CT基本原理与概述

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原因:X射线是非单能的 散射线问题 探测器
和数据系统的非线性 物体的运动 测量误差 焦点外辐射 扫描物体金属存在 X线量不足 机架未对准 扫描采样不足 部分容积效应 球 管焦点漂移 机械稳定性 球管转子颤抖等
部分容积效应:
CT图像上各个像素的数值代表相应单位体积 各组织CT值的平均数,它不能如实反映该组织 内各个组织本身的CT值,而是这些组织衰减系 数的平均值。
如果图像的是12位深度 则它的跨度为4096, 即从-1024到+3071。 一般当两个像素的 灰阶相差60H时,人 眼才能分辨出,为 弥补人眼的不足, 采用窗口技术。
高于上限设定为全白, 低于下限设定为全黑, 这就增强了局部 范围内不同CT值之间的对比度。
不同的窗口条件 下,显示人体的 同一部位的图像 效果
扫描中,凡小于层厚的病变
高密度组织中较小的低密度病灶,其CT值偏高 低密度组织中较小的高密度病灶,其CT值偏低 校正方法:薄层扫描 选用窄的X射线束角度 选用小的DFOV和大的扫描矩阵
螺距
准直宽
39
螺距:准直螺距和层厚螺距
准直螺距和层厚螺距是4层螺旋CT出现后的不同计算 方法。
扫描床
*作用:运载患者,扫描定位 *要求: 承重:确保特殊体型患者的检查需要 床面材料:由易被X线穿透、能承重和易清洗的碳素
纤维组成 驱动:磁悬浮 气垫 老式皮带 *床纵向移动要求:平滑,精度高,绝对误差
<±0.5mm(高档机±0.25mm) 与X线束射出同向位置上有定位光源:准确定位
CT基本原理与概述
陈瑞权
CT:( COMPUTED TOMOGRAPHY )
以X线束对体部某一选定体层层面进行扫描,测 定透过的X线量, 数字化后经过计算得出该层面 各个单位容积的吸收系数, 然后重建图像的一 种成像技术。
1. CT的组成 2. CT成像原理 3. CT的发展过程
CT机的组成
μ1 μ2 μ3
Δx Δx Δx
μn
In
Δx
Im-1
μm
Im
Δx
图像形成的重建阶段
CT图像产生的第二个阶段就是图像重建阶段, 这主要由阵列处理机进行处理。
人体的每个体积元 用一个象素来表示。 每个象素用一个CT 值来表示。
球管 体部 探测器
数据处理过程
原始数据
校准
滤波
反投影
图像重建方法
1.在2009年北美放射年会后,高端CT推出新的图像重建 方法-迭代重建。 迭代重建技术(IR)克服了滤波反投影(FBP)由于算法简 单导致图像对噪声比较敏感和需要抑制伪影从而影响图像 质量的弊端,一般可降低辐射剂量30%-70%,耗时,对计 算机要求高 2.各公司迭代重建算法名称 * GE:自适应统计迭代重建(ASIR)和基于模型的迭代重 建(MBIR) *西门子:图像空间迭代重建(IRIS)和原始数据迭代重建 (SAFIRE) *东芝:自适应低剂量迭代重建(ADIR) *Philips:基于双模式迭代重建(iDose4)
工作站
*工作站系统规模比微型机大 *由于微型机(PC机)的硬件功能增强+ 图形图像处理软件,市场上许多基于微 机的医学三维图像处理的计算机(也称作 工作站,以表示功能强大)
CT成像的基本原理
x-线 球管 x-射线 探测器 检查物体
CT数据采集:从不同投影方向获得扫描数据 X线管围绕被检体旋转,X线按特定方式通过被检体横断 面,探测器接收穿过人体的射线衰减信号送给计算机处 理,经计算机重建处理形成被检体横断面图像
(3)窗位的设定:应取所需观察部位的平均值 体部软组织的窗位:0-60 肌肉和内脏器官增强扫描的窗位:60-150 肺部的窗位:-300--550
*重建(reconstruction) 原始扫描数据经计算机采用特定算法处理,获得图 像,称为重建或图像重建。
*重组(reformation) ① 重组是不涉及原始数据处理的一种图像处理方法,
像素:组成二维矩阵图像的最小信息点
像素是二维空间 面积=长×宽 大小与矩阵和FOV相关
体素:组成层面图像的最小信息源
体素是三维空间 体积=长×宽×高(层厚) 大小与矩阵、FOV和扫描层厚相关
矩阵(matrix):像素以二维方式排列的 阵列。它与重建后图像的质量有关
相同大小的采样野,矩阵越大,像素越多, 重建后图像质量越高
CT成像的相关概念 体素与像素
1、体素(voxel)为体积单位
*CT扫描中,根据断层设置的厚度、矩阵的大小, 能被CT扫描的最小体积单位
*体素有三要素,即长、宽、高 *通常CT中体素的长和宽都为1mm,高度或深度则
根据层厚可分别为10、5、3、2、1mm等
2、像素(pixel)又称像元
构成CT图像最小的单位,与体素相对应,体素的大 小在CT图像上的表现,即为像素。
计算机设备
1、主计算机:接收DAS的数字信号 并处理重建成横断面的图像。
2、图像重建计算机(阵列处理器): 在主计算机控制下,进行图像重建 等处理。
图像显示及储存部分
1、监视器
作用:通过键盘与计算机对话(包括患者资料的输入、 扫描过程的监控等)和图像显示。
2、存储器:硬磁盘、磁带、软盘和光盘等
功能:存储图像、保存操作系统及故障诊断软件 扫描原始数据存储于硬盘缓冲区;重建图像存入硬盘 的图像存储区;磁带、光盘等存取图像通过硬盘作 中介。 CT图像的矩阵5122,一幅512×512字节的CT图像 约需0.5MB的存储空间。
机械运动装置
1. 扫描机架 2. 滑环 3. 扫描床
扫描机架
*机架与检查床相垂直。 *机架内装有成像系统组件:滑环、X线管、高压发生器、
准直器、探测器和数据采集系统等 *机架孔径和倾斜范围在应用中较为重要: 孔径:机架开口 大小:多为70cm,最大80cm *机架须能倾斜,以适应不同患者情况和各种检查的需
✓ X线发生装置 ✓ X线检测接收装置 ✓ 机械运动装置 ✓ 计算机设备 ✓ 图像显示及存储装置 ✓ 工作站
X线发生装置
1. 高压发生器 2. X线管 3. 冷却系统 4. 准直器:调节层厚,减少辐射剂量,改善CT图
像质量
5. 滤过器:吸收低能量X线,优化射线能谱,减
少辐射剂量
X线检测接收装置
1. 探测器 2. 数据采集系统DAS
是可以计算出来的。
这必须作出多方向投影,
N1 N2 N3
Nn
建立多个联立方程式, 才能算出所有的衰减
I0
系数值来。CT采用横断面层面采 样,形成图像的每一个像素 衰减值都被单独与源射线比 较计算,在重建时依照对应 的像素位置和像素点不同的 衰减值,使原组织密度一一 还原;CT图像的重建过程, 就是求每个小单元衰减系数 的过程。
常用矩阵:5122和10242
CT图像重建后用于显示的矩阵称为显示矩 阵,通常为保证图像显示的质量,显示矩 阵往往是等于或大于采集矩阵
窗口技术
➢ 窗宽/窗位在图像显示技术中称窗口技术。 利用CT计算机灰阶的软件功能调节窗值适当显示 兴趣区组织,适应人眼视觉灰阶范围的一种技术
➢ *窗位(L或C):整个CT值范围内某一选定位 置,图像显示以该CT值为中心 *窗宽(W):选定窗位的灰阶范围 窗口技术抑制或去除噪声和无用信息,增强显示 有用信息,但不能增加CT图像信息 窗宽决定图像CT值的变化跨度,窗位则决定观察 变化的区域
采集信息系统
多幅 相机
CT 照片
X
线
人体
管准


探 测 准器 直 器
A/D 计算机 D/A 转换器 重建 转换器
监视器 CT图像
激光打 印机
CT 照片
影像信息产生经过部件及传递的过程
成像原理
原始数据
CT图像
由物理学的吸收定律(朗伯定律)可知,当一单色线束通 过一密度均匀的小物体时,其能量因与物质的原子相互 作用而减弱,减弱的程度与物质的厚度和组成成分或吸 收系数有关,可用下式表达:
C-W/2 C+W/2
窗口技术的调节原则:
(1)宽窗宽(400-2000HU):用于组织密度差别较大的部 位,如肺和骨骼 体部扫描,为显示脂肪、肌肉等软组织,采用窗宽 350-600照相 骨窗采用窗宽:1000-2000
(2)窄窗宽(50-350HU):用来区分组织密度较接近的图 像,如脑和腹部 颅脑图像的白质和灰质采用窗宽:80-100 显示肝内高密度转移灶采用窗宽:100-250
层和排
* “层”(slice)和排(detector-row)是两个完 全不同的概念。
排:CT探测器在Z轴方向的物理排列数目,即有多 少排探测器,是CT的硬性结构性参数。
层:CT数据采集系统(DAS)同步获得图像的能 力,即同步采集图像的DAS通道数目或机架旋 转时同步采集的图像层数,是CT的功能性参数, 决定同步多层采集图像的能力,代表DAS通道 数目。
准直螺距(螺距因子):扫描时准直器打开的宽度除 以所用探测器阵列的总宽度,不考虑探测器的排数和 宽度。如Siemens16层CT每排探测器宽度0.75mm, 当旋转一周床移动12mm,16排探测器全使用,此时 准直螺距为1(16X0.75mm=12mm,12mm/12mm=1)
层厚螺距(容积螺距):扫描时准直器打开的宽度 (机架旋转一周扫描床移动的距离)除以扫描时所用 探测器的宽度,并且乘以所使用探测器阵列的排数, 着重体现扫描时所使用探测器的排数。如4层螺旋CT 使用2排5mm探测器,床移动10mm,准则射线束宽 度为10mm,层厚螺距为2(10mm/10mm=转换为可供记录的电信号的装置,通过测量 它接受的X射线量,然后产生与X射线量成正比的电信号。
类型: ① 气体探测器:惰性气体-氙气电离,量子探测效率低,低端使用 ② 固体探测器:X射线照射闪烁晶体使之瞬间发光,利用光电倍
增管将这种闪烁晶体转换为电信号,再用电子线路和器件将它 们放大并存储下来。几何利用率在50%-80%。闪烁晶体探测 器(铊激活碘化钠晶体、铊激活碘化铯晶体、钨酸镉晶体)和 稀土陶瓷探测器(宝石探测器:宝石加稀有元素-GE) ③ 光子计数探测器
对软组织的差异感兴趣,可以用平滑柔和的高 密度分辨率的重建函数,噪声小。
图像的过滤和重建
噪声小,密度分辨率也低
图像的过滤和重建
噪声大,密度分辨率也高
图像的过滤和重建
在图像的锐利和噪声间达到平衡
伪影
* 重建CT值与真实CT值间的系统差异。
混淆伪影 、截断伪影、 风车伪影 、 部分 容积效应伪影 、射线硬化效应伪影 、 环 形伪影 、 阶梯伪影 、锥形线束伪影
I = IO e-µd
IO :入射的X射线强度; I :穿过均匀密度物体后的X射线强度; µ :物质对该波长的线性衰减系数; d :穿过均匀密度物体的路径长度; e :自然对数底
CT影像的像素计算
➢ 在X射线穿过的路径上, 如果已知d、IO、In, 则物体的衰减系数总和
X线方向上衰减系数 μ值总和的测量
要,倾角:最大±30°
滑环
I. 含义:CT扫描机架中去掉电缆,代以铜制滑环和导 电碳刷,通过碳刷和滑环的接触导电,使机架作单向 连续旋转,即滑环技术。
II. 结构形状: ① 盘状滑环:圆盘状,导通部分设在盘面上。 ② 筒状滑环:圆筒状,导通部分位于圆筒侧面。 III. 传导方式: ① 低压滑环(大多数厂家都采用)。 ② 高压滑环(易高压放电导致高压噪声)。
如多平面图像重组、三维图像处理等 ② 目前CT的三维图像处理是在横断面图像的基础上,
重新组合或构筑形成三维影像 ③ 重组图像质量与已形成的横断面图像有密切关系,
尤其是层厚的大小和数目 ④ 一般,扫描层厚越薄、图像数目越多,重组效果
越好。
卷积核(重建函数): 影响图像的分辨率和噪声
对骨骼的细节感兴趣,可以用高空间分辨率的 重建函数,强化边缘轮廓,但噪声大。
数据采集系统DAS
*模数转换器是CT数据采集系统(Data Acquisition System,DAS)的主要组成部分。 *CT最初探测到的是连续的随时间而变的模拟 信号,可由电压表读取或由示波器显示,但无 法被计算机识别。 *模数转换器将来自探测器的输出信号放大、 积分后多路混合变为数字信号送入计算机处理。
* CT技术发展终将突破层和排的概念,但现阶段 层更能精确的评价机器的性能。
空间分辨力
又称几何分辨力或高对比度分辨力(HCR)指在高对 比度(目标和背景CT值差值大于100Hμ)情况下识别 两个相邻物体的最小距离,即显示最小体积病灶或结 构的能力。纵向分辨率是HCR在z轴方向的延伸。
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