CT技术原理及应用

2
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[ ( y , ) y ] d y r s in ( ) y
发展与应用


按应用探测射线的不同可划分为 • X射线CT • 中子CT • 超声波CT • 地震波CT • …… 按探测方式不同可分为 • 透射CT • 发射CT • 反射CT • 三维CT • ……
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B
B0
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核磁共振成像 MRI



MRI技术是核磁共振在医学领域的应用。 人体内含有非常丰富的水，不同的组织，水的含量也 各不相同，如果能够探测到这些水的分布信息，就能 够绘制出一幅比较完整的人体内部结构图像。 核磁共振成像技术就是通过识别水分子中氢原子信号 的分布来推测水分子在人体内的分布，进而探测人体 内部结构的技术。
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b 511KeV

正电子从被标记的化 合物中发出并与一个 电子产生湮灭 产生两个向相反方向 发射的 γ 光子，每一 个都具有 511keV的 固定能量， 被两个相对的探测器 同时接收
正电子CT PET
PET装置的原理图
核磁共振 基本原理

核磁共振现象来源于原子核的自旋角动量在外加磁场作用下的进 动。
核磁共振 基本原理

能级跃迁
• 当原子核在外加磁场中接受其他来源的能量输
入后，就会发生能级跃迁，也就是原子核磁矩 与外加磁场的夹角会发生变化。这种能级跃迁 是获取核磁共振信号的基础。
核磁共振 基本原理

共振吸收
• 外加射频场的频率与原子核自旋进动的频率相 •
同的时候，射频场的能量才能够有效地被原子 核吸收，为能级跃迁提供助力。 因此某种特定的原子核，在给定的外加磁场中， 只吸收某一特定频率射频场提供的能量，这样 就形成了一个核磁共振信号.
X射线CT
X光球管 探测器 高压发生器
数据采集系统
X射线CT

第五代CT特点是扫描时间缩短到50ms，因而解决了心脏扫描。其 中主要结构是一个电子枪，所产生的电子束（Electron beam） 射向一个环形钨靶，环形排列的探测器收集信息。
X射线CT

螺旋CT
X射线CT



多层螺旋CT 对于CT技术的要 求就是在最短的时间内，得 到最清晰图像的同时，尽可能地加大检查范围。 在螺旋CT中采用多排探测器阵列。将单排探 测器（ 900 个左右的探测器单位）改进为几 排甚至几十排探测器，即多层螺旋 CT 在 Z 轴 方向上有数万个探测器呈二维阵列。

第三代CT机的主要特点是控测器激增至300－800个，并与相对的 X线管只作旋转运动（rotate/rotate mode）。能收集较多的数 据，扫描时间在5s以内，使伪影大为减少，图像质量明显提高。
X射线CT

第四代CT机的特点是控测器进一步增加，高达1000－2400个并 环状排列而固定不动，只有X线管围绕患者旋转，即旋转／固定 式（rotate/stationary mode）。它和第三代机的扫描切层都薄， 扫描速度都快，图像质量都高。
Med. Review No.66
发射断层CT ECT



与通常CT的不同之处是射线源在成像体的内 部。 ECT成像是先让人体接受某种放射性药物，这 些药物聚集在人体某个脏器中或参与体内某种 代谢过程，再对脏器组织中的放射性核素的浓 度分布和代谢进行成像。 利用ECT不仅可得人体脏器的解剖图像，还可 得到生理，生化，病理过程及功能图像。
X射线CT



第二代CT机是在第一代CT的 基础上发展而来，为平移/旋 转式。 X线束改为扇形，探测器增多 至30个，扩大了扫描范围， 增多了采集的数据。 旋转角度由10增至230，缩短 了扫描时间，图像质量有所 提高，但仍不能完全避免患 者生理运动所引起的伪影 （Artifact）
X射线CT
核磁共振成像 MRI



核磁共振成像技术还可以与X射线断层成像技术（CT）结合为临 床诊断和生理学、医学研究提供重要数据。 不须注射药物到人体内部。相较于其它造影方法(如PET或 SPECT)，是较安全的造影方法。 不具放射性。因为MRI 利用磁场的改变控制影像，所以不需要放 射性药物或仪器的协助，可用于小孩、幼儿、或是关于发育的研 究。 影像取得时间短。 影像分辨率高。空间分辨率可达1-2 mm，时间分辨率可达 0.1sec。可用于小结构、短时间的变化。
CT的基本原理 即 由投影重建图像 包含投影与重建两个部分
基本原理

投影 即沿探测射线的路径对被测对象积分的过程
1 0 1
0 1 0
1 0 1
2 1 2
2
1
2
基本原理


由Radon的论文“由给定的流型 上的函数积分确定函数” 即由多方向的积分投影来重建被 积函数
基本原理


CT的基本原理，即由投影重 建图像 投影，即Radon变换
核磁共振 基本原理

保持磁场不变，调节入射电磁波的频率
• 核磁共振频谱学 • 核磁共振成像 • 核磁共振探测
NMR

调节外加电场强度
MRI MRS
核磁共振 基本原理

将人体臵于特殊的磁场中，用无线电射频脉冲激发人 体内氢原子核，引起氢原子核共振，并吸收能量。
B0
B0
B
核磁共振 基本原理

在停止射频脉冲后，氢原子核按特定频率发出 射电信号，并将吸收的能量释放出来，被体外 的接受器收录


X射线CT
I0

x
I
I I0 e
朗伯定律

μx
I0 :入射X-射线强度; I : 输出X-射线强度； :组织的线性衰减系数; x: 组织的厚度。
X射线CT

射线束通过非均匀介质：
x I0 µ1 µ2 µn I
I1 I0 e I
2
μ 1x

(1 )
In I 0 e
B0
核磁共振 基本原理

原子核磁矩方向的量子化
• 原子核发生进动的能量与磁场、原子核磁矩、
以及磁矩与磁场的夹角相关，根据量子力学原 理，原子核磁矩与外加磁场之间的夹角并不是 连续分布的，而是由原子核的磁量子数决定的， 原子核磁矩的方向只能在这些磁量子数之间跳 跃，而不能平滑的变化，这样就形成了一系列 的能级。

( y , ) R [ f ( x , y )]


f ( r , ) [ y r s in ( )] d r d

重建，即Radon逆变换
1
f ( x, y ) R
[ ( y , )]
1 2
2
2


CT技术原理及应用
起源

1917年奥地利数学家 J.Radon 发表论文“由给 定的流型上的函数积分确定函数”，被视为层 析技术的起源。
•
Johann Radon, Uber die Bestimmung von Funktionen durch ihre Integralwerte langs gewisser Mannigfaltigkeiten. Bertichte Sachsischeder Wissenchaften, Leipzig, Mathematische-physikalische Klasse, 1917, (69): 262-267
发射断层CT ECT


单电子发射CT 正电子CT
SPECT PET
单电子发射CT SPECT



放射性药物在人体内衰变发射出单一方向上的 单个光子 使用γ射线照相机在外部围绕人体旋转，依次 获取不同方向上的收集γ射线成像 由CT重建理论进行断层图像重建
正电子CT PET

511KeV ~1-3mm
核磁共振成像 MRI
核磁共振探测

MRS

核磁共振探测是MRI技术在地质勘探领域的延伸，通过对地层中 水分布信息的探测，可以确定某一地层下是否有地下水存在，地 下水位的高度、含水层的含水量和孔隙率等地层结构信息。 目前核磁共振探测技术已经成为传统的钻探探测技术的补充手段， 并且应用于滑坡等地质灾害的预防工作中，但是相对于传统的钻 探探测，核磁共振探测设备购买、运行和维护费用非常高昂，这 严重地限制了MRS技术在地质科学中的应用。
( μ 1 μ 2 μ n ) x


(4)
I1 e
μ 2x
(2)
( 1 + 2 + n ) x ln
I
0
(5)
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I n I n -1 e
μnx

(3)

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1 x
ln
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0
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X射线CT

特点
• 旋转一周可以获得多个断层的图像 • 成像速度快，能包容较大范围进行容积扫描。
螺旋CT问世 2层螺旋CT问世 4层螺旋CT问世 16层螺旋CT问世 32层螺旋CT问世 64/128层螺旋CT问世

1990 1992 1998 2002 2004 2005
X射线CT



第一代CT机采取旋转／平移 方式进行扫描和收集信息。 首先X线管和相对应的探测器 作第一次同步平行移动。然 后，环绕患者旋转1度并准备 第二次扫描。周而复始，直 到在180度范围内完成全部数 据采集。 由于采用笔形X线束和只有1 －2个探测器，所采数据少， 因而每扫一层所需时间长， 图像质量差。

核磁共振 基本原理



由于原子核携带电荷，当原子核自旋时，会由 自旋产生一个磁矩，这一磁矩的方向与原子核 的自旋方向相同，大小与原子核的自旋角动量 成正比。 将原子核臵于外加磁场中，若原子核磁矩与外 加磁场方向不同，则原子核磁矩会绕外磁场方 向旋转，这一现象类似陀螺在旋转过程中转动 轴的摆动，称为进动。进动具有能量也具有一 定的频率。 原子核进动的频率由外加磁场的强度和原子核 本身的性质决定，也就是说，对于某一特定原 子，在一定强度的的外加磁场中，其原子核自 旋进动的频率是固定不变的。
X射线CT

X射线CT是利用围绕被测对象扫描时得到的大量射线吸收数据来 重建其断层图像的装臵。
当一束射线通过被测对象的一个断层时，沿射线路径的总的衰减 系数为体素衰减系数的线积分，它可用一探测器进行测量。探测 器将射线强度转换成电信号，经过数字化后由计算机处理。 通过围绕人体的脏器在不同角度上进行多次测量，计算出与人体 某一层面上每个体素相关的吸收系数，并将该层面的二维吸收系 数矩阵存储到计算机中，所显示的图像上每个象素的灰度即为层 面上相应体素的吸收系数的量度，从而得到断层面上衰减系数的 分布的信息。由于CT技术得到的是人体的脏器一个断层面的图 像，因此称为断层照相。
根据量子力学原理，原子核与电子一样，也具有自旋角动量，其 自旋角动量的具体数值由原子核的自旋量子数决定，实验结果显 示，不同类型的原子核自旋量子数也不同： 质量数和质子数均为偶数的原子核，自旋量子数为0 质量数为奇数的原子核，自旋量子数为半整数 质量数为偶数，质子数为奇数的原子核，自旋量子数为整数

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X射线CT
X射线CT
图像重建，三维断层、图像清晰； 通过图像后处理，可获得多平面图像；
传统X射线装臵
二维X光片、纵向信息重叠； 图像后处理应用少；
密度分辨率高，对软组织分辨率能力高；
空间分辨率较低；
密度分辨率低，不能区别软组的细节；
空间分辨率高；
X射线CT
X射线CT
X射线CT
起源

1971年10月，英国的 N．Hounsfield 博士，首次设 计成功可用于临床的断层摄影装臵，并将其安装在 伦敦的一家医院中，次年正式发表了人体头部的 CT 影像，标志着实用化的CT机的诞生
•
Hounsfield G N. Computerized transverse axial scanning (tomography) I. Description of system, Br. J. Radiol. 1973, 46:1016-1022

1963年，美国物理学家A. M. Cormack建立了 现代投影图像精确重建的数学方法。其首次提 出在医学成像中应用Radon的理论，发展了从X 射线投影数据重建图像的解析数学方法。
•
A. M. Cormack, Representation of a Function by its Line Integrals, with Some Radiological Applications, J. Appl. Phys., 1963, (45): 2722

1974年，美国George Town医学中心的工程师莱 德雷（Ledley）设计出了全身CT扫描仪，并安装在 美国乔治镇大学医疗中心。使CT不仅可用于颅脑， 而且还可用于全身各个部位的影像学检查。
起源

1979年，Hounsfield和Cormack荣获诺贝尔医 学生理学奖。
基本原理