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1、第三节 X线CT设备,医用放射线设备概论,CT(Computed Tomography) 计算机断层摄影,X-Rays的发现.,107 年前, Wilhelm Conrad Roentgen, 德国科学家, 发现了x-rays.,一、X线-CT的历史,看到人体内部结构.,但解剖结构是重叠的。 而且软组织是不能区分的。,人们破天荒头一次能无损伤看到人体内部的解剖结构！,一、X线-CT的历史,在 1972, 两位科学家 - Hounsfield and Ambrose- 推出第一幅临床CT图像 .,CT 消除了这些障碍.,一、X线-CT的历史,一、X线-CT的历史,CT 的历史,1917年奥地利数
2、学家雷当（Radon）：根据面投影到线并重建图像的计算公式。 1963年美国物理学家柯马克（A.M.Cormack）：在“应用物理杂志”（Journal of Applied Physics）上发表了二篇题为“用线积分表示一函数的方法及其在放射学上的应用”的系列文章。 1967年至1970年间英国EMI公司的工程师豪斯菲尔德（G.N.Hounsfield）研制成功世界上第一台用于医学临床的X线CT扫描机，于1971年9月被安装在伦敦的Atkinson-Morleys医院。 1972年利用这台X线CT首次为一名妇女诊断出脑部的囊肿，并取得了世界上第一张CT照片。 1974年美国George-to
3、wn大学医学中心的Ledly研制成第一台全身CT扫描机。 为此Hounsfield和Cormack共同获得了1979年的诺贝尔生理和医学奖。,CT会是什么样?,但耗时太长(10 分 / 幅)。 且分辨率尚需提高。,人体被“切成”一层、一层.,一、X线-CT的历史,所以我们能看到 断层解剖结构 & 且带有不同密度,CT影像质量的进步.,SIRETOM (1974),SOMATOM Plus 4 UFC (1996),3D Face (threshold: -400 HU),3D Head (threshold: 150 HU),3D图像的合成,二、X线-CT成像原理,CT 如何工作?,重建 &
4、后处理,数据 获取,X-ray 发生,CT扫描形成 - “slice(层厚)”,X-rays 通过准直器 仅仅穿透物体轴向层面, 叫 a ”slice(层厚)“。,二、X线-CT成像原理,把层厚分成很小的体积单位称 “voxels(体素)” 通常体素长和宽都为1mm, 与体积相对应； 体素的大小在CT图像上的表现即为 “pixels(像素)”。,CT影像形成 “Voxel(体素)”,二、X线-CT成像原理,数字矩阵以相应灰阶转换成黑白影像.,CT影像形成 - A/D/A*,*Analog - Digital - Analog,二、X线-CT成像原理,I为穿过某一物质后的X射线强度； I0为射入
5、该物质之前的X射线强度； 为该物质的吸收系数（不同物质的值不同，由物质的物理特性决定）； X为该物质的厚度；,CT影像的像素由什么来决定？,由该像素对X射线的衰减系数来决定,二、X线-CT成像原理,测试到衰减后的X线值, 转换成CT值并传送到计算机.,CT影像形成 - “Matrix(矩阵)”,二、X线-CT成像原理,线方向上的衰减系数和值的测量,CT影像的像素如何计算出来？(1),二、X线-CT成像原理,通过线方向上的衰减系数和值， 来计算各像素的衰减系数值。,CT影像的像素如何计算出来？(2),直接矩阵求解法 逐次近似法(迭代法) 总和法(逆投影法) 卷积反投影法,二、X线-CT成像原理,
6、逐次近似法(迭代法),总和法(逆投影法),二、X线-CT成像原理,逆投影法会产生晕状效应,二、X线-CT成像原理,滤波后的剖面数据由下列公式得出：,滤波反投影法,二、X线-CT成像原理,滤波反投影法消除了晕状伪影,CT中最常用的成像计算方法就是：滤波反投影法,二、X线-CT成像原理,三、X线-CT的扫描方式,第一代CT,运动方式：平移+旋转,特点： 直线笔形扫描束 单一探测器 一次平移获得240个数据 每次旋转1度 共重复180次 检测一个层面4-5min,三、X线-CT的扫描方式,第二代CT,运动方式：平移+旋转,特点： 直线多路笔形扫描束 探测器3-52个 每次旋转3-30度 检测一个层面
7、20-120S,三、X线-CT的扫描方式,第三代CT,运动方式：旋转+旋转,特点： 扇形扫描束 连续或脉冲方式的X射线 环形阵列探测器300-800个 每次旋转360度 检测一个层面3-5S,第三代CT是目前临床上广泛应用的扫描方式,三、X线-CT的扫描方式,第四代CT,运动方式：静止+旋转,特点： 扇形扫描束 连续或脉冲方式的X射线 环形整圈探测器 探测器共600-1500个 球管每次旋转360度 检测一个层面1-5S,三、X线-CT的扫描方式,第五代CT,动态空间重现机DSR,特点： 14个球管排成半圆形160度 相对的有14个视频成像系统 荧光屏+电视摄像系统 使用电扫描方式控制球管依次
8、曝光 每10毫秒可采集14幅图像 1S内重复60次，可达840幅图像,Dynamic Spatial Reconstructor,三、X线-CT的扫描方式,第五代CT,超高速CT扫描机 (电子速CT),UFCT: Ultrafast CT Scanner EBIS: Electronic Beam Imaging System,4个紧挨的环状钨靶，半径90CM，围成210度 两排环形探测器阵列，半径67.5CM，围成210度 第一个环864个探测器，第二个环432个探测器,特点：,四、X线-CT的一些基本参数,CT值(Hounsfield值),以上便是相关组织的CT值， 单位为 Hounsfi
9、eld unit (HU),从公式得知: 水的CT值为0 空气为1000 其他组织的值是根据水的相对值计算出来的。,CT图像是灰度图像，所以 ，单位为HU。 若图像的宽度X，图像的高度Y，XY即为像素总和。,四、X线-CT的一些基本参数,CT图像的像素表示像素和像素值,数字图像是用点阵来表示的，点称为像素，点的亮度(灰度图像)或颜色(彩色图像)用像素值来表示：,灰度图像的像素表示,彩色图像的像素表示，RGB三元色,四、X线-CT的一些基本参数,那么，如何区别 CT值的差值较小的组织呢？,CT值的定义范围从 -1000 到 +3000, 但人眼仅能分辨30 - 40 级灰阶.,所以，窗口必须根据
10、 相关显象组织 来设置。,Lung Window肺窗,Mediastinum Window (纵隔窗/软组织窗),窗口技术窗位和窗宽,四、X线-CT的一些基本参数,Window width窗宽 (W):选择窗位的灰阶范围。,Window center窗位 (C):整个CT值范围内某一所选定的位置， 确定的图像显示则以该CT值为中心。,四、X线-CT的一些基本参数,Narrow Window Width窄窗宽,Broad Window Width宽窗宽,窄 窗宽: 适用于软组织部位,如脑和腹部。但窗宽以外的结构就不能正确的被反映出来。,宽 窗宽: 适用于对比度较大的部位，如肺和骨骼。密度差别较小
11、的组织不易显示。,四、X线-CT的一些基本参数,双窗技术,把两种CT值相差较大的组织在同一窗口中显示, 列如肺和纵隔(软组织)。,四、X线-CT的一些基本参数,双窗技术*,一幅图像上同时观测肺和纵隔。,*双窗不推荐用于诊断。,四、X线-CT的一些基本参数,Lung Window 肺窗,Mediastinum Window 纵隔窗,Double Window 双窗,Image 2: 仅观察肺,Image 1: 同时观察肺、胸腔和纵隔。,Image 3: 仅观察纵隔和 胸腔,四、X线-CT的一些基本参数,四、X线-CT的一些基本参数,分辨率,显示分辨率：包括显示器分辩率和胶片分辨率 空间分辨率(S
12、patial Resolution) 密度分辨率(Density Resolution),空间分辨率.,在 High Contrast情况下区分相邻 最小物体的能力, (又称 “High Contrast Resolution”),受系统几何因素影像， 决定影像清晰度。 常用多少线对/厘米，即LP/CM,四、X线-CT的一些基本参数,清晰度,扫描时间,重建算法,球管焦点尺寸,层厚,采样频率,清晰度(空间分辨率).,影像清晰度即物体周围相关组织的锐利度. 它受以下一些因素的影响:,低对比度情况下分辨物体微小差别的能力 (又称 “Low Contrast Resolution”),受影像清晰度 &
13、 噪声影响。,密度分辨率.,四、X线-CT的一些基本参数,噪声.,噪声,mAs,kV,重建算法,层厚,像素大小,操作方式,显示矩阵,“噪声” 受到达探测器并贡献给图像的x-ray线光子量影响. 它取决于:,我们在质量较差的电视机上可以看到重叠于图像上、有规律分布、小颗粒的现象即为噪声。CT图像中噪声的产生与射线的剂量，也就是到达探测器上光子数量的大小有关，射线剂量越大或光子数越多，噪声越小。均匀物体的影像中各象素的CT值参差不齐，使图像呈颗粒性，直接影响其密度分辨率，尤以低密度的可见度为甚，增加X线量可降低噪声。,噪声:可影响图像质量！,206 mA,60 mA,在软组织研究病例中, 用高mA
14、s来保持低噪声是非常重要的。越小的噪声越容易识别微小密度差别的组织结构。如在软组织为主的肝脏部位，需要提高扫描剂量，以能分辨肝脏内微小的病变；而在肺或内耳的检查中，可适当降低扫描条件，因为这些部位本身具有较高的对比度，少量的噪声不会影响诊断。,mAs(剂量)建议 .,管电压- kV,越高的电压越多的射线频谱转移到 高能量水平,最终减少辐射衰减. 这在骨和造影剂中是显而意见的.,140 kV,80 kV,边缘增强(HighRes-快速重建) 重建算法能产生好的边缘锐利度(空间分辨率), 同样也会产生高的 噪声水平, 而用平滑重建算法则产生低的噪声水平, 但边缘锐利度较差。作为常规诊断推荐用标准算
15、法.,重建算法,HighRes（快速重建) Algorithm,重建算法,软组织重建算法提供更好的低对比度分辨率(密度分辨率)。,3 mm Slice,10 mm Slice,层厚.,对于软组织来讲厚的层厚能提供低噪声、高密度分辨率的图像。,对于骨组织来讲薄层厚能提供更好的空间分辨率.,层厚.,层厚选择,层厚厚，意味:,层厚薄，意味:,选择适当层厚是边缘锐利度(空间分辨率)和噪声的平衡，因为他们相互制约。,低噪声 更好的密度分辨率 边缘锐利度(空间分辨率)较差 部分容积效应,高噪声 密度分辨率差 更好的边缘锐利度(空间分辨率) 无部分容积效应,四、X线-CT的一些基本参数,体素和像素,3236
16、,3236,四、X线-CT的一些基本参数,图像伪影 - 为什么会产生？,伪影：由于设备或病人所造成的、 原来物体中并不存在的影像。,运动,扫描系统误差,部分容积效应,线束硬化,金属,误操作,.,图像伪影 - 什么样？,图像伪影,纹状,直线状,条状,环状,运动伪影 & 扫描时间,运动伪影,严重,适中,短,长,扫描时间 (s),经验得知: 越短的扫描时间，发生运动伪影的概率越小.,运动伪影 & 校正,运动伪影可以用运动伪影重建算法 (MCA)进行补偿,金属伪影,金属, 列如黄金, 几乎完全吸收X线辐射, 应此产生 “放射状的阴影”, 从而在整个重建图像上导致显著的条装伪影。,可用倾斜机架角度避开或
17、扫描前去除病人体外随带的金属 物质，以及使扫描层面避开金属性物体。,部分容积效应,5 mm,条纹装伪影, 也称部分容积伪影, 经常发生在多骨组织结构.,这是因为高原子序数或吸收系数大的物体 (骨骼) 仅仅部分在被断层面里, resulting in high contrast errors.,1,2,3,1,2,3,5 mm,2 mm,选择薄的层厚能预防伪影的发生, 因为高对比度组织结构只有一小部分被包括；但同时却增加了噪声水平，等于损失了密度分辨率。,部分容积效应,VAR - 容积伪影减少,2 x 2 mm,结合几个薄的层厚 (减少部分容积伪影) 来形成厚的层厚 (减少像素噪声 并提供最佳密
18、度分辨率).,5 mm,射线束硬化效应,由X线球管发出的X射线束是具有不同能量的、连续的光谱，通过物体后光子能量的改变由该物质的衰减系数决定，而有效能转移到高端一值这一现象，称为 “线束硬化”. 在所看到的图像中表现为 条状 或 环状 伪影。,线束硬化 & 校正,“环状” 伪影可以用“线束硬化校正”补偿,w/o correction,w/ correction,严重的环状伪影,homogenuous CT values,扫描系统误差,由于环境、系统本身等种种原因，对相同强度的入射X线，探测器不可能始终输出同样的扫描信号。,当探测器输出错误信号甚至无信号，会导致图像中的“环状伪影”。,可通过每天
19、开机或连续几小时不工作后，作系统校正测量及其定期地作系统维护来防止，而一旦排除不了，须由维修工程师来解决 !,伪影 & 校正,伪影的原因各式各样， 我们所能做的是以相应的校正技术来防止伪影. 但有时伪影不能完全被补偿.,没有十全十美的东西.,But we keep on working to reduce them as much as possible!,CT 影像质量标准,CT 影像质量,空间分辨率,密度分辨率,伪影,影响CT图像质量?,用户,病人,机器,四、X线-CT的一些基本参数,装置参数,机架 床 高压发生器 控制台 计算机,从外表来看.,控制台,计算机,床,机架,高压发生器,五、X
20、线-CT的组成,第一台Siemens CT 扫描仪.,图像获取时间 7 分钟, 图像矩阵80x80 像素, 扫描野 25 cm , 空间分辨率 1,3 mm (4LP/cm)。,SIRETOM (in 1974),CT机架?,从内部看.,球管 探测器 DAS*,球管,探测器,DAS,* Data Acquisition System(数据获取系统),五、X线-CT的组成,额定功率、热容量要大得多 冷却装置采用高速旋转阳极(转速10000rpm以上)，以及油循环技术 目前CT中使用X线管的最大功率为100kW，最高热容量可达7.5MHu。 栅控式X线管使扫描时X线管间断的发射X射线，称为脉冲工作
21、方式。栅控式栅控阳极X线管(即在X线管靠近灯丝附近做一个专门的控制栅极) 管电压和管电流必须有足够的稳定度。CT扫描机中一般采用闭环反馈方法稳定X线管的电压和电流，使其误差控制在0.010.05范围内。,X线管,与X线机的X线球管相比,它具有灵敏度高、噪声小、线性好、工作频率范围宽、放大倍数高、光谱响应范围宽、稳定性好和工作电压范围宽等优点。 材料：早期的CT扫描机使用 NaI（Tl）晶体耦合光电倍增管。由于余辉问题和NaI(Tl)晶体的动态范围有限，其它一些晶体如氟化钙（CaF2）、锗酸铋（Bi4Ge3O12 , BGO）得到了应用。现在使用带有固态光电二极管放大器的闪烁晶体探测器。,探测器
22、,-闪烁探测器,氙探测器有很好的稳定性和短的响应时间，而且没有余辉问题。然而它们的转换效率要低于固态探测器，仅为35%45%。,探测器,-气体电离室探测器,DAS(Data Acquisition System),CT床及控制?,高压控制器,主要包括： KV控制板 MA控制板 显示面板 MA调整板 曝光控制板 旋转阳极启动板 高压油箱(变压器) 整流滤波电路 变频电路,操作控制台与计算机,操作控制台与计算机,CT真好!,但仍然存在很多问题.,六、螺旋X线-CT介绍,常规CT.,常规扫描方式的缺点： 1、需要较长的扫描时间 2、成像中会产生遗漏人体某些组织的情况 3、不能准确地重建三维图像和多方
23、位图像 4、使用造影剂扫描时，在造影剂的有效时间里，只扫描了有限的几个层面。,缓慢呼吸,由于不同层次呼吸而导致的漏诊。,常规CT存在的问题.,深呼吸,不能准确地重建三维图像和多方位图像。,层厚定位选择所引起的问题.,对不起, 因为不在层厚里面所以引起病变的遗漏.,一只老鼠.,2D 层厚,3D 容积,常规 vs. 螺旋 CT .,在扫描过程中，X线管连续地围绕受检者旋转，与此同时承托着受检者的病床匀速的向机架的扫描孔内推进(或匀速地离开扫描孔)，这样X射线束在受检者身上勾画出一条螺旋线轨迹，因此称之为螺旋CT。 螺旋线限定了人体组织的一段容积，所以这一技术也叫作容积扫描。,Continuousl
24、y rotating tube/detector system -球管/探测器连续旋转。 Continuous radiation-连续投照。 Continuous data acquisition-连续数据获取。 Continuous table feed-连续进床。,螺旋 CT = 容积扫描,何谓 4 “C”?,要实现螺旋扫描，完成连续的容积式数据采集，必须满足下列要求： 依靠滑环技术使X线管能连续地沿着一个方向转动； 病床能做同步匀速直线运动； 使用大功率、高热容量和散热率的X线管； 具有螺旋加权算法软件； 选用计算速度快、存储容量大的计算机系统。,实现螺旋 CT扫描的技术要求,滑环技术
25、?,螺旋CT的机架?,六、螺旋X线-CT介绍,病床能做同步匀速直线运动,大功率、高热容量和散热率的X线管,GE的球管,TOSHIBA的球管,螺旋扫描技术带给图像重建最突出的问题是原始数据采集的不对称现象。 常用的方法是利用螺旋CT扫描的原始投影数据进行内插，使用插值法来组合成需要成像层面的完整投影数据，然后再经滤波后反投影重建图像。,螺旋CT的加权算法.,*应此，原始数据的线性内插方式是螺旋CT扫描成像的关键。,线性内插方法,2 x 360 (2 full rotations) data acquisition is used for 1 image reconstruction. Both
26、are measured data. 360度收集原始投影数据，在卷积和后投影前不作修正。,成像参数,螺距: 机架旋转一周床运动的这段时间内， 运动和层面曝光的百分比。,Increment(重建间隔):被重建的相邻两层横断面 之间长轴方向的距离。 Determines degree of overlap between successive images(连续影像之间的重叠程度).,Increment = 5 mm,Increment = 3 mm,*slice = 10 mm,成像参数,重建间隔越小，影像重叠越多.,一次屏息完成扫描。 减少部分容积效应。 无间隙。 叠加影像任意重建无需额外投
27、照。 为3D重建提供高质量的数据。,螺旋CT的优势.,螺旋CT用于临床造影剂应用。 螺旋CT适用于身体所有部位检查。 对于小儿和外伤病人, 能快速完成扫描。 适用于大范围的解剖结构检查。,如果你打算进行3D 后处理 (e.g. CTA) 可常用螺旋!,什么时候使用螺旋CT?,七、多层螺旋X线-CT介绍,多层面螺旋扫描技术中，使用多排探测器阵列（其排数可以从几排到几十排）扫描轨迹是多根螺旋线。 X线管旋转一周可以同时获得四层数据，而且可以选择较薄的层厚，使获得的三维数据有更高的精度。,七、多层螺旋X线-CT介绍,单层螺旋CT与多层螺旋CT的比较,七、多层螺旋X线-CT介绍,以GE公司的Light Speed为代表。 它在Z轴方向有16排探测器，每排探测器是等宽的。 探测器的宽度相当于层厚为1.25mm。材料为稀土陶瓷。,多排探测器(1),七、多层螺旋X线-CT介绍,多排探测器(2),以西门子公司为代表。 Z轴方向有8排探测器，每排探测器的宽度不等，从中间向两边，其宽度分别相当于层厚为1、1.5、2.5、5mm。 材料为超速陶瓷材料。,七、多层螺旋X线-CT介绍,东芝公司的探测器 沿Z轴方向有30排，基本上也是等宽型的，只是靠近中央的4排为一半宽度0.5mm，其他的30排均为1mm等宽的探测器。,多排探测器(3),