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CT基本原理与概述陈瑞权 CT COMPUTEDTOMOGRAPHY 以X线束对体部某一选定体层层面进行扫描 测定透过的X线量 数字化后经过计算得出该层面各个单位容积的吸收系数 然后重建图像的一种成像技术 CT的组成CT成像原理CT的发展过程 CT机的组成 X线发生装置X线检测接收装置机械运动装置计算机设备图像显示及存储装置工作站 X线发生装置 高压发生器X线管冷却系统准直器 调节层厚 减少辐射剂量 改善CT图像质量滤过器 吸收低能量X线 优化射线能谱 减少辐射剂量 X线检测接收装置 探测器数据采集系统DAS 探测器 作用 将X射线能转换为可供记录的电信号的装置 通过测量它接受的X射线量 然后产生与X射线量成正比的电信号 类型 气体探测器 惰性气体 氙气电离 量子探测效率低 低端使用固体探测器 X射线照射闪烁晶体使之瞬间发光 利用光电倍增管将这种闪烁晶体转换为电信号 再用电子线路和器件将它们放大并存储下来 几何利用率在50 80 闪烁晶体探测器 铊激活碘化钠晶体 铊激活碘化铯晶体 钨酸镉晶体 和稀土陶瓷探测器 宝石探测器 宝石加稀有元素 GE 光子计数探测器 数据采集系统DAS 模数转换器是CT数据采集系统 DataAcquisitionSystem DAS 的主要组成部分 CT最初探测到的是连续的随时间而变的模拟信号 可由电压表读取或由示波器显示 但无法被计算机识别 模数转换器将来自探测器的输出信号放大 积分后多路混合变为数字信号送入计算机处理 机械运动装置 扫描机架滑环扫描床 扫描机架 机架与检查床相垂直 机架内装有成像系统组件 滑环 X线管 高压发生器 准直器 探测器和数据采集系统等 机架孔径和倾斜范围在应用中较为重要 孔径 机架开口大小 多为70cm 最大80cm 机架须能倾斜 以适应不同患者情况和各种检查的需要 倾角 最大 30 滑环 含义 CT扫描机架中去掉电缆 代以铜制滑环和导电碳刷 通过碳刷和滑环的接触导电 使机架作单向连续旋转 即滑环技术 结构形状 盘状滑环 圆盘状 导通部分设在盘面上 筒状滑环 圆筒状 导通部分位于圆筒侧面 III 传导方式 低压滑环 大多数厂家都采用 高压滑环 易高压放电导致高压噪声 扫描床 作用 运载患者 扫描定位 要求 承重 确保特殊体型患者的检查需要床面材料 由易被X线穿透 能承重和易清洗的碳素纤维组成驱动 磁悬浮气垫老式皮带 床纵向移动要求 平滑 精度高 绝对误差 0 5mm 高档机 0 25mm 与X线束射出同向位置上有定位光源 准确定位 计算机设备 1 主计算机 接收DAS的数字信号并处理重建成横断面的图像 2 图像重建计算机 阵列处理器 在主计算机控制下 进行图像重建等处理 图像显示及储存部分 1 监视器作用 通过键盘与计算机对话 包括患者资料的输入 扫描过程的监控等 和图像显示 2 存储器 硬磁盘 磁带 软盘和光盘等功能 存储图像 保存操作系统及故障诊断软件扫描原始数据存储于硬盘缓冲区 重建图像存入硬盘的图像存储区 磁带 光盘等存取图像通过硬盘作中介 CT图像的矩阵5122 一幅512 512字节的CT图像约需0 5MB的存储空间 工作站 工作站系统规模比微型机大 由于微型机 PC机 的硬件功能增强 图形图像处理软件 市场上许多基于微机的医学三维图像处理的计算机 也称作工作站 以表示功能强大 CT成像的基本原理 x 线球管 x 射线 探测器 检查物体 CT数据采集 从不同投影方向获得扫描数据X线管围绕被检体旋转 X线按特定方式通过被检体横断面 探测器接收穿过人体的射线衰减信号送给计算机处理 经计算机重建处理形成被检体横断面图像 X线管 准直器 人体 准直器 探测器 A D转换器 计算机重建 D A转换器 监视器CT图像 激光打印机 CT照片 多幅相机 CT照片 采集信息系统 影像信息产生经过部件及传递的过程 成像原理 CT图像 原始数据 由物理学的吸收定律 朗伯定律 可知 当一单色线束通过一密度均匀的小物体时 其能量因与物质的原子相互作用而减弱 减弱的程度与物质的厚度和组成成分或吸收系数有关 可用下式表达 I IOe dIO 入射的X射线强度 I 穿过均匀密度物体后的X射线强度 物质对该波长的线性衰减系数 d 穿过均匀密度物体的路径长度 e 自然对数底 在X射线穿过的路径上 如果已知d IO In 则物体的衰减系数总和是可以计算出来的 这必须作出多方向投影 建立多个联立方程式 才能算出所有的衰减系数值来 CT采用横断面层面采样 形成图像的每一个像素衰减值都被单独与源射线比较计算 在重建时依照对应的像素位置和像素点不同的衰减值 使原组织密度一一还原 CT图像的重建过程 就是求每个小单元衰减系数的过程 X线方向上衰减系数 值总和的测量 CT影像的像素计算 图像形成的重建阶段CT图像产生的第二个阶段就是图像重建阶段 这主要由阵列处理机进行处理 人体的每个体积元用一个象素来表示 每个象素用一个CT值来表示 滤波 反投影 球管 体部 探测器 数据处理过程 图像重建方法 1 在2009年北美放射年会后 高端CT推出新的图像重建方法 迭代重建 迭代重建技术 IR 克服了滤波反投影 FBP 由于算法简单导致图像对噪声比较敏感和需要抑制伪影从而影响图像质量的弊端 一般可降低辐射剂量30 70 耗时 对计算机要求高2 各公司迭代重建算法名称 GE 自适应统计迭代重建 ASIR 和基于模型的迭代重建 MBIR 西门子 图像空间迭代重建 IRIS 和原始数据迭代重建 SAFIRE 东芝 自适应低剂量迭代重建 ADIR Philips 基于双模式迭代重建 iDose4 CT成像的相关概念体素与像素 1 体素 voxel 为体积单位 CT扫描中 根据断层设置的厚度 矩阵的大小 能被CT扫描的最小体积单位 体素有三要素 即长 宽 高 通常CT中体素的长和宽都为1mm 高度或深度则根据层厚可分别为10 5 3 2 1mm等2 像素 pixel 又称像元构成CT图像最小的单位 与体素相对应 体素的大小在CT图像上的表现 即为像素 像素 组成二维矩阵图像的最小信息点像素是二维空间面积 长 宽大小与矩阵和FOV相关体素 组成层面图像的最小信息源体素是三维空间体积 长 宽 高 层厚 大小与矩阵 FOV和扫描层厚相关 矩阵 matrix 像素以二维方式排列的阵列 它与重建后图像的质量有关相同大小的采样野 矩阵越大 像素越多 重建后图像质量越高常用矩阵 5122和10242CT图像重建后用于显示的矩阵称为显示矩阵 通常为保证图像显示的质量 显示矩阵往往是等于或大于采集矩阵 窗口技术 窗宽 窗位在图像显示技术中称窗口技术 利用CT计算机灰阶的软件功能调节窗值适当显示兴趣区组织 适应人眼视觉灰阶范围的一种技术 窗位 L或C 整个CT值范围内某一选定位置 图像显示以该CT值为中心 窗宽 W 选定窗位的灰阶范围窗口技术抑制或去除噪声和无用信息 增强显示有用信息 但不能增加CT图像信息窗宽决定图像CT值的变化跨度 窗位则决定观察变化的区域 如果图像的是12位深度则它的跨度为4096 即从 1024到 3071 一般当两个像素的灰阶相差60H时 人眼才能分辨出 为弥补人眼的不足 采用窗口技术 高于上限设定为全白 低于下限设定为全黑 这就增强了局部范围内不同CT值之间的对比度 不同的窗口条件下 显示人体的同一部位的图像效果C W 2 C W 2 窗口技术的调节原则 1 宽窗宽 400 2000HU 用于组织密度差别较大的部位 如肺和骨骼体部扫描 为显示脂肪 肌肉等软组织 采用窗宽350 600照相骨窗采用窗宽 1000 2000 2 窄窗宽 50 350HU 用来区分组织密度较接近的图像 如脑和腹部颅脑图像的白质和灰质采用窗宽 80 100显示肝内高密度转移灶采用窗宽 100 250 3 窗位的设定 应取所需观察部位的平均值体部软组织的窗位 0 60肌肉和内脏器官增强扫描的窗位 60 150肺部的窗位 300 550 重建 reconstruction 原始扫描数据经计算机采用特定算法处理 获得图像 称为重建或图像重建 重组 reformation 重组是不涉及原始数据处理的一种图像处理方法 如多平面图像重组 三维图像处理等目前CT的三维图像处理是在横断面图像的基础上 重新组合或构筑形成三维影像重组图像质量与已形成的横断面图像有密切关系 尤其是层厚的大小和数目一般 扫描层厚越薄 图像数目越多 重组效果越好 卷积核 重建函数 影响图像的分辨率和噪声 对骨骼的细节感兴趣 可以用高空间分辨率的重建函数 强化边缘轮廓 但噪声大 对软组织的差异感兴趣 可以用平滑柔和的高密度分辨率的重建函数 噪声小 图像的过滤和重建 噪声小 密度分辨率也低 图像的过滤和重建 噪声大 密度分辨率也高 图像的过滤和重建 在图像的锐利和噪声间达到平衡 伪影 重建CT值与真实CT值间的系统差异 混淆伪影 截断伪影 风车伪影 部分容积效应伪影 射线硬化效应伪影 环形伪影 阶梯伪影 锥形线束伪影原因 X射线是非单能的散射线问题探测器和数据系统的非线性物体的运动测量误差焦点外辐射扫描物体金属存在X线量不足机架未对准扫描采样不足部分容积效应球管焦点漂移机械稳定性球管转子颤抖等 部分容积效应 CT图像上各个像素的数值代表相应单位体积各组织CT值的平均数 它不能如实反映该组织内各个组织本身的CT值 而是这些组织衰减系数的平均值 扫描中 凡小于层厚的病变高密度组织中较小的低密度病灶 其CT值偏高低密度组织中较小的高密度病灶 其CT值偏低校正方法 薄层扫描选用窄的X射线束角度选用小的DFOV和大的扫描矩阵 39 螺距 准直宽 螺距 准直螺距和层厚螺距 准直螺距和层厚螺距是4层螺旋CT出现后的不同计算方法 准直螺距 螺距因子 扫描时准直器打开的宽度除以所用探测器阵列的总宽度 不考虑探测器的排数和宽度 如Siemens16层CT每排探测器宽度0 75mm 当旋转一周床移动12mm 16排探测器全使用 此时准直螺距为1 16X0 75mm 12mm 12mm 12mm 1 层厚螺距 容积螺距 扫描时准直器打开的宽度 机架旋转一周扫描床移动的距离 除以扫描时所用探测器的宽度 并且乘以所使用探测器阵列的排数 着重体现扫描时所使用探测器的排数 如4层螺旋CT使用2排5mm探测器 床移动10mm 准则射线束宽度为10mm 层厚螺距为2 10mm 10mm 1 1X2 2 层和排 层 slice 和排 detector row 是两个完全不同的概念 排 CT探测器在Z轴方向的物理排列数目 即有多少排探测器 是CT的硬性结构性参数 层 CT数据采集系统 DAS 同步获得图像的能力 即同步采集图像的DAS通道数目或机架旋转时同步采集的图像层数 是CT的功能性参数 决定同步多层采集图像的能力 代表DAS通道数目 CT技术发展终将突破层和排的概念 但现阶段层更能精确的评价机器的性能 空间分辨力 又称几何分辨力或高对比度分辨力 HCR 指在高对比度 目标和背景CT值差值大于100H 情况下识别两个相邻物体的最小距离 即显示最小体积病灶或结构的能力 纵向分辨率是HCR在z轴方向的延伸 影响因素有效探测器尺寸 制约HCR的根本 孔径大 HCR低 像素点 FOV 矩阵 升高 HCR降低 层厚大 HCR降低 噪声少 采样间隔增大 HCR降低 卷积函数形式 提高算法可以提高HCR 密度分辨率 又称低对比度分辨率 指低对比度情况下 对比度小于1 分辨物体微小差别的能力 通常以mm 为单位影响因素噪声越大 密度分辨率越小 曝光条件高 光通量大 噪声小 密度分辨率大 增加扫描层厚 光通量大 密度分辨率大 选择平滑重建函数 减少噪声 密度分辨率大 纵向分辨率 Z轴分辨率 扫描床移动方向或人体长轴方向的图像分辨率 即扫描的有效层厚 表示了CT机多平面和三维成像的能力 优劣主要涉及与人体长轴方向相关的图像质量 如冠状或矢状的多平面图像重组 4层螺旋CT纵向分辨率约1 0mm 16层螺旋CT纵向分辨率0 6mm 64层纵向分辨率0 4mm影响因素小焦点时精确性好螺距检查床的步进速度共轭采集 扫描时快速改变探测器和球管位置 采集180和360的扫描数据 和飞焦点采集 扫描时焦点在两个点间快速变化 得到双倍采集数据 时间分辨率 CT设备从采集到可以重建出一层完整图像数据所需的时间 表示CT的动态扫描功能 目前的成像技术中 形成一层完整的图像 至少需要机架旋转180度所采集的数据 因此 时间分辨率可以认为等同机架转速的一半 单扇区时间分辨率 提高时间分辨率的途径一是增加探测器宽度 就是增加一次机架旋转的人体Z轴覆盖率 第二个就是增加机架旋转速度 CT的扫描方式 定位片前后位 侧位轴位扫描扫描 进床移动 再扫描 进床移动螺旋扫描扫描和进床移动同时进行 定位片扫描 X线球管和探测器静止检查床移动扫描 成像用于扫描前定位 轴位扫描 X线和探测器360度旋转检查床静止扫描得到横断位的图像床进到下一个位置再扫描 螺旋扫描 X线球管和探测器360度旋转检查床同时进床移动扫描得到容积成像 图像质量的改进1972 2000 1972年 2000年 CT发展历程 第一代 平移 旋转扫描式 笔形扫描线束 时长伪影大第二代 平移 旋转扫描式 扇形线束 射线利用率低第三代 旋转 旋转扫描式 较宽的扇形角第四代 旋转 静止扫描式 扇形线束角度大 对散射线及其敏感第五代 电子束X射线管 对射线源要求比较高螺旋CT SSCT 对整个容积进行快速连续扫描多层螺旋CT机 MSCT 探测器呈弧面排列后64层CT 10mm 20mm 24mm 28mm 32mm 40mm 160mm 分辨率 层厚 10mm 5mm 2 5mm 1 25mm 0 625mm 0 25mm 黄金分割点 提升扫描覆盖范围 扩大覆盖范围 提升扫描速度 增强临床功能 8层螺旋CT 2001 16层螺旋CT 2002 64层 双源螺旋CT 2004 2008 320层容积CT 1993 东芝 AquilionOne320层容积CT 320 x0 5mm探测器单元 2010年升级为640层 探测器不变 通过扫描时z轴上通道的动态偏置达到双倍采样的目的 获得双倍640层图像 探测器宽度大带来锥形线束伪影和图像质量下降Z轴16cm的覆盖范围 球管旋转一次可以获得0 5mm层厚的各向同性信息 器官容积灌注和运动功能成像350msec的机架旋转速度 Philips 256层Brilliance极速iCT 128X0 625mm球面探测器 纳米平板探测器 消除X Y Z的散射线 减少伪影 提高图像清晰度 采用动态四焦点 共轭采集技术 通过Z轴双倍采样 获得256层图像数据扫描机架旋转部分采用了空气轴承技术 达到0 27msec的机架旋转速度 GE DiscoveryHD750宝石CT 64 0 625mm宝石探测器 缩短了探测器的响应时间和余辉时间 采用动态变焦球管 瞬间变能高压发生器系统 使曝光的同时产生两种电压的变化 产生高低不同的辐射能 达到单能谱功能成像西门子 SOMATOMDefinitionFlashStellar光子CT双球管双探测器 能谱分析 83ms时间分辨率 0 27msec的机架旋转速度 stellar光子探测器 低剂量高清晰 采集速度快 43cm s 心脏0 25s 全身4s 多能谱CT成像利用物质在不同X射线能量下产生的不同的吸收来提供比常规CT更多的影像信息 序列扫描成像技术 CT成像系统不发生改变 采用两次旋转扫描成像 一次采用高kVp 如140kVp 的X射线 一次采用低kVp 如80kVp 的X射线 两次成像数据在图像数据空间匹配 进行双能减影 双球管双能量成像技术 两套球管和探测器 同时产生X射线 一个高kVp的X射线 一个低kVp的X射线 两套系统分别独立采集数据信息 并在图像空间匹配 进行双能减影分析 通常使用最低电压 80kVp 和最高电压 140kVp 来达到最大能量分离以最大限度地区分不同的物质 单源瞬时kVp切换技术 通过使用单一球管中高低双能 80kVp和140kVp 的瞬时切换 0 5ms的能量时间分辨率 产生时空上完全匹配的双能数据 实现数据空间能谱解析 双层探测器技术 每一层探测器仅对一定能量的X射线光子产生激发作用 两块探测器之间用滤片将射线整形以减少低能量和高能量射线的能量重叠区 并被分别探测 从而得到高 低能投影数据并进行双能CT重建 光子计数技术 光子计数探测器具有能量值分辨能力 可以探测X射线中光子的能量 将具有较宽能谱的X射线分成各个能区进行计数 然后依据统计出的能量信息解析出不同的单能量图像