ct成像技術(shù)概述

1、CT成像技術(shù)概述,西安市中心醫(yī)院放射科齊武剛,X-CT,computed tomography tomo: Greek tomos[ section ]希臘語 tomos[ 切面 ]graphy: Latin -graphia, from Greek, from graphein. writing or representation in a (specified) manner or by a (specifi

2、ed) means or of a (specified) object.,1972年英國EMI公司工程師Housfield發(fā)明了用于頭顱診斷的X射線計(jì)算機(jī)斷層攝影裝置 1975年EMI公司又成功研制出全身用的CT裝置，獲得了人體各個部位鮮明清晰的斷層圖像。,Hounsfield和Cormack因發(fā)明CT獲得1979年諾貝爾醫(yī)學(xué)和生理學(xué)獎。,Central Research Laboratories, EMI London,G.

3、N. Hounsfield,A. M. Cormack,Tufts University Medford, MA, USA,Electric and Musical Industries 百代唱片公司,盡管許多人提出了CT的思想，但是只有Hounsfield首先把這個思想概念發(fā)展為CT掃描機(jī)。1971年英國Atdinson Morley醫(yī)院安裝了世界上第一臺原形設(shè)備。并于1971年10月4日檢查了第一個病人。,傳統(tǒng)的X射線裝置的缺

4、點(diǎn),影像重疊。深度方向上的信息至疊在一起，引起混淆。密度分辨率低，對軟組織分辨能力低。所用劑量大。,,CT,優(yōu)點(diǎn)：,斷層成像密度分辨率高，對軟組織分辨能力高。（相對于X射線成像術(shù)）投影劑量小（相對于X射線成像術(shù)）動態(tài)范圍大（相對于X光片）存儲方便,X線醫(yī)學(xué)圖像是反映受照體內(nèi)部結(jié)構(gòu)及組織或器官之間的關(guān)系。,從研究醫(yī)學(xué)圖像與人體內(nèi)部結(jié)構(gòu)關(guān)系角度分為：,人體結(jié)構(gòu)醫(yī)學(xué)圖像,醫(yī)學(xué)圖像人體結(jié)構(gòu),正解問題反解問題,,,X線-CT成像

5、裝置主要由X線管、準(zhǔn)直器、掃描機(jī)構(gòu)、檢測器、計(jì)算機(jī)、監(jiān)視器等部分組成。,控制臺（control console）,掃描裝置（gantry stand）,病人床（patient table）,激光圖像打印機(jī)（laser imager）,X線-CT成像裝置兩個主要裝置是數(shù)據(jù)采集和計(jì)算機(jī)圖像重建部分。,各代CT掃描機(jī),1971年安裝在Wimbledon醫(yī)院。多屬頭部專用，有一個X線管和幾個NaI晶體探測器組成，由于X線束被準(zhǔn)

6、直成筆形掃描束裝置，又稱為筆形掃描束裝置。掃描時間3~5min，重建一幅圖像需要5min。一個病人做6層CT，需要35min的時間。是基本能夠滿足人體頭部的掃描圖像，但腹部偽影嚴(yán)重。,第一代（平移+旋轉(zhuǎn)掃描方式）,與第一代明顯區(qū)別是筆形X線束改成扇形X線束，探測器數(shù)目也增加到3~30個。每次掃描后的轉(zhuǎn)角由1度提高到3~30度，這樣180的掃描時間縮短到20~90s。,第二代（平移+旋轉(zhuǎn)掃描方式）,缺點(diǎn)：仍然不能避免腹部器官的運(yùn)動偽

7、影 產(chǎn)生散射線 沒有分別被準(zhǔn)直，結(jié)果使投向病人的部分射線照射在探測器的間隔中沒有得到有效利用,平移+旋轉(zhuǎn)的方式限制了掃描速度。為減少運(yùn)動時間而取消平移運(yùn)動，使得X射線管和探測器作為整體指圍繞病人作旋轉(zhuǎn)運(yùn)動進(jìn)一步縮短了掃描時間。1975年GE首先推出這種方式的CT機(jī),第三代（旋轉(zhuǎn)+旋轉(zhuǎn)掃描方式）,扇形角30~45度。1~5s是目前臨床上應(yīng)用最為廣泛的一種CT機(jī),1976年，美國科學(xué)工程公司首先推出了

8、第四代CT掃描機(jī)。用600個探測器排成圓周。掃描方式是探測器靜止，只有X線管旋轉(zhuǎn)。扇形線束角度也較大，單幅數(shù)據(jù)獲取時間縮短。,第四代（旋轉(zhuǎn)+靜止掃描方式）,缺點(diǎn)：對散射線極其敏感，因此在每只探測器旁加一小塊翼片作準(zhǔn)直器。但這卻浪費(fèi)了空間，增加了病人所受的輻射劑量。探測器數(shù)量72000個，加大了成本，并且在掃描過程中并沒有充分利用。只有極少量廠家生產(chǎn),掃描時間在毫秒級，可作心臟掃描。目前全世界生產(chǎn)的廠家只有美國的Imatron公司。

9、兩個固定環(huán)，每個固定環(huán)上有432個探測器，共864個。優(yōu)點(diǎn)：時間分辨率高 減少運(yùn)動偽影 增加造影劑使用率,第五代（靜止+靜止掃描方式）,各代CT比較,使用散熱性能好的大容量X線管和高效率的檢測器優(yōu)點(diǎn)：掃描時間短掃描范圍在20~30s內(nèi)達(dá)到24~30cm，避免漏掃和重掃，提高了掃描的準(zhǔn)確性。缺點(diǎn)：處理需要長時間，大容量存儲容量 噪聲大 診視床運(yùn)

10、動產(chǎn)生的偽影,螺旋掃描方式——螺旋CT,CT新技術(shù)的應(yīng)用,CT血管造影術(shù)（CTA）三維圖象重建介入CTCT仿真內(nèi)窺鏡CT在放射治療的應(yīng)用,X線-CT成像的數(shù)據(jù)采集,X線-CT成像系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集是利用X線管和檢測器的同步掃描，由檢測器檢測到的X線光子轉(zhuǎn)換為電流信號，經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換成數(shù)字值，送入到圖像計(jì)算機(jī)進(jìn)行圖像重建。,X線與物質(zhì)的相互作用,干涉散射光電效應(yīng)：入射X光子消失，全部能量傳給原子的內(nèi)層電子?？灯疹D效應(yīng)：X線與原子外層

11、電子相互作用。在CT中起主導(dǎo)作用,,入射線,透射線,散射線Compton Scattering,X線-CT成像中，物體對X線的吸收占主要的作用，忽略對X線的散射作用。,物質(zhì)對X線的吸收規(guī)律,衰減系數(shù)u值既是物體種類的函數(shù)，又是X射線能量的函數(shù)。也就是說不同物質(zhì)對單能X線而言u值的大小不同；對同一種物質(zhì)而言，不同能量的X射線對應(yīng)衰減系數(shù)的大小也互不相同。可見，只有單一單能窄束X射線束透射物體衰減時才有唯一準(zhǔn)確對應(yīng)的衰減系數(shù)值。然而，C

12、T使用的是具有一定能譜寬度的連續(xù)X射線，而不同能量的X射線對應(yīng)的衰減系數(shù)值大小不同，所以，在重建CT像過程中要確定每一體素的衰減系數(shù)值。,,,線性吸收系數(shù)小，X線不易吸收。,線性吸收系數(shù)大，X線容易吸收。,X線-CT成像掃描裝置要從不同方向上進(jìn)行多次觀測，即所謂的掃描（scanning），來獲取足夠的數(shù)據(jù)建立求解吸收系數(shù)的方程。 由此，經(jīng)X線-CT掃描裝置獲取足夠的掃描數(shù)據(jù)后，X線-CT圖像成像過程就轉(zhuǎn)換求解數(shù)學(xué)方程解的

13、過程。研究圖像重建方法要求即能求出方程解，又能快速求解，這就需要計(jì)算機(jī)的計(jì)算。,CT值,吸收系數(shù)是一個物理量，可以賦予它代表具有生理含義的量值。在醫(yī)學(xué)上，以吸收系數(shù)為依據(jù)，用CT值統(tǒng)一表達(dá)人體組織密度的量值。,如選用X線能量約為73KeV時，設(shè)定水的吸收系數(shù)為1，可得骨骼的吸收系數(shù)為1.9~2.0，近似為2，空氣為0.0013，近似為0。,螺旋掃描的優(yōu)點(diǎn)：（1）可連續(xù)掃描，使掃描范圍在24～30s內(nèi)達(dá)到24 ～30cm，可滿足絕大

14、部分不同部位的CT檢查，可在一次屏氣中完成掃描，避免了漏掃和重掃；（2）由于避免了呼吸運(yùn)動引起的掃描遺漏以及在選定位置及距離上進(jìn)行回顧性重建的能力，所以提高了病灶檢出率；（3）無層間隔掃描使掃描時間縮短，不但有益于危重病人的檢查，而且在注射造影劑增強(qiáng)掃描時，可使全部掃描幾乎在全部掃描都在增強(qiáng)高峰期內(nèi)完成，不但能獲得最佳增強(qiáng)效果，還可減少造影劑的用量；（4）提高了病灶密度測量的準(zhǔn)確性；（5）任何部位均可進(jìn)行

15、多斷面或三維圖像重建；（6）掃描時間短，短時間內(nèi)對危重病人進(jìn)行快速功能性診斷。,螺旋掃描的缺點(diǎn)：（1）診視床運(yùn)動產(chǎn)生偽影；（2）螺旋掃描圖像噪聲較傳統(tǒng)CT標(biāo)準(zhǔn)掃描圖像噪聲高；（3）螺旋CT圖像處理時間較長及需要大容量的存儲能力；（4）仍受到最大掃描容積的限制（大多部位一次屏氣完成掃描）；（5）需要病人很好地屏氣配合。,X線-CT圖像質(zhì)量評價,描述CT圖像質(zhì)量的參數(shù)及影響因素1．空間分辨力2．時間分辨力（tem

16、poral resolution）3．噪聲與X線劑量4．對比度和對比度分辨力,,CT圖像與傳統(tǒng)X線照片評價的比較1.CT圖像沒有嚴(yán)重的散射線的影響。2.CT圖像沒有影像重疊。3.CT圖像中出現(xiàn)的偽影或干擾源的影響較嚴(yán)重。4.CT圖像的空間分辨力在某種情況下，比傳統(tǒng)的X線照片低。5.影響CT圖像質(zhì)量因素多且復(fù)雜。,描述CT圖像質(zhì)量的參數(shù)及影響因素 1．空間分辨力 通常用測試卡或用MTF來得到系統(tǒng)中的截止

17、頻率是多少。影響因素：（1）X線束與檢測器受照有效寬度大小有關(guān)。在相同的扇形X線署張角， 排列的檢測器越多，受照有效寬度小則圖像分辨能力高。（2）圖像重建算法對分辨力的影響。（3）圖像矩陣對分辨力的影響。,2．時間分辨力（temporal resolution）時間分辨力是衡量圖像質(zhì)量好壞的一個參數(shù)，但它不能從CT圖像中直接閱讀出來，它的作用是間接的。在CT問世的最初幾年里，掃描時間（時間分辨力）獲得了迅速進(jìn)步。,,,3

18、．噪聲與X線劑量圖像噪聲是評價圖像質(zhì)量的有用參量。 在X線-CT成像過程中，在X線束的檢測、數(shù)值變換和處理過程等會形成圖像的噪聲，影響圖像質(zhì)量。這些噪聲主要有X線量子噪聲、電氣元件及測量系統(tǒng)形成的噪聲和重建算法等所造成的噪聲等。在X線-CT成像裝置中，如果掃描一個均勻材料的物體，在一個特定區(qū)域中觀察其CT值，就會發(fā)現(xiàn)這一特定區(qū)域內(nèi)的CT值并不是一個固定值，而是圍繞著某一平均值上下做隨機(jī)分布，這種隨機(jī)分布就

19、是由成像裝置產(chǎn)生所致?？梢杂迷谶@一特定區(qū)域內(nèi)計(jì)算噪聲的標(biāo)準(zhǔn)差。,,設(shè)CT圖像中感興趣區(qū)域（Range of Interest, ROI）內(nèi)的標(biāo)準(zhǔn)偏差為：,其中n為感興趣區(qū)域內(nèi)像素?cái)?shù)目；CT值為ROI內(nèi)的實(shí)際CT值；CT值為ROI內(nèi)平均CT值，,,利用上述標(biāo)準(zhǔn)偏差可以衡量成像系統(tǒng)總體的噪聲水平。在多種圖像噪聲中，X線的量子噪聲占的比重最大。X線的量子噪聲是通過X線管發(fā)出的X線劑量大小、采用的過濾方法、斷層厚度、物體中對X線

20、的衰減及檢測器的檢測能力等方面反映出來。,,當(dāng)圖像噪聲主要是X線的量子噪聲影響時，并考慮到斷層厚度、像素尺寸和X線劑量，以及物體線性吸收系數(shù)，用布勞克斯（Brooks）公式來描述噪聲的標(biāo)準(zhǔn)偏差為：,,B=e-μd為物體的衰減因子μ為 平均線性吸收系數(shù)d為物體厚度C為描述劑量效率的一個常數(shù)（小的C值相當(dāng)高的劑量效率）W為像素寬度h為斷層厚度D0為斷層的最大皮膚劑量,σ減少一半D0增加四倍,減少噪聲需要提高劑量效率

21、減少物體的衰減因子 增加像素寬度增加斷層厚度增加X線的劑量,噪聲大小不變時，像素寬度減小半，則劑量需要增加四倍；保持同樣的噪聲水平，要使斷層厚度減少一半，則劑量需要增加二倍。,4．對比度和對比度分辨力對比度是描述CT圖像對不同物質(zhì)及密度差異大小的，是對不同物體密度的分辨能力。設(shè)a和b分別為CT值的最大值和最小值，定義對比度為：,,相對對比度為：,,對比度分辨力是在感興趣區(qū)域內(nèi)觀察細(xì)節(jié)與背景部分之間具有低對比度時，將一

22、定大小的細(xì)節(jié)部分從背景中鑒別出來的能力。對比度是由于X線的質(zhì)量決定的。對比度分辨力是由相應(yīng)的X線-CT成像裝置的噪聲狀況所決定的。,典型的CT圖像干擾1．成像系統(tǒng)測量誤差成像系統(tǒng)測量誤差是指成像裝置檢測系統(tǒng)，由于某個檢測元件損壞或性能下降產(chǎn)生的噪聲所引起的，或由于測量過程中有失誤也可以造成成像系統(tǒng)中測量誤差。如（1）.丟失一個測量值，產(chǎn)生圖像某部分的不連續(xù)顯像；（2）.丟失一個方向投影測量值，產(chǎn)生圖像中明

23、顯的一道痕跡；（3）.當(dāng)測量系統(tǒng)中某些部分如X線管及電子電路元件產(chǎn)生固有噪聲干擾， 主要是X線量子噪聲干擾，會使CT圖像的對比度分辨力下降；（4）.在測量時如果被測人體某部分超出測量斷層區(qū)域，會在圖像中出現(xiàn) 暈現(xiàn)象，越靠向測量區(qū)邊沿越嚴(yán)重 。,2．掃描及數(shù)據(jù)處理參數(shù)選擇不當(dāng)X線-CT成像裝置的空間分辨力受著X線焦點(diǎn)與檢測器有效寬度影響，在焦點(diǎn)與檢測器有效寬度被確定下來時，還受到其

24、他因素的影響，如卷積濾波函數(shù)等。如果檢測器之間的距離、兩個投影方向之間的夾角、斷層厚度以及圖像矩陣選擇的參數(shù)不匹配，將會產(chǎn)生圖像質(zhì)量下降。如（1）.當(dāng)檢測器數(shù)量固定時，掃描射束的個數(shù)增加，將使掃描射束變細(xì)， 造成圖像質(zhì)量下降；（2）.投影數(shù)的多少決定圖像的質(zhì)量；（3）.選擇不合適的卷積算法會造成圖像質(zhì)量下降。,3．偽影（Artifacts）偽影是在被測人體中不存在而出現(xiàn)在重建的CT圖像上所有

25、不同類型的圖像干擾和其他隨機(jī)干擾的總稱。它與圖像噪聲不同（圖像噪聲是一種隨機(jī)干擾），所以偽影在某種程度上可以被識別，并通過一定的方法加以克服。偽影在圖像上多表現(xiàn)為不同的條紋或干擾痕跡。,偽影產(chǎn)生的原因大體可歸結(jié)為：1.物理原因：主要由X線質(zhì)量所引起的，如量子噪聲、散射線、X線硬化效 應(yīng)等?？朔不?yīng)可采用雙能量法。2.被測人體原因：被測人體體位的移動、體內(nèi)器官的蠕動或人

26、體上的其他 金屬異物等都會引起偽影的發(fā)生，它主要表現(xiàn)為在圖像上產(chǎn) 生運(yùn)動條紋偽影。3.成像裝置原因：成像裝置掃描及數(shù)據(jù)處理參數(shù)選擇不當(dāng)和圖像重建算法不 完善、掃描系統(tǒng)裝置不穩(wěn)定、采集數(shù)據(jù)重復(fù)性不好、X線發(fā)生 裝置高電壓波動及測量電子電路的溫度漂移等或CT圖像顯

27、示 及照相中的非線性成像等因素都會不同程度上影響到CT圖像 畫面上，產(chǎn)生不同程度的偽影。,CT圖像中金屬物體會引起偽影,這些偽影降低了斷層圖像中金屬周圍的清晰度,對斷層結(jié)構(gòu)的判斷帶來很大的困難。金屬偽影主要表現(xiàn)為由大投影數(shù)據(jù)引起的從金屬區(qū)域發(fā)出的條狀偽影,由X射線能譜硬化引起的杯狀偽影和多個金屬之間的暗帶區(qū)域。這些偽影嚴(yán)重影響了對斷層結(jié)構(gòu)的判斷,使圖

28、像質(zhì)量嚴(yán)重下降,難以達(dá)到無損檢測、醫(yī)療診斷等目的。因此需要有效的方法從圖像域或投影域進(jìn)行校正。,部分容積效應(yīng)：部分容積效應(yīng)是在CT成像過程中產(chǎn)生的。圖像中的像素代表的是一個體積，即像素面積X層厚。此體積內(nèi)可能含有各種組織，因此每一像素的CT值實(shí)際所代表的是單位體積各種組織CT值的平均數(shù)。由于CT值的準(zhǔn)確性受部分容積效應(yīng)影響很大，所以在選擇的掃描層較厚或病變較小而又騎跨于掃描切層之間時，所測得CT值代表的組織密度可能實(shí)際上并不存在，這種現(xiàn)