医学图像处理-医学影像成像原理课件

医学影像成像原理,3.1 X线成像原理 3.2 X-CT成像原理 3.3 MRI成像原理 3.4 超声波成像原理 3.5 核医学设备成像基本原理,3.1 X线成像原理,X线的本质：电磁辐射 常用X线诊断设备： X线机、数字X线摄影设备（DSA、CR、DR）和X线计算机体层（ X线CT）等。 3.1.1 X线的特征 3.1.2 X射线成像原理 3.1.3 计算机X线摄影（CR） 3.1.4 直接数字化X线摄影系统（DR）,3.1.1 X线的特征,X射线在电磁辐射中的特点属于高频率、波长短的射线 X射线的频率约在3×10163×1020 Hz之间，波长约在1010-3nm之间 X线诊断常用的X线波长范围为0.0080.031nm,3.1.1 X线的特征,3.1.1 X线的特征,1. X射线的波粒二象性 X射线同时具有波动性和微粒性，统称为波粒二象性 。 X射线在传播时，它的波动性占主导地位，具有频率和波长，且有干涉、衍射等现象发生。 X射线在与物质相互作用时，它的粒子特性占主导地位，具有质量、能量和动量。,3.1.1 X线的特征,2. X射线与物质间的相互作用 （1）X射线的穿透作用。 其贯穿本领的强弱与物质的性质有关,3.1.1 X线的特征,2. X射线与物质间的相互作用 （2）X射线的荧光作用。 X射线是肉眼看不见的，但当它照射某些物质时，如磷、铂氰化钡、硫化锌、钨酸钙等，能够使这些物质的原子处于激发态，当它们回到基态时就能够发出荧光，这类物质称荧光物质。 医学中透视用的荧光屏、X射线摄影用的增感屏、影像增强器中的输入屏和输出屏都是利用荧光特性做成的。 （3）X射线的电离作用。 X射线虽然不带电，但具有足够能量的X光子能够撞击原子中轨道电子，使之脱离原子产生一次电离。 电离作用也是X射线损伤和治疗的基础。,3.1.1 X线的特征,2. X射线与物质间的相互作用 （4）X射线的热作用。 X射线被物质吸收，绝大部分最终都将变为热能，使物体温升。 （5）X射线的化学效应。 X射线能使多种物质发生光化学反应。例如，X射线能使照相底片感光。 （6）X射线的生物效应。 生物组织经一定量的X射线照射，会产生电离和激发，使细胞受到损伤、抑制、死亡或通过遗传变异影响下一代，这种现象称为X射线的生物效应。这个特性可充分应用在肿瘤放射治疗中。,3.1. 2 X射线成像原理,当高速带电粒子撞击物质受阻而突然减速时，能够产生X 射线。医学影像诊断所用的X线产生设备是X线管（X-ray tube，球管）。 1X射线的产生 X射线的产生需要的基本条件是： （1）有高速运动的电子流； （2）有阻碍带电粒子流运动的障碍物（靶），用来阻止电子的运动，可以将电子的动能转变为X射线光子的能量。,3.1. 2 X射线成像原理,X射线的产生装置主要包括三部分：X射线管、高压电源及低压电源，如图3.2所示。,3.1. 2 X射线成像原理,2. X射线人体成像 使用X射线对人体进行照射，并对透过人体的X射线信息进行采集、转换，并使之成为可见的影像，即为X射线人体成像。 （1）X射线影像的形成 当一束强度大致均匀的X射线投照到人体上时，X 射线一部分被吸收和散射，另一部分透过人体沿原方向传播。由于人体各种组织、器官在密度、厚度等方面存在差异，对投照在其上的X射线的吸收量各不相同，从而使透过人体的X射线强度分布发生变化并携带人体信息，最终形成X射线信息影像。X射线信息影像不能为人眼识别，须通过一定的采集、转换、显示系统将X射线强度分布转换成可见光的强度分布，形成人眼可见的X 射线影像。,3.1. 2 X射线成像原理, 人体不同密度组织与X线成像的关系,3.1. 2 X射线成像原理, 人体不同厚度组织与X线成像的关系,密度和厚度的差别是产生影像对比的基础，是X线成像的基本条件,3.1. 2 X射线成像原理,2. X射线人体成像 （2）X射线的采集与显示 医用X 射线胶片与增感屏 医用X射线胶片的主要特性是感光，即接受光照并产生化学反应，形成潜影（latent image）。 经过对有潜影的胶片处理（暗室处理：显影、定影等）。使胶片上的潜影转变为可见的不同灰度（gray）分布像。胶片感光层中的卤化银还原成金属银残留在胶片上，形成由金属银颗粒组成的黑色影像。人体组织的物质密度高，则吸收X射线多，在X射线照片上呈白影；反之，如果组织的物质密度低，则吸收X射线少，在X射线照片上呈黑影。,3.1. 2 X射线成像原理,2. X射线人体成像 （2）X射线的采集与显示 医用X 射线胶片与增感屏 医用X射线增感屏为荧光增感屏，其增感原理为增感屏上的荧光物质受到X射线激发后，发出易被胶片所接收的荧光，从而增强对X 射线胶片的感光作用。 主要目的是：在实际X 射线摄影中，仅有不到10%的X射线光子能直接被胶片吸收形成潜影，绝大部分X射线光子穿透胶片，得不到有效的利用。因此需要利用一种增感方法来增加X射线对胶片的曝光，以缩短摄影时间，降低X射线的辐射剂量。常采用的增感措施是在暗盒中将胶片夹在两片增感屏（intensifying screen）之间，然后进行曝光。,3.1. 2 X射线成像原理,2. X射线人体成像 （2）X射线的采集与显示 X射线电视系统 X射线电视系统主要包括X射线影像增强器、光学图像分配系统、含有摄像机与监视器的闭路视频系统与辅助电子设备。 X射线影像增强管是影像增强器的核心部件。,3.1.3 计算机X线摄影（CR）,计算机X线摄影（Computed Radiography，CR）是将X线透过人体后的信息记录在成像板（Image Plate，IP）上，经读取装置读取后，由计算机以数字化图像信息的形式储存，再经过数字/模拟（D/A）转换器将数字化信息转换成图像的组织密度（灰度）信息，最后在荧光屏上显示。其中，成像板是CR 成像技术的关键。,3.1.3 计算机X线摄影（CR）,1. 成像板（IP） 成像板（IP）是使用一种含有微量素铕（Eu2+）的钡氟溴化合物结晶制作而成能够采集（记录）影像信息的载体，可以代替X线胶片并重复使用2-3万次。 当透过人体的X线照射到IP板上时可以使IP板感光并形成潜影以记录X线影像信息。 成像板的构造： （1）表面保护层。 （2）辉尽性荧光体层。 （3）基板（支持体）。 （4）背面保护层。,3.1.3 计算机X线摄影（CR）,2. CR 系统成像的基本过程 （1）影像信息的采集： （2）影像信息的读取： 与普通X摄影相比较，CR的优点是： 宽容度大，摄影条件易选择。 可降低投照辐射量：CR可在IP获取信息的基础上自动调节放大增益，最大幅度地减少X线曝光量，降低病人的辐射损伤。 影像清晰度较普通片高。 对影像可进行后处理，对曝光不足或过度的胶片可进行后期补救。 可进行图像传输、存储。由于激光扫描仪可以对IP上的残留信号进行消影处理，IP板可重复使用2-3万次。,3.1.4 直接数字化X线摄影系统（DR）,直接数字化X射线摄影（Digital Radiography，DR）是在具有图像处理功能的计算机控制下，采用一维或二维的X射线探测器直接把X射线信息影像转化为数字图像信息的技术。 当前DR设备主要采用二维平板X射线探测器（flat panel detector，FPD)，包括： （1）非晶态硅平板探测器 先经闪烁发光晶体转换成可见光再转换为数字信号 （2）非晶态硒平板探测器 将X线直接转换成数字信号,3.1.4 直接数字化X线摄影系统（DR）,（3）DR与CR成像技术的比较,3.2 X-CT成像原理,X-CT与X射线摄影相比较有很大区别， X射线摄影产生的是多器官重叠的平片图像 CT是用X射线对人体层面进行扫描，取得信息，经计算机处理而获得重建图像，显示的是断面解剖图像，其密度分辨力明显优于X线图像，可以显著的扩大人体的检查范围，提高病变的检出率和诊断的准确率,X射线平片与CT断层对比图,3.2.1. X-CT成像技术,X-CT（X-ray computed tomography, X-CT）是运用扫描并采集投影的物理技术，以测定 X 射线在人体内的衰减系数为基础，采用一定算法，经计算机运算处理，求解出人体组织的衰减系数值在某剖面上的二维分布矩阵，再将其转为图像上的灰度分布，从而实现建立断层解剖图像的现代医学成像技术，X-CT成像的本质是衰减系数成像。,3.2.1. X-CT成像技术,1. X-CT成像装置与流程 X-CT成像装置主要由X线管、准直器、检测器、扫描机构，测量电路、电子计算机、监视器等部分所组成的。 X-CT成像流程是：X线-准直器-检测器-转变电信号-放大电信号-转变为数字信号-计算机系统-存入计算机的存贮器-编码-显示图像,3.2.1. X-CT成像技术,2. X-CT成像的数据采集与处理 X-CT成像的数据采集是利用X线管和检测器等的同步扫描来完成的。检测器是一种X线光子转换为电流信号的换能器。X-CT成像的数据采集根据X-CT成像的物理原理进行的。,X线管发出直线波束,3.2.2 X-CT 的扫描方式,CT的各种扫描方式中，单束平移-旋转方式、窄扇形束扫描平移-旋转方式、旋转-旋转方式、静止-旋转方式的共同点是都需要X射线管和检测器之间进行同步扫描机械运动。为满足人体动态器官的检查，需要进一步提高扫描的速度，在静止-旋转扫描模式基础上发展出来的电子束扫描方式，没有机械运动，大大地提高了扫描速度 。,3.2.2 X-CT 的扫描方式,1. 单束平移-旋转（T/R）方式 单束扫描是由一个X射线管和一个检测器组成，X射线束被准直成笔直单射线束形式，X射线管和检测器围绕受检体作同步平移-旋转扫描运动。这种扫描首先进行同步平移直线扫描。当平移扫完一个指定断层后，同步扫描系统转过一个角度（一般为1°）后再对同一指定断层进行平移同步扫描，如此进行下去，直到扫描系统旋转到与初始值位置成 180°角为止，这就是平移旋转扫描方式,单束平移-旋转方式,3.2.2 X-CT 的扫描方式,1. 单束平移-旋转（T/R）方式 这种扫描方式的缺点是射线利用率极低，扫描速度很慢，对一个断层扫描约需 5分钟时 间，只适用于无体动器官的扫描。,单束平移-旋转方式,3.2.2 X-CT 的扫描方式,2.窄扇形束扫描平移-旋转（T/R）方式 窄扇形束扫描称为第二代CT扫描。扫描装置由一个X射线管和630个的检测器组构成同步扫描系统。扫描时，X射线管发出角度为3°20°的窄扇形射线束，630个检测器同时采样，并采用平移-旋转扫描方式 。,窄扇形束扫描平移-旋转方式,3.2.2 X-CT 的扫描方式,2.窄扇形束扫描平移-旋转（T/R）方式 这种扫描的主要缺点是：由于检测器排列成直线，对于X射线管发出的扇形束来说，扇形束的中心射束和边缘射束的测量值不相等，需校正，否则扫描会因这种运动而出现运动伪影，影响CT图像的质量。,窄扇形束扫描平移-旋转方式,3.2.2 X-CT 的扫描方式,3. 旋转-旋转（R/R）方式 这种扫描称为第三代CT扫描，扫描装置由一个X射线管和由250700个检测器（或用检测器阵列）排列成一个可在扫描架内滑动的紧密圆弧形。X射线管发出张角为30°45°，能覆盖整个受检体的宽扇形射线束。 由于这种宽扇束扫描一次 即能覆盖整个受检体，故 只需X射线管和检测器作 同步旋转运动。,旋转-旋转扫描方式,3.2.2 X-CT 的扫描方式,3. 旋转-旋转（R/R）方式 这种扫描的缺点是：要对每个相邻检测器的接收灵敏度差异进行校正，否则由于同步旋转扫描运动会产生环形伪像。,旋转-旋转扫描方式,3.2.2 X-CT 的扫描方式,4. 静止-旋转（S/R）方式 这种扫描称为第四代CT扫描方式，扫描装置由一个 X射线管和 6002000个检测器所组成。在静止-旋转扫描方式中，每个检测器得到的投影值，相当于以该检测器为焦点，由 X射线管旋转扫描一个扇形面