医大医学影像重点第五章.ppt
,第5章 医学CT影像设备与应用,章目录：,CMUCC,CT影像设备简述,1,医学CT影像设备成像系统,2,螺旋CT,3,多排螺旋CT,4,CT影像设备新技术进展与应用,5,5.1.2 CT影像设备功能,5.1 CT影像设备简述,1.CT影像设备的基本原理,CT成像的媒介是X射线，其成像的生理学基础是人体组织结构密度的差异。利用高度准直X线束环绕人体某一部位,并以一定层厚的层面进行断层扫描,部分X线光子被组织器官吸收,X线强度因而衰减,未被吸收的X线光子穿透人体后,由探测器接收,将其转变为可见光后,经放大由光电转换器转变为电信号,再经模拟/数字转换器转为数字信号,输入计算机进行运算处理.,5.1.2 CT影像设备功能,1.CT影像设备的基本原理,图像形成的过程有如对选定的层面分成若干个体积相同的小长方体，称之为体素。CT每扫描一次，即可得到一个方程，经过若干次扫描，即得到一联立方程。经过计算机运算（傅立叶转换、反投影法等）可以解出这一联立方程，从而求出每个体素的X线吸收系数或衰减系数，将其排列成数字矩阵，数字矩阵经过数字/模拟转换器（D/A）把数字矩阵中的每个数字转变为由黑到白不同灰度的小方块，即像素，也按矩阵排列，即构成了CT图像。由此可见，CT图像是重建的数字化图像，实际上，CT成像的过程就是求出每个像素的X线衰减系数的过程,5.1.2 CT影像设备功能,CT机主要分以下三部分：扫描系统（X线管、探测器和扫描架）;计算机系统（数据储存、运算等）;图像显示和存储系统。,CT检测过程实例,2.CT影像设备的组成与功能,5.1.2 CT影像设备功能,(1)扫描系统:主要包括扫描机架、扫描床和扫描控制电路等,扫描机架（gantry）内安装有X线球管、图像采集系统、X线过滤器、系统准直器等，其中X线球管和数据采集系统（data acquisition system，DAS）最为重要。扫描机架的孔径与倾斜范围也是两项重要的应用指标，目前多数扫描机架的孔径为70cm，倾斜角度通常为1230。,CT扫描系统的扫描机架与扫描床 扫描机架内部结构,2.CT影像设备的组成与功能,5.1.2 CT影像设备功能,(1)扫描系统:主要包括扫描机架、扫描床和扫描控制电路等,CT的数据采集系统（DAS）作用是测量X射线束，并将这些数据编码成二进制数据，送往计算机进行运算。探测器（detector）是DAS系统中重要的部件，其主要功能有：接受透过病人检查部位的X射线；将接收到的X线转换成模拟形式的电子信号；将模拟信号放大；将模拟信号转换成数字信号（通过A/D转换器）。准直器是位于X线球管前方的结构,其作用是可以大幅度减少散射线的干扰(减少患者的放射剂量、提高图像质量)。,2.CT影像设备的组成与功能,5.1 CT影像设备简述,5.1.3 CT影像设备主要性能指标,一台先进的医用CT影像设备的结构复杂，价格昂贵，其性能指标取决于许多方面，主要介绍以下几方面:1X线球管的热容量与散热率热容量的单位MHU，X线球管的热容量越大，表示可承受的工作电流越大，连续工作的时间也越长；散热率的单位是kHU/min，散热率越高，说明X线球管的性能越好。,5.1.3 CT影像设备主要性能指标,3扫描时间、重建时间和周期时间 CT扫描时间是指X线球管以一定的层厚围绕人体旋转扫描一周（360）所需要的时间。扫描时间取决于X线球管旋转的速度与能力，以往的CT扫描时间为1s、2s、3s或更长，现在已实现了亚秒扫描。如GE公司LightSpeed Plus 16排CT的扫描时间为0.5s；Philips公司的Brilliance 16排CT最短扫描时间可达0.42s；扫描时间的缩短可以减少病人的检查时间，提高单位时间内病人的检查量，还能减少病人的运动伪影等。,Philips公司的Brilliance 16排CT,5.1.3 CT影像设备主要性能指标,3扫描时间、重建时间和周期时间重建时间是指计算机的阵列处理器将CT扫描的原始数据重建成图像所需要的时间。如先进的16排MSCT能够在1秒重建出12幅512512的图像。周期时间是指从CT扫描开始、图像的重建、直到图像的显示这一全过程所需要的时间。,图像扫描与重建时间7分钟 图像扫描与重建时间7秒,5.1.3 CT影像设备主要性能指标,6.矩阵 矩阵（matrix）是数字图像的格式，矩阵的大小直接决定了CT图像像素的大小与分辨率，矩阵与像素大小的关系：像素（mm）=扫描野（FOV）mm/矩阵。矩阵包括重建矩阵和显示矩阵。早期CT机的矩阵较小，一般为256256，320320等；目前的CT机的矩阵增加到512512，10241024；还有的CT机的重建矩阵为512512，而显示矩阵为10241024，对于显示的CT图像而言，其矩阵的大小不能小于重建矩阵。,5.1.3 CT影像设备主要性能指标,7高对比度分辨力 高对比度分辨力（high contrast resolution）也称空间分辨力（spatial resolution）是指在CT图像中可辨认的相邻物体空间几何尺寸的最小限度，即对影像细微结构的分辨能力。不同CT装置所得图像的象素大小及数目不同。大小可以是1.01.0mm，0.50.5mm不等；数目可以是256256，即65536个，或512512，即262144个不等。显然，象素越小，数目越多，构成图像越细致，即空间分辨力（spatial resolution）高，高对比度分辨力有两种表示方法，即每厘米包含多少线对数（Lp/cm）或毫米线径（mm）。,5.1.3 CT影像设备主要性能指标,8低对比度分辨力 低对比度分辨力（low contrast resolution）又称密度分辨力（density resolution）是指在低对比情况下，图像中能够区分物体密度的微小差别的能力，反映了CT分辨密度相近(特别是与背景呈低对比)的不同物体的能力.这对于组织线性衰减系统差异较小的一些病变(例如,肝癌组织多呈低密度、等密度或混密度)的诊断至关重要。用百分数（%）表示。影响因素有探测器灵敏度和采集层厚等。9时间分辨率 时间分辨率（temporal resolution）是指影像设备在单位时间内采集图像的帧数。该性能指标与CT机对每帧图像的采集时间、重建时间以及连续成像的能力有关。,5.1.3 CT影像设备主要性能指标,10其他性能指标及概念（1）伪影（artifact）是指在CT扫描和成像过程中会出现一些被扫描体本身并不存在的各种形状的影像。（2）噪声（noise）可以看作是图像矩阵中像素值由于各种原因所引起的误差。（3）体素与像素：体素（voxel）即体积单元的略语，是指对CT扫描的层厚（如10mm）分成按矩阵排列的无数的小方块或基本单元，它是一个三维的概念；而像素（pixel）是构成CT图像的最小单位，也就是矩阵中的一个小方格或基本单元，它与体素是相对应的，是一个二维的概念。（4）重建与重组：CT图像的重建与重组实际上不是同一个概念。重建是指原始CT扫描得到的数据经过计算机采用特定的算法进行处理，最后得到能用于诊断的一幅图像，这一处理方法或过程称为重建；而重组是不涉及原始数据处理的一种图像处理方法。,5.1.3 CT影像设备主要性能指标,10其他性能指标及概念（5）CT值是CT图像中各种组织与X线吸收系数（值）相当的对应值，它是从人体组织器官的值换算出来的。CT值=(-w)/w*a，其中和w分别为受检物和水的吸收系数（骨皮质吸收系数为2.0，空气吸收系数为0，水的吸收系数为1.0），a为分度因数。一般将人体组织CT值划分为2000个单位（HU），最上界为骨+1000HU，最下界为空气-1000Hu，水的理想CT值为0。CT值不是绝对不变的数值，与X线管电压、CT设备、扫描层厚等因素有关。CT值有助于大致判断组织类型，从而有助于提示疾病的诊断。,5.1.3 CT影像设备主要性能指标,10其他性能指标及概念（6）窗口技术人体组织的CT值范围是2000个单位，人体的CT图像实际上是用2000个灰度值表示的，而人眼一般仅能分辨出16个灰度等级。若将2000个灰度等级划分为16个灰阶，则每个灰阶所能分辨的CT值为200016=125HU，也就是说，当相邻的两种组织的CT值相差125HU时，人眼才能将两者区分出来。为了显示组织结构的细节和反映准确的密度差值，就必须使用窗口技术,5.1.3 CT影像设备主要性能指标,（6）窗口技术人体组织的CT值范围是2000个单位，人体的窗宽是指显示图像所包含的CT值范围，在此范围内的组织结构按密度高低从白到黑分为16个等级进行观察分析。在此CT值范围内的组织和病变均以不同的模拟灰度显示。而CT值高于此范围的组织和病变，无论高出程度有多少，均以白影显示，不再有灰度差异；反之，低于此范围的组织结构，不论低的程度有多少，均以黑影显示，也无灰度差别。增大窗宽，则图像所示CT值范围加大，显示具有不同密度的组织结构增多，但各结构之间的灰度差别减少。减小窗宽，则显示的组织结构减少，然而各结构之间的灰度差别增加。,5.1.3 CT影像设备主要性能指标,（6）窗口技术窗位（window level）是窗的中心位置，同样的窗宽，由于窗位不同，其所包括CT值范围的CT值也有差异。例如窗宽同为100H，当窗位为0H时，其CT值范围为-50+50H;如窗位为+35H时，则CT值范围为-15+85H。通常，欲观察某一组织结构及发生的病变，应以该组织的CT值为窗位。例如脑质CT值约为+35H,则观察脑组织及其病变时，选择窗位以+35H为妥。由上可见，同一CT扫描层面，由于选择不同的窗宽和窗位可获得各种观察不同组织结构的灰阶图像。窗口技术可以通过CT设备上固定的功能键实现，也可以根据图像显示疾病的需要通过手动来调节,5.1.3 CT影像设备主要性能指标,10其他性能指标及概念 部分容积效应：是指在同体素中存在有不同衰减系数的物质时对这些衰减系数的平均，CT图像上各个像素的数值代表相应单位组织全体的平均CT值，它不能如实反映该单位内各种组织本身的CT值。在CT扫描中，凡小于层厚的病变，其CT值受层厚内其它组织的影响，所测出的CT值不能代表病变的真正的CT值：如在高密度组织中较小的低密度病灶，其CT值偏高；反之，在低密度组织中的较小的高密度病灶，其CT值偏低，这种现象称为部分容积效应。采用薄的扫描层面和高矩阵重建或显示图像，有助于减少部分容积效应的影响。,CMUCC,5.3.1 螺旋CT主要特点,(2)非螺旋CT与螺旋CT扫描方式的比较传统的非螺旋CT影像设备的馈电方式是电缆连接。复杂的连接电缆相互缠绕，每次旋转扫描之前，还必须有启动、加速、稳定、减速和制动等过程。比如在进行肺部的CT扫描时，首先在病人和检查床固定不动的情况下，病人屏住呼吸，机架旋转、X线曝光，同时采集一个层面扫描的原始数据，由计算机进行图像重建后传给显示器显示；然后X线球管连同电缆等复位，检查床向前移动准备好下一个层面的扫描，病人再屏住呼吸，扫描机架旋转、X线曝光，进行下一次的扫描过程，如此周而复始，直至扫完整个胸部预定检查的范围。若病人在每次扫描时屏气深度不一，一部分所检器官（如肝脏）有可能根本没有扫到，小的病变因此而不能发现。,CMUCC,5.3.1 螺旋CT主要特点,(2)非螺旋CT与螺旋CT扫描方式的比较螺旋CT扫描采用的滑环技术，去除了X线球管与机架之间的电缆连接的束缚，使得球管、探测器系统可以单向连续旋转，每旋转360的扫描时间可以缩短到1秒或亚秒，明显提高了扫描速度和检查效率。X线管连续旋转并产生X线束，同时扫描床在纵轴方向连续移动，这样，扫描区域X线束进行的轨迹相对被检查者而言呈螺旋运动。,非螺旋CT与螺旋CT扫描模式图,CMUCC,5.3.1 螺旋CT主要特点,1.螺旋CT扫描中的参数与概念(1)螺距（pitch）：扫描架旋转一周3600进床距离与透过探测器的X线束厚度之比，当螺距等于1时，说明扫描旋转一周检查床移动的距离与X线射线束的宽度相等。一般来说，增加螺距可以提高扫描的速度，缩短扫描的时间，但是图像的质量会有所下降。当螺距等于零时与非螺旋CT的扫描相同。,CMUCC,5.3.1 螺旋CT主要特点,1.螺旋CT扫描中的参数与概念(2)重建间隔：当螺旋扫描的采样结束后，二维图象可以从Z轴上的任何一点开始重建，而且数据可以反复使用。这样就出现了一个新的概念：重建间隔。其定义是每两层重建图象之间的间隔。螺旋CT扫描时重建的层数是由层厚与重建间隔共同决定的。例如：扫描范围为100mm，准直宽度为10mm，如果重建间隔为10mm，将获得类似常规断层扫描的10幅图象；如果重建间隔为5mm，将获得20幅10mm层厚图象，产生数据交叉重叠的图象。重建间隔是采集数据后的处理，不会影响到扫描时间，只会改变重建时间，重建间隔的缩小意味着重建图像数量的增多和重建时间的延长。,CMUCC,5.3.1 螺旋CT主要特点,3.螺旋CT影像设备的优缺点(1)与非螺旋CT比较，螺旋CT扫描主要具有以下优点：螺旋CT连续扫描的能力，使得整个器官或一个部位可以在一次屏气中完成扫描，从而避免漏扫或重扫。由于没有层与层面之间的停顿，使得一次扫描检查的时间明显缩短，有益于危重病人和不配合病人的检查。病人运动形成的伪影，由于扫描速度的提高而得以减少或避免。可进行任意回顾性重建，没有层面间隔大小和重建次数的限制。单位时间内扫描速度的提高，使CT增强扫描时对比剂的利用率提高和增强效果改善。由于螺旋CT扫描得到的是容积扫描数据，因此使得多平面和三维重建图像的质量有了明显改善。,CMUCC,5.3.1 螺旋CT主要特点,3.螺旋CT影像设备的优缺点(2)与非螺旋CT扫描比较螺旋CT扫描也存在一定的不足，主要包括：由于扫描时检查床的运动产生一定的伪影，在Z轴上的空间分辨率有所降低。螺旋CT扫描图像的噪声较传统CT有所增高（内插法的一个缺陷就是使噪声增加）。螺旋CT图像处理的时间较长，并需要计算机大容量的存储能力和运算能力。,
