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1、医学成像系统医学成像系统主讲：马慧彬课程简介学时安排：理论52+实验20主要内容：了解目前主流成像系统的基本原理、构造，并能进行简单的系统分析与维护概述投影X线成像系统X-CT成像系统放射性核素成像系统超声成像系统磁共振成像系统医学成像新技术参考教材：高上凯，医学成像系统，清华大学出版社结束第一章 概述课程概述发展历史与现状医学成像系统评价从电磁波谱看医学成像几种成像系统技术比较医学成像技术展望本章小结本章习题返回课程概述图像科学研究内容图像的形成、获取、传输、存储、处理、分析、识别等医学图像研究内容医学成像系统：图像形成的过程，包括对成像机理、成像设备构造、成像系统分析等问题研究医学图像处理
2、：对已获取的图像作进一步处理，使其更清晰，或更突出其特点，或对图像作模式分类等主要医学成像系统本课在课程体系中的地位返回医学成像系统医学成像系统X线成像CT成像磁共振成像放射性核素成像超声成像阻抗成像红外微波成像可见光成像返回本课在课程体系中的地位返回医学成像系统人体解剖学信号与系统计算机相关知识医用物理学高等数学普通物理发展历史与现状投影X线成像系统X-CT成像系统放射性核素成像系统超声成像系统磁共振成像系统其它医学成像技术未来发展多维、多模、多参成像系统新的物理发展形成的新的成像系统图像归档与通信系统PACS返回投影X线成像系统X线产生1895，伦琴，1895/12/22 第一张X线照片1
3、896，英国，X线首次应用在医疗方面X线管的早期发展离子X线管：结构简单，效率低，无防护，曝光时间长电子X线管：1913-1928，钨灯丝X线管，滤线栅，钨酸镉荧光屏，双焦点X线管旋转阳极X线管X线设备相关技术近几十年的改进高千伏技术，荧光增强技术，高速增感屏，快速X线感光胶片，X线影像增强器等现代设备CR，DSA等X线设备目前存在问题X线产生效率低胶片对X线的敏感度不足返回我国：1951，上海精密医疗器械厂试制第一台X线机伦琴与第一张X线照片1895年年11月月8日日晚，意外发现。晚，意外发现。威廉威廉康拉德康拉德伦琴伦琴（18451923）第一个诺贝尔物理奖，第一个诺贝尔物理奖，1901年
4、授予年授予1895/12/22 第一张X线照片X-CT成像系统人体断面成像，1969设计成功，1972公诸于世返回世界：1917，奥地利，雷当，重建算法1963，美国，柯马克，论文1967-1970，英国，EMI公司，豪斯菲尔德，第一台CT，1971/9放置在伦敦医院1972，第一张CT照片，用于诊断妇女脑囊肿1974，美国，第一台全身CT研制成功1975，美国，第一台全身CT临床使用1985，螺旋CT用于临床1998，多层探测器系统得到应用1979，柯马克与豪斯菲尔德获得诺贝尔生理与医学奖中国：1983，颅脑CT一代1988，颅脑CT二代1990，全身CT三代主要技术：图像重建算法主要问题：
5、成像速度放射性核素成像系统原理：给病人口服或静脉注射某种放射性示踪剂，使之进入人体后参与体内特定器官组织的循环和代谢，并不断地放出射线。这样我们就可在体外用各种专用探测仪器追踪探查，以数字、图像、曲线或照片的形式显示出病人体内脏器的形态和功能。特点：不仅可以看到器官形态，还可以了解脏器代谢情况分辨率低，1CM左右目前主要设备：同位素扫描仪相机SPECT，单光子发射型CTPET，正电子发射型CT返回超声成像系统发展过程1928年，R.W.Wood等人首先应用超声波作为生物学方面的研究手段。本世纪四十年代，Firestone等人开创了利用超声波诊断疾病的先例，A型超声仪器五十年代，超声心动图仪，即
6、M型仪器六十至七十年代是B型超声仪器出现并极大发展的时期，超声CT的研究工作开始进行八十年代，将脉冲超声多普勒血流仪与B超相结合，还产生了双功能超声诊断仪。九十年代，彩色B超诞生医学诊断上所使用的超声波频率一般为0.5MHz15MHz，常用的是2.5MHz5MHz优点：对人体无损，无创，无电离辐射，实时动态，便宜缺点：图像分辨力难以突破返回磁共振成像系统1946年，美国麻省理工学院（MIT）的 E.Purcell 及斯坦福大学的 F.Block领导的两个研究小组各自独立地发现了磁共振现象。Purcell 和 Block 共同获得1952年诺贝尔物理学奖；1971年，美国纽约州立大学的达马迪安(
7、Raymond Damadian)对移植入恶性肿瘤的小鼠进行磁共振波谱试验,发现肿瘤组织的T1时间比正常组织的长1973年，同为美国纽约州立大学的洛特波尔，获得第一幅MRI图像1973年，英国诺丁汉（Nottingham）大学的曼斯菲尔德（Peter Mansfield）等用线性梯度场来获取磁共振信号的空间定位，并于1976年使用该方案开发出了一种快速扫描核磁共振成像技术。1977年，达马迪安及其同事经过7年的努力，终于建成了人类历史上第一台全身磁共振成像装置1980年，第一幅人体胸腹MRI图像产生，MRI商品化磁共振成像系统1984年，美国FDA批准核磁共振使用于临床；1986年，中国科健公
8、司与美国波士顿的Analogic公司成立合资公司，名为安科公司，开始发展我国的磁共振成像产业，3年后，第一台磁共振成像设备通过鉴定，第二年，第一台国产磁共振落户河北；1998年，世界磁共振成像年；2003年的诺贝尔医学与生理学奖分别颁给了已是古稀老人的洛特波尔和曼斯菲尔德。优点：对人体无创可对组织形态与功能两方面分析分辨率高任意截面成像，易构造 三维图像对软组织敏感返回缺点：成像速度慢对钙化灶与骨皮质灶不敏感铁磁性植入者禁忌定量诊断有难度返回其它医学成像技术红外成像1933，哥本哈根大学国家医院，哈克塞森，利用红外成像进行皮肤病学研究。目前主要用于静脉摄影（静脉曲张），透照技术（儿童脑疾），肝
9、病理、肿瘤、皮肤病等方面检查光学成像可见光成像，观察人体器官阻抗成像近二十多年来发展起来的，利用物体表面电测量来重建反映内部组织结构及功能变化的图像技术无创，简单，可进行连续脑图像监护生物电阻抗断层成像EIT另外还有微波成像、电磁感应成像等先进技术返回微波成像简介也称为非均匀介质成像,是一种非接触式测量成像.诊断所用的微波源功率非常小,是非常安全的非电离辐射成像.利用生物组织的复介电常数(介电常数:电容有电介质与无电介质时的电容比值)成像主要用于得到生物的温度分布,血流含氧量等生理指标,对软组织形态也有较好成像上世纪70年代开始欧洲帅先研究,目前有成像系统但未用于临床.返回音频射频红外线可见光
10、紫外线X射线射线20k20300G100 0.76 0.4 0.01 100 长波中波短波超短波微波亚毫米波超长波放射线设备使用的频谱频率频率(Hz)波长波长(M)电磁波谱成像技术基本原理测试对象观察目的分辨力P22对人体伤害临床适用性普通X线各种组织对X线吸收不同吸收系数组织形态高大胸，骨X-CT计算机重建与处理吸收系数组织形态高大脑，肾，胆MRI氢原子的磁共振现像重建图像质子参数密度分布T1，T2组织形态化学组成器官功能高小脑，心肾，胆血栓USI超声波在遇到组织界面时，产生较强回波声阻（回波信号）体内界面形状低低胎儿，胆，血管核素成像同位素放射重建图像放射活性分布组织形态器官代谢功能低中心
11、脏，神经系统，多种器官几种成像系统技术比较医学成像技术展望目的在保证人身安全的前提下，努力改进信息传递方式，提高信息传递效率并使用新的信息表达形式。提高图像质量，其最终的医疗目的是更精确地发现人体组织初期病理变化，为早期诊断治疗提供依据。医学成像系统的主要临床应用提高临床诊断水平实现治疗中的监护，提高治疗的有效性外科手术规划图像的计算机管理发展趋势从模拟到数字；从平面到立体；从局部到整体；从宏观到微观；从静态到动态；从形态到功能；从单一到综合多维，多参，多模PACS图像归档与通信系统图像归档与通信系统。是利用现代计算机和通信技术替代传统的胶片格式图像，以数字格式处理数字格式处理图像，从而以高效
12、率、高性价比高效率、高性价比来检查、存储、查询、提供医学图像返回应用PACS系统的好处实现过去与现的图像对比,提高诊断精度经过图像处理，可以更容易、更精确地发现病灶方便进行病历等资料查询操作的实时性，图像信息的可靠性大大提高使远程医疗成为可能返回本章小结主要内容发展历史与现状医学成像系统评价医学成像技术展望重点五种常用医学成像系统的历史，特点五种常用医学成像系统的对比返回本章习题1、目前主要的医学成像系统有哪几种2、几种成像系统在原理、测试对象、观察目的、分辨力、对人体伤害、临床适用性等方面的比较3、医学成像系统的总的发展趋势是什么4、哪些成像系统会对人体造成电离辐射返回第二章 投影X线成像系
13、统X线成像的物理基础X线产生及其性质X线的衰减投影X线成像设备荧光透视成像系统胶片摄影系统评价成像系统与图像质量的客观标准对比度，不锐度，分辨力，调制传递函数投影X线成像系统分析X线源，记录器，系统总响应数字X线摄影数字X线图像的采集数字X线减影数字X线摄影的优点与应用前景章节小结作业返回说明X线成像系统说明X线成像系统主要有普通X线成像系统数字化X线成像系统计算机X线断层成像X线机按功能分类诊断用，治疗用X线机按管电流划分大 500mA;中 100400mA;小 50mA临床应用主要机型普通摄影用X线机;消化道造影用X线机;胸部摄影用X线机;血管造影用X线机;乳腺摄影用X线机;牙科用X线机;
14、床旁用X线机;手术用X线机返回X线产生及其性质产生X射线的主要设备：X射线管旋转阳极X线管结构X线产生的条件旋转阳极用钨表面的原因X线谱(按形状分）连续线谱，也称韧致线谱。从较短波长到较长波长连续的谱，称为连续线谱特征线谱，也称标识线谱。在连续线谱上叠加的一些突出尖峰称为特征线谱X线的性质返回高速高速带电粒子带电粒子撞击物质突然受阻而变速撞击物质突然受阻而变速 产生产生X射线射线旋转阳极技术旋转阳极技术:增大焦点面积，扩大球管散热面增大焦点面积，扩大球管散热面提高球管功率和寿命。提高球管功率和寿命。旋转阳极球管的靶面旋转阳极球管的靶面旋转阳极球管的靶面旋转阳极球管的靶面旋转阳极旋转阳极X X射
15、线管示意图射线管示意图玻璃壳：防护，使内部真空阴极：灯丝，发射电子用阳极靶面：一般用钨表面，当高速电子撞击时产生X线转子：带动阳极转动X线产生的条件有电子源加了低电压的灯丝可发射电子有高压电场30-200千伏，加速电子有真空条件避免电子在加速运动中碰到过多阻力有适当阻挡物金属靶面，用来承受高速电子的能量，使高速电子的能量转化为X射线返回旋转阳极用钨表面的原因高速运动的电子所失去的功能中大约有1%能量变成X线，其它99%的能量转化为热能，旋转阳极就是为了散热快X线的转换效率由两个因素决定：靶面材料的原子序数Z与自由电子本身能量转换效率 =1.4*10-9ZV选择钨表面的原因是钨的原子序数较大钨的
16、熔点较高，为3370钨的导热性能比较好注：其它表面金属元素 符号 序数 熔点 钼 Mo 42 2917 钯 Pd 46 1532 铑 Rh 45 1966返回连续线谱连续线谱的产生机制高速运动电子在靶面原子核电场作用下，改变运动方向和速度。所损失的动能中有一部分转化成X线光子被辐射出去，由于带电粒子与原子核相互作用情况不同，所以辐射出来的X线光子能量也不一样，故有连续的能谱分布连续线谱特点强度随波长连续变化每条曲线都有一个峰值每曲线有一个短波极限当管电压增大时，强度峰值与短波极限向短波方向移动较低管电压下钨的连续较低管电压下钨的连续X射线谱射线谱短波极限强度峰值返回注：短波极限与管电压成反比，
17、与其它无关特征线谱特征线谱的产生机制原子核外电子的跃迁。当高速电子撞击靶面时，可能与原子的内层电子相互作用而将内层电子轰出，使原子呈现出不稳定状态，当具有较高势能的外层电子填补内层电子空位时，即释放出多余能量，特征射线波长与靶面物质有关，并只有在高压下才能产生，原子序数越高产生特征辐射波长越短。注：特征放射的波长是由跃迁电子的能量差决定的，与高速电子的能量无关，主要取决于靶面物质的原子序数返回注意注意:在在X线产生中，线产生中，特征特征X线很少线很少诊断、治疗中诊断、治疗中，主要是连续主要是连续X线线。X线的性质物理特性基本性质医学方面应用的性质穿透作用荧光作用电离作用化学特性感光作用脱水作用
18、生物效应返回基本性质本质与普通光线一样，属于电磁波，但波长比可见光更短，介于紫外线与射线之间。与普通光线一样具有波粒二重性。每个X线光子具有能量E=h（h是普朗克常数，6.626*10-34J/S；是频率）X线以光的速度直线传播，同时服从光的反射、折射、散射、衍射等一般规律穿透作用X线波长短，能量大，能穿透一般光线不能穿透的物质，而且X线对人体的不同组织的穿透性不同，如下表：易穿透中等不易穿透气体脂肪结缔组织肌肉组织软骨血液骨骼荧光作用当X射线照射在某些荧光物质（磷、钨酸钙等）时产生荧光，由于荧光物质受X线照射时，物质的原子被激发或电离，当被激发的电子恢复到基本态时，便可放出荧光，利用这一性质
19、，可观察X线图像与此性质有关的设备有：X线透视荧光屏、增感屏、影像增强器、闪烁计数器等电离作用具有足够能量的X线光子可以从原子中击脱电子产生电离（一次电离），甚至脱离了原子的电子还能与其它原子碰撞产生二次电离这一性质的主要应用有：X线剂量检测器，它主要是根据气体分子电离电荷的多少来测定X线剂量化学特性感光作用胶片乳剂中的溴化银受X线感光，经化学显影，还原出黑色的单质金属银颗粒，其黑度取决于感光程度，X线摄影即是利用其化学感光作用使组织影像出现在胶片上。脱水作用某些物质经X线长期照射后，因结晶体脱水而逐渐改变颜色生物效应生物细胞在爱到X线的电离辐射后可能损伤甚至坏死，这方面主要应用是：放疗生物细
20、胞在爱到X线的电离辐射后可能破坏细胞结构甚至是基因改变X线的衰减当X线穿透人体时，出现衰减IoP=E/CX线衰减对X线成像的影响肌肉、脂肪、骨等物质的质量衰减系数不同，能量变化如图肌肉与水的质量衰减系数差不多，脂肪小于肌肉，骨最高在能量较低时，光电效应起主要作用，因此骨（钙）在能量较低时衰减快能量较高时，康普顿散射起主要作用，故三者相差无几利用这一特点设计出的双能量X线减影成像设备可获取不同组织的清晰图像会产生射线硬化现象产生原因是由于高能量X线穿透力强，低能量X线穿透力差，在X线通过人体时，较多的低能量X线被衰减，这使得X线入射前后的X线谱发生变化，即强度峰值向高能量方向位移对X线成像系统来
21、说主要影响是会出现图像畸变，要进行硬化矫正能量(KeV)/p（cm2/g）脂肪肌肉骨X线常用衰减解析公式总的衰减系数为三种散射之和 =C+R+P对某特定元素，衰减系数的解析式为其中：为密度；Ng=NA（氢）或NgNA/2（其它）,NA为阿伏加德罗常数，约为6.02*10-23(1/mol)；f()称为康普顿散射函数，为光子能量 f()大小为0.597*10-24*e-0.0028(-30)；CR=1.25*10-24CP=9.8*10-24K=2.0,l=1.9,m=3.8,n=3.2荧光透视成像系统返回组成部分主机:X线管:产生X线高压发生器：产生高压并控制X线强度控制台：控制距离、焦点等影
22、像增强器:增强影像的亮度。X线的输入屏与光电阴极紧密相接，光电阴极在可见荧光照射下产生电子，这些电子在透镜系统中被加速并聚集在输出屏上，由于输入屏比输出屏大得多，加上电子加速等原因，使亮度增益达到5000倍左右，可在明室中观察分光器：由于影像增强器输出屏太小，且有时不只一个设备记录图像，为便于观察摄影机：接收图像录像机,监视器等特点：医生除了可用它来观察组织的形态、位置外，还可以观察脏器的运动，但在分辨率上难有更大突破荧光透视成像系统胶片摄影系统组成结构与荧光透视系统基本一致，不同的是用摄影胶片代替荧光屏片基：用于涂感光乳胶，一般150m感光乳胶：多用卤化银，10 m荧光增感屏：涂有荧光材料的
23、薄层，作用是吸收X线的能量并将其中一部分转化为可见光使胶片曝光特点：分辨率高，可永久记录；但要配一套用于显影、定影用的设备，操作较麻烦，而且不易观察运动情况返回片基荧光增感屏片基荧光增感屏荧光增感屏对比度概念：病灶组织结构与周围组织间存在反差的大小X线成像系统中的对比度公式推导公式结论实际工作中影响对比度的因素为提高对比度采取的措施返回X线成像系统中的对比度设入射X线强度为I0，均匀组织出射强度为I1，含有异物的部分出射强度为I2，则对比度定义为 12L1L2或前者较长用。推导：由前面公式求出I1，I2，并代入对比度公式可得公式结论在投影X线成像中，图像的对比度仅与被探查物厚度L2及与周围组织
24、间的衰减系数差2-1有关，与总的厚度无关实际工作中影响对比度的因素上述结论是理想状态下的、未考虑X线散射，而散射对图像对比度有较大影响，因此对比度随着病人的总厚度的增加而减小图像对比度主要取决于被探查物本身与周围组织的对X线衰减的差异胶片的性能与处理图像过程中各种参数的选择也将影响图像对比度为提高对比度采取的措施使用造影剂原理：改变衰减系数。一般采用高衰减系数的材料做造影剂，如钡化物用于检查消化道，碘化物用于检查血管等使用滤线栅原理：散射会降低图像对比度，使用滤线栅只能通过原发X线，而过滤掉散射来的X线选择合适电压（光子能量），获得最佳对比度原理：不同能量下不同组织的衰减系数差不同不锐度概念：
25、是用于衡量图像模糊程度的一项指标造成图像模糊的原因与不锐度指标关系由于放射源不是理想点或理想平行线由于物体运动造成X线记录器造成返回几何不锐度移动不锐度屏不锐度几何不锐度减小不锐度方法:记录器愈接近探测物，模糊边缘的范围愈小，即几何不锐度愈小特点：针对静态物体各项异性二维函数移动不锐度减小移动不锐度方法：采用较大管电流，目的是在产生同样照射强度的情况下尽可能缩短照射时间特点：针对运动物体一维函数屏不锐度产生原因：荧光物质被X线光子击中后不是只产生理想可见点光源，而是使接收屏看到一个光晕减小屏不锐度的方法：使用较薄的记录器特点：所有物体各向同性XX分辨力概念成像系统区分互相靠近物体的能力，是系统
26、所能分辨的两个相邻物体间的最小距离。分辨力的定量描述单位距离中的线对数：LP/mm（每毫米线对数）常用成像系统分辨力，见书22页图返回调制传递函数使用调制传递函数的目的线对数是分辨力（不锐度）在空域中的描述，对于分析系统不易做到严格，因此用频域中的方法来描述，这就要用到调制传递函数调制传递函数的定义若成像系统的冲激响应为 ，它对应的傅立叶变换为 ，则定义系统的调制传递函数为调制传递函数特性调制传递函数表现为低通特性，设截止频率为Pk，则高频成份的损失造成了图像模糊调制传递函数具有级联特性，即整个系统由若干个环节构成，每个环节都有自己的调制传递函数与截止频率，则整个系统的调制传递函数为各环节调制
27、传递函数的乘积，系统截止频率为各环节截止频率中的最小值返回X线源对成像系统的影响理想平行X射线源公式理想点X射线源公式结论：倾斜物体的图像与物体所在的位置及倾斜角有关平面X射线源公式对于薄片探查物，在忽略倾斜因子情况下，最终的图像是一个放大的源像与一个放大的物像的卷积返回记录器对成像系统的影响记录器对成像系统影响的有关问题较厚记录器对X线光子有较高俘获率较薄记录器像的分辨率较高解决矛盾的方法：使用钨酸钙一类高原子序数材料，能在较短路径中俘获大量X线光子；使用双面屏胶系统公式（频域）返回投影X线成像系统总响应空域公式返回 频域公式其中而代入整理可得结论:当X线源的尺寸很小时,s(p)起主导作用,
28、最佳响应发生在Z较小的时候;反之,当X线源尺寸较大时,s(p)频带较窄,最佳响应发生在Z很接近d的位置上数字X线图像的采集根据成像原理可将数字X线成像设备分为计算机放射成像CR、数字荧光摄影DF、数字电视摄影系统DR、数字减影血管成像DSA。CR:是用存储屏记录X线影像，通过激光扫描使存储信号转换成光信号，此光信号经光电倍增管转换成电信号，再经A/D转换后，输入计算机处理，形成高质量的数字图像。DF:是穿过病人的X线被影像增强器接收后，经X线电视系统转换为模拟视频信号，再经A/D转换后，输入计算机处理，形成高质量的数字图像。DR:分为直接数字X线摄影DDR和间接数字X线摄影IDR。DDR是采用
29、X线探测器直接将X线图像变成电信号，再转化为数字图像。IDR是先从I.I-TV成像链或照片获得X线信息的模拟图像，再转换成数字图像，前者的成像原理与DF相同，后者是利用数字化扫描仪把照片上记录的模拟信息数字化。DSA:是将造影剂注入前后各成一幅像,利用数字图像处理技术进行图像相减,得到血管图像 返回电视摄影系统构造：X线管、影像增强器等与传统X线摄影相同对数放大器 用于增强信号A/D转换器 将模拟信号转换成数字信号图像存储器 用于存储数字图像D/A转换器 将数字图像转换成模拟图像特点：具有较高的成像速度，分辨率较低，对比度较差线阵扫描系统构造准直器1 将照射病人的X线限制在一条直线带内准直器2
30、 防止人体散射的射线进入检测器检测器 由接收屏与光电二极管组成（常用512个或1024个），用于感光产生电信号数据特点采集过程费时，会带来运动模糊问题会浪费大量X线资源成像清晰计算机放射成像CR构造存储屏 是加入钡卤化物晶体的荧光屏，它在X射线照射下，吸收X线能量并存储形成“潜影”，再用激光束扫描荧光屏，屏上存储信息可转换为可见光放射出来，该存储屏可用强光照射擦除光电倍增管 用于放大光信号A/D转换器强光源 用于擦除影像反光镜 用于反射激光与强光特点灵敏度高，即获得相同的诊断信息情况下，CR比屏胶系统的X线需求量小一个数量级动态范围宽，超过10000：1影像更清晰，可达5LP/mm工作效率高，
31、擦除只需几秒返回数字X线减影减影图像公式设造影剂注入前，目标图像为M(x,y)，而造影剂注入后其中T2(x,y)为注入造影剂处的血管厚度，2为造影剂的衰减系数令其中D(x,y)称为对数差图像，K为常数特点可获取清晰血管图像双平面的X线数字减影系统几乎可同时得到两幅相互垂直的血管造影图像，使血管的立体重构成为可能多能量减影，可获取某种组织的清晰图像返回数字X线摄影的优点与应用前景改善图像显示质量减少对病人的照射剂量可以方便地进行图像后处理方便进行图像存储与检索图像通信理加方便PACS（图像归档与通信系统）的基础返回章节小结X线成像的物理基础X线产生及其性质X线的衰减，散射投影X线成像设备的构造荧
32、光透视成像系统胶片摄影系统评价成像系统与图像质量的客观标准对比度，不锐度，分辨力，调制传递函数的定义与含义投影X线成像系统分析X线源，记录器，系统总响应公式的基本原理数字X线摄影CR系统的系统组成数字X线减影DSA的基本原理返回作业简述旋转阳极X线管结构及其特点简述产生X射线的条件说明旋转阳极X线管选择钨表面的原因已知钼的原子序数为42，计算在100千伏电压下的电子转换成X线的效率(=1.4*10-9ZV)简述连续放射与特征放射线谱的产生机制已知X线管电压100KV，求短波极限(nm)=12.41/V(千伏)X线具有哪些性质说明相干散射、光电效应、康普顿散射产生的原因X线摄影中，光电效应与康普
33、顿散射对成像系统有何影响能量为50KeV的光子作用下，钙的衰减系数是多少？水的呢？(P16公式2-21)返回作业X线荧光透视成像系统主要有哪些部件组成？每个部件的作用是什么？X线成像系统实际工作中影响对比度的因素有哪些？提高对比度的措施有哪些？说明三种不锐度的产生原因。根据成像公式说明射线源与记录器对成像的影响。说明DSA的基本工作原理。返回第三章 X-CT成像系统基本原理与发展中心切片定理平行束反投影重建算法迭代法,代数法,傅立叶法直接反投影滤波反投影卷积反投影扇形束反投影重建算法等角度扇形束扫描图像重建检测器等距扇形束扫描图像重建数据重排X线衰减系数重建章节小结作业返回基本原理与发展X-C
34、T主要解决的问题常规X线是利用透射原理完成的，它使人体的三维结构通过投影后显示在二维平面上，造成图像上的器官重叠，导致读片困难X-CT工作原理从投影重建图像基本原理X-CT特点X-CT的发展返回X-CT工作原理对物体旋转一周进行扫描，得到N个投影数据，根据投影数据利用重建算法计算二维断层图像，并使图灰度值与组织衰减系数一致投影数据重建算法重建算法CT图像图像从投影重建图像基本原理已知I0，每个像素的大小（d*d1），可测得I1，I2，I3，I4，根据方程可求得四个衰减系数I0I1I0I2I0I3I0I41234X-CT特点优点能鉴别较小的衰减系数差，从而提高了对软组织的诊断能力可以做出人体任意
35、部位的断面图像更容易利用计算机图像处理技术，如进行图像增强、特征提取、三维重构等可以较精确地测定出组织的X线衰减系数值，从而对组织性质做出判断缺点对人体的电离损伤较大只能成静态图像X-CT的发展第一代CT一个射线源，一个探测器，同步平移，旋转扫描，缺点是数据采集时间长，优点是具有I0自校功能第二代CT一个射线源，多个探测器，扇形射线束，缺点是数据采集时间比较长，优点是具有I0自校功能第三代CT大角度扇形束旋转扫描，同时使用几百个检测器，明显提高检测速度，但由于不能进行自校，故可能出现环形伪像，一般采用较稳定的检测器或软件校准程序来解决这个问题第四代CT360。圆周检测器，只需旋转X线源，可以自
36、校，但同一检测器会在不同角度被X线入射，故图像质量会受影响中心切片定理中心切片定理意义X-CT图像重建问题就是从投影数据算出各像素的衰减系数，而重建算法的重要依据就是中心切片定理从密度函数获得投影数据的过程中心切片定理描述切片定理的一个实例切片定理证明中心切片定理应用返回从密度函数获得投影数据的过程如图：沿着一个投影方向，对每一条投影线计算密度函数f(x,y)的线积分，就得到该射线上的投影值。计算该投影方向上所有的投影值，就可得到该投影方向上的投影函数g(R)，其中是R与X的夹角。如图：投影线L的直线方程可通过P1(0,R/sin)与P2(R/cos,0)两点来求得xcos+ysin=R极坐标
37、L直线方程为xyROOg(R)投影线Lrcos(-)=R中心切片定理描述某一图像f(x,y)在视角时，投影P(xr)的一维傅立叶变换是f(x,y)的二维傅立叶变换F(u,v)=F（,)的一个切片，切片与u轴相交成角，且通过坐标原点，即F1P(xr)=F（,)|固定密度函数f(x,y)投影函数g(R)F（,)G（）线积分1维F变换2维F变换固定切片定理的一个实例验证当=90时，切片定理成立。对于二维密度函数f(x,y)，沿x方向取投影函数，故投影函数可表示为g(y)yy而f(x,y)的傅立叶变换为故F(u,v)中沿u=0的直线上的值是切片定理证明投影线L的极坐标方程为 xcos+ysin=R由于
38、投影函数的值是密度函数沿投影线的线积分值，即有另一方面，f(x,y)的傅立叶变换为将上式改为极坐标形式，另u=cos,v=sin，可有根据函数筛选性，对e的部分改写有切片定理证明故有结论：沿角方向的投影函数g(R)的一维傅立叶变换的结果就是密度函数f(x,y)的二维傅立叶变换函数在同样角度下过原点的直线上的值中心切片定理应用傅立叶变换法重建图像原理中心切片定理傅立叶变换法重建图像过程在不同角度下测得N个投影图像；将N个投影函数做傅立叶变换将N个变换函数构造成一个二维函数F(u,v)将F(u,v)反变换可得到f(x,y)傅立叶变换法重建图像存在的问题计算工作量非常大。二维傅氏变换等工作量大，将极
39、坐标通过插补运算转换为直角坐标形式数据时计算量大。可能有较明显的失真。将极坐标通过插补运算转换为直角坐标形式数据，插补误差可能造成图像失真逐逐次次近近似似法法(迭迭代代法法)返回直接反投影重建算法简单示例基本原理具体做法算法评价修正要计算两次二维傅立叶变换，费时不修正得到的图像模糊目前此法无实用价值返回直接反投影重建算法简单示例000001000原图像0100 1 00 1 00 1 0重建图像0100010100 1 0垂直+000111000水平010+100001001001001100+111114111=对角反对角基本原理一般做法将每次测得的投影数据原路返回到投影线的各像素上，再将所
40、有反投影图像相加存在问题不同角度进行反投影后的重建图像是以原点为中心一系列辐射线，图像会有云晕状模糊修正方法将fb(x,y)变换到频域，乘以修正因子，再求逆F变换空域频域直接反投影重建具体做法g(R)fb(x,y)Fb(,)F(,)f(x,y)直接反投影2D-FT*2D-IFT滤波反投影重建算法基本原理具体做法算法评价只需做两次一维傅立叶变换,避免了费时的二维傅立叶变换,大大提高了图像重建速度返回滤波反投影重建基本原理基本做法在某一投影角下取得了投影函数(一维)后,对此投影函数作滤波处理,得到修正的投影函数,然后再做直接反投影重建,可得密度函数存在问题如何修正投影函数才能使重建图像为原来的f(
41、x,y)修正方法滤波反投影重建具体做法空域频域g(R)g(R)F1g(R)F1g(R)|f(x,y)反投影1D-FT*|1D-IFT卷积反投影重建算法基本原理具体做法算法评价R_L卷积函数形式简单，重建图像轮廓清晰，但由于在频域中采用矩形函数截断，因此在相应的空域中造成振荡响应，如果投影数据有噪声，重建图像质量不好。S_L重建图像采用平滑的窗函数进行滤波，因此振荡较小，抗噪声能力也较强。但由于S_L函数高频段偏离实际的|，因此在高频响应方面不如R_L滤波避免了做傅立叶变换，但要做卷积运算返回卷积反投影重建算法基本原理一般做法本质上与滤波反投影相同，不同的是直接在空域对g(R)进行修正。即将g(
42、R)与|的逆傅立叶变换函数c(R)进行卷积运算，然后将卷积后的结果反投影。工作关键是卷积函数C(R)的选择。C(R)推导与讨论R_L滤波函数S_L滤波函数C(R)的讨论理论上：C(R)=F-1|，但|不可积将|作近似调整，可得C(R)的特点C(R)的均值为0，根据傅立叶变换的性质，傅立叶变换函数在频率坐标原点的值就是被变换函数的均值。|在原点为0。C(R)在原点的值是函数|的均值。而C(0)=C(R)在原点附近有较大冲激当当R_L滤波函数是1971年印度数学家G.N.R与A.V.L提出基本出发点：认为实际的二维图像函数总有一个频率上限，因此采用矩形滤波方式滤波函数的表示离散化表示n=00 n为
43、偶数n为奇数S_L滤波函数是1974年美国学者L.A.S与B.F.L提出，用平滑的窗函数来约束滤波函数滤波函数的表示离散化表示卷积反投影重建算法基本做法g(R)g(R)f(x,y)反投影*C(R)空域等角度扇形束扫描图像重建公式投影函数修正卷积运算平滑处理加权反投影加权1/L2,L是与x,y,有关的函数，设一周采集N个数据，即=2/N返回检测器等距扇形束扫描图像重建公式投影函数修正卷积运算平滑处理加权反投影加权1/U2,U是与x,y,有关的函数，设扇面旋转角为，则返回数据重排不同扇面中的相关投影线提取出来就有可能组成一组一组的平行投影数据，然后用平行束反投影算法重建图像。存在问题每一组平行线束
44、中投影线数目相对较少，对于重建来说不够不同扇面中提取出的投影线间相互距离不同，使投影重建比较困难返回X线衰减系数重建问题：X线衰减系数重建是人体断面图像，其分布函数记为(x,y)常用公式由于故测得强度与衰减系数间不是直接的比例关系存在问题及解决分辨率如何提高：增加采样密度如何解决硬化现象：一是提高管电压、增加过滤板厚度、尽可能减少低能量射线；二是通过修正算法对硬化误差进行补偿如何克服运动伪像：快速扫描如何提高重建速度：并行计算实际应用CT数CT数又称为Hounsfield数，定义为在射线能量为73Kev下的常用CT数：CT（水）=0，CT（空气）=-1000，CT（骨）=1000根据CT数-1
45、000，1000进行图像的增强变换，一般变换到0，255，适合人眼观察。返回章节小结基本原理与发展中心切片定理、定理证明、定理应用平行束反投影重建算法的基本做法及特点直接反投影滤波反投影卷积反投影扇形束反投影重建算法的基本做法及特点等角度扇形束扫描图像重建检测器等距扇形束扫描图像重建X线衰减系数重建中如何处理硬化问题什么是CT数，怎么计算返回作业证明中心切片定理说明中心切片定理的意义说明直接反投影、滤波反投影、卷积反投影的具体做法及它们的特点说明等角度扇形束扫描图像重建的步骤说明检测器等距扇形束扫描图像重建的步骤什么叫CT数？骨的CT数、水的CT数、空气的CT数分别是多少？返回第四章 放射性核
46、素成像系统放射性核素成像系统概述成像过程医疗应用应用发展物理基础同位素选择放射性材料考虑因素像机放射性同位素成像系统分析发射型计算机断层成像小结作业返回成像过程把某种放射性同位素标记在药物上,形成放射性药物并引入人体,它被人体的脏器和组织吸收后,就在人体内形成了辐射源,用核子探测装置可以从人体外检测体内同位素在衰变过程中放出的射线,从而形成放射性同位素在体内分布密度的图像医疗应用与发展医学应用不仅反映脏器组织形态，更重要的是提供了有关脏器功能及生理、生化方面的信息设备发展20-30年代,借助于I(3)研究甲状腺疾病50年代 放射性核素成像设备问世70年代 放射型CT开始研究现在 SPECT与P
47、ET研究与应用同位素同位素：同一种化学元素，但具有不同的中子数，称为同位素按放射性分类稳定同位素 没有放射性不稳定同位素 具有放射性衰变：放射性同位素在自发地放射出、射线后，本身转化为另外一种核素，这种现象称为衰变放射性同位素射线性质能使气体电离，能激发荧光物质，能使照相底片感光放射性衰变的量化衰变能力用放射性强度（活度）描述，即单位时间内平均衰变次数。物理单位常用Bq（贝可）或Ci（居里），1Ci=3.7*1010Bq衰变公式 半衰期（）：放射性物质的核子衰变到开始数量N0一半时所经过的时间称为半衰期，记为 生物半衰期：生物体内的放射性核素由于生物代谢从体内排出一半所需要的时间，用Tb表示选
48、择放射性材料考虑因素主要考虑因素放射性核素本身的半衰期载体的分子化学、药理特性辐射剂量同位素及其载体的获得成本目前主要使用Tc-99的半衰期为6.02小时载体无毒副作用辐射低能量射线药品容易获得像机相机的作用相机可以摄下感兴趣的区域中放射性药物浓度的分布图,形成一幅完整的图像大约只需零点几秒,若在一定时间间隔内摄取一系列的药物分布图就可以对脏器的功能进行动态分析系统构成准直器闪烁晶体电阻矩阵电路:电脉冲信号经电阻矩阵电路后形成一个幅度与入射光子能量相对应的电信号,同时得到与发生位置相关的位置信号.光电倍增管位置计算电路脉冲高度分析仪显示装置准直器作用让人体内向外辐射的射线能准确地摄影到闪烁晶体
49、的相应位置上以便构成闪烁图像由于体内脏器在放射射线时是各向同性的,因此如果不用准直器,脏器中每个小辐射源放出的射线将会照射到整个闪烁体上,而闪烁体中的每一点又都可接收到来自整个辐射源的射线,闪烁图必然是混乱的,准直器的作用就是实现其空间定位,使得来自不同空间位置的射线照射到闪烁体的特定位置分类平行孔型准直器:源与像大小相同,灵敏度与探测物距离有关张角型准直器:源像,由于人体内不同的放射源离准直器的位置不同,因此放大倍数就不同,由此会带来图像失真聚焦型准直器:源颅骨空气.软组织，血液，肌肉水衰减带来的问题超声能量随距离衰减，要设计深度补偿电路，也称为时间增益控制电路超声的传播在人体中的传播速度除
50、了颅骨与空气，其它速度相近成像时近似认为超声在人体软组织中的传播速度相同对于人体中超声传播速度上的变化将表现为图像的失真速度的变化会使波速产生失真或偏移，从而带来附加的误差所研究的组织断面中传播速度的不同分布包含了临床上有用的信息利用传播速度相同这一特性，用渡越时间建立图像渡越时间是指超声发射到超声返回的时间间隔超声的反射、折射、衍射、散射超声的反射、折射、衍射、散射当超声波在非均匀介质内传播时，由于组织声阻抗的改变，在声阻抗变化的分界面处，入射的超声波能量一部分将被反射，一部分被折射当被探查的人体组织的细微结构与超声波波长差不多时，将发生衍射，衍射会引起超声束的发散当细微结构的波长远小于波长