CT ( Computed Tomography )

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1 CT ( Computed Tomography )
第三章 X射线计算机断层成像 CT ( Computed Tomography )

2 章节分布 1. X-CT历史 2. X-CT的基础知识 3. 传统X-CT的扫描方式 4. X-CT后处理技术 5. X-CT图像的质量控制

3 一. X-CT历史 1917年奥地利数学家雷当（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-Morley’s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-town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。

4 伦琴与X-Ray 1895年，X-Ray第一次被发现 但解剖结构是重叠的 而且软组织是不能区分的

5 Hounsfield与第一张CT图 CT 消除了这些障碍...

6 3D 图像的合成 CT影像质量的进步...

7 二.X-CT基础知识 CT扫描形成 - “slice(断层)” 解剖断面 受检体内接受检查并欲建立图像的薄层 断层两个表面的其中一个平面

8 二.X-CT基础知识 CT影像形成 – “Voxel(体素)”
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)”。

9 二.X-CT基础知识 CT影像形成过程- A/D/A* 数字矩阵以相应灰阶转换成黑白影像。
35 36 39 34 33 31 32 80 85 90 78 *Analog - Digital - Analog

10 二.X-CT基础知识 扫描：X射线束对受检体断层进行投照 投影：投照受检体后出射X线束的强度

11 二.X-CT基础知识 窄束X-ray的获取： 准直器吸收散射线，通过后X-ray成为窄束X 射线 铅准直 探测器 源 散射光 Δx

12 二.X-CT基础知识 CT图像重建的数理基础（1） X射线通过非均匀介质： N1 N2 N3 Nn I0 In μm μ1 μ2 μ3 μn
Im-1 Im

13 二.X-CT基础知识 CT图像重建的数理基础（2） 狄拉克函数（ 函数） 其投影可表述为如下形式：

14 二.X-CT基础知识 CT图像像素如何计算出来？ 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 ？ 3 7 4 6
2 5 1

15 逐次近似法(迭代法) Back

16 总和法(逆投影法)

17 逆投影法缺点 2 4 2 2 6 2 8 晕状效应

18 滤波反投影法 优点：消除了反投影法产生 的图像的边缘失锐 x 滤波后的剖面数据由下列公式得出： 剖面数据 y 滤波函数 z 滤波后 n 2
优点：消除了反投影法产生 的图像的边缘失锐 2 1.5 -0.5 3 -1 剖面数据 滤波函数 滤波后 n x y z 滤波后的剖面数据由下列公式得出：

19 CT中最常用的成像计算方法就是：滤波反投影法
3 -1 6 -2 2 9 -3 1 12

20 二.X-CT基础知识 CT值—CT影像中每个像素所对应的物质对X射线线性平均 衰减量大小的表示。 CT值的定义式：
人体各组织CT值约为-1000~1000HU，即约有2000个CT值

21 二.X-CT基础知识 灰度显示—在图像上，表现各像素黑白或明暗程度的量 1000 -1000

22 三.传统X-CT的扫描方式 传统CT扫描方式 扫描方式 单束平移-旋转 （T/R） 窄扇形平移-旋转 （T/R） 旋转-旋转 （R/R）
静止-旋转 （S/R） 传统CT扫描方式 旋转-旋转 （R/R） 单束平移-旋转 （T/R） 扫描方式 窄扇形平移-旋转 （T/R）

23 单束平移-旋转（T/R）方式 第一代CT 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

24 窄扇形束扫描平移-旋转（T/R）方式 第二代CT 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20-120S

25 旋转-旋转（R/R）方式 第三代CT 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

26 静止-旋转（S/R）方式 第四代CT 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

27 传统CT扫描的缺撼 单电缆供电X射线管不能进行连续的扫描 单次扫描结束后要停止扫描，并回到扫描的起始位置
1 单电缆供电X射线管不能进行连续的扫描 2 单次扫描结束后要停止扫描，并回到扫描的起始位置 3 延缓了全部扫描工作的时间，且存在断层间的间隔

28 电子束扫描方式 第五代CT 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

29 电子束扫描结构示意图 第五代CT UFCT: Ultrafast CT Scanner
EBIS: Electronic Beam Imaging System 超高速CT扫描机 (电子速CT)

30 四.X-CT后处理技术 1.窗口技术—CT机放大或增强某段范围内灰度的技术 Window width窗宽 (W):选择窗位的灰阶范围。
Lung Window肺窗 Mediastinum Window (纵隔窗/软组织窗)

31 窗口必须根据 相关显象组织 来设置 窄 窗宽: 宽 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。
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。密度差别较小的组织不易显示。

32 窗位应根据观察组织CT值的数值范围来选择
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。 Hounsfield unit 灰阶显示 +1000 White Window width W －窗宽 Window center C－窗位 Black -1000 窗位应根据观察组织CT值的数值范围来选择

33 一幅图像上同时观测肺和纵隔。 双窗技术* *双窗不推荐用于诊断

34 2.图像的放大和缩小-为了扩展或缩小显示的视野
图像的再加工处理 2.图像的放大和缩小-为了扩展或缩小显示的视野 数据矩阵 显示图像矩阵 缺点：产生数据的间断，出现图像粗糙现象

35 为了解决缺少数据的问题，采用两点平均插值
y c b a X 两点平均插值示意图

36 五.X-CT图像的质量控制 1.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(Spatial Resolution)
密度分辨率(Density Resolution)

37 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”)
受系统几何因素影响，决定影像清晰度，常用多少线对/厘米，即LP/CM

38 清晰度-影像清晰度即物体周围相关组织的锐利度
空间分辨率 清晰度-影像清晰度即物体周围相关组织的锐利度 清晰度 影响因素 采样频率 扫描时间 重建算法 层厚 球管焦点尺寸

39 密度分辨率 受影像清晰度 & 噪声影响 低对比度情况下分辨物体微小差别的能力 (又称 “Low Contrast Resolution”)

40 噪声 206 mA 60 mA 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像 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。 206 mA 60 mA

41 噪声的影响因素 mAs kV 显示矩阵 噪声 重建算法 操作方式 层厚 像素大小

42 图像噪声可用CT值的标准偏差来表示或估计:

43 X-CT图像的伪像 伪影-由于设备或病人所造成的、物体中并不存在的影像。 测量失准等引起渐晕伪像，部分容积伪像 由X射线质量所引起
系统测量误差 X射线 受检体 成像装置 测量失准等引起渐晕伪像，部分容积伪像 由X射线质量所引起 受检体移动产生运动条纹伪像 参数选择不当、重建算法不完善等

44 运动伪影 & 扫描时间 运动伪影 经验得知: 越短的扫描时间，发生运动伪影的概率越小. 扫描时间 (s) 严重 适中 短 长

45 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 Before After

46 金属伪影 金属， 例如黄金， 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状伪影。
可用倾斜机架角度避开或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。

47 部分容积效应 条纹状伪影—也称部分容积伪影， 经常发生在多骨组织结构。
5 mm 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

48 部分容积效应 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。
2 mm 5 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。

49 容积伪影&校正 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 并提供最佳密度分辨率)。 5 mm 2 x 2 mm

50 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。

51 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
homogeneuous CT values

52 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 !

53 伪影 & 校正 没有十全十美的东西... 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。
But we keep on working to reduce them as much as possible!

54 六.螺旋CT CT真好! 但仍然存在很多问题...

55 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。

56 常规CT存在的问题... 由于不同层次呼吸而导致的漏诊 深呼吸 缓慢呼吸

57 层厚定位选择所引起的问题... 扫到了 漏掉了 对不起, 因为不在层厚里面所以引起病变的遗漏... 一只老鼠...

58 常规 vs. 螺旋 CT ... 3D 容积 2D 层厚 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。

59 螺旋CT优势 供电方式 采用滑环技术不使用电缆供电 扫描方式 X线管能连续地沿着一个方向转动

60 滑环技术

61 螺旋CT的扫描方式 优点： 扫描速度提高，运动伪像减少 可以进行薄层扫描 病人移动方向

62 螺距与层厚 螺距: 层厚: 机架旋转一周床运动的距离 （定义一） 断层的厚度 扫描-圈床移距离 螺距= 扫描线束宽度 螺距 层厚 （定义二）

63 重点与难点（一） 教学重点： 1. 反投影法图像重建法 2. 各代CT的扫描方式及特点 3. CT值 4.窗口技术 教学难点： 滤波反投影法

64 重点与难点（二） 教学重点： 1.螺旋CT成像参数（螺距、重建间隔） 2.螺旋CT的优势

65 重点与难点（三） 教学重点： 1.CT图像伪影 （伪影的表现形式及产生原因） 2.螺旋CT与传统CT的不同点 （供电方式、扫描方式）
3.螺距与层厚

66 重点与难点（四） 教学重点： 1. X线-CT成像原理 2. CT数据采集方式 教学难点： CT图像重建算法

67 重点与难点（五） 教学重点： 1.窗口技术 2. CT图像质量参数 （空间分辨率、密度分辨率、噪声） 教学难点： CT图像质量参数的影响因素

68 主要参考文献 1.《计算机体层成像》 崔世民，人民卫生出版社 2. 《医学影像成像原理》（李月卿，人民卫生出版社）第三章
3. 《医学成像系统》（高上凯，清华大学出版社） 第三章

69 Thank You !