线计算机体层成像课件1.pdf

X线计算机体层成像X Computed Tomography天津医学高等专科学校CT课程组传统X线成像概述传统断层成像41传统断层成像传统断层技术概 述 1 91 7年奥地利数学家R ad o n从理论上证明，X 线束对物体在不同方向上的投影值能重建该物体的二维或三维图像1 94 0 年G abri e l F rank专利描述了现代断层成像技术的基本思想包括正弦图及反投影技术1 96 1 年美国神经外科医生W i I I i amH.O I d e nd o rf 进行实验，证明方法的可行性概述概述 1 96 3 年M.C o rmack解决了图像重建的数学方法1 96 7年英国E M I 研究成功实验装置概述 1 972年英国工程师豪斯菲尔德(G.N.H o u ns f i e ld)研制成功世界上第一台用于颅脑的X线计算机体层成像设备；H o u ns f i e I d和C o rmack于1 979年荣获诺贝尔奖X线C T成像使医学成像技术发生一次革命第一台CT扫描机进行病人扫描图像比较（2001 GE）CT机成像速度的发展10X线CT成像的数理基础线性衰减系数单能窄束X射线透射均匀介质时强度衰减的物理规律符合朗伯(Lambert)定律X 射线通过非均匀介质体层与X线束路径坐标采样几何探测器通道正弦图CT值 CT影像中每个像素所对应的物质X射线线性平均衰减量大小的表示。

通常以水的衰减系数从水作为基准，若某种物质的衰减系数为H，则其对应的CT值由下式给出CT 值二4一 水 x 000水 CT值的单位为亨(hounsfieldunit,HU或H),规定水为73kcV的X射线在水中的线性衰减系数对均匀圆柱体投影的滤波A PKR，8)（卷积计算）举例(a)(b)X线CT成像的数据采集 X线CT成像与普通X线摄影的主要区别之一是要进行复杂的数据采集过程，从而获取重建图像的原始数据X线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X线束平行扫描的数据采集图像矩阵如果每个小单元体按照扫描的顺序进行排列和编号，便形成了一组有序的数组；按照这些有序数组计算和重建图像，这些有序的数组反映在图像平面上就形成了图像矩 阵(image matrix)图像矩阵中的每个元素即为像素，将图像矩阵分割成NXN的矩阵，矩阵中的元素用功来表示，其物理意义是代表组织的吸收系数或CT值图像矩阵山卜口12!lnNnl N2nNnn图像重建方法图像重建运算即是图像矩阵的求解方法按照上面NXN的图像矩阵，应有NXN个独立的线性方程组，并且求解NXN个矩阵中的元素对于NXN个独立的线性方程组求解可以采用联立方程法（直接矩阵法）和迭代法（逐次近似法）等，这些方法是数学中常用的求解方法。

现在X-CT中应用比较多的是滤波反投影法（filtering backproj ection,FBP）反投影法反投影法(back projection)又称总和法，此法是利用投影数值近似地复制出4值的二维分布它的基本原理是将所测得的投影值按其原路径平均分配到每一点上，各个方向上的投影值反投影后在影像处进行叠加，其结果是加重了影像部位的显像值再经过处理或调整基本显像灰度值，能突出投影相重叠部分，使影像部分近似地重现原图像四体素矩阵的反投影法图像重建15541316各 投 影 值 相 加=1922减基数1052351234单点反投影 A B 0-22.5 CO-45 D 0-67.5 E 0-90 F 0-112.5 GO-135 H 0-157.5 I 0-180反投影法重建图像的边缘失锐无滤波反投影和滤波反投影图像重建的比较(a)(b)无卷积的反投影 合成图像 带卷积的反投影滤波反投影图像重建过程框图迭代重建X-CT扫描方式扫描是X-CT机为重建图像而进行数据采集所使用的物理技术扫描是通过扫描装置来完成的扫描装置主要包括X线管、扫描床、检测器和扫描架等X线管和检测器固定在扫描架上组成扫描机构，它们围绕扫描床上的受检体进行同步扫描运动，这种扫描运动形式称为扫描方式。

单束扫描方式旋转采样点检测器(a)平移(b)旋转窄扇形束扫描方式检测器旋转-旋转扫描方式X线管扇形X线束旋转采样点摄影领域检测器轨道，X线管轨道检测器静止.旋转扫描方式螺旋CT扫描方式被检者移动方向动态空间扫描成像链X线管电子束扫描示意图X线束gWIHBHl患 者 断 面，47cm摄影区域闪烁晶体二极管检测器间隙主准直器靶环真空容器300/15电子束扫描结构示意图靶环电子束扫描电/It也f CT成像系统的基本结构 X线CT扫描机有三个主要组成部分:数据采集系统；计算机和图像重建系统；图像显示、记录和存储系统CT扫描机主要组成部分数据采集系统 系统的组成包括 高压发生器、X线管、准直器、滤过器、检测器、扫描机架、检查床和数据测量装置等X线管 CT用X线管的基本结构与常规X线机的相同，但额定功率要大X线管输出X线的稳定性高 电源的稳定性是决定X线管输出质量稳定的关键CT设备中的X线管有两种工作方式一种是连续工作方式；另一种是脉冲工作方式，在整个扫描过程中，X线管间断地发射X射线，脉冲的持续时间决定于每次投影的测量时间扫描过程中的脉冲数决定了测量的投影数CT用X线管准直器在CT数据采集系统中，准直是很重要的。

因为它可以限制X线束只能进入感兴趣区域和减少散射线，从而降低受检者的受照射剂量，提高成像质量CT扫描机中的准直器可以分为两种：X线管准直器（前准直器）和检测器准直器（后准直器）准直器滤过器 X线具有连续变化的波长，为满足重建过程的需要，就要使用专门的滤过器CT中使用滤过器的目的有两个：1.吸收长波（低能）X线 这些低能射线对CT图像的形成没有任何作用，却增加了受检者的照射剂量滤过的结果是使射线束的平均能量升高，射线变“硬”2.使穿过滤过器和受检体的透射线束的能量分布达到均匀硬化由于人体横截面与椭圆形类似，X线束照射时，中心射线穿透厚度大，边缘射线穿透厚度小，信号强度反差大，射线强度也不均匀，为了削弱这一现象，在X线管和检测器之间，增设了滤过器滤过器的形状滤代所过时的图三代滤C I用，第四的代使器表第用二所过代和使器检测器检测器是一种将射线能量转换为电信号（模拟信号）的器件CT中检测器的任务是测量穿过受检体后的X线透射值，形成采集信号这些信号经A/D转换后变为计算机可以处理的数字信号，供重建图像用为了保证重建图像的质量，检测器必须具有很高的转换效率，较短的响应时间和残余时间，较好的稳定性和较宽的动态范围。

检测器检测器特性(1)效率：效率是指检测器对X线光子的俘获能力、吸收能力和转变为电信号的能力即俘获效率和吸收效率检圆型的效率是俘获效率却吸收效港的乘融实瓶艇检题器效罩在50%90%N间提图探测效率，对提图图像质量、缩短扫描时间、减少受检者的照射剂量都有明显的作用2)响应时间：指检测器探测到一个X线事件后恢复到能测量下一个X线事件所需的时间检测器的响应时间应当非 常 短(微 秒 级)，以避免余辉或信号堆积等问题的出现3)稳定性：指从某一瞬时到另一瞬时检测器的一致性和还原性在CT中，检测器需经常进行校准以保证其稳定*生4)动态范围：CT中检测器的动态范围是指能被测量到的最大信号与能被识别的最小信号之比大多数CT的动态范围为1000000：1检测器类型 一类检测器先将X线能量转变为光，然后再将光转变为电能，这类检测器叫做闪烁检测器另一类检测器直接将X线能量转换为电能，这类叫做气体检测器闪烁检测器闪烁版嘴声闪期曲住和与X线照射到版烁晶体上时入光电倍增管，管中的光阴极吸收可见光放出电子(光电效 应)，这些电子依次通过管内各个倍增极，电子加速和倍增，晕后形成就大的强度正比于吸收的x线I匕 里，光的于入射的荧光强度。

常用的闪烁晶体有Nai(T l)、CaF2和BGO等府增管织团自贡光直鞍当射 闪烁检测器也称为固体检测器，现在带光电倍增管的闪烁检测器被带固态光电二极管放大器的闪烁检测器替代，后者也叫半量件檎测与CdWO4和稀土氧化剧 所 摘 爵用于弟换效率高、一致性好第三代和第四代CT扫描机中检测器数量多，要求检测器体积小、一致性和稳定性好气体检测器基本结构插入式检测器组件现代CT扫描机中使用一种以检测器组件为单元的排列方法整个检测器阵列由若干个检测器组件构成，每个检测器组件可以插入CT检测器的母盘这种插入式检测器组件开辟了一条维修保养CT检测器系统的新途径只要通过简易的测试和更换组件就可以实现固态探测器光电二极管数据测量装置数据测量装置是指位于检测器阵列和计算机之间的电子电路它的任务是将检测器侧的微弱信号经过放大，模数转换后送往计算机，由计算机进行图像重建的计算前置放大器将从检测器得到的信号进行I-V变换和放大,固体检测器和气体检测器的输出阻抗很高，输出信号又很小，必须使用高输入阻抗的前置放大器进行放大和阻抗变换前置放大器被良好地屏蔽并置于检测器的旁边，安置在旋转机架上对数放大器对入射X线强度10（位于X线管处的X线强度）和透射X线强度I（穿过受检者后的X线强度）进行对数换算。

信号经过对数压缩，使后面的电路只需工作在一个窄的范围内积分器在CT扫描过程中测量的是每个角度下的X线光子的总和，因此需要对每个X线脉冲有效期间采集的信号进行积分以计算光子总和，一般在放大器后接有积分器在一个脉冲式X线系统中，积分器的功能是给出一个输出电压，此电压代表在脉冲期间内接收到的信号的积累在脉冲间歇期间，积分器输出电压经过多路转换器移至模/数(A/D)转换器对于上述放大器一般要求：应具有比较大的动态范围，通常放大器动态范围在104 105之间；比较高的稳定性；高的信噪比；对过大输入信号进行安全保护等多路转换器各路积分器输出信号经多路转换器选择其中一路，分时使用一个模/数转换器转变为数字信号模/数转换器模/数转换器是数据采集系统的关键电子部件，其功能是把从放大器输出的模拟信号转换相对应的数字信号信号的转换误差由模/数转换器特性所决定，同时也给出了数据采集系统输出数据的精度模/数转换器的转换误差则由转换器最低有效位(LSB)的量化误差所决定，如果模/数转换器的位数越多，转换精度就越高，但相应的转换时间越长数据测量装置框图计嵬机t机架 CT扫描机的机架是一个结构框架，它们的外形尺寸各个生羲藕馥嘉，昭痴娥扫津矗、嵯蹒附属电子装置。

滑环扫描机中的X线管需要瞬时大功率地发出X线，只有大直径（如直径为5英寸）的旋转阳极才能满足此要求为了帮助冷却X线管运行时产生的热量，机架内还配有油-空气冷却的热交换器机架内的X线发生器多用小巧的固态高频发生器，其工作频率大约在550kHz之间，安置在旋转扫描架上并紧靠X线管这样可以缩短发生器和X线管之间的高压电缆根据扫描的需要，发生器能够提供3060kW范围内不同的额定功率这些额定功率能提供宽广的X线曝光范围，供选择使用；管电压和管电流调节范围大机架 在CT扫描机运行时，X 线管产生的热量大机架内某些部件会受到周围环境温度的影响，因此机架内要考虑冷却问题以往有将空调机装裔 露 鹦 M懿黯宗叫褊喘辅!南翦翻1W,将扫描室内的空气过滤后吹入机架内，其循环管道镶嵌在机架的前面居於睚备基气吹向检测器阵列和机架内的电子器件，随后从机架-担撞完是二金尹描机是朝后的小 管 纸 悯 钞 趣 用 的 激 光束装置对受检者重行扫盘荒位部分CT扫描机的扫描孔直径为70cm,这样可使CT技术工作者能从机架的前面和后面接近受检者，方便地进行扫描定位，并可以在危急情况下为受检者提供帮助CT机架必须能够作偏离垂直平面的前后倾斜，以满足不同病人和进行不同检查的需要，可倾斜的角度通常在12到30之间。

检查床检查床提供了一个供CT检查时受检者能躺下的平台床面通常由碳素纤维做成，因为它们对X线吸收少，有很好的振动阻尼和满足体重超重病人需要的强度底座内置有机械和电器部件，用以驱动床面的移动。