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1、计算机体层成像原理,Lecturer:yue zhi wen,Computed Tomography Principle,咸宁学院医学院影像系,CT（Computer tomography）是Hounsfield 1969年设计成功，1972年公诸于世的。CT不同于X线成像，它是用X线束对人体层面进行扫描，取得信息，经计算机处理而获得的重建图像。所显示的是断面解部图像，其密度分辨力明显优于X线图像。由于CT大大促进了医学影像学的发展。Hounsfield获得了1979年的诺贝尔奖金。,一概述,CT的发展概况,19691972197319741979,HounsfieldAmbroserAmbr
2、oserLedleyHounsfield,计算机横断体层成像设计成功应用于临床并在英国放射学会发表在英国放射学杂志上报道全身CT机设计成功Hounsfield获得诺贝尔奖,My name is Godfrey Hounsfield I work for the Central Research Labs.of EMI,Ltd in England I developed the the first clinically useful CT scanner in 1971,History of Computed Tomography,Early 1970s,1963-Alan Cormack d
3、eveloped a mathematical method of reconstructing images from x-ray projections,For the first time we could view:,CT Broke the Barrier,-Tomographic or“Slice”anatomy-Density difference,But its time consuming And resolution needs to be improved,又称Computed Tomography，即计算机体层成像，是用X线束对人体某部一定厚度的层面进行扫描，由探测器接
4、收透过该层面的X线，扫描所得信息经计算机处理后形成的图像。,CT定义,线性衰减系数CT的工作原理体素、数字矩阵、像素数据处理与重建数据的计算方法,二CT基本原理及基本概念,线性衰减系数,由物理学的吸收定律（或称朗伯定律）可知，当X线穿过任何物质时，其能量与物质的原子相互作用而减弱，X线穿过物质时其强度按指数规律衰减：I=I0e-d 式中 I0为入射X线强度，I为穿过物体衰减后X线强度，d为物体厚度，为组织线性吸收系数或衰减系数与X线的能量，物质的厚度、原子序数Z以及密度有关。,How does CT Work?,Patient is placed in the center of the me
5、asurement fieldX-ray is passed through the patients slice from many direction along a 360 pathThe transmitted beams are captured by the detectors which digitizes these signalsThese digitized signals called raw data are sent to a computer which create the CT image,How does CT Work?,CT的成像基本原理,X线,人体,探测
6、器,光/电转换器,模/数转换器,计算机,数/模转换器,体素、数字矩阵、像素,体素：CT扫描人体某一定厚度的体层分成按矩阵排列的若干个小单元。上一个三维概念。以CT值表示其平均密度。象素：CT图像上按矩阵排列的若干个基本单元。为二维概念。为体素的成像表现。矩阵：是一个数学概念，表示一个纵横排列的数字阵列。由二个技术指标表示。1、大小：320X320、512X512、1024X1024 2、精度：常由二进制表示二种意义上的矩阵 1、重建矩阵，较小，512X512 2、显示矩阵，较大，1024X1024,The object slice is divided into small volume el
7、ements called voxels.Each voxel is assigned a value which is dependent on the average amount of attenuation,How is CT Image generated?,数字矩阵,The attenuation values are transferred to the computer where they are coded&used to create a slice image,How is CT Image generated?,数据处理与重建,1、原始数据：用准直后的X线穿过人体的某
8、一层面，用一个探测器阵列来接收经人体后衰减的X线信号，并经放大后进行模数转换所得到的数据。2、显示数据：组成CT某层面各体素CT值的矩阵中的数据。3、重建：将原始数据经复杂的计算而得到和显示数据的过程。,数据的计算方法1、解析法2、反投影法3、迭代法,三 CT主要结构及功能,CT机的主要设备X线系统部件DAS系统主要部件与性能CT机的主要性能指标1）扫描时间、重建时间、周期时间2）CT机部件的一些重要参数,CT设备,扫描部分：由X线管、探测器和扫描架组成计算机系统：将扫描收集到的信息数据进行贮存运算图像显示和存储系统：将经计算机处理、重建的图像显示在电视屏上或用多幅照相机或激光照相机将图像摄下
9、,扫描部分,计算机系统,图像显示和存储系统,X线系统,高压系统：包括高压发生器及高压控制系统。高压发生器首先给高压电容器充电，再供给X线球管两端X线球管及其冷却系统连续式曝光与脉冲式曝光,探测器,探测器的任务是将透过被检查部位的X线图像转换成人眼能看见的图像。,优点:高吸收率(99%)发光效率(82%)光电转换率(93%)缺点:透光性差 Z轴均匀性差 能量转换时损失大 水中毒,高压氙气探测器,闪烁晶体探测器GOS,优 点:高 稳 定 性 无 需 经 常 校 准 耐 受 性 温 度 及 湿 度 首 先 应 用 于 CT 价 格 便 宜 缺 点:低 吸 收 效 率 需 要 高 mAs,准直器,作用
10、是大幅度减少散射线的干扰，提高图像质量，决定扫描厚。CT扫描机中准直器分为二种：一种是X线管侧准直器；另一种是探测器侧准直器，两个准直器必须精确地对准。,模数转换器（A/D转换器）,在CT扫描机，探测器接收X射线后输出相应的X射线强度的模拟信号，此信息必须被转换为能被数字电路识别并进行处理的数字信号。A/D转换器就是实现模拟信号到数字信号的转换。,扫描时间、重建时间、周期时间,1、扫描时间是指从X线产生、X线管旋转、X线管散热、进床及DAS处理并保存原始数据所需要的时间。2、重建时间是指AP用原始数据重建成显示数据矩阵所天需要的时间。与重建的矩阵、AP的运算速度工、计算机的内存有关。3、周期时
11、间是指对病人的某一体层从扫描开始，经重建，显示直到拍片完毕这一整个过程所花费的时间。非并行处理周期时间扫描时间重建时间拍片时间并行处理周期时间扫描时间重建时间拍片时间,CT机分型及扫描方式,普通CT螺旋扫描CT电子束CT,普通CT扫描方式,螺旋CT概念,螺旋扫描技术是采用螺旋连续滑环扫描。扫描过程中，X线球管环绕病人作连续360圆周运动，持续发射X线。同时扫描床以匀速移动，探测器连续采集数据。由于上述程序是同步进行的，X线球管对病人而言，经历了一个螺旋性路径，故被称为螺旋扫描CT（Spiral CT),What is Spiral Scan?-just 4“C”,Continuously ro
12、tating tube/detector systemContinuously generating X-rayContinuously table feedContinuously data acquisition,螺旋CT的结构特点,采用了滑环技术采用大容量的X射线管快速冷却技术使用定位精确的扫描床大容量的机器硬盘,螺旋CT的扫描参数,螺距（pitch)定义为扫描时床进速度与扫描层厚的比值。它是一个无单位的参数。pitch=床进速度（mm/周）/层厚（mm）重建间隔 被重建的相邻两层横断面之间长轴方向的距离。,螺旋CT图像重建,在螺旋CT扫描中，平面投影数据是通过螺旋CT扫描的原始数据内插
13、合成，然后再由滤过后投影重建成像，原始数据的内插方式是螺旋CT扫描成像的关键。,Increment Slice Thickness Gaps between slices Images are further apart Less images created,Image Reconstruction with Gaps,Increment,Slice Thickness,螺旋CT的优势,快速容积扫描，扫描速度快，可达亚秒级可回顾性任意重建病灶检出率高，对比剂用量减少拓宽了临床应用动态扫描高分辨力扫描CTA(血管成像),电子束CT,又称超高速CT，电子枪发射电子束，在高度真空管中聚焦线圈使电子
14、束聚集，并由偏转线圈使之偏移，轰击四个平行的钨靶产生旋转的X线源，并用两组排列成曲面的探测器阵列来采集数据，每层扫描时间最短50ms，每秒最多可扫描34层。,电子束CT扫描方式,扫描特点多层面扫描连续式扫描,优点CT电影观察容积扫描血流检查心脏功能评价,四 CT图像特点与评价,CT图像的主要特点CT值的概念窗宽与窗位CT图像分辩率CT图像伪影部分容积效应与周围间隙现象,CT图像是数字化图像CT图像灰阶图像CT图像具有良好密度分辨率CT图像是层面图像,CT图像特点,是指CT对于物体空间大小(几何尺寸)的鉴别能力。通常用每厘米内的线对数来表示或用可辨别最小物体的直径(mm)来表示。其换算关系为：5
15、LP(线对数)cm可辨别最小物体的直径(mm)。影响空间分辨率因素:被测物体间的密度差别有关。探测器(尺寸，间隙)、总的原始数据量、重建的算法也是。,空间分辨率,密度分辨率,又称低对比分辨率 它表示CT设备对于密度差别的分辨能力，以百分数表示。如0.35，即表示CT可分辨两个物质的密度差大于0.35影响密度分辨率的重要因素:噪声和信噪比、探测器的效率和剂量、被测物体的大小。完整表示:0.5，3mm，5rad，即对于直径为3mm的物体，该CT的密度分辨率为0.35，病人接受的剂量小于5rad。,CT值,CT值的定义：人体组织或病变的X线吸收系数与水的吸收系数差值之比。物水CT值X1000 水单位
16、为：Hu 意义：1）反映了组织X线的衰减系数2）是相对值，CT值的绝对值没有意义3）用数字反映组织或病变的相对密度影响CT的主要因素：管电压；部分容积效应,几种人体组织CT值（参考值）组织CT值 组织CT值骨密质1000 肝脏4060钙化 80 血液16凝血4060 水0脑白质25 脂肪-100脑灰质35 空气1000人体组织CT值范围1001000Hu。,窗宽及窗位,窗宽（WW）：显示图像上所包括的16个灰阶的CT值范围。窗宽主要影响图像的对比度窗位（WL）：又称窗中心，指窗宽上、下限CT值的平均数。它影响图像的亮度CT值窗位12窗宽，全为白色灰阶CT值窗位12窗宽，全为黑色灰阶每一灰阶的C
17、T值范围窗宽16,常见的窗宽的窗位,肺窗纵隔窗脑实质窗骨窗,10002501501000,-5003535+300,窗宽和窗位的调节1、增大窗宽：图像显示组织结构增多，但结构之间灰度差别小2、减小窗宽：图像显示组织结构减少，但结构之间灰度差别大,肺窗,纵隔窗,定义 伪影是指正被扫描物体中并不存在而在图象中却显示出来的各种不同类型的影象病人有关1）运动伪影。图象产生条纹状的伪影，部分组织会变得模糊不清。缩短扫描时间、扫描过程中进行数据重复采集。是克服运动伪影的有效方法。2）病人体内有高密度结构和异物（颅底的岩状影金属假牙不锈钢钉等）图像产生放射状伪影,伪影,1）CT设备性能造成取样频率低或探测器
18、之间间隙较大，因数据量不足可产生条纹状或辐射状伪影。主要措施提高取样频率、减少探测器的几何大小、减少探测器之间间隙2）设备出现故障造成AS故障：可产生条状或环状伪影AP故障：可产生条状或1/2,1/4图像呈杂乱图形伪影主要措施为增加探测器及电路的稳定性,机器伪影,部分容积效应,在同一扫描层面内含有两种以上不同密度横行走行而又互相重叠的物质时，所测得的CT值不能如实反映其中任何一种物质的CT值，这种现象为部分容积效应,准直,中心准直周围不准,均为非不准,均为非不准,周围间隙现象,在一个层面内，与层面垂直的相邻两个密度不同的组织其物体边缘部分的CT值不能准确测得，其交界的影像不能清楚分辨，这种现象
19、为周围间隙现象,边缘部分,高密度,低密度,CT分析与诊断,诊断过程原则与方法X线分析与诊断步骤 CT诊断结果,诊断过程,1、显示病变2、发现病变3、分析病变4、诊断病变,了解扫描技术熟悉解剖结构熟悉影像结构掌握思维方法,形象整体理解结合病生改变密切结合临床与以往片比较,原则与方法,X线分析与诊断步骤,首先应了解并运用各种CT技术(窗技术、重建技术)。应按一定顺序，全面而系统地进行观察。应注意区分正常与异常(包括变异、伪影)。观察异常X线表现注意病变的密度 低密度、等密度、高密度、混合密度注意病变的位置注意病变的形态 注意病变的大小,注意病变的数目注意病变的边缘 注意病变的邻近注意病变的强化强化
20、程度：明显强化(20以上)中度强化10-20)轻度强化(10以下)无强化强化形式：均匀性强化、非均匀性强化、环形强化动态强化：快进快 出(肝癌)、快进慢出(海绵状肝血管瘤)5.其他临床资料和影像诊断检查结果加以验证。,均匀明显强化,不均匀明显强化,环形强化,CT诊断结果,肯定性诊断影像表现诊断：胸腔积液完全性疾病诊断：右上叶大叶性肺炎不完全性诊断：肺炎性病变弥漫性间质性病变否定性诊断：双肺未见明显异常可能性诊断：右下叶占位性病变（肺癌可能）,CT诊断的临床应用,五 CT检查技术,常规检查技术,1、扫描体位：一般为仰卧位，部分可用府卧位2、扫描基线：头部OM 胸部SN 椎间盘XY 3、扫描范围：
21、如肺部，从胸廓入口到双侧膈下4、层距、层厚：常规5-10mm，薄层2-5mm 5、其他技术：(1)训练患者屏气(2)胃肠道准备(3)碘过敏试验(4)婴幼儿给予镇静剂(睡眼状态,平扫：不用对比增强或造影的普通扫描,普通CT检查方式1,增强扫描：造影剂通过静脉引入循环系统，使实质脏器及病变造影剂浓度增加，形成对比。造影剂种类：高渗离子型，如泛影葡胺；低渗非离子型，如优维显和欧乃派克。造影用量：一般60100 ml,普通CT检查方式2,一般反应：恶心、呕吐和寻麻疹等。为一过性，无须处理。中度反应：寻麻疹、喷嚏、流泪、结膜充血、脸面红肿。重度反应：除上述表现外，可能出现喉头水肿、肺水肿、休克、抽搐、昏
22、迷、呼吸心跳停止。,造影剂反应,过敏反应，表现为荨麻疹、血管性水肿、呼吸困难等。,化学反应,主要表现为血管的舒缩状态如恶心、呕吐、颜面潮红、发热等。为剂量相关性,普通CT检查方式3,造影扫描：将造影剂引入天然存在的体腔或后天形成的腔隙，使清晰显示。,CT各种功能扫描,定位扫描快速连续扫描高分辨率扫描动态扫描定量CT氙气增强CT,定位扫描：X线球管和探测器静止不动，病人按设计的范围移动。,采用薄层扫描，增加扫描条件，在较短时间内，取得良好空间分辨率CT图像的扫描技术技术要求：CT机的固有空间分辨力小于0.5mm图像重建用高分辨力算法薄层扫描：层厚1-1.5mm矩阵：512X512扫描用高电压和高
23、电流即120k-140kv,170mA-220mA图像特点显示微小的组织结构(肺间质、听小骨、肾上腺)显示微小病灶和早期轻微病变,高分辨率扫描,(High resolution computed tomography),增强后，为及时得到造影剂在血管或组织中的浓度变化而进行的快速连续扫描的方式。,动态扫描,是利用CT检查来测定某一兴趣区特殊组织的某一种化学成分含量的方法，常用来测定骨矿物质含量，监测骨质疏松或其它代谢性骨病病人的骨矿密度。,定量CT（QCT）,氙气增强CT：其功能是用氙气作增强剂来测量脑血流量。氙气增强可确定脑缺血的部位、范围，还可测量对应区域的血流量，对治疗脑血管病有一定指导
24、意义。,CT新技术,多平面重MPR,多平面重建是将扫描范围内所有的轴位图像叠加起来再对某些标线标定的重组线所指定的组织进行冠状、矢状位、任意角度斜位图像重组。,MPR优点能任意产生新的断层图像，而无需重复扫描。原图像的密度值被忠实保持到了结果图像上。曲面重组能在一幅图像里展开显示弯曲物体的全长。MPR缺点难以表达复杂的空间结构曲面重组易造成假阳性。,表面阴影法重建（SSD）,采用象素阈值的方法对器官组织的表面轮廓进行重建，实质器官的表面和内部结构被作为同等密度重建，重建出3D图像只能显示器官外表面形态轮廓，而不能显示内部结构。SSD的优点:符合人的视觉经验，以强真实感效果展示立体形态；能展示空
25、间结构复杂的物体；易于定量测量和对三维物体进行操作（如模拟手术）SSD缺点：阈值的选取对结果影响很大，结果图像不提供密度信息，产生的伪像同样具有真实感，需要学会鉴别,最大密度投影重建（MIP）,在容积扫描数据中对每条径线上每个象素的最大强度值进行编码并投射成像。MIP的灰阶度反映CT值的相对大小，且比较敏感，即使小的差异也能被检测，如钙化灶、骨骼CT值非常高，充盈对比剂的血管同样很高的CT值，但总是低于钙化灶和骨骼，在MIP图像上，其明亮度不一样，可区分。,螺旋CT增强扫描，一般采用3-5mm层厚，小的重建间距。在横断面图像上划定兴趣区。保留靶血管的高密度影像，删除骨骼等其他高密度组织。使用M
26、IP软件进行图像重建。沿X、Y、Z轴360度旋转，三维地显示血管结构及病变。,重建方法,广泛应用于具有相对高密度的组织和结构，如显影的血管、骨骼、肺部肿块以 及明显强化的软组织病灶等，对于密度差异甚小的组织结构以及病灶则难以显示。,MIP应用价值,容积再现法（VRT）,不需要重建物体的表面几何信息，直接把三维灰度数据投影显示到二维屏幕上。它分为两个步骤：第1步，对三维数据进行一些预处理；第2步是投影显示。,CT血管造影（CTA）,是静脉内注入造影剂后行血管造影CT扫描，通过再现技术进行重建，可立体地显示血管影像。主要用于脑血管、胸主和腹主动脉、肾动脉和肺动脉。,CT仿真内窥镜（VE）,在CT采
27、集容积数据后，三维重建采用表面阴影显示法或容积再现法，其中假想光线的投影采用透视投影，在受检器官的腔内选择好视点的行进路线，计算机保存一系列显示结果图像，按电影序列反复回放，其效果与光纤内窥镜相仿。用于显示管腔器官的内腔结构仿真血管镜、仿真血管镜、仿真支气管镜、仿真喉镜、仿真结肠镜,支气管仿真内镜,为非侵入性检查、安全，病人无痛苦。能比狭窄或阻塞的远端观察病灶。能观察到纤维内镜无法到达的管腔,如血管内腔情况。VE可动态地、立体地观察腔内形态结构及病变。可模拟纤维内镜检查过程，有助于教学。,VE的优点,VE的缺点,不能显示粘膜及其本身的颜色,因此,它不能用于诊断由粘膜充血水肿所致的炎性病变。单凭
28、VE难以判断腔道内隆起性病变的性质，如结肠内肿瘤、息肉与残留的粪便。VE不能发现轻度腔内隆起性病变。VE不能进行活检。,图像融合,不同的三维影像学检查手段提供不同的信息，把不同设备采集的三维图像融合（fuse）起来，使图像上包含更多的信息，此方法即为图像融合。,计算机辅助外科（CAS）,计算机辅助外科（computer assisted surgery,CAS)包括三维图像工作站在手术计划、手术模拟、定位或导航、电子解剖图谱等方面的应用。,CT灌注成像,CT灌注成像是经静脉团注对比增强后，对感兴趣器官在固定层面行连续扫描，得到多帧图像，通过不同时间影像密度的变化，绘制出每个像素的时间密度曲线，而算出对比剂到达病变的峰值时间、平均通过时间、局部血容量、局部血流量等参数，再经假彩色编码处理可得四个参数的图像。主要用于脑、肺、肝、胰、肾等。,
