CT 能譜成像課件

1、CT 能譜成像當(dāng)陽(yáng)光穿越三棱鏡，會(huì)產(chǎn)生一條如彩虹般的色帶。色譜的順序?yàn)榧t、橙、黃、綠、藍(lán)、靛藍(lán)、紫。這是因?yàn)槊恳环N光的波長(zhǎng)都是不同的。X光與可見(jiàn)光的區(qū)別X光：波長(zhǎng)短，光子能量高,肉眼不可見(jiàn)可見(jiàn)光：波長(zhǎng)較長(zhǎng)，光子能量低,肉眼可見(jiàn)波長(zhǎng)方面：X射線在0.01-10nm之間，可見(jiàn)光在380-760nm之間。光子能量方面：X射線強(qiáng)于可見(jiàn)光。X射線是由于原子中的電子在能量相差懸殊的兩個(gè)能級(jí)之間的躍遷而產(chǎn)生的粒子流，是波長(zhǎng)介于紫外線和射線之間的電磁波。其波長(zhǎng)很短約介于0.01100埃之間。由德國(guó)物理學(xué)家W.K.倫琴于1895年發(fā)現(xiàn)，故又稱倫琴射線。輻射分類軔致輻射：當(dāng)高速電子流撞擊陽(yáng)極靶受到制動(dòng)時(shí)，電子在原

2、子核的強(qiáng)電場(chǎng)作用下，速度的量值和方向都發(fā)生急劇的變化，一部分動(dòng)能轉(zhuǎn)化為光子的能量而輻射出去，這就是軔致輻射。 x射線管在管電壓較低的時(shí)，被靶阻擋的電子的能量不越過(guò)一定限度，只發(fā)射連續(xù)光譜的輻射。特征輻射：一種不連續(xù)的，它只有幾條特殊的線狀光譜，這種發(fā)射線狀光譜的輻射叫做特征輻射，特征光譜和靶材料有關(guān)。波長(zhǎng)分類名稱管電壓（kv)最短波長(zhǎng)（nm）主要用途極軟X射線5200.250.062軟組織攝影、表皮治療軟X射線201000.0620.012透視和攝影硬X射線1002500.0120.005較深組織治療極硬X射線250以上0.005以下深部組織治療鎢靶的特征曲線：不同管電壓、相同管電流的X射線輻

3、射能量分布圖。1、單一kV球管輸出的并不是單一能量的光電子，而是一個(gè)較寬的能量頻譜，由多個(gè)keV的信息混雜在一起。2、80kV球管輸出的光電子最大能量為80keV，而其光電子數(shù)量峰值在60keV左右，平均能量為55.857keV；140kV球管輸出的光電子最大能量為140keV，而其光電子數(shù)量峰值在60keV左右，平均能量為75.7keV。3、任意管電壓的X射線能量頻譜圖的尖峰位置總是保持恒定，位于60以及70keV附近，這是由陽(yáng)極靶面的材料所決定的，稱之為陽(yáng)極靶面特征曲線，圖中所示即為鎢靶的特征曲線。普通CTCT成像的基本原理是X射線光子束通過(guò)人體時(shí)的衰減。/link?url=s22-Wbf

4、ajJnzJTAlw7QLFXgfWIUiZ36KhY564i1URwmiCvjwZDHlVQDJoLKnuFFNDLvrWte5lIl5Vtsy_uODGjMqT68bLafwms-1nd8dvdC#當(dāng)X線的能量遠(yuǎn)離K吸收邊界時(shí)，物質(zhì)的衰減系數(shù)與X線能量的關(guān)系為一平滑的曲線。因此可以認(rèn)為在人體中，當(dāng)X線能量高于40keV時(shí)，作為CT圖像重建時(shí)體素的衰減曲線為一平滑的曲線，而曲線上的任何兩點(diǎn)便決定整個(gè)曲線走向，也就是說(shuō)僅需要2次能量采集即可確定一條特征吸收曲線。2種能量X線的采樣數(shù)據(jù)，并根據(jù)這兩種能量數(shù)據(jù)確定體素在40140keV能量范圍內(nèi)的衰減系數(shù)，進(jìn)一步得到101個(gè)單能量圖像，這種相對(duì)純凈

5、的單能量圖像能夠大大降低硬化偽影的影響并獲得相對(duì)純凈CT值的圖像，即CT值無(wú)論在整個(gè)視野不同位置、不同掃描，還是不同病人中，都更為一致和可靠。http:/3/bp-8a96c448fe4733687e21aa9s-1.htmlCT 圖像重建是運(yùn)用物理技術(shù)，測(cè)定X 線透過(guò)人體某斷層各方向的透射強(qiáng)度，采用數(shù)學(xué)方法，求解出衰減系數(shù)在人體某剖面上的二維分布矩陣， 再將其轉(zhuǎn)變?yōu)槿搜劭吹降亩S灰度分布圖，從而實(shí)現(xiàn)斷層成像。線性衰減系數(shù)是光子能量E 的函數(shù)，即(E)，普通CT 計(jì)算出的 值是混能量等效值， 即采用平均輻射能的計(jì)算方法得到 值。1CT值 （CT number）X線穿透人體時(shí)，不同的組織密度值代

6、表不同的線性衰減系數(shù)，一般用它的相對(duì)值表示，稱為CT值。 CT值（物質(zhì)-水）/水）K K為分度因數(shù)（設(shè)為1000），則CT值的單位為HU（Hounsfield Unit）CT值的定義是以水為標(biāo)準(zhǔn)，其它組織與之比較后得出。水的線性衰減系數(shù)為1，致密骨約為2，空氣約為0（實(shí)際為0.0013），水的CT值為0HU，人們將1000+1000分為2001個(gè)等級(jí)來(lái)表示CT值的差別。硬化效應(yīng)：由于X 線為一混合能量射線，當(dāng)X 線束（如120 kV）穿過(guò)人體時(shí)，低能量X 光子首先被吸收掉，這種現(xiàn)象稱為硬化效應(yīng)。CT 值的“漂移”：即使X 線在均勻物質(zhì)中穿行，先接觸到射線的物質(zhì)對(duì)X 線的吸收要多于后接觸射線的物

7、質(zhì)， 而CT 成像原理又決定了對(duì)X 線吸收能力強(qiáng)的物質(zhì)， 其CT 值要高于對(duì)X線吸收能力弱的物質(zhì)， 所以同為一種物質(zhì)卻表現(xiàn)為不同的CT 值，即CT 值的“漂移”。不同的CT 設(shè)備因?yàn)槭褂貌煌那蚬?，其CT 值亦不再具備可比性。雙源CT(DSCT)由兩套球管和相對(duì)應(yīng)的兩組探測(cè)器構(gòu)成的兩套數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)組成利用兩種不同能量的X射線成像由于不同物質(zhì)對(duì)于不同能量的X射線有不同的、特異性的吸收系數(shù)。當(dāng)物質(zhì)的比例未知時(shí)，可以分別利用兩種不同能量的X射線對(duì)物體進(jìn)行成像，通過(guò)類似解線性方程的方法得到物質(zhì)的構(gòu)成比例。這是雙能CT相比傳統(tǒng)單能CT相比最大的優(yōu)勢(shì)所在。kV的中文名稱為“千伏”，指的是球管的工作電壓。k

8、eV的中文名稱為“千電子伏特”，指的是一個(gè)電子經(jīng)過(guò)一千伏特的電位差所獲得的動(dòng)能。簡(jiǎn)而言之，kV是管電壓的單位，keV是電子能量的單位。無(wú)數(shù)個(gè)具備不同keV的X線光電子共同組成一束混合能量X線，并依據(jù)其最大能量值稱為某個(gè)kV的X線。管電壓：kVX射線能量：keVkV決定了最高keV值單能量圖像在醫(yī)用X 線能量范圍內(nèi)， 光電效應(yīng)和康普頓效應(yīng)共同決定了物質(zhì)對(duì)X 線的衰減，這樣人體中任何物質(zhì)會(huì)隨X 線能量變化呈現(xiàn)出不同的X 線吸收衰減能力，即每種物質(zhì)都有其特征X 線吸收曲線。當(dāng)X線的能量遠(yuǎn)離K吸收邊界時(shí)，物質(zhì)的衰減系數(shù)與X 線能量的關(guān)系為一平滑的曲線。因此可以認(rèn)為在人體中，當(dāng)X 線能量高于40 keV

9、 時(shí)，作為CT 圖像重建時(shí)體素的衰減曲線為一平滑的曲線， 而曲線上的任何兩點(diǎn)便決定整個(gè)曲線走向，也就是說(shuō)僅需要2 次能量采集即可確定一條特征吸收曲線。物質(zhì)組成分析與物質(zhì)分離任何物質(zhì)的X線吸收系數(shù)可由任意2 個(gè)基物質(zhì)的X 線吸收系數(shù)來(lái)決定，因此可將一種物質(zhì)的衰減轉(zhuǎn)化為產(chǎn)生同樣衰減的2 種物質(zhì)的密度，這樣可以實(shí)現(xiàn)物質(zhì)組成分析與物質(zhì)的分離。雙能能譜成像物質(zhì)組成分析并不是確定物質(zhì)組成， 而是通過(guò)給定的2 種基礎(chǔ)物質(zhì)來(lái)產(chǎn)生相同的衰減效應(yīng)；成分分離時(shí)，并不是固定以某種物質(zhì)作為基物質(zhì)進(jìn)行物質(zhì)分離， 而是可選擇任意2 種基物質(zhì)進(jìn)行物質(zhì)分離。基礎(chǔ)物質(zhì)：水和碘X射線穿過(guò)物質(zhì)發(fā)生康普頓效應(yīng)及光電效應(yīng)，如下圖所示：-

10、 Ep = hn KLM+photoelectric= X-ray attenuationCompton物質(zhì)的吸收系數(shù): (E) = fpe(E) + fc(E)光電效應(yīng)康普頓效應(yīng)在傳統(tǒng)CT掃描中，采用的是混合能量射線掃描，所以u(píng)值實(shí)際為物質(zhì)在各種能量下衰減的平均值，所得到的CT值也是平均CT值。存在射線硬化偽影。如下圖：傳統(tǒng)圖像單能圖像在能譜成像時(shí)，得到的單一能量下的圖像，物質(zhì)的衰減更為純凈，最大程度降低硬化偽影，如下圖： 能譜成像依據(jù)了解能譜成像,首先要了解的一些基本物理現(xiàn)象:1.X線通過(guò)物質(zhì)的衰減能夠客觀反映X-線的能量；2.X線經(jīng)過(guò)物質(zhì)后產(chǎn)生的光電效應(yīng)與康普頓效應(yīng)共同決定了物質(zhì)的衰減曲

11、線；3.物質(zhì)的衰減曲線呈線性關(guān)系(不包括K峰區(qū)域),可以選擇兩種物質(zhì)作為基物質(zhì)進(jìn)行物質(zhì)分離。那么,如果我們測(cè)量X-線高低兩種能量,能夠測(cè)量出物質(zhì)的X-線衰減系數(shù),可以進(jìn)一步將這種衰減轉(zhuǎn)化為會(huì)產(chǎn)生同樣衰減的兩種物質(zhì)的密度,這樣的過(guò)程稱之為物質(zhì)組成分析與物質(zhì)的分離。特別需要強(qiáng)調(diào)的是,物質(zhì)組成分析并不是確定物質(zhì)組成,而是通過(guò)給定的兩種基礎(chǔ)物質(zhì)來(lái)產(chǎn)生相同的衰減效應(yīng)。對(duì)于醫(yī)學(xué)成像來(lái)說(shuō),水和碘是常用的組合,因?yàn)樗藦能浗M織到含碘對(duì)比劑以及醫(yī)學(xué)中常見(jiàn)物質(zhì)的范圍,并且通過(guò)物質(zhì)密度圖像易于解釋。 雙kVp技術(shù)能夠得到單能量的圖像，核心是任何一種組織的吸收都可以由相應(yīng)比例的基物質(zhì)對(duì)的組合來(lái)表示，如果以水和碘作為基物質(zhì)對(duì)，組織在某種單能量下的CT值可記為： CT(x,y,z,E) = Dwater(x,y,z) water(E) + DIodine(x,y,z) iodine(E) 因?yàn)樗?、碘在不同kev下的衰減系數(shù)已經(jīng)由實(shí)驗(yàn)室獲得，那么中間僅有兩個(gè)未知數(shù)Dwater(x,y,z)和DIodine(x,y,z)，而這兩個(gè)值可以從雙kvp獲得的兩組數(shù)據(jù)進(jìn)行吸收投影數(shù)據(jù)到物質(zhì)密度投影數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)換而得到。 因此如果我們需要知道感興趣物質(zhì)在70keV單能量下的吸收或CT圖像，我們只要把water(70keV)和iodine(70keV)代入公式即可。能譜曲線能譜曲線是物質(zhì)或結(jié)構(gòu)的衰減（即CT值）隨X