南华大学核科学技术学院医学影像物理学课件第三章--x射线计算机断层成像

• 电子束扫描又称为第五代CT，扫描装置由一 个特殊制造的大型X射线管和静止排列的检测 器环组成。
第三章 X射线计算机断层成像(X-CT)
第三节 X－CT后处理技术
图像后处理技术的种类
• CT图像的后处理技术，是根据一定的数学模 型应用计算机技术，对已获取的像素CT值数 字矩阵进行有的放矢地再加工处理，使图像 能被方便识别辨认，以利快速地获取准确诊 断信息的技术。
CTw 1000HU w
2. 灰度显示
• 在图像画面上，是以灰度分布的形式显示 示CT影像。
• 通过计算机，对获取的投影数值进行一定 的算法处理，可求解出各个体素的衰减系 数值，从而获取衰减系数值的二维分布 （即衰减系数矩阵）。再按CT值的定义把 各个素（或说像素）的CT值转换图像画面 上对应像素的灰度，就得到图像画面上的 灰度分布。此灰度分布就是X-CT像。
第三章 X射线计算机断层成像(X-CT)
第二节 传统X－CT的扫描方式
一、单束平移-旋转（T/R）方式
• 单束扫描又称为第一代CT扫描，扫描装置是由一 个X射线管和一个检测器组成，X射线束被准直成 笔直单射线束形式，X射线管和检测器围绕受检 体作同步平移-旋转扫描运动。这种扫描首先进行 同步平移直线扫描。当平移扫完一个指定断层后， 同步扫描系统转过一个角度（一般为1°），然后 再对同一指定断层进行平移同步扫描，如此进行 下去，直到扫描系统旋转到与初始值位置成180° 角为止。这就是平移旋转扫描方式。
3 5① 8 8
②③ ④
35
72
99
①7 2
② 13 13 ③ 23 20 ④ 26 32 16 14 26 21 38 23
减底数17 并除以3
• 反投影重建的缺点是会出现图像的边缘失锐（即 一种伪像）现象。下图定性地说明了边缘失锐的 现象和产生此现象的原因。
五、CT值与灰度显示
1. CT值
• CT像的本质是衰减系数分布。但并不具有很 强的描述性，因此按相对于水的衰减计算出 来的衰减系数的相对值被称为CT值。
• CT像是灰度像，一个CT值应对应图像平面上某 一级灰度。如果使用的CT值按2000个计，则图像 上从全黑到全白应能显示2000个不同的黑白程度， 即显示2000个灰度等级。人眼最多能分辨60~80 个黑白分级。为弥补人眼的低灵敏度，并充分利 用CT数字图像能表现出来的生物信息，故CT机 采用窗口技术解决这一问题。
五、传统CT扫描的技术缺憾
• 上述四类一般被称为传统扫描方式，X射 线管的供电方式都是由一根电缆线连在X 射线管上，这种供电方式使X射线管不能 进行连续的扫描。这样的扫描过程不仅大 大延缓了完成全部扫描工作的时间，且存 在接受扫描的新层间的间隔（称为层隔） 等缺点。这些缺点是传统CT扫描技术的缺 憾。
次临床CT检查。 1974年 共安装60台临床CT(头颅CT)。
• 历史的回顾：CT的发展（续）
1975年 第一台全身CT投入临床使用。 1979年 Hounsfield 和Cormack荣获诺贝尔医
学奖。 1989年 W.A.Kalender和P.Vock进行了第一次
螺旋 CT的临床检查。 1998年 多层探测器系统得到应用。 2000年 共安装大约30000台临床CT(全身CT)。
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1 ln I0 d In

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2. 图像重建的反投影法
• 目前，CT机普遍采用的算法是滤波反 投影法。
• 反投影法又称总和法，沿扫描路径的反 方向，把所得投影的数值反投回各体素 中去，并用计算机进行运算，求出各体 素值而实现图像的重建。
• 下面用四体素（设）矩阵的重建对反投影 法作定性说明。
度以及X射线剂量之间的关系
二、X-CT图像的伪像
• 伪像（false image）又称伪影，它是指在重 建图像过程中，所有不同类型的图像干扰和 各种其他非随机干扰在图像上的表现，它对 应的是受栓体中根本不存在的组织或病灶的 影像。常见的伪像在图像上多表现为不同的 条纹或干扰痕迹。如受检体移动产生条纹状 伪影，高衰减体产生条纹状伪影，混淆产生 条纹状伪影，射线束硬化产生杯形伪影，探 测器失调产生环形伪影等。
• 窗口（Window）技术：指CT机放大或增强某段 范围内灰度的技术，即把人体中与被观测组织的 CT值范围相对应的灰度范围确定为放大或增强的 灰度范围，把确定灰度范围的上限以上增强为完 全白，把确定灰度范围的下限以下压缩为完全黑， 这样就放大或增强了确定灰度范围内不同灰度之 间黑白对比的程度。
• 这个被确定为放大或增强的灰度范围叫做窗口， 放大的灰度范围上下限之差叫窗宽（window width），放大灰度范围的中心灰度值叫窗位 （window level）。
• 国际对CT值的定义为：CT影像中每个像素所 对应的物质对X射线线性平均衰减量大小的表 示。实际中，均以水的衰减系数作为基准， 若某种物质的平均衰减系数为，则其对应的 CT值由下式给出：
CT k w w
• CT值的标尺按空气的CT值=－10000HU和 水的CT值=0HU作为两个固定值标定，故 实用的CT定义式应表示为
一、断层与解剖断面
• 断层 是指在受检体内接受检查并欲建立图像 的薄层，又称之为体层。断层有一定的厚度， 它的两个表面可视为是平行的平面。
• X-CT图像是对断层成像。 • 解剖断面 是指生物体上的某一剖面，此剖面
是一个平面。 • 从形态结构去看解剖断面和断层，则解剖断
面的剖面结构就是解剖断面的形态，而断层 具有一定的厚度。
• 这种扫描方式的缺点是射线利用率极低，扫描速 度很慢，对一个断层扫描约需5分钟时间，故只适 用于无体动器官的扫描，如头部等。
二、窄扇形束扫描平移-旋转 （T/R）方式
• 窄扇形束扫描又称为第二代CT扫描。扫描装置由 一个X射线管和6~30个的检测器组构成同步扫描 系统。扫描时，X射线管发出一张角为3°~20° 的窄扇形射线束，6~30个检测器同时采样，并仍 采用平移-旋转扫描方式。
窗 宽 C T m axC T m in
窗位CTmax CTmin 2
第三章 X射线计算机断层成像(X-CT)
第四节 X－CT图像质量控制
一、图像的主要质量参数
• 对比度及对比分辨力 • 高对比度分辨力和低比度分辨力 • 空间分辨力 • 图像噪声与X射线剂量 • 均匀性 • 空间分辨力、对比度分辨力、噪声、均匀
• 窄扇形束扫描完一个断层的时间可降为10秒左右。 这能实现对人体除心脏器官以外的各器官的扫描 成像。这种扫描的主要缺点是：由于检测器排列 成直线，对于X射线管发出的扇形束来说，扇形 束的中心射束和边缘射束的测量值不相等，故需 校正，否则扫描会因这种运动而出现运动伪影， 影响CT像的质量。
三、旋转-旋转（R/R）方式
医学影像物理学
第三章 X射线计算机断层 成像（X－CT）
南华大学 • 核科学技术学院
第三章 X射线计算机断层成像(X-CT)
第一节 X－CT的基础知识
X-CT的概念
• X-CT （X-ray computed tomography, XCT）是运用扫描并采集投影的物理技术， 以测定X射线在人体内的衰减系数为基础， 采用一定算法，经计算机运算处理，求解 出人体组织的衰减系数值在某剖面上的二 维分布矩阵后，再转为图像上的灰度分布， 从而实现建立断层解剖图像的现代医学成 像技术。
二、体素与像素
• 体素 是指在受检体内欲成像的断层表面上，按一 定大小和一定坐标人为地划分的很小的体积元。 对划分好的体素要进行空间位置编码（或说坐标 排序），这就形成了具有坐标排序的体素阵列。
重建CT像的任务就是要求出每个体素的衰减系数 值，从而获取衰减系数值在欲成像断层上的分布 矩阵。
• 像素 是指在图像平面上划分的很小的单元，它是 构成一幅图像的最小点，是构成图像的基本单元。 同样大的图像，像素划分得越多，像素就越小， 图像画面就应越细腻，携带的生物信息量就应越 大。像素与体素在坐标上要一一对应。
三、扫描与投影
• 扫描与投影 所谓扫描，是用X射线束以不同的方 式、按一定的顺序、沿不同的方向对划分好体素 编号的受检体断层进行投照，并用高灵敏度的检 测器接收透射体素阵后的出射X线束强度。
• 我们把投照受检体后出射X线束的强度I称为投影， 投影的数值称为投影值，投影值的分布，称为投 影函数。
• 扫描的方式有平移扫描，旋转扫描，平移加旋转 扫描等。扫描方式的选择着眼于加快建立图像的 速度，同时，扫描方式的采用也受算法的制约。
窄束X射线的获取
• 使X线束成为窄束的办法是配准直器。
• X射线通过准直器孔后被准直成扁形的窄束状 线束，束宽决定于准直器孔径的宽度，一般 为1~2nm，束高决定于准直孔径的高度，一般 为3~15mm。由于配置了准直器，使散射线对 成像的干扰大大减少。
四、CT图像重建的数理基础
• CT图像重建的原理源于X射线通过介质时衰减的 物理规律。根据扫描所获的投影值来求解成像剖 面（实为断层）上衰减系数的分布，是选择数学 方法的基本思想。
六、电子束扫描方式
• 传统的四类扫描方式基本上可以满足人体全身除 动态器官如心肺以外的各器官的检测。为了实现 对人体动态器官如心肺的CT，需要进一步提高扫 描的速度，于是在静止-旋转扫描模式基础上出现 了动态空间扫描和电子束扫描两种扫描方式，这 两种扫描方式被称为高速扫描。这两种扫描方式 和取消了X射线管和检测器之间的同步扫描机械 运动，取而代之的是利用电子控制的非机械运动 式同步扫描。由于扫描没有机械运动（动态空间 扫描中有时的一点机械运动），所以大大地提高 了扫描速度。
• 图像后处理技术的种类一般是随成像系统开 发的应用软件的多少而不同。
• 最长用的是窗口技术。
窗口技术
• 在图像的任务位置上测量或显示该位置的CT值； 随意选择感兴趣区域（region of interest, ROI）； 在感兴趣区域内进行统计学评价：测量距离、角 度、计算面积和体积，同时存储几个测区；图像 画面中以某一基线做出镜面像；图像位移、旋转； 图像的放大和缩小，多幅图像画面显示；图像相 加和相减；图像过滤等。