核技术应用及进展(2成像技术)

1,核技术及应用 C T Computerized Tomography 计算机断层扫描成像,2,内容：,CT概述 CT的发展历史 核成像技术的基本原理 CT的优点和局限性 CT的分类 医学CT 工业CT,3,CT概述,CT“计算机断层扫描成像”（是计算 机与放射学结合的产物） Computerized Tomography 或Computed Tomography 其它名称和缩写符号：“计算机辅助成像”(CAT)；“重建成像”（RT）；“计算机断面成像”(CTT)；“计算机轴向断面成像”（CTAT）。 1974年5月，加拿大蒙特利尔召开的第一次国际专题讨论会上，将这种显像诊断技术正式统一为“CT”。,4,CT的发展历史,1895年11月，伦琴发现了X射线，并用X射线拍摄了一张他夫人的手的骨骼影像，开创了放射诊断的纪元。,5,CT的发展历史,1917年，奥地利数学家雷登（J.Radon）发现对二维或三维物体可以从各个方向上投影，利用数学计算方法能够得出重建图像，并提出了Radon变换，但由于理论需要大量数学运算而未被重视。 雷登图像重显理论，当时应用于无线电天文学的图像重显中。,6,CT的发展历史,1956年，天文学家用图像重显理论处理了从太阳发射来的微波吸收信息，并得到了这些数据所描绘的太阳图。 1956年，提出了一个类似“描绘太阳图”的问题：如何从人体某段的射线投影图得到该人体段的图像重显？,7,CT的发展历史,1961年，无线电天文学家欧顿道尔夫用他称为“旋转-迁移”法实现了最早的图像重显。,8,CT的发展历史,1963年，柯尔马克进一步发展了投影重显图像的准确数学方法，提出用断层多方向投影重建图像的计算方法。 1967年，杭斯菲尔德制成了第一台可用于临床的计算机X射线断层摄影机。 1970年，杭斯菲尔德开始了头部扫描CT的设计。 1971年9月，第一台头扫描CT机安装在英国的一所医院中， 10月4日，第一个病人接受了CT扫描。 1974年，莱得利研制成功了全人体扫描CT，并安装在美国乔治镇大学医疗中心。,9,CT的发展历史,CT最引人注目的应用是在医学诊断领域。 70年代中后期，早期的工业检测，曾直接利用医用CT扫描设备进行石油岩芯、碳复合材料及轻金属结构等低密度试件的检测（医用CT对人体检测可以提供高质量的图像，但不适用于检测大尺寸高密度物体）。 80年代初期，美国军方首先提出制造检测大型火箭发动机或小型精密铸件的CT设备。,10,CT的发展历史,1981年10月，在美国莱特-派特森空军基地的资助下，美国ARACOR和喷气战略推进公司共同研制出用于导弹和固体火箭发动机部件检测的工业CT系统。 1983年3月，安装了第一套系统（420kV、1m），它是世界上第一台严格用于无损检测并在用户现场安装的工业CT。 1985年2月，安装了第二套系统（16MeV直线加速器），可检测直径2.4m，长5.1m，重达50t的物体。,11,CT的发展历史,进入90年代，工业CT发展迅速，目前其作为一种实用化的无损检测手段，广泛应用于航天、航空、军事、核能、石油、电子、机械、新材料研究、海关及考古等领域。 我国从80年代初期开始研究CT技术。 1987年和1990年清华大学分别对射线CT和XCT装置进行了研究。 1993年以后，重庆大学、中科院高能所等单位陆续研制出了射线源工业CT装置。,12,核成像技术的基本原理,物理基础,射线和X射线的基本性质 射线和X射线都是一种电磁波，是一种光子，差别在于产生的方式不同。 射线常伴随射线和射线一起产生，是原子核从激发态跃迁至基态时放出的电磁辐射。 X射线是原子内层轨道电子退激过程或高能电子的韧致辐射所发出的电磁辐射。 射线和X射线同光速，波长短，频率高。,13,核成像技术的基本原理,物理基础,（X）通过物质时的吸收,射线通过物质时可与物质原子发生光电效应、康普顿散射和电子对效应。通过这三种作用，射线通过物质时, 部分被吸收。 以上三种效应中，对于低能射线和Z高的吸收物质, 光电效应占优势；对于中能射线和Z低的吸收物质, 康普顿散射占优势；对于高能射线和Z高的吸收物质, 光电效应占优势。,14,核成像技术的基本原理,CT基本原理,核成象技术的共同原理：利用与核有关的物理量在被测对象中的衰减规律或分布情况，获得物体内部的详尽信息，通过电子计算机对这些信息作快速处理，最终重建被测物的内部图象。 它们的数据获取部分，从物理原理到具体结构均可相距甚远；但它们的数据处理部分。则都基于计算机信息处理和图象重建技术。,15,CT的优点和局限性,CT的优点,能够显示真正的断面图像。 获得的图像清晰，而且密度分辨率高。 可做定量分析 可利用计算机作各种图像处理 操作简单、安全，而且对工件无破坏。医用CT对病人的照射在安全的允许范围内。,16,CT的优点和局限性,CT的局限性,有些病变不适合用CT检查，或者不易被CT发现。 直观看到病灶的外形轮廓和范围，但是看不到成分或者生物和化学结构。 造价高，针对性强。例如工业CT检查的对象千差万别，所以有不同标准和用途的工业CT。,17,CT的分类按应用领域,医学CT (MCT) 工业CT (ICT) 地球物理(GCT),18,CT的分类按应用领域,医学CT 和工业CT的比较 每一代医用CT的出现，都与缩短获取图像时间的努力有关；工业CT虽然也把扫描时间看作重要的技术指标，然而更关注提高空间分辨力或密度分辨力。 工业CT应用中的X射线能量通常高于医用，从数十到数百千伏，工业CT通常采用恒压X射线管，较少采用医用的脉冲式X射线管。 结构上，现代医用CT都是保持病人静止，因而都有相当庞大的装有复杂机电设备的运动部件；而工业CT都是使射线源及探测器系统保持静止或作少量移动，由被测工件作必要的扫描运动。,19,X射线断层扫描(XCT) 射线断层扫描(-CT) 核磁共振CT(NMR-CT) 康普顿散射CT(CST) 穆斯堡尔效应CT(MET) 发射型CT（ECTEmission CT) a.正电子发射CT(PETPositron Emission CT) b.单光子发射CT(SPECTSingle Photon Emission CT),CT的分类按技术类型,20,医学CT,原理,CT能取得人体任一断层的剖面图像； 类型繁多，结构复杂； 基本组成部分类似，如图像的显示和处理、提高成像运算能力等过程几乎完全相同。,21,医学CT,原理（头部X射线CT）,横向断面图各像点用x、y两个坐标值表示，平面图常称为“二维图像”； 通过测量不同位置的射线投影值，再经数学计算实现重建原图像。,22,医学CT,原理（头部X射线CT）,X射线管和相应位置的检测器以同样的速度（“同步”）逐点平行移动时，便可以得到某一方向的投影数据（图a）； 然后把X线源和检测器组以体轴为中心旋转一角度，得到另一组投影数据。反复进行同样的操作，得到各个角度上的投影数据。,23,医学CT,将断面按X光管（探测器）相隔的点距，划分为相等间隔的若干小格，每格对于X射线的衰减值，设为ui； 解方程即可 解出物体各 个部分的衰 减系数，从 而建立断面 图像。,原理（头部X射线CT）,24,医学CT,原理（头部X射线CT）,完成一个断层成像后，使探测器和放射源相对头部移动（Z轴），可得一系列断面图像，则可构成一个完整的头颅立体图。,Z,25,医学CT,类别及特点,X线CT、正电子CT、单光子CT、质子CT、超声CT、微波CT、核磁共振CT。 从探测数据获取方法的类别来划分：透射方法（普通CT）、放射方法（ECT）、核磁共振方法（NMR-CT）。 三种方法中最具典型意义的代表形式XCT、PECT（正电子发射CT）、NMR-CT。,26,医学CT,类别及特点,透射法 将放射源置于受检体一侧，而探测器置于另一侧。射线通过受检体时受到衰减，衰减值反映射线经过透射路径时被吸收的状况，显然其数值决定了相应路径组织的构成。 各种XCT装置都是采用透射法。,27,医学CT,类别及特点,放射法 将同位素等放射源，采用注射等方法置于受检体内，它所释放的正电子与体内存在的电子符合作用，向相反方向射出两束射线，分别由周围相对的检测器接收。 周围的检测器至少有两只，通过它们作圆周移动，可获得所取断面层的完整数据。 相机属于放射法,28,医学CT,类别及特点,核磁共振方法 人体内存在大量氢原子核，其具有固定的磁特性。 当人体位于强磁场时，氢核便按磁场方向进行排列。 如用一高频电信号形成附加磁场，则可使氢核偏离原排列方向。 若突然再切断这个电信号，那么氢核又趋于原排列方向，与此同时，他们发出一种很弱的、具有特征频率的信号。利用此信号成像。,29,医学CT,类别及特点,广泛使用的XCT 目前，在全世界临床使用的CT中，大多数都是XCT。 按普及程度，美国、加拿大、日本、英国及欧洲各国。 约有数十家厂商在从事生产。,30,医学CT,类别及特点,XCT原理 X射线透射过受检体后，由于被吸收使射线强度减弱。减弱的程度就是衰减系数。 吸收系数u与人体不同部位组织有关。x、y是断面不同位置的坐标。 由X射线源和检测器组成的扫描测量系统，取得大量投影值送入电子计算机进行图像重建。,31,医学CT,类别及特点,XCT的扫描方式 移动-旋转方式(T-R) 第一种（第一代CT）: X光管和检测器处于受检体两侧，以笔状射线束的形式透过受检体，并由检测器接受。,源和探测器等间隔平行移动，每步进一次获取一个投影数据。 移动全程后（b图），源和探测器相对受检体作小角度旋转，重复上述操作，直到全部旋转180°结束。 X射线散焦影响小，但扫描时间较长（35分），用于颅脑。,32,医学CT,类别及特点,XCT的扫描方式 移动-旋转方式(T-R) 第二种（第二代CT） : 用窄扇束（张角35°）代替笔状束。 检测器增加630个。,这种结构使移动和旋转次数均可减少。 扫描全身仅需2060秒，图像质量显著提高。 可用于头颅和全身检测。,33,医学CT,类别及特点,XCT的扫描方式 旋转-旋转方式(R-R)（第三代CT） 用扇状线（3040°）扫描，张角覆盖全部受检体。 检测器排列密集，约数十个。 每次扫描结束，源和探测器围绕受检体旋转一角度，再重复扫描，直到360°全部旋转。,每次扫描，辐射时间极短；可获得数百组各方向的投影值。 比T-R方式可靠性高，全身扫描时间可缩短410秒。 目前，临床应用较普遍。,34,医学CT,类别及特点,XCT的扫描方式 固定-旋转方式(S-R)（第四代） 受检体由密集排列的检测器环绕，数目数百只，可达千余只。 扇形射线束略宽于受检体尺寸（3060°）。,进行扫描时，只有X光管在探测器内作360°的旋转。 扫描时间更短，25秒，最快达1.5秒 控制简便，有效检测范围大、可靠性高。,35,医学CT,类别及特点,XCT的扫描方式,四代XCT的异同,36,医学CT,类别及特点,XCT的扫描方式 第五代CT 具有实时性能观察器官的运动状况，是将快速摄取的瞬态静止图像，依次连续显示，使活动过程再现。,37,医学CT,类别及特点,ECT（放射型CT） 医院中已广泛采用的同位素扫描技术的发展。 与通常CT的不同之处是射线源在成像体的内部。,ECT成像是先让人体接受某种放射性药物，这些药物聚集在人体某个脏器中或参与体内某种代谢过程，再对脏器组织中的放射性核素的浓度分布和代谢进行成像。因此，利用ECT不仅可得人体脏器的解剖图像，还可得到生理、生化、病理过程及功能图像。,38,医学CT,类别及特点,ECT（同位素选择） 同位素原子核内质子数相同，中子数不等，而在元素周期表中占据同一位置的元素。 已知自然元素107种，它们的同位素共有1500种左右。 同位素可划分为稳定型和放射型两大类。 放射型又按衰变时间的长短划分出短寿命同位素。 从健康角度考虑，人体诊断