【技考08】专业知识-CT成像原理

CT成像原理

    CT图像的基本特征：数字化和体积信息。数字化的最小单位是像素，而不论层厚大小，CT扫描层面始终是三维的体积概念。

1.X线衰减和衰减系数

    X线衰减强度的大小通常与物质的原子序数、密度、每克电子数和源射线的能量大小有关。X线通过人体组织后的光子与源射线呈指数关系。

    单一能谱射线又称单色射线，其光子具有相同能量；多能谱射线其光子能量各不相同，CT成像中以多能谱射线为主。多能谱射线通过物体后的衰减并非呈指数衰减，而有质和量的改变，量改变指光子数目减少，质改变指平均能量增加、能谱变窄、射线硬度增加。

2.CT数据采集基本原理

    CT数据采集方法：①非螺旋逐层采集法②螺旋容积数据采集法。

    CT采样：①球管与探测器是一个精确的准直系统②球管与探测器围绕人体旋转是为采样③球管产生的射线经有效滤过④射线束宽度是根据层厚严格准直的⑤探测器接收到的是透过人体后的衰减射线⑥探测器将接受的衰减射线转换为电信号（模拟信号）。

    CT扫描基本过程：经准直器准直后的X线以窄束的形式透过人体被探测器接收，探测器将接收的衰减射线进行光电转换，经数据采集系统放大，模数转换后经计算机图像重建，重建后再经数模转换为模拟信号，以不同灰阶形式在显示器显示，或直接以数字形式存于计算机或打印。

    因此，CT图像的形成可分为8个步骤：

①球管和探测器围绕人体旋转扫描采集数据，准直器高度准直②探测器接受衰减后的射线③探测器将接受的衰减射线转换为电信号并放大④模数转换为数字信号后送人计算机⑤计算机对数据进行处理，主要包括校正和检验⑥经校正后计算机作成像的卷积处理⑦计算机通过滤过反投影算法重建图像⑧重建后图像经数模转换为模拟信号在显示器显示，或将数字信号直接存储打印

3.CT图像重建的预处理

    单层螺旋扫描

    奥地利数学家Radon二维图像反投影重建原理。

    螺旋扫描是在检查床移动中进行，用常规方式重建会出现运动伪影。为消除此运动伪影，必须采用数据预处理后的图像重建方法，即线性内插法。

    线性内插法的含义是：螺旋扫描数据的任一点，可采用相邻两点扫描数据通过插值，再采用非螺旋CT扫描的图像重建方法，重建一幅断层图像。

    目前常用的线性内插分为360°和180°线性内插两种。

    360°线性内插采用360°扫描数据向外的两点通过内插形成一个平面数据。这种内插方法的主要缺点是层厚敏感曲线SSP增宽，图像质量有所下降。

    180°线性内插是采用靠近重建平面的两点扫描数据，通过内插形成新的平面数据。两种内插方法最大的区别是180°线性内插采用了第二个螺旋扫描的数据，并使第二个螺旋扫描数据偏移了180°角，从而能够靠近被重建的数据平面。这种方法改善了SSP，提高了成像的分辨力，改善了重建图像的质量。

多层螺旋扫描

    多层螺旋扫描图像重建预处理，基本是一种线性内插方法的扩展应用。

多层与单层螺旋CT相比，扫描射线束由扇形束变为锥形束，图像重建中最主要的是扫描长轴方向梯形边缘射线的处理。

    目前多层螺旋图像重建预处理有两种方法，即考虑或不考虑锥形束的边缘射线。一般4层螺旋扫描多不考虑其边缘射线。常用的几种重建预处理方法有：

    ①扫描交叠采样的修正，又称优化采样扫描

    ②Z轴滤过长轴内插法

    ③扇形束重建算法

    ④多层锥形束体层重建，又称MUSCOT。

    16层及16以上螺旋CT图像重建的预处理：

    ①西门子 自适应多平面重建AMPR，将斜面数据分隔并采用240°螺旋扫描数据      ②GE 加权超平面重建，类似AMPR，但起始步骤不同，先将三维扫描数据分成二维系列

    ③东芝和飞利浦采用Feldkamp重建算法，近似非螺旋扫描三维卷积反投影的重建方法。

    心电门控心电触发序列扫描和心电门控螺旋扫描分别用于4层和16层以上的心脏成像。

    心电触发序列扫描是在病人R波间期触发序列扫描，触发方式既可以选择R-R间期百分比，也可以选择绝对值毫秒，又称为前瞻性心电门控触发序列。

    心电门控螺旋扫描又称为回顾性心电门控螺旋扫描，用于16层以上心脏成像。心电门控方法是将心动周期舒张期图像重建用于诊断，分两个步骤：一多层螺旋内插，二采用部分扫描数据重建横断面图像，采用部分数据重建，可提高心脏扫描的时间分辨率。回顾性心电门控螺旋扫描可采用单个或多个扇区重建心脏图像，一般心率较慢时采用单扇区重建。

4.CT重建方法

    重建方法主要有两种：滤过反投影重建法及迭代重建法。

    滤过反投影法也称卷积反投影法，成像过程大致分3步：①获取全部投影数据并进行预处理 经预处理后的数据成为原始数据②将所得数据的对数值与滤过函数进行卷积③根据不同矩阵反投影 重建后图像大小与是否放大有关，而图像亮度与X线通过物体后的衰减有关。

    迭代重建法1956年被用于太阳图像的重建，主要优点有：减少图像伪影和降低辐射剂量。缺点是运算量大，对设备要求高。

与迭代重建相比，滤过反投影法的主要优点是：简单、快速、实用，对设备要求低，主要缺点是忽略了噪声的影响，且不能处理采样数据不足的扫描。

螺旋CT成像原理

    1.单层螺旋CT

    1989年单层螺旋CT扫描技术开始临床应用。螺旋扫描又称CT容积扫描，采用滑环技术，连续产生X线并进行连续数据采集，检查床沿Z轴反向匀速移动，扫描轨迹呈螺旋状的扫描方式。

    单层螺旋扫描参数：管电压80-140kV，管电流50-450mA，扫描时间最长可持续100s，层厚由准直器宽度决定，1-10mm，检查床移动速度1-20mm/s，球管旋转1周约1秒。

    螺距等于球管旋转一周检查床移动的距离与扫描层厚的比值。计算公式为：P=S/D。扫描范围为检查床每秒移动的距离与连续曝光时间的积。

2.多层螺旋CT

    1989年底，4层螺旋CT开始应用临床，标志螺旋CT发展到多层时代。多层螺旋CT即MSCT，又称多排探测器CT即MDCT。

    MSCT的主要技术特点：层厚与射线束宽度无直接关系，而与被激活的探测器排数有关，并可在回顾性重建时在一定范围改变。螺距定义为p=（球管旋转一周进床距离）/（X线管总准直器宽度）。

    MSCT主要技术参数：管电压80-140kV，管电流10-800mA，床速100-200mm/s，层厚0.5-5mm，螺距1.0-1.5。

    MSCT临床应用优点：①扫描速度明显提高②CT透视定位更准确③空间分辨率提高④X线利用率提高。（快、准、两率）

3.先进的MSCT

    64-256层螺旋CT

    参数：探测器总宽度32-80mm，最薄层厚0.3-0.625mm，螺距0.13-1.5mm，球管旋转一周时间0.27-0.5s，Z轴扫描范围1800-2000mm

    64-256层螺旋CT的优势：①大范围、多部位、多期相扫描可在一次增强检查完成，1800mm范围扫描可在10s完成②X轴、Y轴和Z轴各向同性，强大的后处理可获得接近完美的3D重组图像③智能3D自动毫安功能技术在保证图像密度分辨力同时，可使辐射剂量下降66%④心脏、冠脉成像图像质量优异。

    320层螺旋CT

    参数：准直器宽度160mm，层厚0.5mm，球管旋转一周时间0.35s，Z轴扫描范围2000mm。

    320层螺旋CT扫描方式有步进容积扫描和螺旋容积扫描两种方式。

    320层螺旋CT除具有64-256层优势外，还有以下优势：①范围小于160mm的器官一周扫描即可完成②提高心脏检查成功率，利于心率快或心率不齐者的心脏成像③一次检查完成全器官功能检查④实现全器官灌注成像和器官的多期相增强成像⑤显著提高动态显示器官运动的时间分辨力。

    双源CT

    参数：准直器总宽度19.2mm，最薄层厚0.3mm，螺距0.33-1.5,球馆旋转一周0.33-0.5s。

    双源CT优势：①时间分辨力提高②可获得双能量CT数据③心脏检查辐射剂量降低。