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1、3.1医学影像设备和成像原理医学影像设备和成像原理谢耀钦谢耀钦2003年11月18日X-射线成像(平面和断层，模拟和数字)核医学成像(平面、断层和正电子湮灭成像)超声成像(黑白，彩色，杜普勒成像)核磁共振成像(T1T2质子密度，扩散，灌注，血氧水平依懒性等成像机制和方法，以及上千种不同的脉冲序列)当前临床主要的成像模式当前临床主要的成像模式计算机断层扫描成像(CT)技术1895年，德国外科医生伦琴（Rntgen）首次利用X射线观察到了人体的内部解剖结构。这一成功可以说是开创了影像技术的先河。1969年英国工程师Hounsfield首次设计成功了一台断层摄影装置。计算机断层扫描成像(CT)技术1
2、972年Hounsfield与英国神经放射学家Ambrose一道将该技术首次应用于脑部扫描，获得了第一幅脑肿瘤图像。该摄影装置称为计算机X射线断层扫描摄影装置，简称计算机层析成像或CT。1974年由Ledley设计成功全身CT装置，进一步扩大了CT的检查范围，从而为CT进入临床医学领域奠定了基础。新型CTCT电影CT血管造影超高速CT高分辨率CT螺旋CTX线成像的基本原理当X射线穿过某一物质时，部分光子被吸收，其强度成指数关系衰减，未被吸收的光子穿过物体后被检测器接收。经过放大并且转换成电子流，得到模拟信号，再转换成数字信号输入计算机进行处理重建成图像供诊断使用。X线成像的基本原理检测器接收到
3、的信号强弱取决于人体横断面内组织的密度。密度高的组织吸收的X射线较多，检测器得到的信号较弱，比如人体的骨骼、钙化组织等。密度较低的组织吸收的X射线较少，检测到的信号就较强，譬如脂肪等组织。X线成像的基本原理X线通过均匀物质后的强度与入射强度的关系为：为X射线在物质中传播的距离。为该物质对X射线的衰减系数。检测器所接收到的信号的强弱反映了人体组织的不同值，CT诊断正是利用X射线穿透人体后的衰减特性作为诊断病变的依据。outIinIdinouteII=dX线成像的基本原理若X射线穿过一组衰减系数不同的物质时(如表2-1所示)，则入射X射线的强度与透射的X射线强度具有如下关系：转换为线积分则有)(3
4、32211332211)(+=dddindddinouteIeeeII)(332211332211)(+=dddindddinouteIeeeII)(332211332211)(+=dddindddinouteIeeeIIIIeoutindx=X线成像的基本原理X射线在穿过不均匀物质时，其强度遵照指数规律衰减，其衰减率为X线在其传播途径中物质吸收系数的线积分值。从方程可以看出：仅仅反映了X射线在传播路径上衰减的综合效果，不能反映在该传播路径上不同密度物质的分布情况。常规的X射线设备的成象反映的是各个组织相互重叠的图像，高密度的物质(如骨骼、造影剂等)的图像将掩盖低密度组织的影像。因此所得到的图
5、像没有层次，只适用于简单的临床诊断，如胸透检查等。IoutCT断层成像的基本原理CT设备克服了线积分的弊病，得到了反映人体组织结构分布的图像。CT的基本原理是采用准直后的X射线束对人体的某一层面从不同的角度进行照射，在射线穿过的另一端利用探测器接收到多组原始数据。经过计算机重建后得到用于显示的二维数据矩阵，通过显示设备显示图像。第一代CT平行X线束递增扫描这种扫描方式采用单一的X射线源和射线检测器。这种扫描方式必须做两种运动：射线源和检测器沿着垂直两者连线的方向作平行移动，此时的数据是根据一组平行的射线进行测量而得到的。扫描设备进行少量的旋转移动(一般每次旋转角度为1度)。射线源单一检测器第一
6、代CT平行X线束递增扫描这两种运动的反复进行，就可以得到大量的影像数据。第一代CT要求扫描对象在扫描过程中固定不动，这就使得它的应用受到较大限制，一般多用于颅脑诊断。第二代CT扇形束递增扫描该扫描方式采用一排射线检测器代替第一代CT中采用的单一检测器。当射线源和检测器阵列平行移动时，可以采集到影像数据。第二代CT允许扫描设备在旋转时以较大角度进行旋转(一般为10度)，因此扫描时间较少。射线源射线源检测器检测器阵列阵列第三代CT扇形束旋转扫描在这种扫描设备中检测器成弧形排列。扫描方式仅仅需要X射线源做一种运动，即X射线源与检测器同步旋转运动，从而使得检测器阵列与射线源所张开的角包含了整个重建区域
7、。X-射线源和检测器阵列的组合围绕扫描对象旋转，数据由大量的射线组来获取。这种CT在通道增益不一致或不稳定或者未能进行及时矫正的情况下，易出现环形伪影。第四代CT第四代CT的扫描原理与第三代CT的原理相近。在第四代CT中检测器排列成圆环状并且固定不动，X射线源在探测器环内做旋转运动。射线源运动时，每个检测器到光源的直线形成了一组发散的射线，使得检测器阵列与射线源所张开的角能够包含整个扫描区域。在临床应用中，通常是顺时针旋转一次，然后再逆时针旋转一次。第五代CT锥形半圆柱扫描一排X-射线源排列成一个半圆，它们可以按照电子仪器的方式进行开关，同时它们把物体投影到一个弯曲的荧光屏上，使得当每一个X射
8、线源接通时，很大一部分人体部位(例如整个胸腔)被同时成象，同时产生出由那个射线源发出的一个锥形束的投影数据。这种数据采集方式在本质上与上述方式不同，因为这是采集一个三维物体的一系列二维投影，而不是采集一个二维物体的一系列一维投影。扫描时间比较0.01约为15约为18约为200做圆周扫描所需的时间(秒)小于0.0004约为0.25约为0.00111每个方位的人体断面扫描时间(秒)第五代第四代第三代第二代第一代CT图像和CT值CT图像：通过数学方法对CT原始数据进行重建，得到图像矩阵，计算机把重建图像矩阵中的各个像素转变为不同明暗的相应光点，通过显示设备显示出来供查看。CT值：CT采用的标准是根据
9、各种组织对X线的吸收系数来决定的。Hounsfield将线性衰减系数划分为2000个单位，医学上称为CT值。由于在物理过程中，物质的密度是由物质对X线的衰减系数来体现的，在研究CT图像时，更能提供诊断信息的是组织之间的密度差异，而不是绝对密度。CT值的定义某物质的CT值特定物质的CT值等于该物质的衰减系数与水的吸收系数之差再与水的吸收系数相比，然后乘以1000。物质的CT值越高表明其密度越大。CT值的大小还与X射线的能量有关，X射线的能量越低则相同物质的CT值会有所增大。100022xHOHOCT扫描方式CT扫描方式分为定位平扫以及断层扫描两种。所谓定位平扫是指，扫描机架不动，受检者移动通过X
10、射线的照射区。检测器接收穿过人体后的X射线，数据采集系统获得相应的数据并由计算机进行图像重建。这种方式得到的图像与普通的X射线摄影得到的影像是一样的，是二维重叠图像，而不是断层图像，这种图像用于定位图像，以确定断层扫描中的扫描断层位置。CT扫描方式断层扫描是指：扫描机架按照一定的扫描方式绕受检对象运动一周，如旋转，产生一个断层切片。在扫描机架运动过程中X射线源曝光，检测器检测X射线，计算机采集、处理并进行图像重建，这样就得到受检者某一断层位置的切片图像。选择适当的层厚和层位，经多次扫描就可以获得一系列无重叠的二维图像。CT设备的主要技术指标CT工作时间CT系统部件CT图像质量指标CT设备的主要
11、技术指标CT工作时间：CT工作时间包括扫描时间、图像重建时间、周期时间。扫描时间越短则一方面可以缩短病人暴露在X射线中的时间，另一方面可以减少由于病人运动而引起的运动伪影，确保图像质量。CT扫描时间在医学中采用的指标是指在能够获得设备所提供的图像质量的前提下，所需要的最短扫描时间。CT设备的主要技术指标图像重建时间是指根据原始数据进行计算机处理从而获得CT图像所需要的时间，重建时间短利于及时观察扫描图像，迅速调整扫描策略。一般重建时间与重建矩阵的大小密切相关，显然重建矩阵为512512时所需要的时间比重建矩阵为256256时要长。对病人的某一层从扫描开始，经重建，显示到拍片完成这一整个过程所需
12、要的时间称为周期时间。周期时间扫描时间重建时间拍片时间。CT设备的系统部件扫描机架和病床X射线系统数据采集系统计算机以及显示系统照相系统数据存储系统CT图像质量指标空间分辨率：该指标指CT对物体空间大小几何尺寸的分辨能力。通常用两种方式，一是每厘米内的线对数来表示，一种是用可辨别最小物体的直径(毫米)来表示。密度分辨率：表示CT设备对密度差别的分辨能力，以百分数表示。比如0.45%表示两种物质的密度差大于0.45%时，CT可以将它们区分出来。伪影：在被扫描取样的物体中并不存在，但是在图像中却出现的各种不同类型的影像。一般伪影的产生分为CT设备伪影以及病人的运动伪影。螺旋CT自从本世纪70年代中
13、期CT被引入临床应用以来，由于科学技术的进步和临床医学的发展，在扫描时间减少的同时，图像质量得到了提高。特别是在过去的6年时间里，某些关键技术的突破促成了螺旋CT的诞生。相对于传统CT，螺旋CT的扫描和数据获取速度有了显著的提高，这就极大的提高了咽喉，肝脏，胰腺及肾脏疾病的早期诊断率。不仅如此，基于螺旋CT技术的脉管造影术不但是非侵入式的，而且还比传统的脉管造影术价钱便宜。可以这样认为：螺旋CT引发了医学影象技术新纪元的到来。螺旋CT的历史按照扫描方式，螺旋CT可分为扇型线束型和圆锥线束型，这里我们只讨论扇型线束型。扇型线束型螺旋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
14、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（RadiologicalSocietyofNorthAmerican）上。数据获取与处理螺旋CT的名称源于在扫描过程中X射线的运动轨迹。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。这种螺旋扫描轨迹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。数据获取与处理从螺旋CT的数据获取方式，我们可以知道在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。数据获取与处理根据Fourier层析定理，为了
15、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。常用的插值方法有前后360度（FullScan）内插180度(HalfScan)内插，180度外插等，性能与特点性能与特点我们将从三个方面描述螺旋CT的特点，并将其与传统CT进行对比。时间（Temporal）分辨率高对比度(HighContrast)分辨率低对比度(LowContrast)分辨率时间分辨率所谓时间分辨率，就是CT系统的采样速率，即系统能在多大程度上刻画出一个时变结构。例如肺部，随着呼吸运动的进行，肺部的大小会发生变化，因此就必须在病人屏一口气的时间内完成对肺部的扫描，即所谓的
16、SingleBreathHoldScan。这就需要CT系统具有较高的采样速率。在这方面，螺旋CT具有较明显的优势，它的扫描过程不受任何间断，而传统CT在两次连续扫描之间，必须有一间歇用于调整X射线源的角度及防止线缆的缠绕。从肺部的切片中，我们可以清晰地看到这一点。高对比度分辨率所谓高对比度分辨率，就是指系统在被扫物的细节相对于背景具有高对比度时，能区分微小细节的能力，即空间分辨率。它分为扫描平面内的和扫描平面间的两种情况。对于扫描平面内的，它主要是通过一个布满高对比度的小条的物体来测试。小条挨得越来越近时，CT图像最终将不能区分它们。扫描平面内的图像分辨率可以由CT系统的调制传递函数（ModulationTransferFunction）来刻画，它就是图像对比度与物体对比度的比值，而这种对比度由小条的空间
