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1、1 医学影像技术学 2 第四章CT扫描技术 内容提要 第一节CT成像系统概述第二节CT扫描技术概述第三节螺旋CT的图像后处理技术第四节CT图像的质量控制第五节人体各部位CT扫描技术 3 本章节推荐教学参考书 4 第一节CT成像系统概述一 CT的发明CT ComputedTomography 即电子计算机体层摄影 又称X线CT X线平片的缺点 CT的发明解决了其不足 5 1917年Radon提出了图像重建的数学方法 1971年英国工程师Hounsfield设计成功第一台颅脑CT机 1972年应用于临床 1974年 美国工程师Ledley设计出全身CT机 Hounsfield和美国物理学家Corm
2、ark获得了1979年度诺贝尔医学生理学奖 Hounsfield于2004年8月12日在英国逝世 享年84岁 6 二 CT的成像原理 一 基本原理CT成像的物理学基础是物体对X线的吸收存在差异 高度准直的X线束对人体某个部位按一定厚度进行扫描 穿过人体的X线由探测器接收 经放大变为电子流 A D转换 输入计算机处理 计算机通过运算得出该断面上各体素的X线吸收值 并排列成数字数字矩阵 经D A转换后用不同的灰度等级在显示器上显示即获得该部位的横断面或冠状面的CT图像 7 8 二 CT成像中的基本概念1 CT值 CTnumber X线穿透人体时 不同的组织密度值代表不同的线性衰减系数 一般用它的相
3、对值表示 称为CT值 CT值 物质 水 水 KK为分度因数 设为1000 则CT值的单位为HU HounsfieldUnit CT值的定义是以水为标准 其它组织与之比较后得出 水的线性衰减系数为1 致密骨约为2 空气约为0 实际为0 0013 水的CT值为0HU 人们将 1000 1000分为2001个等级来表示CT值的差别 9 10 2 矩阵 matrix 在CT技术中 矩阵的大小影响着图像质量 矩阵大 象素数量相应增加 图像的分辨率就高 图像质量越好 512 512 1024 1024最为常用 重建矩阵和显示矩阵 重建矩阵是X线线性衰减系数的矩阵 其大小决定了图像分辨率 显示矩阵是指显示器
4、上图像的矩阵 3 体素 voxel CT图像是人体某部位一定厚度 如1mm 5mm 10mm 的体层像 把体层分成按矩阵排列的若干个很小的体积单元 这些体积单元称为体素 体素是三维的 每个体素中的 是一致的 11 4 象素 pixel 一幅CT图像是由许多矩阵排列的小单元组成 这些组成图像的基本单元称为象素 象素是二维的 每一个象素内密度均一 象素结构中的平均密度决定其灰度值 由于每个体素的 值是一定的 它在CT图像中是以象素的形式来反映 象素越小 图像的分辨率越高 图像质量越好 12 5 灰阶 greyscale CT图像是将重建矩阵中的每一个象素经D A转换成相应的亮 暗信号在显示器上显示
5、 这些亮暗信号的等级差别称为灰阶 一般将灰阶分为16阶 每阶又有4级连续变化的灰度 共有64个连续的过度等级 因CT值在 1000 1000范围内 所以每级分别代表约31个连续的CT值 6 窗口技术 windowstechnology 人眼不能分辨微小的灰度差异 为了提高组织结构的细微显示效果 分辨相邻组织的差别 突出显示诊断需要的图像信息 感兴趣区 通常通过调节图像的对比度和亮度来完成 这种技术称为窗口技术 窗口技术分为窗宽和窗位 13 1 窗宽 windowswidth WW 窗宽表示的是图像上包含的16个灰阶的CT值的范围 窗宽主要影响CT图像的对比度 窗宽窄图像的层次少 对比度强 每级
6、灰阶代表的CT值幅度较小 可分辨密度差异较小的组织结构 如脑组织的WW 80 100 窗宽增大 每级灰阶代表的CT值幅度加大 图像对比度差 但轮廓光滑 适于分辨密度差别较大的组织 如肺组织的WW为1300 1800 14 2 窗位 windowslevel WL 窗位是窗宽上 下限CT值的平均数 窗位主要影响CT图像的亮度 WL低图像亮度高呈白色 而窗位高图像亮度低呈黑色 骨组织的WL 350左右肺组织的WL 650左右腹部 纵隔的WL 40左右 15 脑组织窗 90 40 骨窗 1500 350 肺窗 1600 650 纵隔窗 300 40 16 三 CT成像的过程包括数据采集 数据处理 图
7、像重建 图像显示 打印等几步 1 数据采集从X线的发生到数据信息的获得 这个过程称为 数据采集系统由X线管 滤过板 准直器 探测器和A D转换器等组成 17 2 数据处理 1 校正X线束硬化效应 线性化 X线管发出的射线是由不同的能量组成 作用于人体时 低能射线比高能射线衰减的多 使得高能射线与全部射线的比率相对提高 X线束硬度增加 这种现象称为X线束的硬化效应 硬化效应会使得采集到的数据失真 影响图像重建效果 校正是在A D转换器中进行的 18 2 去除空气值 因探测器不是工作在真空中 所以存在一定的空气值 须将此值去掉 才能保证数据的相对准确 3 修正零点漂移 探测器在收集和转换数据的过程
8、中存在着余辉时间及参数的差异 加之X线管输出量的细微变化 使得几次扫描时各通道的输出稍有不同 有的通道是零 有的通道是正或负 这种现象被称为探测器的零点漂移 将引起空气的CT值不是 1000 4 正常化处理 是指对探测器收集到的全部数据进行校正和检验 19 3 图像重建图像重建的过程主要是如何求解 1 2 n 图像重建的处理过程包含了复杂的数学运算 重建方法分直接法和间接法两类 直接法通过直接计算线性方程式进行 包括反矩阵法 迭代法等 现已不再采用 间接法是先计算傅立叶变换系数再求出衰减系数的方法 有二维傅立叶变换法 卷积法和反投影法等 4 图像显示 打印及冲洗重建出来的图像显示于显示器上 将
9、图像调节到理想状态后供诊断用 最后将图像送照相机 打印机拍照 经冲洗得到CT照片 20 三 CT成像系统的组成 一 硬件系统1 扫描机架 X线管 准直器 探测器等 机架可倾斜 2 X线管 大容量 旋转阳极X线管 飞焦点 3 准直器 决定扫描层厚 减少散射线以提高图像质量 降低被检者的辐射剂量 4 楔形滤过器 滤掉低能射线 提高X线束的平均能量 5 探测器 接受穿透人体的剩余射线 将其变为电信号 稀土陶瓷探测器 多排探测器 6 模 数转换器 A D 7 高压发生器 8 计算机系统 9 扫描检查床 螺旋CT对床移动的精度要求很高 10 辅助设备 电源系统 照相机 工作站 21 二 软件系统CT机的
10、软件平台多采用专用操作系统 Unix Linux等操作系统 1 基本功能软件完成扫描 图像处理 图像存储 照相等常规工作的软件 2 特殊功能软件包括故障诊断软件 特殊扫描软件 如动态扫描 快速连续扫描 高分辨率扫描等 图像特殊处理软件 如三维表面重建 模拟内窥镜等 定量分析软件等 22 四 CT机的发展概况发展目标 提高扫描速度 提高图像质量 提高检查效率及完善特殊扫描功能等 平板型CT 一 五代CT机的主要特点 23 二 滑环技术与螺旋CT1 滑环技术传统CT机 X线管 高压电缆 高压发生器 1985年 滑环技术 Toshiba 高压滑环易发生放电导致高压噪声 影响采集的数据而降低图像质量
11、同时安全性差 低压滑环的高压发生器采用体积小 功率大的高频结构 与X线管同装于扫描架内 同时旋转 稳定性好 危险性小 24 2 螺旋CT helicalCT 螺旋CT的核心技术是滑环技术 X线管在连续旋转 曝光的同时 扫描床以一定的速度沿Z轴方向运动 探测器采集到的数据不再是传统CT的单层数据信息 而是人体某段体积的信息 扫描完成后可根据需要作不同层厚和层间距的图像重建 螺旋CT扫描又称容积扫描 volumetricscanning 根据X线管和探测器的运动方式 螺旋CT仍属于 旋转 旋转 类 即第三代CT机 但扫描性能大大提高 扫描时间大大缩短 25 1 螺旋CT的成像参数 螺距 Helic
12、alPitch 床速与X线束准直宽的比值 螺距等于0时 相当于传统CT扫描 螺距等于0 5时 X线管旋转曝光2周 螺距等于1时 X线管旋转曝光1周 螺距等于2时 X线管旋转曝光半周 螺距越大 探测器采集的信息量相对较少 图像质量下降 重建间隔 reconstructioninterval 被重建的两相邻断面之间长轴方向的距离 回顾性图像重建 即先进行螺旋扫描取得原始数据 然后根据需要作任意断面的图像重建 2 螺旋CT的优点 提高了多平面和三维图像重建的质量 一次屏气完成一个部位的扫描 不会遗漏病灶 可进行任意层面的回顾性重建 提高了扫描速度 使增强扫描的意义加强 26 3 多层螺旋CT Mul
13、tiSliceHelicalCT MSCT 1991年 以色列的Elscint公司推出了双层螺旋CT 扫描速度比普通螺旋CT提高了一倍 1998年底的RSNA年会上 Siemens GE Marconi Picker Toshiba同时推出了旋转一周可获得4层连续层面图像的多层螺旋CT 或称多排探测器CT MultiDetectorRowCT MDCT 27 28 29 30 31 32 1 多层螺旋CT与单层螺旋CT的不同 探测器的排列不同 单层螺旋CT的Z轴方向上只有一排探测器 MSCT采用4组通道的多排探测器 X线束不同 单层螺旋通过准直器后的X线束为薄扇束 fan beam X线束的宽
14、度等于层厚 MSCT采用可调节宽度的锥形线束 cone beam 线束宽度等于多个层厚之和 提高了X线的利用率 数据采集通道不同 单层螺旋在Z轴方向上只有一组通道采集数据 MSCT把多排探测器组成4组 形成数据采集的4组输出通道 同一扫描周期内获得的层数不同 一层与多层 33 决定层厚的方法不同 单层螺旋的层厚仅通过改变X线束的宽度来完成 线束的宽度等于层厚 多层螺旋的层厚不仅取决于X线束的宽度 还与探测器阵列的不同组合有关 如同样10mm宽的X线束 可由每4排1 25mm探测器组成一个5mm探测器通道 获得2层5mm层厚的图像 也可以由每2个1 25mm探测器组成一个2 5mm探测器通道 获
15、得4层2 5mm层厚的图像 图像重建的方法不同 新算法 以减少伪影 噪声 提高图像质量 减少曝光量 MSCT螺距的概念 已经统一采用SSCT 34 2 多层螺旋CT的技术改进 X线管的改进 飞焦点技术 高压发生器的改进 固态高频高压发生器 智能扫描 自动变化扫描条件 驱动的改进 以前都为皮带驱动 MSCT大多采用电磁驱动 磁悬浮技术 提高了旋转速度 降低了机械噪声 探测器的改进 一是采用稀土陶瓷探测器 吸收率在99 以上 稳定性好 二是增加了Z轴方向上探测器的排数 35 3 多层螺旋CT的优势 空间分辨率和时间分辨率提高 一次扫描可获得多层图像 扫描速度大大提高 全身扫描在30秒内可完成 可进
16、行回顾性重建 X线的利用率提高 三维成像 模拟内窥镜效果更佳 增强扫描的效果明显提高 心脏CT扫描成为可能 可进行CT透视 36 三 电子束CT它与前几代CT的最大差别在于X线管的结构 主要有电子枪 偏转线圈和处于真空中的半圆形钨靶 扫描时 电子束沿X线管轴向加速 电子束经线圈聚焦 并利用磁场使电子束瞬时偏转 分别轰击四个靶面 扫描时间为30 100ms 一次扫描每个靶面得到2层图像 4个靶面共出8层图像 为心脏 大血管的CT检查提供了可能 37 五 CT机的工作环境与维护 一 工作环境要求1 温度在18 22 之间 2 湿度相对湿度应在40 65 之间 3 防尘 38 二 CT机的日常维护1 严格按照操作规程使用机器 在不熟悉机器的情况下 严禁任何动作 2 温度 湿度 防尘要达到要求 3 无关人员严禁进入控制室 4 启动机器 关闭机器要按照要求进行 关机后又要重新启动机器时 注意要间隔一定的时间 不能马上开机 5 每天早上开始扫描前或当机器在2个小时内未扫描病人时 机器会提示进行X线管预热 即训练X线管 使X线管的温度达到工作状态 如果忽略了将影响X线管的寿命 6 定期进行空气校准
