第四章 計算機X線體層成像

1、第四章 計算機X線體層成像第一節(jié) 概述第二節(jié) CT成像原理第三節(jié) CT數(shù)據(jù)采集與掃描方式第四節(jié) CT圖像重建第五節(jié) CT圖像處理第六節(jié) CT圖像質量學習目標1.掌握 CT圖像特點、CT成像原理（物理原理、數(shù)據(jù)采集原理與CT圖像重建原理方法）、普通CT與螺旋CT成像理論的區(qū)別；2.熟悉 影響CT圖像質量的因素及CT圖像處理技術；3.了解 CT簡史、雙源CT與能譜CT。第一節(jié) 概 述一、 CT成像的特點 （一）CT成像優(yōu)勢1斷面圖像 2密度分辨率高 CT的密度分辨率比常規(guī)X線檢查高20倍3可做定量分析 CT能夠準確地測量各組織的X線吸收衰減值，通過各種計算，做定量分析4可進行各種后處理 （二）CT

2、局限性和不足1空間分辨率不如常規(guī)的X線成像2并非對所有臟器都適合3目前不能進行功能成像 二、CT成像的基本參數(shù) 1體層 2層厚 3圖像矩陣 4像素 5.體素 6CT值 以吸收系數(shù)為依據(jù)，用CT值來表達人體組織密度的量值。CT值可用公式表示為： 式中，K是分度因數(shù)，常取為1000。CT值的單位為“HU”1000-100007灰度 8灰階 CT影像形成 9窗口技術 是將全范圍CT值分時分段進行顯示技術。被顯示灰階的范圍稱為窗寬（W），其中間值稱為窗位（C），窗寬以外的CT值不顯示。顯示CT值范圍：C-W /2（下限） C+W /2（上限）SinogramIdeal ImageProjectionP

3、rojection10部分容積現(xiàn)象 11投影 12掃描 13掃描方式 三、CT的臨床應用 CT機發(fā)展到今天，已經(jīng)可以廣泛應用到全身的任何一個部位的檢查上。第二節(jié) CT成像原理控制臺計算機床機架高壓發(fā)生器一、CT機的基本硬件CT機的基本硬件，主要包括掃描機架系統(tǒng)計算機系統(tǒng)外圍設備球管探測器DAS（一）掃描機架系統(tǒng) 掃描機架系統(tǒng)內部包括X線球管高壓發(fā)生器探測器準直器A/D轉換器準直器（二）檢查床（三）高壓發(fā)生器 （四）中央控制臺 （五）輔助設備 （六）計算機及軟件計算機系統(tǒng)一般由主控計算機和陣列計算機兩部分組成。主控計算機的作用是：控制和監(jiān)視掃描過程，并將掃描數(shù)據(jù)送入存儲器；CT值的校正和輸入數(shù)據(jù)

4、的擴展；與操作者對話并控制掃描等信息的傳送；圖像重建的程序控制；故障診斷及分析。列陣處理機主要的任務是在主控計算機的控制下，進行圖像重建等處理。二、CT成像過程（二）CT 成像原理三、CT成像原理吸收系數(shù)受X 線波長、物質原子序數(shù)Z 和密度的影響。因此，必須對CT 圖像重建過程中的X 線硬化效應要進行校正，減小由X 線束硬化效應造成的CT 圖像不均勻性。線束硬化效應第三節(jié) CT數(shù)據(jù)采集與掃描方式一、CT數(shù)據(jù)采集的基本原理（1）CT數(shù)據(jù)采集基本原理CT 數(shù)據(jù)采集目的是獲取重建圖像的原始數(shù)據(jù)。CT 成像的數(shù)據(jù)采集是利用X 線管和檢測器等的同步掃描來完成的。目前使用的CT機，有兩種不同的數(shù)據(jù)采集方法

5、逐層采集法（非螺旋掃描） 容積數(shù)據(jù)采集法（螺旋掃描） 在理解數(shù)據(jù)采樣過程中，還必須注意： X線管與探測器是一個精確的準直系統(tǒng)； X線管與探測器圍繞人體旋轉是為了采樣； X線管產生的射線是經(jīng)過有效濾過的； 射線束的寬度是根據(jù)層厚大小設置嚴格準直的； 探測器接收的是透過人體后的衰減射線； 探測器接收的衰減射線轉換為電信號。掃描方式靜止-旋轉（S/R）單束平移-旋轉（T/R）窄扇形平移-旋轉（T/R）旋轉-旋轉（R/R）二.傳統(tǒng)X-CT的掃描方式二、常規(guī)CT掃描方式 1.單束平移-旋轉（T/R）方式第一代CT特點：直線筆形掃描束單一探測器一次平移獲得240個數(shù)據(jù)每次旋轉1度共重復180次檢測一個層面

6、4-5min 2.窄扇形束掃描平移-旋轉（T/R）方式特點：直線多路筆形掃描束探測器3-52個每次旋轉3-30度檢測一個層面20-120S第二代CT 3.旋轉-旋轉（R/R）方式特點：扇形掃描束連續(xù)或脈沖方式的X射線弧形陣列探測器300-800個每次旋轉360度檢測一個層面3-5S第三代CT靜止-旋轉（S/R）方式特點：扇形掃描束連續(xù)或脈沖方式的X射線環(huán)形整圈探測器探測器共600-1500個球管每次旋轉360度檢測一個層面1-5S第四代CT4.寬扇形束靜止-旋轉方式 5.電子束CT 第五代CT超高速CT4個緊挨的環(huán)狀鎢靶，半徑90CM，圍成210度 兩排環(huán)形探測器陣列，半徑，圍成210度 第一

7、個環(huán)864個探測器，第二個環(huán)432個探測器電子束掃描示意圖CT真好!但仍然存在很多問題.普通CT.常規(guī)掃描方式的缺點： 1、需要較長的掃描時間 2、成像中會產生遺漏人體某些組織的情況 3、不能準確地重建三維圖像和多方位圖像 4、使用造影劑掃描時，在造影劑的有效時間里，只掃描了有限的幾個層面。 緩慢呼吸由于不同層次呼吸而導致的漏診。常規(guī)CT存在的問題.深呼吸不能準確地重建三維圖像和多方位圖像層厚定位選擇所引起的問題. 因為不在層厚里面所以引起病變的遺漏.一只老鼠.2D 層厚3D 容積 常規(guī) vs. 螺旋 CT . 三、螺旋CT 1單層螺旋CT螺旋CT掃描方式產生于1989年，是在滑環(huán)掃描技術的基

8、礎上發(fā)展起來的一種新型掃描技術。 供電方式采用滑環(huán)技術不使用電纜供電螺旋CT優(yōu)勢掃描方式X線管能連續(xù)地沿著一個方向轉動滑環(huán)技術?螺距（pitch）定義為床速與掃描層厚的比值，一個無量綱的量。單層螺旋CT掃描層厚由準直寬度決定，和準直寬度一致。如果用d表示床速，S表示掃描層厚，則螺距可用下式表示： 螺旋插值 線性內插全掃描內插法 360 線性內插半掃描內插法 180線性內插兩圈螺旋數(shù)據(jù)內插一圈螺旋數(shù)據(jù)內插-0.500.51圈02圈-112多層面螺旋CT多層面CT同單層螺旋CT相比在Z軸方向的探測器排大于數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)大于把圖像重建算法、計算機系統(tǒng)有較大改進單層螺旋CT與多層螺旋CT的比較 目前探測

9、器的排列方式有兩種類型：一種是均等分配的等寬型（對稱型排列），即在Z軸方向的多排探測器寬度是一致的另一類是探測器的寬度不均等分配的非等寬型（非對稱型排列），這些組合是由探測器后面的電子開關來實現(xiàn)的，通過電子開關再將信號傳遞給數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)（DAS） 以四層螺旋CT為例，說明多層面CT的特點（1）探測器陣列四層螺旋CT具有四組通道的多排探測器陣列，分為對稱型和非對稱型兩種。探測器的排列方式主要有以下三種：第一種： 它在Z軸方向有16排探測器，每排探測器是等寬的。 探測器的寬度相當于層厚為。材料為稀土陶瓷。 東芝公司的探測器 沿Z軸方向有3排，基本上也是等寬型的，只是靠近中央的4排為寬度，其他的30

10、排均為1mm等寬的探測器。 第二種第三種 Z軸方向有8排探測器，每排探測器的寬度不等，從中間向兩邊，其寬度分別相當于層厚為1、5mm。 材料為超速陶瓷材料。 （2）數(shù)據(jù)采集通道（3）X線束（4）層厚的選擇（5）螺距多層面CT的螺距定義為床速與整個準直寬度的比值。用公式表示為： ：床速：層數(shù)S：準直器寬度 （6）圖像重建算法主要采用兩種方法：優(yōu)化采樣掃描和濾過內插法優(yōu)化采樣掃描：是通過調整采樣軌跡的方法來獲得補償信息、縮短采樣間隔、增加Z軸上的采樣密度來獲得圖像質量的改善。濾過內插法：基于多點加權非線性內插法，即通過改變?yōu)V過波形和寬度來自由調整切層輪廓外形的有效層厚及圖像噪聲，實現(xiàn)Z軸方向的多層

11、重建。（7）智能掃描多層面CT與單層螺旋CT相比有很多優(yōu)點：（1）提高了X線利用率 （2）掃描速度更快（3）提高時間分辨力（4）提高Z軸空間分辨力，有利實現(xiàn)各向同性成像 四、雙源CT2005年在北美放射學會上推出的，它通過兩個X線源和兩套探測器來采集數(shù)據(jù)，全面拓展CT的臨床應用。優(yōu)勢：雙能量成像技術利于分離血管、骨性結構、血管硬性斑塊利于顯示肺動脈栓塞所致肺段的灌注減少或缺失及肺血管栓子顯示心肌的灌注情況利于區(qū)分肌腱和韌帶結構辨別腦出血中的新鮮或陳舊性出血心臟掃描技術大范圍掃描技術第四節(jié) CT圖像重建 CT圖像重建方法（一）迭代法(二）傅里葉變換法 （三）反投影法 反投影法應用：若層面中間有一

12、固定CT 值的像素單元，圖中分別沿0、45、90、135投射X 線，獲得投影數(shù)值而后疊加回矩陣重建出圖像。但反投影圖像重建的邊緣失銳。反投影法的缺點：會造成圖像邊緣的不清晰。如果在一均勻組織密度內，存在吸收系數(shù)特異的部分時，反投影圖像與真實圖會出現(xiàn)偽差，而使重建圓圖像的邊緣部分模糊不清，如下圖所示。（四）濾波反投影法采用卷積計算的濾波反投影法是當前CT 成像中應用最為廣泛，也稱卷積反投影法。成像的過程可分成三步：預處理卷積反投影第五節(jié) CT圖像處理 一、圖像處理功能（一）顯示功能處理1.定位片 為了對某一橫斷面定位，常采用X線管和檢測器相對靜止、使被檢體縱向隨掃描床均勻移動，且在運動中曝光，進

13、行多幅單方向掃描，然后將這些線條數(shù)據(jù)合成全貌定位片。 2窗口技術將層面某局部范圍內CT 值分布用相對應的16 灰階顯示。CT 值分布與16 灰階一一對應，把局部范圍內CT 值的上限增強為全白（灰度為0），把CT 值的下限壓縮為全黑（灰度為16），灰階對應的CT 值數(shù)目減小，灰階間的CT 值相差變小，人眼能分辨出這細微差異，這相當于放大或增強了局部CT 值范圍內灰度顯示的黑白對比，更容易區(qū)分出CT 值分布的細微差異。 窗口：被放大或增強的CT 值灰度顯示范圍；窗寬（WW）：上限CT 值和下限CT 值之差，也就是顯示器所顯示的CT 值范圍。窗位（WL）：CT 值范圍的中心CT 值：下圖所示的是某一

14、選定的窗寬、窗位及顯示灰階，圖中所示CT 值的方向是顯示亮的方向；的方向顯示暗的方向。 窗寬選擇注意事項窗位通常以欲觀察組織的CT 平均值為參考；選擇窗寬要考慮窗口中組織結構密度差異窄窗顯示的CT 值范圍小，每級灰階代表的CT 值跨度小，有利于低對比組織或結構（如腦組織）的顯示；寬窗每級灰階代表的CT 值跨度大，適用于密度差別大的組織或結構（如肺、骨質等）的顯示。 二、 CT圖像后處理技術 (一)多層面重組（ MPR）技術是在橫斷面圖像上，任意畫線使橫斷面的二維體素單元重組，得到該斷面的二維重建圖像，主要有冠狀面、矢狀面及任意角度的圖像（二）最大密度投影與最小密度投影是指對容積數(shù)據(jù)中的數(shù)據(jù)，以

15、視線方向作為投影線，把該投影線上遇到的最大（最小）像素值，投影到與視線垂直的平面上，然后重建，形成MIP 圖像。（三）表面陰影顯示（SSD）預先確定ROI 內組織結構的最高和最低CT 閾值，然后標定ROI 內的組織結構，經(jīng)計算機重建程序處理，形成圖像。常用于頜面部、骨盆、脊柱等解剖結構復雜的部位。 （四）容積再現(xiàn)（VR）是利用全部體素的CT 值，通過功能轉換軟件，進行表面遮蓋技術并與旋轉相結合，加上假彩色編碼與不同程度的透明化技術，使表面與深部結構同時立體地顯示。常用于支氣管、肺、縱膈、肋骨和血管的成像，圖像清晰、逼真。 （五）仿真內鏡顯示（VE）計算機技術與CT 結合而開發(fā)出仿真內鏡功能。即

16、從一端向另一端逐步顯示管腔器官的內腔。進行假彩色編碼，使內腔顯示更為逼真。第六節(jié) CT圖像質量 一、CT圖像質量評價診斷學標準 物理學標準成像技術條件臨床和相關的性能參數(shù)受檢者輻射劑量 二、成像參數(shù)對CT 圖像質量的影響（一）掃描時間和掃描周期1掃描時間 指完成某體層面數(shù)據(jù)采集X 線束掃描所需要的時間2掃描周期 指對一個體層平面掃描開始，完成一次掃描到下一次掃描開始所需的時間 （二）掃描范圍和體層厚度1.掃描范圍 指CT 掃描被照體的最大區(qū)域。 指被檢體在CT 掃描、成像薄層的厚度。（三）對比度與對比度分辨力1.對比度：CT圖像對比度表示組織器官的密度差異。2.密度分辨力也稱低對比分辨力：(1

17、)定義：為物體與均質環(huán)境的X線衰減系數(shù)差別的相對值小于1%時，CT圖像能分辨該物體的能力。 （2）影響密度分辨力的因素 劑量掃描層厚體素重建算法一般密度分辨力在0.1%1.0%之間 （四）空間分辨力指CT 圖像能分辨斷層面上相鄰兩點的能力，常用能分辨兩個點間的最小距離來表示，普通CT 圖像的空間分辨力約為12mm。 影響空間分辨力的因素有：1X 線束與檢測器受照有效寬度 2圖像重建算法 3圖像矩陣4.焦點大小5.掃描層厚6.螺距 （五）噪聲 單位體積（體素）之間光子量不均衡，導致采樣過程中接受到的某些干擾正常信號的信息，表現(xiàn)為圖像的均勻性差，呈顆粒性，密度分辨力明顯下降。影像CT圖像噪聲的因素主要有：管電流量；管電壓；層厚 ；重建濾過算法 ；FOV和矩陣 ；螺距。 噪聲對CT 圖像的影響（六）偽像 各種偽像照片運動偽影呼吸偽影掃描偽影機器偽影機器偽影金屬偽影金屬偽影胸外金屬偽影股骨偽影動脈瘤術后偽影骨窗動脈瘤術后偽影 （七）均勻度(或均勻性) 是描述同一種組織在斷面上的不同位置成像時，是否具有同一個平均CT值。國際對均勻度的定義是：在掃描野中，勻質體各局部在CT圖像上顯示出CT值的一致性。最好的均勻度