医学成像原理第2.3.4节课件.ppt
2.3.4 螺旋CT（SCT）,螺旋 spiral CT的历史其名称源于在扫描过程中X射线的运动轨迹。螺旋CT于1987年第一次出现在专利文献中。相关的工作开始于80年代末期的日本。关于螺旋CT性能的具有里程碑式的报告发表于1989年的北美放射学年会RSNA（Radiological Society of North American）上。同年第一台螺旋CT问世。1991年以色列elscint公司推出了双层CT1998年的北美放射学年会SIEMENS、GE、Marconi(Picker)、Toshiba同时推出4层螺旋CT，旋转一周可以获得四个连续层面图像的多层螺旋CT。2002年16层螺旋CT问世，2004年32层螺旋CT问世。4-8-16-32-64-256,飞利浦螺旋CT,X-CT机,X-CT控制台,螺旋CT扫描装置包括高效率探测器、大容量且散热性好的X射线管、X线管滑环、机架与检查床、控制台与计算机。其中滑环技术是螺旋扫描的基础，螺旋扫描是通过滑环技术与扫描床的连续移动相结合而实现的。,Spiral CT Scanner装置构成,Gantry,Data acquisitionsystem,Detectors,Storage units:Tapes,disks,DisplayControlconsole,ComputerParallelprocessor,Table,Recording,Source,Network,特点：X射线管由以往的往复旋转运动改为向一个方向连续旋转扫描，受检体同时向一个方向移动，由于在X射线管绕病人连续旋转的过程中，检查床以恒定的速度前进，因而X射线相对于病人作螺旋式运动，相当于一柱面螺旋形轨迹，这种扫描方式使得原始数据获取的时间大大地缩短了，横断层面可以在一次均匀呼吸的基础上重建而得。同时，还可以消除相邻层面之间的偏差，确保了所获得的关于病人某解剖结构的数据集无任何时间和空间间隙。无扫描间隔的暂停时间，可进行连续动态扫描。采集的扫描数据分布在一个连续的螺旋形空间内，所以螺旋 CT 扫描亦称容积 CT 扫描（volume CT scanning）。发展分类：单层螺旋CT 多层螺旋CT（MSCT）,螺旋扫描及层面投影,返回,单层螺旋CT与传统CT的比较,1.供电方式：螺旋CT突破了传统CT的设计，采用滑环技术，将电源电缆和一些信号线与固定机架内不同金属环相连，运动的X射线管和探测器滑动电刷与金属环导联。球管和探测器不受电缆长度限制，沿人体长轴连续匀速旋转，扫描床同步匀速递进（传统CT扫描床在扫描时静止不动），扫描轨迹呈螺旋状前进，可快速、不间断地完成容积扫描。,2.扫描方式：螺旋CTX射线管由以往的往复旋转运动改为向一个方向连续旋转扫描，受检体同时向一个方向移动，所获得的关于病人某解剖结构的数据集无任何时间和空间间隙。无扫描间隔的暂停时间，提高了扫描速度，可进行连续动态扫描。这也极大的提高了咽喉、肝脏、胰腺及肾脏疾病的早期诊断率。断层之间采集数据上没有遗漏，可提供较好的图像重建的容积数据，可建立任意角度、任意位置的重建图像。,单层螺旋CT与传统CT的比较,常规CT和螺旋CT的比较,3.螺距pitch：定义1：X射线管旋转一圈受检体随扫描床移动的距离。定义2：定义1/扫描线束宽度 层厚：理论上单层SCT由准直器通道限定的射线束宽度或者检测器的宽度决定。实际的层厚用层厚灵敏度曲线SSP的半高宽表示。,单层螺旋CT与传统CT的比较,传统CT螺距为0 SCT：螺距=0.5，床移动距离=1/2扫描线束宽度，相邻螺圈有重叠，用于重建的断层也有重叠；螺距=1，床移动距离=扫描线束宽度；螺距=1.5，床移动距离=1.5扫描线束宽度；可见，螺距越小，扫描对受检体覆盖的越完全，螺距小，层厚薄可提高纵向分辨力（长轴分辨力），有利于小病灶的检出。,4.SCT需要螺旋插值 传统CT采集的数据是对同一断层扫描获取的，并以此重建图像,单层螺旋CT与传统CT的比较,图3-28,SCT扫描过程中，扫描床不断移动，采集到的数据是螺旋数据，螺旋扫描行程中的任一位置仅有一个旋转角度的采样数据,即在任何一个断层平面上，我们仅获得了部分投影数据。所以重建时不是同一断层的实测扫描数据，而是需要通过某种计算（内插算法）安排螺旋圈间采集数据的内插。根据Fourier 层析定理，为了获得某一断层的图像，我们必须获得该断层上的其它角度的投影值，而这只有通过邻近层的投影数据的插值才能获得,常用的线性插值方法有前后360度（Full Scan）内插（利用射线管扫描两圈的螺旋数据，对重建断层作线性内插来获取重建所需的数据），多在螺旋CT的早期被使用，其主要缺点是由于层厚响应曲线增宽，使图像的质量有所下降。现在螺旋CT多采用180度（Half Scan）线性内插（采集靠近重建平面的两点扫描数据，通过内插形成新的平面数据）。它与360内插法主要的区别是采用了第2个螺旋扫描的数据，并使其偏移了180角，从而能够靠近被重建的数据平面，进而克服360内插法的不足改善了重建图像的质量。常用的非线性内插有清晰内插和超清晰内插等。内插方法的一个缺陷就是使噪声增加。,5.层厚灵敏度Section Sensitivity Profile：SSP:层厚灵敏度曲线是指在断层内，沿人体长轴方向对扫描射线束敏感度的分布曲线。传统CT的层厚在扫描时设定后，为一不变的量，其SSP接近于矩形；单层SCT层厚灵敏度曲线类似于高斯分布，且受内插算法的影响，所以单层SCT的有效层厚增宽，人体长轴分辨力下降。,单层螺旋CT与传统CT的比较,6.噪声：单层SCT噪声受内插算法的影响。前后360度图像噪声较小，180度线性内插图像噪声稍大。,临床优势,螺旋CT在扫描速度及体数据获取两方面相对于传统CT的优势在临床医学上具有十分重大的意义。1.在速度上，螺旋CT比传统CT快8-10倍，已经达到亚秒级别。能够动态地观察病变的增强特征，提高了诊断率。这对于接受扫描有困难的老人、儿童及病情严重的病人十分有用。多数病人可在一次屏气中完成扫描，避免了漏扫和重扫；由于避免了呼吸运动引起的扫描遗漏、图像错位，就有可能检测出在传统CT扫描中所检测不到的小病灶。这些小病灶由于病人的呼吸而在扫描断层上出出进进，因而很难被传统CT检测到，所以提高了病灶检出率。,2.速度的提高不仅降低了图像的运动伪影，而且可以在组织内增强剂浓度达到顶峰时进行成像，不但能获得最佳增强效果，还可减少造影剂的用量。这无疑将提高病灶的早期诊断率。3.速度的提高还使延迟扫描（Delay CT，DCT）、双相成像成为可能。注射对比剂后，等待几分钟甚至几小时后再次扫描称延迟扫描。对于肝脏和胰腺病人来说，就有可能获得两组独立的扫描图像，一组是组织增强早期的动脉图，另一组是后来的门静脉图。促进了CT由解剖影像向功能影像方向的发展。如CT脑血流灌注成像。,临床优势,4.螺旋CT提高了病灶密度测量的准确性，由于可在Z轴任何部位进行图像重建，因而保证了任何病灶均可以在其中心进行图像重建，减少了部分容积效应的影响；任何部分均可进行多断面或三维图像重建，而且由于螺旋CT扫描时避免了病变部位的移动，因而重建图像质量很好。为CT 数据的后处理创造了有利条件。尤其是多层螺旋CT出现后，出现了多层面重建、立体三维重建、CTA、虚拟内镜技术、容积再现技术。5.薄层扫描：为了观察某些病变的细节和避免部分容积效应而选用。层厚用 1-5mm 不等。如对肺部小球形病灶的观察可用薄层扫描。,临床优势,单层螺旋CT只有一排检测器 1.数据采集中，需安排螺旋圈内的数据内插，以补采样。2.层厚灵敏度曲线增宽，相比传统CT长轴分辨率下降，存在部分容积效应。3.扫描覆盖的范围有限，采用大螺距可加大扫描覆盖范围，但长轴分辨率随之下降、图像质量变差，使大面积多器官成像、多平面重建、三维成像、CT血管造影等成像质量较差或难以实现。4.射线的利用率很低。,返回,单层SCT缺点,多层螺旋CT（multislice spiral CT，MSCT）,多层螺旋CT（multislice spiral CT，MSCT）或称多排探测器CT（multidetector CT，MDCT）于1998年下半年应用于临床，是继滑环（螺旋）技术以来CT史上又一个重要里程碑。多层螺旋CT机型检测器有四排、八排及十六排等，16层MSCT采用了智能滤过技术、自动毫安调制以及侧位定位片等。MSCT扫描的单位时间覆盖率明显提高，病人接受的射线剂量明显减少，x线球管的使用寿命明显延长，同时，节省了对比剂用量，提高了低对比分辨率和空间分辨率。,检测器的结构和层厚：与单层SCT在Z轴方向只有一排探测器、层面厚度由准直器进行调节不同，MSCT采用了具有多组数据传输通道的多排探测器阵列，各排检测器由电子开关控制以一定组合方式的接收信号传递给具有多通道的数据采集系统。层厚不仅取决于射线束的宽度，而且取决于探测器阵列的不同组合。不同厂家的探测器排数和构造不同，基本上可以分为等宽（对称排列）和不等宽（非对称排列）型两大类，数目为8-34排不等，GE 和Toshiba采用的是等宽型，Marconi(Picker)和SIEMENS采用的是不等宽型。,MSCT与单层SCT之间的比较,4层CT的检测器结构与数据采集系统(DAS)示意,四组数据采集系统（DAS）,(c).四组DAS,等宽型与非等宽型检测器,等宽型的检测器阵列在组合成各种层厚时较灵活，但因检测器的数量多，各排检测器的间隙也多，投照在间隙的射线不能被使用，射线的利用率低，丢失有用的信息。不等宽型阵列中各排检测器的间隙数目少，射线束的利用率高，丢失有用信息少，但组合成各种层厚不如等宽型方便。,单层螺旋CT,2.5 mm,层螺旋CT,4,MSCT与单层SCT之间的比较,X射线束：单层SCT只有一排检测器采集数据，通过准直器后的射线束为薄扇形束即可，而MSCT有多排检测排列采集数据，所以使用的射线束为四棱锥形厚扇形束。内插重建算法的不同：多层螺旋CT采用一种称为多层面锥形束梯层摄影(Multislice cone-beam tomography，MUSCOT)的重建技术，不仅图像质量优于单层CT，而且曝光剂量减少近一半。,数据采集系统DAS：单层SCT只有一个数据采集通道，MSCT分别有4、8、16、64、128、256个数据采集通道。能同时进行多个层面的数据采集，而且图像处理重建过程要在1-2秒内完成，为完成如此大容量的高速数据传输，多层螺旋CT采用了新的异步传输方式的最优化传输技术。此过程的处理与探测器的控制过程同步。即在每个探测器下面都有独立的控制系统，当选择一定的层厚时，相应的受激状态下的探测器开关拉开，以进行数据的采集和传输。而没有选择的开关关闭，使每个开放的探测器采集的信息独立的传输到计算机系统。,MSCT与单层SCT之间的比较,Filter,Data Acquisition System(DAS),Source,Detector,Pre-Collimator,Post-Collimator,Patient,Scattering,Data Acquisition System(DAS),X-ray Tube,Detectors,CT Gantry(From Siemens),Filter,Source,Detector,MSCT可根据不同层厚需要自动调节X射线锥形线束的宽度，经过准直的X射线束聚焦在相应数目的探测器上，探测器通过电子开关与各个数据采集系统（DAS）相连。每个DAS能独立采集完成一套图像，按照DAS与探测器匹配方式不同。通过电子切换可以选择性地获得1层、2层或多层图像，每层厚度可自由选择（0.5、1.0、1.25mm和5、10mm）。,MSCT之间的比较：16层CT与64层CT的区别（一）,球管每旋转一周所产生的图像数 16层/64层扫描速度更快，数据获得量提高4倍。,探测器阵列宽度,24mm,28.8mm,16层CT与64层CT的区别（二）,16层CT与64层CT的区别（三）,更高的空间分辨率 在高对比度情况下，区分相邻最小物体的能力，是测试图像质量（清晰度）的量化指标。,16层CT与64层CT的区别（四）,纵向分辨率与各向同性提高 纵向分辨率的含义是扫描床移动方向或人体长轴方向的图像分辨率，它表示了CT机多平面和三维成像的能力。,球管旋转速度的提高扫描跨度的大幅度提高,16层CT与64层CT的区别（五）,多层螺旋CT给我们带来了什么,扫描层厚更薄。纵轴空间分辨力的提高，扫描覆盖范围更长时间分辨力的空前提高扫描跨度的大幅度提高，扫描时间更短。降低X射线球管损耗。,MSCT显示腹主动脉,薄层,层厚融合：提高信噪比,薄层再重建：减少容积效应得到更佳的2D/3D/内窥镜图像,信息量更多,快速,更多相期扫描；减少运动伪影,多脏器联扫；2D/3D/内窥镜应用范围更大,临床应用：1、MSCT血管成像：在扫描速度、扫描的有效性和效果增强等方面都优于传统CT。2、心脏CT：有效采集时间缩短至250ms，MSCT可在回顾性心电门控下，客观地选择舒张期成像。同时MSCT能准确分析冠脉粥样硬化斑块的构造。3、其他大范围的扫描，如CT结肠造影等。,MSCT现阶段局限性：1、数据庞大，每次扫描获得的大量图像和原始数据，传输和储存能力有待提高。2、后处理费时。3、MSCT250ms时间分辨率、成像质量仍受到心率的制约。,螺旋CT其他技术,CT 多平面重组（Multiple Plannar Reconstruction，MPR）及三维重建：CT 多平面重组是指在任意平面对容积资料进行多个平面分层重组，重组的平面可有冠状、矢状、斜面及曲面等任意平面，能从多个平面和角度更为细致地分析病变的内部结构及与周围组织的关系。,MPR,多层面重建,各向同性,三维重建,三维重建：,硬膜动静脉畸形,Fusion,SVR,CT 血管造影（CT Angiography，CTA）：又称螺旋 CT 血管造影（SCTA），它是指静脉注射对比剂后，在循环血中及靶血管内对比剂浓度达到最高峰的时间内，进行螺旋 CT 容积扫描，经计算机最终重建成靶血管数字化的立体影像。,静脉造影增强CT,动态CT扫描,1,2,3,4,动态增强扫描,平扫 增强,脊髓造影CT,CT 仿真内镜技术：CT 仿真内镜成像（CT virtural endoscopy，CTVE）是螺旋 CT 容积扫描和计算机仿真技术相结合的产物，它是利用计算机软件功能，将 CT 容积扫描获得的图像数据进行后处理，重建出空腔器官表观立体图像，类似纤维内镜所见。,CT仿真内窥镜,CT 灌注成像（Perfusion CT）CT 灌注成像是结合快速扫描技术及先进的计算机图像处理技术而建立起来的一种成像方法，能够反映组织的血管化程度及血流灌注情况，获得血液动力学方面的信息，属于功能成像的范畴。CT 灌注成像的基本原理是对比剂静脉团注后，在其首次经过受检组织的过程中对某一选定层面进行快速动态扫描，获得一系列动态图像，然后分析对比剂通过过程中每个象素所对应的体素的密度变化，从而得到反映血流灌注情况的参数，并组成新的数字矩阵，通过数/模转换，以相应的灰度或颜色表现出来，即可得到灌注成像。克服常规CT上z轴（长轴）扫描范围小的缺点，有助于肝癌、胰腺癌和肾癌的早期发现及进行肺癌的普查。,Fly Around,Fly Through,管腔灌注与内视镜,重叠扫描：扫描床移动的距离小于层厚，如层厚 10mm，床移动 8mm，使扫描层面部分重叠，避免部分容积效应或遗漏小的病灶。但重叠越多，接受 X 线照射量也增多。,掌握单层螺旋CT与普通CT的差别，单层螺旋CT与多层螺旋CT的差别。了解螺距、层厚灵敏度曲线的概念。了解常见的螺旋CT技术,
