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生物电子与影像技术2013 第九章1 医学成像 X射线与CT


生物电子与影像技术

哈尔滨工业大学(威海) 控制科学与工程系

第九章 医学成像
§9.1 X射线 §9.2 CT §9.3 超声 §9.4 磁共振

第九章 医学成像
§9.1 X射线 §9.2 CT §9.3 超声 §9.4 磁共振

§9.1 X射线

Wilhelm Conrad Rontgen

1901 the first Nobel Prize in Physics

1895年X射线图像

§9.1 X射线
1.X射线的产生
医学成像中的X射线要求:
短时产生足够的X射线,且可重复 允许用户调整X射线能量 满足安全标准并操作简洁

粒子加速器——X射线管

§9.1 X射线

§9.1 X射线
1.X射线的产生
X射线管工作过程:
?向灯丝供电、加热,阴极产生自由电子

?两极提供高压,阴极与阳极间的电势差陡

增,电子以高速由阴极向阳极行进 ?电子轰击阳极钨靶而发生能量转换,其中1 %以下的能量转换为X射线,99%以上转 换为热能 ?X射线主要窗口发射,热能由散热设施散发

§9.1 X射线
2. X射线的特性
–X线属于电磁波:波长0.0006-50nm –用于X线成像的波长为0.031~0.008nm 小于可见光波长

§2.1 X射线
2. X射线的特性
–穿透性
?穿透性强(大于可见光) ?穿透中因吸收而衰减 ?是医学成像的基础

–影响穿透性的因素
?管电压 ?物体的密度

?物体的厚度

§9.1 X射线
2. X射线的特性
–荧光效性
?激发荧光物质,使得波长短的X线转换成

可见荧光 ?荧光物质:硫化锌镉、钨酸钙 ?是透视检查的基础

§9.1 X射线
2. X射线的特性
–感光效性
?在溴化银胶片上产生感光

?经处理后还原出的银沉积,产生黑到白的

影像 ?是X线摄影的基础

§9.1 X射线
2. X射线的特性
–电离效性
?X射线通过物质产生电离效应

?空气电离程度与空气吸收的X线的量成正

比,可以量化测量X射线 ?人体的电离效应会引起生物特性改变(生 物效应) –放射治疗的基础 –注意防护

§9.1 X射线
3. X射线成像的原理
–X射线对人体组织的穿透性 –组织存在密度和厚度的差异,从而引起 吸收量不同,剩余透射量有差别 –剩余X射线,经过显像,获得黑白对比、 层次差异的X线影像

§9.1 X射线
3. X射线成像的原理
–人体组织密度差异
?高密度:骨组织、钙化灶

?中密度:软骨、肌肉、神经、实质器官、

结缔组织、体液 ?低密度:脂肪组织以及存在于呼吸道、胃 肠道、鼻窦等内的气体

? 正常胸片
密度高,X线吸 收多,呈白影

密度低,X线吸 收少,呈黑影

? 肺肿瘤 高密度—白影 中密度—灰影 低密度—黑影

锁骨骨折 膝关节脱位

§2.1 X射线
造影检查

–通过向机体的天然或病理性腔道及潜 在腔隙内直接或间接地引入对比剂,显 示器官、结构的形态及功能的成像方法, 即造影检查。

胃溃疡

§9.1 X射线
4. X射线数字化成像
–数字化的优点
?数字图像,可以采用更低的X线剂量

?支持实时成像范围选择
?图像处理技术

–增强、帧平均

§9.1 X射线
4. X射线数字化成像
数字血管造影术 图像减除操作
脑动脉瘤

§9.1 X射线
4. X射线数字化成像

–计算机X射线成像 CR
(Computed Radiography) ?X射线影像记录在影像板上
–IP: Image Plate –IP上涂有参杂铕离子的氟卤化钡
?用600nm激光照射IP,发出400nm荧光,

从而读出影像信息,转化成数字信号输入 计算机 ?IP在强光下照射消除影像,重复2-4万次

§9.1 X射线
4. X射线数字化成像

–计算机X射线摄影 DR
(Digital Radiography)
?直接数字化

–X线经过光电材料非晶硒转换成电子信号, 外加电场作用下,形成电流 –电流在薄膜晶体管阵列上积分成储存电荷, 每个单元对应一个像素,安排成二维矩阵 –转换各单元为数字信号,完成图像存储和显 示

§9.1 X射线
4. X射线数字化成像

–计算机X射线摄影 DR
(Digital Radiography)
?间接数字化

–利用碘化铯把入射的X光转换成可见光 –采用一种类似于光电二极管的以非晶硅阵列 组成的X线影像探测器,把可见光变成电信 号 –检测电信号,并进行A/D转换,获得数字图 像

? 问题: ?

X光除了医学应用,其它领域还有 哪些应用? X光片中的白色、灰色、黑色,分 别对应什么组织密度?

?

第九章 医学成像
§9.1 X射线 §9.2 CT §9.3 超声 §9.4 磁共振

§9.2 CT
1. CT的原理 (Computed Tomography)
–利用物理技术测定X射线在人体内的衰 减系数 –采用数学方法,经计算机处理,求解衰 减系数值在人体某剖面的二维分布矩阵 –把衰减系数二维分布矩阵转换成人眼可 见的灰度分布

§9.2 CT
1. CT的原理
–断层/体层
?用束宽1-2mm,束高3-10mm的单能窄束X

射线扫过人体,透射部分构成一个厚310mm的薄层

–断层的两个表面视为平行的平面 –体素:
?把断层按一定的大小和空间坐标人为划成

小体积单元,1-2mm

§9.2 CT
1. CT的原理
–像素:
?每个体素表面所形成的面积小元,与体素

一一对应

–CT的体素划分
?160

x 160=25600 ?256 x 256=65536 ?320 x 320=102400 ?512 x 512=262144

§9.2 CT
1. CT的原理
–重建CT图像
?从体素测得衰减系数,并得到对应像素的

灰度 ?获得并确定体层内体素的空间位置

§9.2 CT
1. CT的原理
– 物理重建方法
? 体素厚度为x,单密度均匀介质,强度为I0

的射线透过后衰减为

? μ:衰减系数
? 两个区域

§9.2 CT
1. CT的原理
–许多区域 –一次测量无法获得衰减系数,许多次测 量才能确定全部衰减系数 –CT图像又称为密度分布图像,线性衰 减系数的灰度显示,接近于实际的组织 密度

§9.2 CT
1. CT的原理
– Tomography

– tomos (Greek) : slice

§9.2 CT
1. CT的原理
– 照相:2张不同角度的照片 East/South – 复原树的位置

§9.2 CT
1. CT的原理
x1 ? 3 x2 ? 2 x3 ? 4 x4 ? 0

x1 ? x2 ? 5 x3 ? x4 ? 4 x1 ? x3 ? 7 x2 ? x4 ? 2
Ray sum
Line integral Projection

§9.2 CT
1. CT的原理

§9.2 CT
1. CT的原理

§9.2 CT
1. CT的原理
– Point Source Projection

§9.2 CT
1. CT的原理
(1) Project (2) Backproject (3) Backproject from a few views

§9.2 CT
1. CT的原理

§9.2 CT
1. CT的原理
– Fourier Transform

§9.2 CT
1. CT的原理
– Central Slice Theorem

§9.2 CT
1. CT的原理

§9.2 CT
1. CT的原理
– 反投影法的缺点:存在重构模糊

§9.2 CT
1. CT的原理
– Filtered Backprojection (FBP) Algorithm
? 每个投影信号在反投影之前,先进行滤波 ? 滤波的功能是消除边缘模糊干扰 ? 滤波器设计必须恰当 ? 硬件化实现算法

§9.2 CT
1. CT的原理
–第一代CT:直线笔形波束扫描
?40cm长

?160

X 180 =28800

§9.2 CT
1. CT的原理
–第二代CT:扇束多接收扫描
?同时扫描,减少

累积时间

§9.2 CT
1. CT的原理
–第三代CT:旋转扫描
减少平移, 变成旋转方式

§9.2 CT
1. CT的原理
–第四代CT:旋转扫描,环形阵列接收
静态环形接收阵列

§9.2 CT
螺旋扫描 (Spiral Scanning)
图像获取时间显著减少 X射线管的高压缆线采用滑动环技术 减少病人运动影响,减少检查时间

§9.2 CT
? 2.

CT的其它重构算法
? 沿每个射线束衰减分成相等的距离,不同角度

– 序列扩展
和方向的类似数据进行比较,差别进行迭代累 加 ? 所有的衰减数据要求可用

– ART: algebraic reconstruction technique – ILST: iterative least-squares technique – SIRT: simultaneous iterative reconstruction technique

§1.2 CT
? 3.

CT成像

§9.2 CT
? 3.

CT成像

问题:
X射线成像和CT成像有哪些区别?


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