.1～0.2mm (胶片颗粒尺寸）；
X-CT： 1～2mm
核素成像： 5—10mm
○对骨骼和胸腔等高对比度器官的检查，X—CT尚不能代替普通X光摄影
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4、图像噪声与X射线剂量
图像中可观察到的光密度的随机变化。
图像表现：斑点、细粒、网纹、雪花点
X光机噪声主要由三个来源： ①量子统计噪声(92%)：X光量子统计 涨落在照片上记录的反映； ②散射噪声：主要是康普顿散射线； ③系统电子学的热噪声
高剂量扫描
极低剂量扫描
c B/w3hD0
C：描述剂量效率的常数；
w：像素大小；
B：射线衰减（性能）因数
h：断层厚度：
D0：最大皮肤剂量(只要诊断许可大，家尽好量采用大剂量条件）
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5、均匀性
●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
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（2）探测器
高压氙气探测器
●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 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）
优点：探测效率高
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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
像素
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。
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二、CT成像的物理基础
1、 均匀物质对X射线的吸收规律：
I I0e x 1 ln I 0
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 电源
高压电缆
X线管
高压发生器 低压电缆
高压电缆
X线管
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2、多层面扫描螺旋CT（1998）
单层螺旋CT： 线束宽度近似于层厚；
单层探测器
X 光管
多层螺旋CT：
线束以X射线管为顶点，呈四棱锥形
一、图像的主要质量参数 1、对比度及对比度分辨力
①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
定义式：a、 设b为两体素之C间T值的
ab100%
b
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②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
体素划分：256×256（=65536个体素）；512×512（=262144）
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一、投影采集与图象重建
1、扫描与投影
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 。
投影：投照受检体后出射X线束的强大度家；好 投影值的分布为投影函数
1）控制和监视扫描过程，将扫描数据（投影值）送入存储器；
2）CT值校正（插值处理）； 3）控制CT扫描等信息的传递——数据管理； 4）图像重建的程序控制；
5）故障诊断及分析等。
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§3—3 CT扫描方式与设备
一、普通CT 1、单束平移—旋转方式 [第1代（1970）]
平移采集160个数据*旋转180 ° 每次扫描共采集28800个数据； 计算80×80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
②控制电路复杂；
③电缆长期作往返缠绕，易发生折大断家，好 故障不易查找。
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二、螺旋CT（1989） 扫描轨迹为螺旋曲线，故称螺旋CT
1、扫描方式与供电方式： ①扫描方式：X线管绕被查人体匀速单向旋转，人体匀速前进
优点：
①扫描速度高：
减少运动伪影
②无采集数据遗漏： 容 积数据，任意位置、 任 意方位重建图像。
原因： CT与普通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。
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②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 △μ ＞10%； 或△CT＞100Hu
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。
●信噪比(signal to noise ratio, SNR) ——评价指标
SNR S N
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 大家好
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（量子）噪声表示给定区域的各CT值 对其平均值的变化量（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。
●噪声标准差
CT inC 1T2
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●体层、体素、像素 体层（断层）： 受检体中的一个薄层
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：1～2mm 高（体层厚）：3～10mm
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
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2、窄扇形束扫描平移—旋转方式 [第2代（1972）]
扇角：15°～20° 步幅：5°～10°； X球管1个，检测器20～30个； 一幅图像需时20～60 s； 应用范围：头部
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3、广角扇束形旋转—旋转（常用） [第3代（1976）]：
一幅图像需时约 5s； 应用范围：全身（心脏除外）
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●优点：
CT的优缺点
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、可做定量分析：测量μ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）
或
i
1 ln x
I0 In
P
投影
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P (x)dx
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3、CT值与灰度显示
1、CT值 ●CT测量并计算μ ，获取一定数目体素的μ值重建图像
用CT值来作为表达组织密度的统一单位。 ■以水的吸收系数（ μw = 1 ）为标准，各组织对X射线的吸收系数μ与水 的吸收系数μw的相对比值，称为CT值。
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2、低对比度分辨力和高对比度分辨力
①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
△μ ＜1%
或 △CT＜10Hu
X-CT: 0.5—1% 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！
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§3—1 X-CT成像原理
●X—CT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。
■X—CT像的本质是衰减系数成像
体层、体素
■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
1、代数（迭代）重建法（联立方程组）
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2、反投影法
900 1350
450
00 基数等于所有体素特征的总和
减基数 1大0家好
化简
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3、滤波反投影法（Filtered back projection) 也称为卷积反投影法(convolution back projection,CBP)
多层探测器
X 光管
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检测器结构：单排、多排（64）、等宽、不等宽
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三、超高速扫描 [第5代（1987）]
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
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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
第三章 X 射线计算机断层扫描成像
(X-ray computed tomography, X-CT)
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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
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Computed tomography
■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）。
体素（矩阵越大）——空间分辨力↑
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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（与线束高大家度好相对应）
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■空间分辨力的检测：高密度测试体模 线对数LP/Cm; 分辨最小圆孔的直径（mm)
- 1.0
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#
- 2.1
0.5 - 3.2
- 1.3
本例 △CTm#=3.7HU 国际评价标准： △CTm# ≤ 5HU
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30°～60°
300～1000 个
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4、反扇束形静止—旋转（常用）[第4代（1978）]
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。
400～1500个检测器大组家成好 静止环形检测器环
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第三代与第四代比较
●传统CT的缺点：(FromSiemens ①旋转部分为往返旋转运) 动，限制了扫描速度；
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大质家）好。
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CT值Kw w
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§3—4 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
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②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
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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
2) 低压滑环：传递电压为数百伏。
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二、计算机系统
CT原理大家框好图
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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(date acquisition system,DAS)、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、输出的成执行功能：