CT原理(上)...ppt

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1、 CTCT作为一种公认的成熟、快速、可靠的影像作为一种公认的成熟、快速、可靠的影像设备设备, , 正在各级医院的诊断和治疗中发挥着日益正在各级医院的诊断和治疗中发挥着日益重要的作用重要的作用, ,并得到广泛的应用。并得到广泛的应用。 近八年来近八年来, ,多层螺旋多层螺旋CTCT的推出和新的应用软的推出和新的应用软件的开发件的开发, ,使使CTCT进入又一个快速发展期进入又一个快速发展期, ,各种类型各种类型的的CTCT机大量推出。机大量推出。CTCT（Computed TomographyComputed Tomography）18951895年年1111月月8 8日日, ,德国物学家伦琴德

2、国物学家伦琴 (W(WRaontgen) Raontgen) 发现了发现了X X射线。射线。三天以后，偶然看到了伦琴的夫人手的三天以后，偶然看到了伦琴的夫人手的X X射线造影。射线造影。从此就开创了用从此就开创了用X X射线进行射线进行医学诊断的放射学医学诊断的放射学XX射线摄影术，射线摄影术，奠定了医学影像摄影的基础。奠定了医学影像摄影的基础。一、一、 X X低气压放电现象：低气压放电现象：1836年，英国科学家法拉第发现，稀薄气体放电时，年，英国科学家法拉第发现，稀薄气体放电时，会产生一种绚丽的辉光。因为它是由阴极发出的，会产生一种绚丽的辉光。因为它是由阴极发出的，后来物理学家把这种辉光称

3、为后来物理学家把这种辉光称为“阴极射线阴极射线”（cathode ray） 。为探明阴极射线，许多科学家进。为探明阴极射线，许多科学家进行了艰巨的研究。行了艰巨的研究。一、一、 X X传统的传统的X X射线机具有的优点：射线机具有的优点：1. 1. 价格低价格低; ;2. 2. 易操作易操作; ;3. 3. 应用面广应用面广; ;但也有以下一些缺陷：但也有以下一些缺陷：1影像重叠影像重叠;2密度分辨力低密度分辨力低;3中心投影效应中心投影效应 (也叫几何放大效应）也叫几何放大效应） ;4胶片存储，检索困难胶片存储，检索困难;一、一、 X X一、一、 X X一、一、 X XCTCT 191719

4、17年，雷登年，雷登(J(JRadon)Radon)提出了图象重显理论的数学方提出了图象重显理论的数学方法研究，他指出对二维或三维的物体可以从各个不同的法研究，他指出对二维或三维的物体可以从各个不同的方向上进行投影，称为雷登变换；方向上进行投影，称为雷登变换； 然后用数学方法计然后用数学方法计算出一张重建的图像中，也称为雷登逆变换。算出一张重建的图像中，也称为雷登逆变换。 19561956年，天文学家年，天文学家BracewellBracewell用这种方法处理了从太阳用这种方法处理了从太阳发射来的微波信息，发射来的微波信息，BracewellBracewell第一次将一系列由不同第一次将一系

5、列由不同方向测得的太阳微波发射数据，运用图像重建方法，绘方向测得的太阳微波发射数据，运用图像重建方法，绘制了太阳微波发射图像。制了太阳微波发射图像。 CTCT对对CTCT的研究可追溯到的研究可追溯到19671967年年, ,那年，那年，CTCT的发明人、英国工程的发明人、英国工程师师Godfrey Hounsfield Godfrey Hounsfield 制成制成了第一台可用于临床的计算机了第一台可用于临床的计算机X X 射线断层摄影机。射线断层摄影机。CTCT 1971 1971年年1010月，月，HounsfieldHounsfield设计并扫描出第一幅具有诊断价设计并扫描出第一幅具有诊

6、断价值的头部值的头部CTCT图像，从而宣告世界上第一台图像，从而宣告世界上第一台CTCT扫描机的研制成功，扫描机的研制成功，因为是英国因为是英国EMIEMI公司生产，又称公司生产，又称EMI CTEMI CT扫描机。扫描机。19711971年年9 9月第一月第一台头扫描台头扫描CTCT机安装在英国的一所医院中。每一幅图像的处理时机安装在英国的一所医院中。每一幅图像的处理时间为间为2020分钟左右。分钟左右。 CTCT第一台第一台CTCT机的头部图像机的头部图像CTCT 1979 1979年年,Hounsfield,Hounsfield和和Cormack, CTCormack, CT发明者，发明

7、者，一位工程师和一位物理学家，两位没有专一位工程师和一位物理学家，两位没有专门医学经历的科学家门医学经历的科学家, , 荣获了诺贝尔医学荣获了诺贝尔医学奖，以表彰他们的突出成就。奖，以表彰他们的突出成就。 HounsfieldHounsfield于于20042004年年8 8月月1212日日在英国逝世，享年在英国逝世，享年8484岁。岁。 Cormack Cormack于于19981998年年5 5月月2323日日在美国逝世，享年在美国逝世，享年7474岁。岁。 CTCT 19741974年，美国年，美国GeorgeGeorgeTownTown医学中心的工程医学中心的工程师莱德雷（师莱德雷（L

8、edleyLedley）设计出了全身）设计出了全身CTCT扫描仪，使扫描仪，使CTCT不仅可用于颅脑，而且还可用于全身各个部位不仅可用于颅脑，而且还可用于全身各个部位的影像学检查。的影像学检查。CTCT图图a a、b b是是19741974年年SIRETOMSIRETOM拍摄的拍摄的 80X8080X80图像图像, ,矢状面图像矢状面图像是由每层厚为是由每层厚为1.3CM1.3CM断面重建的。断面重建的。图图c c、d d是容积扫描是容积扫描拍摄的拍摄的1024X1024 1024X1024 图像图像, ,矢状面图像可以矢状面图像可以说是连续的说是连续的 。CT图像对比CTCT三、三、 CTC

9、T技术发展趋势技术发展趋势 CTCT的优点的优点 (1) 真正的断面图像真正的断面图像 (2) 密度分辨率高密度分辨率高 (3) 可作定量分析可作定量分析 (4) 数字图像数字图像 CTCT的局限性和不足的局限性和不足 (1) 空间分辨率仍未超过常规的空间分辨率仍未超过常规的X线检查。线检查。 (2) 不是所有脏器都以不是所有脏器都以CT检查作为首选。检查作为首选。 (3) 以以X射线作为信息载体射线作为信息载体,仍对人体存在伤害。仍对人体存在伤害。 (4) CT的图像是形态学影像。的图像是形态学影像。 多层螺旋多层螺旋CTCT是主要代表是主要代表19981998年推出的多层年推出的多层CTC

10、T使使得得CTCT在扫描速度；图像在扫描速度；图像质量、扫描范围、适用质量、扫描范围、适用器官等方面取得新的突器官等方面取得新的突破破, ,是是CTCT技术进入新阶段技术进入新阶段的标志。的标志。三、三、 CTCT技术发展趋势技术发展趋势1. 1.更低的射线剂量更低的射线剂量全球各主要全球各主要CT制造商均把更低制造商均把更低CT的剂量水平作为的剂量水平作为CT发展的研究目标，并通过各种方法及措施来降低剂量。发展的研究目标，并通过各种方法及措施来降低剂量。n限制扫描容积：限制扫描容积：n增加辐射光谱的预过滤增加辐射光谱的预过滤; n调整扫描参数调整扫描参数; n对连续对连续CT和螺旋和螺旋CT

11、扫描采用自动曝光控制扫描采用自动曝光控制; n选择适当图像重建参数降低图像重建噪声；选择适当图像重建参数降低图像重建噪声； 三、三、 CTCT技术发展趋势技术发展趋势2.2.更快的采集和重建速度更快的采集和重建速度a. 可以减少运动伪影，提高图像质量。可以减少运动伪影，提高图像质量。b. 从经济和成本回收的角度来考虑，缩短了机器的成本从经济和成本回收的角度来考虑，缩短了机器的成本回收期回收期,提高医院的经济效益。提高医院的经济效益。c. 能充分发挥造影剂的作用能充分发挥造影剂的作用,减少造影剂用量和病人费用。减少造影剂用量和病人费用。d. 螺旋扫描具有速度快、运动伪影少。螺旋扫描具有速度快、运

12、动伪影少。e. 从病人接受角度来看从病人接受角度来看,有益于危重病人的诊查有益于危重病人的诊查 。三、三、 CTCT技术发展趋势技术发展趋势3. CT3. CT的应用已拓展到一些新的范围的应用已拓展到一些新的范围CT血管造影血管造影(CTA)三、三、 CTCT技术发展趋势技术发展趋势四、四、X X射线的产生射线的产生 高速运动的电子轰击金属靶时，靶就放出高速运动的电子轰击金属靶时，靶就放出X射线，这就是射线，这就是X射线管的工作原理。射线管的工作原理。 从阴极发射的热电子，经阴、阳两极间的电场加速后，电从阴极发射的热电子，经阴、阳两极间的电场加速后，电子的速度已非常高。如在子的速度已非常高。如

13、在100kV管电压，当电子抵达靶时，管电压，当电子抵达靶时，速度可达速度可达0.55c(c为光速为光速)。此高速电子与靶物质相互作用。此高速电子与靶物质相互作用造成能量转移造成能量转移, 或能量损失，速度骤减。或能量损失，速度骤减。 能量损失分为碰撞损失和辐射损失。能量损失分为碰撞损失和辐射损失。 碰撞损失的能量将全部转化为热能。碰撞损失的能量将全部转化为热能。 辐射损失是由于高速运动的电子与靶的内层电子和原辐射损失是由于高速运动的电子与靶的内层电子和原子核的作用。子核的作用。 通过辐射损失的能量，大部分是以通过辐射损失的能量，大部分是以X射线的形式辐射射线的形式辐射出去，它不足电子总能量的出

14、去，它不足电子总能量的1。 根据作用情况的不同根据作用情况的不同,辐射损失又可分为连续辐射和辐射损失又可分为连续辐射和特征辐射。特征辐射。四、四、X X射线的产生射线的产生连续辐射连续辐射(韧致辐射韧致辐射)：如果被靶阻挡的电子的能量，不越过一定：如果被靶阻挡的电子的能量，不越过一定限度时，只发射连续光谱的辐射。这种辐射叫做轫致辐射。限度时，只发射连续光谱的辐射。这种辐射叫做轫致辐射。 连续光谱的性质和靶材料无关。连续光谱的性质和靶材料无关。特征辐射特征辐射(标识辐射标识辐射)：当电子的能量超过一定的限度时，可以发：当电子的能量超过一定的限度时，可以发射一种不连续的，它只有几条特殊的线状光谱，

15、这种发射线状射一种不连续的，它只有几条特殊的线状光谱，这种发射线状光谱的辐射叫做特征辐射。光谱的辐射叫做特征辐射。 特征光谱和靶材料有关，不同的材料有不同的特征光谱这就是特征光谱和靶材料有关，不同的材料有不同的特征光谱这就是为什么称之为为什么称之为“特征特征”的原因。的原因。 四、四、X X射线的产生射线的产生X射线的光谱图射线的光谱图X射线其波长约为射线其波长约为10nm到到102nm之间之间 W: 钨钨 Mo：钼：钼Cr：铬：铬四、四、X X射线的产生射线的产生X射线的特性射线的特性 X射线之所以能够用于医学诊断，是由于它还具有普通光所射线之所以能够用于医学诊断，是由于它还具有普通光所设有

16、的特点和作用设有的特点和作用:1. 穿透作用穿透作用 穿透作用是指穿透作用是指X射线通过物质时不被吸收的本领。射线通过物质时不被吸收的本领。2. 电离作用：是电离作用：是X射线损伤和治疗的基础。射线损伤和治疗的基础。物质受物质受X射线照射时，核外电子会脱离原子轨道，这射线照射时，核外电子会脱离原子轨道，这 种作用称为电离作用。种作用称为电离作用。3. 荧光作用荧光作用 有些物质受有些物质受X射线照射后，可以辐射出可见光或紫外。射线照射后，可以辐射出可见光或紫外。 它是它是X线照相的基础。线照相的基础。四、四、X X射线的产生射线的产生 当当X射线穿过物体时，射线穿过物体时，X射线与物体之间主要

17、存在着射线与物体之间主要存在着三种的相互作用过程，影响三种的相互作用过程，影响 X射线的衰减射线的衰减, 它们是它们是 干涉散射干涉散射 光电效应光电效应 康普顿效应康普顿效应四、四、X X射线的产生射线的产生1 1、干涉散射、干涉散射CTCT的的X X射线能量大，干涉散射对射线能量大，干涉散射对CTXCTX射线的衰减影响不大。射线的衰减影响不大。四、四、X X射线的产生射线的产生2 2、光电效应、光电效应用光（包括用光（包括X X射线）照射一些金属，观察到金属表面有射线）照射一些金属，观察到金属表面有电子逸出的现象电子逸出的现象医用医用X X射线能量在射线能量在10-150KeV10-150

18、KeV之间，产生光电效应几率之间，产生光电效应几率较大。较大。X X射线能量增大光电效应几率减小。由于光电效射线能量增大光电效应几率减小。由于光电效应过程中生物组织将应过程中生物组织将X X线光子完全或部分吸收，所以线光子完全或部分吸收，所以X X射线产生生物损伤主要源于光电效应。射线产生生物损伤主要源于光电效应。四、四、X X射线的产生射线的产生3 3、康普顿效应、康普顿效应 四、四、X X射线的产生射线的产生 实验发现，当波长很短的光（电磁波），如实验发现，当波长很短的光（电磁波），如X X射线、射线等通过不含杂质的均匀媒质时，会产射线、射线等通过不含杂质的均匀媒质时，会产生散射现象，这现

19、象首先由美国物理学家康普顿生散射现象，这现象首先由美国物理学家康普顿于于19221922年发现，并作出理论解释，故称康普顿效年发现，并作出理论解释，故称康普顿效应。应。 康普顿效应产生较多散射线，在康普顿效应产生较多散射线，在X X线成像过程线成像过程中会降低成像质量。中会降低成像质量。 五、五、X X线的吸收定律线的吸收定律由物理学的吸收定律由物理学的吸收定律( (朗伯定律朗伯定律) )可知，当一可知，当一单色单色线束通线束通过一密度过一密度均匀均匀的的小物体小物体时，其能量因与物质的原子相互时，其能量因与物质的原子相互作用而减弱，减弱的程度与物质的厚度和组成成分或吸作用而减弱，减弱的程度与

20、物质的厚度和组成成分或吸收系数有关，可用下式表达：收系数有关，可用下式表达： I = IO e-dIO O ：入射的：入射的X射线强度；射线强度；I ：穿过均匀密度物体后的：穿过均匀密度物体后的X射线强度；射线强度； ：物质对该波长的线性衰减系数；：物质对该波长的线性衰减系数；d ：穿过均匀密度物体的路径长度；：穿过均匀密度物体的路径长度；e ：自然对数底：自然对数底 N1 N2 N3 Nn 123nxxxmxI0InIm-1ImxCTCT影像的像素计算影像的像素计算在在X射线穿过的路径上，射线穿过的路径上，如果已知如果已知d、IO、In，则物体的衰减系数总和则物体的衰减系数总和是可以计算出来

21、的。是可以计算出来的。这必须作出多方向投影这必须作出多方向投影,建立多个联立方程式，建立多个联立方程式，才能算出所有的衰减才能算出所有的衰减系数值来。系数值来。CT图像的重建过程，图像的重建过程，就是求每个小单元衰减就是求每个小单元衰减系数的过程。因而上述系数的过程。因而上述方程是方程是CT图像重建的图像重建的基本方程之一。基本方程之一。五、五、X X线的吸收定律线的吸收定律六、六、CTCT图像的形成过程图像的形成过程 图像扫描阶段图像扫描阶段 高压发生器供给高压发生器供给球管电压和灯丝球管电压和灯丝电流，使电流，使X射线射线管产生管产生X射线。射线。X线束围绕人体线束围绕人体旋转，以便从多旋

22、转，以便从多个角度采集数据。个角度采集数据。在扫描阶段的主要任务是采集数在扫描阶段的主要任务是采集数据。据。 CT CT中我们怎样测量一个物体？中我们怎样测量一个物体？通过多角度用笔形通过多角度用笔形X X线束来测量物线束来测量物体的吸收值。体的吸收值。六、六、CTCT图像的形成过程图像的形成过程 图像形成的重建阶段图像形成的重建阶段 CTCT图像产生的第二个阶段就是图像重建阶段，这主要由图像产生的第二个阶段就是图像重建阶段，这主要由阵列处理机进行处理。阵列处理机进行处理。六、六、CTCT图像的形成过程图像的形成过程七、七、CTCT图像的显示图像的显示图像显示阶段图像显示阶段 图像显示阶段的主

23、要任务是把数字图像图像显示阶段的主要任务是把数字图像转换成视频显示，以便直接观测或记录转换成视频显示，以便直接观测或记录在胶片上。在胶片上。 CT CT值是用来表值是用来表 示与示与CTCT图像上图像上 单元面积有关单元面积有关 的平均的平均X X射线射线 衰减数衰减数, , CT CT值用值用豪斯菲豪斯菲 尔德单位尔德单位HUHU来来 表示。使用表示。使用CTCT 值后，它既表值后，它既表 示了某物质的示了某物质的 吸收衰减系数吸收衰减系数 本身，也表示本身，也表示 了各种不同密了各种不同密 度组织的相对度组织的相对 关系。关系。七、七、CTCT图像的显示图像的显示 窗口技术窗口技术数字图像

24、所特有的显示技数字图像所特有的显示技术方法称为窗口技术。它术方法称为窗口技术。它包括窗位和窗宽的控制、包括窗位和窗宽的控制、调整。调整。CTCT窗宽：窗宽：window widthwindow width 监示器中最亮和最暗灰阶监示器中最亮和最暗灰阶所代表的所代表的CTCT值的跨度。值的跨度。 CT CT窗位：窗位：window level window level 窗宽上下限灰阶所代表的窗宽上下限灰阶所代表的CTCT值的中心值。值的中心值。窗宽决定图像窗宽决定图像CTCT值的变化值的变化跨度，窗位则决定观察变跨度，窗位则决定观察变化的的区域。化的的区域。七、七、CTCT图像的显示图像的显示不

25、同的窗不同的窗口条件下，口条件下，显示人体显示人体的不同部的不同部位图像的位图像的效果。效果。 八、八、 各代各代CTCT第一代第一代(平移平移+旋转旋转)v 这类扫描机多属于头部专用机这类扫描机多属于头部专用机v 由一个由一个X射线管和两个或三个射线管和两个或三个晶体探测器组成晶体探测器组成v 由于由于X射线束被准直成像铅笔射线束被准直成像铅笔芯粗细的线束，故又称为笔形芯粗细的线束，故又称为笔形扫描束装置。扫描束装置。v 扫描时间为扫描时间为35分钟分钟第二代第二代(平移平移+旋转方式旋转方式)把第一代单一笔形把第一代单一笔形,X射线束改为扇形线束射线束改为扇形线束探测器数目也增加到探测器数

26、目也增加到330个。个。每次扫描后的旋转角每次扫描后的旋转角由由10提高至提高至30300。扫描时间为扫描时间为2090秒秒八、八、 各代各代CTCT 第三代第三代CT机有较宽的扇形角机有较宽的扇形角(30045 0)，可包括整个被，可包括整个被扫描体截面，探测器数目极扫描体截面，探测器数目极大地增加了。大地增加了。 扇形角宽扇形角宽( 扇角为扇角为300450), X射线管必须环绕其中心线射线管必须环绕其中心线转过转过90 0。 扫描时间为扫描时间为29秒，有些可秒，有些可达到达到0.5秒以内。秒以内。 技术性较高，成本和图像质技术性较高，成本和图像质量方面具有较大优势，是目量方面具有较大优

27、势，是目前临床上应用最为广泛的一前临床上应用最为广泛的一种种CT机。机。第三代第三代(旋转一旋转方式旋转一旋转方式)八、八、 各代各代CTCT第四代第四代(旋转一静止旋转一静止)v 扫描方式是探测器静止扫描方式是探测器静止 而只有而只有X射线管旋转。射线管旋转。v 扇形线束角度也较大，扇形线束角度也较大， 单幅的数据获取时间单幅的数据获取时间 缩短到缩短到15秒。秒。v 检测器达到检测器达到6001500个，个， 多排螺旋多排螺旋CT多达多达4800个。个。v 第四代第四代CT扫描机的缺点扫描机的缺点 是对散射线极其敏感是对散射线极其敏感 。八、八、 各代各代CTCT EBCT EBCT与常规

28、与常规CTCT的主要区别在于由的主要区别在于由电子束取代了电子束取代了X X线球管的机械旋线球管的机械旋转。转。EBCTEBCT由电子枪发射电子束，由电子枪发射电子束，再由电子束轰击扫描架上的靶环，再由电子束轰击扫描架上的靶环，由靶环发出由靶环发出X X线，通过电子枪内线，通过电子枪内的偏转线圈使电子束扫描钨靶，的偏转线圈使电子束扫描钨靶，被扫描的钨靶产生往返运动的被扫描的钨靶产生往返运动的X X线，以对患者进行扫描。所以线，以对患者进行扫描。所以EBTEBT无无X X线球管机械旋转的速度限线球管机械旋转的速度限制，扫描速度要远远高于多层螺制，扫描速度要远远高于多层螺旋旋CTCT，每周只需，每周只需5050毫秒，成像时毫秒，成像时间大大缩短。间大大缩短。第五代电子束第五代电子束CT(静止一静止静止一静止)与前与前4代有着本质的区别代有着本质的区别八、八、 各代各代CTCT