核技術(shù)應(yīng)用及進(jìn)展2成像技術(shù)

核技術(shù)應(yīng)用及進(jìn)展2成像技術(shù)第1頁(yè)/共125頁(yè)2內(nèi)容：CT概述CT的發(fā)展歷史核成像技術(shù)的基本原理CT的優(yōu)點(diǎn)和局限性CT的分類醫(yī)學(xué)CT工業(yè)CT第2頁(yè)/共125頁(yè)3CT概述CT——“計(jì)算機(jī)斷層掃描成像”（是計(jì)算機(jī)與放射學(xué)結(jié)合的產(chǎn)物）ComputerizedTomography或ComputedTomography其它名稱和縮寫符號(hào)：“計(jì)算機(jī)輔助成像”(CAT)；“重建成像”（RT）；“計(jì)算機(jī)斷面成像”(CTT)；“計(jì)算機(jī)軸向斷面成像”（CTAT）。1974年5月，加拿大蒙特利爾召開(kāi)的第一次國(guó)際專題討論會(huì)上，將這種顯像診斷技術(shù)正式統(tǒng)一為“CT”。第3頁(yè)/共125頁(yè)4CT的發(fā)展歷史1895年11月，倫琴發(fā)現(xiàn)了X射線，并用X射線拍攝了一張他夫人的手的骨骼影像，開(kāi)創(chuàng)了放射診斷的紀(jì)元。第4頁(yè)/共125頁(yè)5CT的發(fā)展歷史1917年，奧地利數(shù)學(xué)家雷登（J.Radon）發(fā)現(xiàn)對(duì)二維或三維物體可以從各個(gè)方向上投影，利用數(shù)學(xué)計(jì)算方法能夠得出重建圖像，并提出了Radon變換，但由于理論需要大量數(shù)學(xué)運(yùn)算而未被重視。雷登圖像重顯理論，當(dāng)時(shí)應(yīng)用于無(wú)線電天文學(xué)的圖像重顯中。第5頁(yè)/共125頁(yè)6CT的發(fā)展歷史1956年，天文學(xué)家用圖像重顯理論處理了從太陽(yáng)發(fā)射來(lái)的微波吸收信息，并得到了這些數(shù)據(jù)所描繪的太陽(yáng)圖。1956年，提出了一個(gè)類似“描繪太陽(yáng)圖”的問(wèn)題：如何從人體某段的射線投影圖得到該人體段的圖像重顯？第6頁(yè)/共125頁(yè)7CT的發(fā)展歷史1961年，無(wú)線電天文學(xué)家歐頓道爾夫用他稱為“旋轉(zhuǎn)-遷移”法實(shí)現(xiàn)了最早的圖像重顯。塑料塊10×10×4cm3碘-131源第7頁(yè)/共125頁(yè)8CT的發(fā)展歷史1963年，柯?tīng)栺R克進(jìn)一步發(fā)展了投影重顯圖像的準(zhǔn)確數(shù)學(xué)方法，提出用斷層多方向投影重建圖像的計(jì)算方法。1967年，杭斯菲爾德制成了第一臺(tái)可用于臨床的計(jì)算機(jī)X射線斷層攝影機(jī)。1970年，杭斯菲爾德開(kāi)始了頭部掃描CT的設(shè)計(jì)。1971年9月，第一臺(tái)頭掃描CT機(jī)安裝在英國(guó)的一所醫(yī)院中，10月4日，第一個(gè)病人接受了CT掃描。1974年，萊得利研制成功了全人體掃描CT，并安裝在美國(guó)喬治鎮(zhèn)大學(xué)醫(yī)療中心。第8頁(yè)/共125頁(yè)9CT的發(fā)展歷史CT最引人注目的應(yīng)用是在醫(yī)學(xué)診斷領(lǐng)域。70年代中后期，早期的工業(yè)檢測(cè)，曾直接利用醫(yī)用CT掃描設(shè)備進(jìn)行石油巖芯、碳復(fù)合材料及輕金屬結(jié)構(gòu)等低密度試件的檢測(cè)（醫(yī)用CT對(duì)人體檢測(cè)可以提供高質(zhì)量的圖像，但不適用于檢測(cè)大尺寸高密度物體）。80年代初期，美國(guó)軍方首先提出制造檢測(cè)大型火箭發(fā)動(dòng)機(jī)或小型精密鑄件的CT設(shè)備。第9頁(yè)/共125頁(yè)10CT的發(fā)展歷史1981年10月，在美國(guó)萊特-派特森空軍基地的資助下，美國(guó)ARACOR和噴氣戰(zhàn)略推進(jìn)公司共同研制出用于導(dǎo)彈和固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)部件檢測(cè)的工業(yè)CT系統(tǒng)。1983年3月，安裝了第一套系統(tǒng)（420kV、1m），它是世界上第一臺(tái)嚴(yán)格用于無(wú)損檢測(cè)并在用戶現(xiàn)場(chǎng)安裝的工業(yè)CT。1985年2月，安裝了第二套系統(tǒng)（16MeV直線加速器），可檢測(cè)直徑2.4m，長(zhǎng)5.1m，重達(dá)50t的物體。第10頁(yè)/共125頁(yè)11CT的發(fā)展歷史進(jìn)入90年代，工業(yè)CT發(fā)展迅速，目前其作為一種實(shí)用化的無(wú)損檢測(cè)手段，廣泛應(yīng)用于航天、航空、軍事、核能、石油、電子、機(jī)械、新材料研究、海關(guān)及考古等領(lǐng)域。我國(guó)從80年代初期開(kāi)始研究CT技術(shù)。1987年和1990年清華大學(xué)分別對(duì)γ射線CT和XCT裝置進(jìn)行了研究。1993年以后，重慶大學(xué)、中科院高能所等單位陸續(xù)研制出了γ射線源工業(yè)CT裝置。第11頁(yè)/共125頁(yè)12核成像技術(shù)的基本原理物理基礎(chǔ)γ射線和X射線的基本性質(zhì)γ射線和X射線都是一種電磁波，是一種光子，差別在于產(chǎn)生的方式不同。γ射線常伴隨α射線和β射線一起產(chǎn)生，是原子核從激發(fā)態(tài)躍遷至基態(tài)時(shí)放出的電磁輻射。X射線是原子內(nèi)層軌道電子退激過(guò)程或高能電子的韌致輻射所發(fā)出的電磁輻射。γ射線和X射線同光速，波長(zhǎng)短，頻率高。第12頁(yè)/共125頁(yè)13核成像技術(shù)的基本原理物理基礎(chǔ)γ（X）通過(guò)物質(zhì)時(shí)的吸收γ射線通過(guò)物質(zhì)時(shí)可與物質(zhì)原子發(fā)生光電效應(yīng)、康普頓散射和電子對(duì)效應(yīng)。通過(guò)這三種作用，γ射線通過(guò)物質(zhì)時(shí),部分被吸收。以上三種效應(yīng)中，對(duì)于低能γ射線和Z高的吸收物質(zhì),光電效應(yīng)占優(yōu)勢(shì)；對(duì)于中能γ射線和Z低的吸收物質(zhì),康普頓散射占優(yōu)勢(shì)；對(duì)于高能γ射線和Z高的吸收物質(zhì),光電效應(yīng)占優(yōu)勢(shì)。

第13頁(yè)/共125頁(yè)14核成像技術(shù)的基本原理CT基本原理

核成象技術(shù)的共同原理：利用與核有關(guān)的物理量在被測(cè)對(duì)象中的衰減規(guī)律或分布情況，獲得物體內(nèi)部的詳盡信息，通過(guò)電子計(jì)算機(jī)對(duì)這些信息作快速處理，最終重建被測(cè)物的內(nèi)部圖象。它們的數(shù)據(jù)獲取部分，從物理原理到具體結(jié)構(gòu)均可相距甚遠(yuǎn)；但它們的數(shù)據(jù)處理部分。則都基于計(jì)算機(jī)信息處理和圖象重建技術(shù)。第14頁(yè)/共125頁(yè)15CT的優(yōu)點(diǎn)和局限性CT的優(yōu)點(diǎn)

能夠顯示真正的斷面圖像。獲得的圖像清晰，而且密度分辨率高?？勺龆糠治隹衫糜?jì)算機(jī)作各種圖像處理操作簡(jiǎn)單、安全，而且對(duì)工件無(wú)破壞。醫(yī)用CT對(duì)病人的照射在安全的允許范圍內(nèi)。第15頁(yè)/共125頁(yè)16CT的優(yōu)點(diǎn)和局限性CT的局限性

有些病變不適合用CT檢查，或者不易被CT發(fā)現(xiàn)。直觀看到病灶的外形輪廓和范圍，但是看不到成分或者生物和化學(xué)結(jié)構(gòu)。造價(jià)高，針對(duì)性強(qiáng)。例如工業(yè)CT檢查的對(duì)象千差萬(wàn)別，所以有不同標(biāo)準(zhǔn)和用途的工業(yè)CT。第16頁(yè)/共125頁(yè)17CT的分類——按應(yīng)用領(lǐng)域醫(yī)學(xué)CT(MCT)工業(yè)CT(ICT)地球物理(GCT)第17頁(yè)/共125頁(yè)18CT的分類——按應(yīng)用領(lǐng)域醫(yī)學(xué)CT和工業(yè)CT的比較每一代醫(yī)用CT的出現(xiàn)，都與縮短獲取圖像時(shí)間的努力有關(guān)；工業(yè)CT雖然也把掃描時(shí)間看作重要的技術(shù)指標(biāo)，然而更關(guān)注提高空間分辨力或密度分辨力。工業(yè)CT應(yīng)用中的X射線能量通常高于醫(yī)用，從數(shù)十到數(shù)百千伏，工業(yè)CT通常采用恒壓X射線管，較少采用醫(yī)用的脈沖式X射線管。結(jié)構(gòu)上，現(xiàn)代醫(yī)用CT都是保持病人靜止，因而都有相當(dāng)龐大的裝有復(fù)雜機(jī)電設(shè)備的運(yùn)動(dòng)部件；而工業(yè)CT都是使射線源及探測(cè)器系統(tǒng)保持靜止或作少量移動(dòng)，由被測(cè)工件作必要的掃描運(yùn)動(dòng)。第18頁(yè)/共125頁(yè)19X射線斷層掃描(XCT)γ射線斷層掃描(γ-CT)核磁共振CT(NMR-CT)康普頓散射CT(CST)穆斯堡爾效應(yīng)CT(MET)發(fā)射型CT（ECT——EmissionCT)

a.正電子發(fā)射CT(PET——PositronEmission

CT)

b.單光子發(fā)射CT(SPECT——SinglePhotonEmission

CT)CT的分類——按技術(shù)類型第19頁(yè)/共125頁(yè)20醫(yī)學(xué)CT原理CT能取得人體任一斷層的剖面圖像；類型繁多，結(jié)構(gòu)復(fù)雜；基本組成部分類似，如圖像的顯示和處理、提高成像運(yùn)算能力等過(guò)程幾乎完全相同。第20頁(yè)/共125頁(yè)21醫(yī)學(xué)CT原理（頭部X射線CT）橫向斷面圖各像點(diǎn)用x、y兩個(gè)坐標(biāo)值表示，平面圖常稱為“二維圖像”；通過(guò)測(cè)量不同位置的射線投影值，再經(jīng)數(shù)學(xué)計(jì)算實(shí)現(xiàn)重建原圖像。第21頁(yè)/共125頁(yè)22醫(yī)學(xué)CT原理（頭部X射線CT）X射線管和相應(yīng)位置的檢測(cè)器以同樣的速度（“同步”）逐點(diǎn)平行移動(dòng)時(shí)，便可以得到某一方向的投影數(shù)據(jù)（圖a）；然后把X線源和檢測(cè)器組以體軸為中心旋轉(zhuǎn)一角度，得到另一組投影數(shù)據(jù)。反復(fù)進(jìn)行同樣的操作，得到各個(gè)角度上的投影數(shù)據(jù)。第22頁(yè)/共125頁(yè)23醫(yī)學(xué)CT將斷面按X光管（探測(cè)器）相隔的點(diǎn)距，劃分為相等間隔的若干小格，每格對(duì)于X射線的衰減值，設(shè)為ui；解方程即可解出物體各個(gè)部分的衰減系數(shù)，從而建立斷面圖像。原理（頭部X射線CT）I0I0I0I0I1I2I4I3μ1μ3μ2μ4第23頁(yè)/共125頁(yè)24醫(yī)學(xué)CT原理（頭部X射線CT）完成一個(gè)斷層成像后，使探測(cè)器和放射源相對(duì)頭部移動(dòng)（Z軸），可得一系列斷面圖像，則可構(gòu)成一個(gè)完整的頭顱立體圖。Z第24頁(yè)/共125頁(yè)25醫(yī)學(xué)CT類別及特點(diǎn)X線CT、正電子CT、單光子CT、質(zhì)子CT、超聲CT、微波CT、核磁共振CT……。從探測(cè)數(shù)據(jù)獲取方法的類別來(lái)劃分：透射方法（普通CT）、放射方法（ECT）、核磁共振方法（NMR-CT）。三種方法中最具典型意義的代表形式XCT、PECT（正電子發(fā)射CT）、NMR-CT。第25頁(yè)/共125頁(yè)26醫(yī)學(xué)CT類別及特點(diǎn)透射法將放射源置于受檢體一側(cè)，而探測(cè)器置于另一側(cè)。射線通過(guò)受檢體時(shí)受到衰減，衰減值反映射線經(jīng)過(guò)透射路徑時(shí)被吸收的狀況，顯然其數(shù)值決定了相應(yīng)路徑組織的構(gòu)成。各種XCT裝置都是采用透射法。第26頁(yè)/共125頁(yè)27醫(yī)學(xué)CT類別及特點(diǎn)放射法將同位素等放射源，采用注射等方法置于受檢體內(nèi)，它所釋放的正電子與體內(nèi)存在的電子符合作用，向相反方向射出兩束γ射線，分別由周圍相對(duì)的檢測(cè)器接收。周圍的檢測(cè)器至少有兩只，通過(guò)它們作圓周移動(dòng)，可獲得所取斷面層的完整數(shù)據(jù)。γ相機(jī)屬于放射法第27頁(yè)/共125頁(yè)28醫(yī)學(xué)CT類別及特點(diǎn)核磁共振方法人體內(nèi)存在大量氫原子核，其具有固定的磁特性。當(dāng)人體位于強(qiáng)磁場(chǎng)時(shí)，氫核便按磁場(chǎng)方向進(jìn)行排列。如用一高頻電信號(hào)形成附加磁場(chǎng)，則可使氫核偏離原排列方向。若突然再切斷這個(gè)電信號(hào)，那么氫核又趨于原排列方向，與此同時(shí)，他們發(fā)出一種很弱的、具有特征頻率的信號(hào)。利用此信號(hào)成像。第28頁(yè)/共125頁(yè)29醫(yī)學(xué)CT類別及特點(diǎn)廣泛使用的XCT目前，在全世界臨床使用的CT中，大多數(shù)都是XCT。按普及程度，美國(guó)、加拿大、日本、英國(guó)及歐洲各國(guó)。約有數(shù)十家廠商在從事生產(chǎn)。第29頁(yè)/共125頁(yè)30醫(yī)學(xué)CT類別及特點(diǎn)XCT原理X射線透射過(guò)受檢體后，由于被吸收使射線強(qiáng)度減弱。減弱的程度就是衰減系數(shù)。吸收系數(shù)u與人體不同部位組織有關(guān)。x、y是斷面不同位置的坐標(biāo)。由X射線源和檢測(cè)器組成的掃描測(cè)量系統(tǒng)，取得大量投影值送入電子計(jì)算機(jī)進(jìn)行圖像重建。第30頁(yè)/共125頁(yè)31醫(yī)學(xué)CT類別及特點(diǎn)XCT的掃描方式移動(dòng)-旋轉(zhuǎn)方式(T-R)第一種（第一代CT）:X光管和檢測(cè)器處于受檢體兩側(cè)，以筆狀射線束的形式透過(guò)受檢體，并由檢測(cè)器接受。源和探測(cè)器等間隔平行移動(dòng)，每步進(jìn)一次獲取一個(gè)投影數(shù)據(jù)。移動(dòng)全程后（b圖），源和探測(cè)器相對(duì)受檢體作小角度旋轉(zhuǎn)，重復(fù)上述操作，直到全部旋轉(zhuǎn)180°結(jié)束。X射線散焦影響小，但掃描時(shí)間較長(zhǎng)（3~5分），用于顱腦。第31頁(yè)/共125頁(yè)32醫(yī)學(xué)CT類別及特點(diǎn)XCT的掃描方式移動(dòng)-旋轉(zhuǎn)方式(T-R)第二種（第二代CT）:用窄扇束（張角3~5°）代替筆狀束。檢測(cè)器增加6~30個(gè)。這種結(jié)構(gòu)使移動(dòng)和旋轉(zhuǎn)次數(shù)均可減少。掃描全身僅需20~60秒，圖像質(zhì)量顯著提高?？捎糜陬^顱和全身檢測(cè)。第32頁(yè)/共125頁(yè)33醫(yī)學(xué)CT類別及特點(diǎn)XCT的掃描方式旋轉(zhuǎn)-旋轉(zhuǎn)方式(R-R)（第三代CT）用扇狀線（30~40°）掃描，張角覆蓋全部受檢體。檢測(cè)器排列密集，約數(shù)十個(gè)。每次掃描結(jié)束，源和探測(cè)器圍繞受檢體旋轉(zhuǎn)一角度，再重復(fù)掃描，直到360°全部旋轉(zhuǎn)。每次掃描，輻射時(shí)間極短；可獲得數(shù)百組各方向的投影值。比T-R方式可靠性高，全身掃描時(shí)間可縮短4~10秒。目前，臨床應(yīng)用較普遍。第33頁(yè)/共125頁(yè)34醫(yī)學(xué)CT類別及特點(diǎn)XCT的掃描方式固定-旋轉(zhuǎn)方式(S-R)（第四代）受檢體由密集排列的檢測(cè)器環(huán)繞，數(shù)目數(shù)百只，可達(dá)千余只。扇形射線束略寬于受檢體尺寸（30~60°）。進(jìn)行掃描時(shí)，只有X光管在探測(cè)器內(nèi)作360°的旋轉(zhuǎn)。掃描時(shí)間更短，2~5秒，最快達(dá)1.5秒控制簡(jiǎn)便，有效檢測(cè)范圍大、可靠性高。第34頁(yè)/共125頁(yè)35醫(yī)學(xué)CT類別及特點(diǎn)XCT的掃描方式四代XCT的異同參數(shù)第一代CT第二代CT第三代CT第四代CT掃描運(yùn)動(dòng)方式平移-旋轉(zhuǎn)平移-旋轉(zhuǎn)旋轉(zhuǎn)-旋轉(zhuǎn)固定-旋轉(zhuǎn)探測(cè)器數(shù)量13－52128－511242－1088X射線束單束多束/窄束扇束廣角扇束扇形角3°－26°21°－45°48°－120°探測(cè)器的類型閃爍晶體＋光電倍增管閃爍晶體＋光電倍增管電離室閃爍晶體＋光電倍增管＋光電二極管掃描時(shí)間（秒）240－30020－2103－51－5主要應(yīng)用頭部全身全身全身第35頁(yè)/共125頁(yè)36醫(yī)學(xué)CT類別及特點(diǎn)XCT的掃描方式第五代CT具有實(shí)時(shí)性——能觀察器官的運(yùn)動(dòng)狀況，是將快速攝取的瞬態(tài)靜止圖像，依次連續(xù)顯示，使活動(dòng)過(guò)程再現(xiàn)。第36頁(yè)/共125頁(yè)37醫(yī)學(xué)CT類別及特點(diǎn)ECT（放射型CT）醫(yī)院中已廣泛采用的同位素掃描技術(shù)的發(fā)展。與通常CT的不同之處是射線源在成像體的內(nèi)部。ECT成像是先讓人體接受某種放射性藥物，這些藥物聚集在人體某個(gè)臟器中或參與體內(nèi)某種代謝過(guò)程，再對(duì)臟器組織中的放射性核素的濃度分布和代謝進(jìn)行成像。因此，利用ECT不僅可得人體臟器的解剖圖像，還可得到生理、生化、病理過(guò)程及功能圖像。第37頁(yè)/共125頁(yè)38醫(yī)學(xué)CT類別及特點(diǎn)ECT（同位素選擇）同位素——原子核內(nèi)質(zhì)子數(shù)相同，中子數(shù)不等，而在元素周期表中占據(jù)同一位置的元素。已知自然元素107種，它們的同位素共有1500種左右。同位素可劃分為穩(wěn)定型和放射型兩大類。放射型又按衰變時(shí)間的長(zhǎng)短劃分出短壽命同位素。從健康角度考慮，人體診斷多采用短壽命同位素。第38頁(yè)/共125頁(yè)39醫(yī)學(xué)CT類別及特點(diǎn)ECT（放射型CT）E-CT包括三種成像裝置：γ相機(jī)，SPECT（單光子發(fā)射CT）和PET(正電子發(fā)射CT)。第39頁(yè)/共125頁(yè)40醫(yī)學(xué)CT類別及特點(diǎn)ECT（γ相機(jī)）一次成像的γ照相機(jī)擅長(zhǎng)快速的動(dòng)態(tài)顯像構(gòu)成探測(cè)器（準(zhǔn)直器，閃爍晶體，光電倍增管）電子學(xué)讀出系統(tǒng)圖像顯示記錄裝置第40頁(yè)/共125頁(yè)41醫(yī)學(xué)CT類別及特點(diǎn)ECT（γ相機(jī)原理）射線入射到晶體上，使晶體原子激發(fā)。退激回到基態(tài)，發(fā)射熒光。一個(gè)光子產(chǎn)生多個(gè)熒光光子。光電倍增管接受這些熒光，并將之轉(zhuǎn)換為電信號(hào)。經(jīng)過(guò)定位電路確定出入射光子的位置。放大、甄別后，記錄一個(gè)計(jì)數(shù)。處理位置信號(hào)、能量信號(hào),呈現(xiàn)內(nèi)臟器官投影面的圖像第41頁(yè)/共125頁(yè)42相機(jī)第42頁(yè)/共125頁(yè)43醫(yī)學(xué)CT類別及特點(diǎn)ECT（SPECT）在γ照相機(jī)的基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的。以γ發(fā)射體為成像對(duì)象，其探測(cè)光子的原理和γ照相機(jī)相同。一個(gè)或兩個(gè)γ照相機(jī)探頭繞人體旋轉(zhuǎn)，獲得各個(gè)方向的投影（平面）像，二維投影數(shù)據(jù)重建后獲得橫斷面的圖像。第43頁(yè)/共125頁(yè)44醫(yī)學(xué)CT類別及特點(diǎn)ECT（PET原理）同位素在體內(nèi)放射正電子，經(jīng)過(guò)組織并與其中的電子發(fā)生“湮滅”，產(chǎn)生一對(duì)相反方向運(yùn)動(dòng)的γ光子（511keV）。第44頁(yè)/共125頁(yè)45醫(yī)學(xué)CT類別及特點(diǎn)ECT（PET原理）湮滅產(chǎn)生的光子可以逸出人體，并被探測(cè)器接收。對(duì)于收到的光子，首先轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，在經(jīng)符合篩選出成對(duì)的光子，每一對(duì)稱為一個(gè)“事例”。通過(guò)記錄的“事例”數(shù)據(jù)，重建計(jì)算，得到受檢體平面或立體的正電子湮滅分布圖。體內(nèi)組織的分布圖與其結(jié)構(gòu)形態(tài)及病變有關(guān)。第45頁(yè)/共125頁(yè)46醫(yī)學(xué)CT類別及特點(diǎn)ECT(PET原理)符合篩選出成對(duì)的光子第46頁(yè)/共125頁(yè)47醫(yī)學(xué)CT類別及特點(diǎn)ECT（PET成像性能指標(biāo)）探測(cè)效率：表示獲得可用診斷圖像時(shí)，人體所接受的最小放射性劑量。主要反映探測(cè)器的接受靈敏度。時(shí)間分辨率：因?yàn)闇y(cè)量值是正電子湮滅所產(chǎn)生的成對(duì)γ光子事件，而單個(gè)光子是不需要的。因此，要減少偶然符合率，分辨率時(shí)間越小越好?？臻g分辨率：對(duì)病變是依據(jù)顯示的圖像進(jìn)行觀察判斷的。因此，要求圖像有良好的清晰度，使得各部分組織及其變異容易相互區(qū)分開(kāi)來(lái)，以便于進(jìn)行早期診斷連續(xù)靈敏性：同位素診斷能進(jìn)行器官的動(dòng)態(tài)研究。第47頁(yè)/共125頁(yè)48醫(yī)學(xué)CTECT（PET同位素選擇）類別及特點(diǎn)同位素半衰期(分)用途14C20.5描繪血液的分布18F110描繪骨骼結(jié)構(gòu)H215O2.03顯示軟組織分布13NH310顯示肝的情況第48頁(yè)/共125頁(yè)49PET第49頁(yè)/共125頁(yè)50醫(yī)學(xué)CTPET/CT的發(fā)明是醫(yī)學(xué)影像學(xué)的又一次革命類別及特點(diǎn)CT的作用：為PET提供衰減校正為PET提供解剖位置信息提供診斷信息PET顯像特點(diǎn)：功能顯像敏感性、特異性較高缺乏精確的解剖定位第50頁(yè)/共125頁(yè)51醫(yī)學(xué)CT兼容型PET/CT類別及特點(diǎn)第51頁(yè)/共125頁(yè)52醫(yī)學(xué)CT兼容型PET/CT的特點(diǎn)類別及特點(diǎn)CT與PET硬件、軟件同機(jī)融合解剖圖像與功能圖像同機(jī)融合同一幅圖象既有精細(xì)的解剖結(jié)構(gòu)又有豐富生理、生化分子功能信息可用于腫瘤診斷、治療及預(yù)后隨診全過(guò)程高靈敏度、高特異性、高準(zhǔn)確性CT圖像兼做衰減校正PET、CT單獨(dú)能實(shí)現(xiàn)的，PET/CT一定能實(shí)現(xiàn)；PET/CT能實(shí)現(xiàn)的，PET或CT不一定能實(shí)現(xiàn)第52頁(yè)/共125頁(yè)53醫(yī)學(xué)CTPET/CT的發(fā)明是醫(yī)學(xué)影像學(xué)的又一次革命類別及特點(diǎn)第53頁(yè)/共125頁(yè)54醫(yī)學(xué)CTECT類別及特點(diǎn)目前，我國(guó)擁有：100多臺(tái)γ相機(jī)；350多臺(tái)單光子發(fā)射計(jì)算機(jī)體層顯像儀（SPECT）；12臺(tái)正電子發(fā)射斷層顯像儀（PET）。第54頁(yè)/共125頁(yè)55醫(yī)學(xué)CTNMR-CT優(yōu)點(diǎn)類別及特點(diǎn)質(zhì)子密度分布圖像，清晰地顯示腦的灰質(zhì)和白質(zhì)，在診斷多發(fā)性硬化癥及其他神經(jīng)性疾病方面有優(yōu)勢(shì)；能顯示功能和代謝過(guò)程等生理生化信息的“化學(xué)性圖像”；在儀器結(jié)構(gòu)上，不需要象XCT有較大的機(jī)械口轉(zhuǎn)動(dòng)部件和一系列高精度的探測(cè)器，只要通過(guò)電子方法調(diào)節(jié)梯度磁場(chǎng)即實(shí)現(xiàn)掃描；沒(méi)有電離輻射；有三個(gè)特性參數(shù)，而XCT只有X射線束穿過(guò)生物組織的衰減一個(gè)物理參數(shù)，故漏診率低；第55頁(yè)/共125頁(yè)56醫(yī)學(xué)CT醫(yī)學(xué)CT發(fā)展方向隨著科技及計(jì)算機(jī)發(fā)展步伐的進(jìn)一步加快，CT發(fā)展前景廣闊！會(huì)向更加小型化、高科技化、多功能化、以人為本化方向發(fā)展！將來(lái)的CT檢查技術(shù)會(huì)為人類的健康事業(yè)作出更大的貢獻(xiàn)！第56頁(yè)/共125頁(yè)57工業(yè)CTICT（IndustrialComputedTomography）是目前世界上公認(rèn)的最佳無(wú)損檢測(cè)技術(shù)之一其特點(diǎn)是在無(wú)損的情況下，采用射線對(duì)被測(cè)物的斷層進(jìn)行掃描，以二維斷層圖像或三維立體圖像的形式，清晰、準(zhǔn)確、直觀地展示被測(cè)物的內(nèi)部結(jié)構(gòu)、材質(zhì)組成和缺陷情況。ICT概況第57頁(yè)/共125頁(yè)58工業(yè)CT首先被應(yīng)用于軍工研究單位。此后不少航空航天部門也逐漸采用工業(yè)CT技術(shù)，以保證產(chǎn)品的性能。(固體火箭推進(jìn)劑中危險(xiǎn)的氣泡、脫粘缺陷，用常規(guī)手段很難檢測(cè)，而用工業(yè)CT可輕松完成)由于工業(yè)CT對(duì)軍工產(chǎn)品的重要性，國(guó)外進(jìn)口工業(yè)CT設(shè)備長(zhǎng)期受到限制，美國(guó)曾明令禁止2MeV以上的工業(yè)CT出口中國(guó)。ICT概況第58頁(yè)/共125頁(yè)59工業(yè)CTICT研究從80年代以來(lái)才開(kāi)始有較快的發(fā)展。目前，國(guó)際上先進(jìn)的大型工業(yè)CT系統(tǒng)：空間分辨率為10-25μm，密度分辨率為0.1-0.5%，射線能量最高達(dá)到60MeV，最高檢測(cè)尺寸達(dá)到4m。ICT國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀第59頁(yè)/共125頁(yè)60工業(yè)CT美國(guó)Aracor公司是最重要的ICT研制生產(chǎn)廠家。1988年研制出2MeV的ICT1500系統(tǒng)，1990年射線能量升級(jí)為9MeV。ICT1500系統(tǒng)利用加速器產(chǎn)生的2-9MeV的射線能量，可以檢測(cè)的對(duì)象范圍很廣，從一般的工業(yè)應(yīng)用到核武器安全檢查等，ICT1500已經(jīng)在美國(guó)福特汽車公司、核武器拆卸檢查工廠等地方得到應(yīng)用。ICT國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀第60頁(yè)/共125頁(yè)61工業(yè)CT1995年，Aracor公司生產(chǎn)出目前最大的商業(yè)化工業(yè)CT系統(tǒng)——ICT2500，采用15MeV的直線加速器，可以檢測(cè)直徑為2.4m、高8.6m，重60t的物體。1995年，Aracor公司還利用60MeV的加速器對(duì)直徑4m的航天飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行了X射線檢查，但該能量的產(chǎn)品并沒(méi)有實(shí)現(xiàn)商業(yè)化。ICT國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀第61頁(yè)/共125頁(yè)62工業(yè)CTBIR公司研制的ACTIS2000大型工業(yè)CT，它的射線能量達(dá)到了6MeV，最大檢測(cè)直徑為2m，高2.5m，重1000kg。日本在1994年也研制出加速器能量為12MeV的工業(yè)CT系統(tǒng)，在直徑250mm的圓鋼上能夠分辨出0.8mm的孔。近幾年，工業(yè)CT的研究范圍也擴(kuò)展到基于面陣探測(cè)器的高能X射線工業(yè)CT，美國(guó)加利福尼亞大學(xué)研制出采用9MeV電子直線加速器和面陣探測(cè)器的工業(yè)CT樣機(jī)。ICT國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀第62頁(yè)/共125頁(yè)63工業(yè)CT在以電子直線加速器為射線源的大型工業(yè)CT系統(tǒng)的研制上，國(guó)內(nèi)也已經(jīng)有十年的積累。1988年，清華大學(xué)首先研制成功了國(guó)內(nèi)第一臺(tái)實(shí)驗(yàn)工業(yè)CT系統(tǒng)EGT1/1801993年重慶大學(xué)研制出工業(yè)CT機(jī)ICTXN-1300，后改進(jìn)研制出CD-300BG、CD-50BG等機(jī)型，能夠檢測(cè)直徑為300mm的工件。ICT國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀第63頁(yè)/共125頁(yè)64工業(yè)CT在以加速器為放射源的ICT研制方面，機(jī)械工業(yè)部北京自動(dòng)化研究所采用9MeV直線加速器和X射線轉(zhuǎn)換屏，組成了高能X射線面陣工業(yè)CT試驗(yàn)系統(tǒng)。華北工學(xué)院無(wú)損檢測(cè)中心以6MeV和10MeV的加速器為射線源，CsI閃爍晶體轉(zhuǎn)換屏和科學(xué)級(jí)CCD相機(jī)組成的探測(cè)器，對(duì)60-200mm等效鋼厚度的大型工業(yè)構(gòu)件進(jìn)行了二維和三維重建。ICT國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀第64頁(yè)/共125頁(yè)65ICT：是一種重要的無(wú)損檢測(cè)技術(shù)，是物理學(xué)與計(jì)算機(jī)科學(xué)發(fā)展的產(chǎn)物?；谏渚€與物質(zhì)的相互作用原理，通過(guò)投影重建方法獲取被檢測(cè)物體的數(shù)字圖像。通過(guò)測(cè)量在不同的方位角下射線穿透被檢測(cè)物件后的投影強(qiáng)度，計(jì)算出物件橫截面上的衰減系數(shù)分布，轉(zhuǎn)換成像屏顯示的斷層圖像。CT裝置所得到的是被檢客體的斷層圖像。在此圖像上，客體內(nèi)各部分是分離的，而圖像的灰度值正比于物質(zhì)的密度。由于各種物質(zhì)都有自己特定的密度，因而可以由CT圖像灰度值來(lái)確定被檢客體的材料性質(zhì)。工業(yè)CT——基本原理第65頁(yè)/共125頁(yè)66工業(yè)CT——基本原理第66頁(yè)/共125頁(yè)67工業(yè)CT基本原理——一維圖像切片第67頁(yè)/共125頁(yè)68工業(yè)CT基本原理——一維圖像第68頁(yè)/共125頁(yè)69工業(yè)CT基本原理——二維圖像第69頁(yè)/共125頁(yè)70工業(yè)CT基本原理——二維圖像第70頁(yè)/共125頁(yè)71工業(yè)CT基本原理——二維圖像I0I0I0I0I1I2I4I3μ1μ3μ2μ4第71頁(yè)/共125頁(yè)72第72頁(yè)/共125頁(yè)73工業(yè)CT基本原理第73頁(yè)/共125頁(yè)74工業(yè)CT基本原理——三維圖像完成一個(gè)斷層成像后，使探測(cè)器和放射源相對(duì)物體移動(dòng)（Z軸），可得一系列斷面圖像，則可構(gòu)成一個(gè)完整的立體圖。Z第74頁(yè)/共125頁(yè)75工業(yè)CT測(cè)量示意圖工業(yè)CT基本原理第75頁(yè)/共125頁(yè)76工業(yè)CT系統(tǒng)中的射線源γ射線源放射性同位素源，例如60Co

等X射線源低能X射線源(keV量級(jí))：放射性同位素或X光管高能X射線源(MeV量級(jí))：加速器(高壓加速器，電子直線加速器，回旋加速器等)高能X射線CT系統(tǒng)一般使用2MeV～15MeV的電子直線加速器做射線源。工業(yè)CT—高能工業(yè)CT第76頁(yè)/共125頁(yè)77對(duì)于直徑小于50mm等效鋼厚的中、小型工業(yè)構(gòu)件,采用450kV以下的低能X射線工業(yè)CT設(shè)備即可進(jìn)行檢測(cè)。這個(gè)能量范圍的工業(yè)CT設(shè)備國(guó)內(nèi)外均有商品化的產(chǎn)品;對(duì)于等效鋼厚大于100mm的大型工業(yè)構(gòu)件,則需要采用高能X射線CT設(shè)備進(jìn)行檢測(cè)。工業(yè)CT—高能工業(yè)CT第77頁(yè)/共125頁(yè)78高能工業(yè)CT設(shè)備科技含量高、成本巨大，當(dāng)前國(guó)際上只有少數(shù)公司有商品化的產(chǎn)品。由于高能X射線工業(yè)CT檢測(cè)設(shè)備對(duì)軍工產(chǎn)品有著明顯的重要性，是發(fā)展國(guó)防、航空、航天及大型動(dòng)力設(shè)備不可缺少的基礎(chǔ)技術(shù),如火箭、導(dǎo)彈、核武器中關(guān)鍵部件的無(wú)損檢測(cè)。為此,世界上許多國(guó)家均在研制自主產(chǎn)權(quán)的高能X射線工業(yè)CT技術(shù)及設(shè)備。工業(yè)CT—高能工業(yè)CT第78頁(yè)/共125頁(yè)79工業(yè)CT—高能工業(yè)CTICT2500重建的火箭發(fā)動(dòng)機(jī)CT切片某橋栓的CT切片大口徑炮彈三維CT圖像第79頁(yè)/共125頁(yè)80高能工業(yè)CT原理框圖

工業(yè)CT—高能工業(yè)CT第80頁(yè)/共125頁(yè)81工業(yè)CT—高能工業(yè)CT探測(cè)器結(jié)構(gòu)線陣探測(cè)器面陣探測(cè)器第81頁(yè)/共125頁(yè)82工業(yè)CT—高能工業(yè)CT線陣探測(cè)器CT系統(tǒng)采用扇束射線對(duì)物體進(jìn)行掃描,線陣探測(cè)器的個(gè)數(shù)一般在103數(shù)量級(jí),由一系列單個(gè)探測(cè)器單元和后準(zhǔn)直器組成,較好地消除了散射的影響,重建出的CT圖像非常清晰。但一次掃描僅能重建一個(gè)二維斷面圖像,射線利用率低。第82頁(yè)/共125頁(yè)83工業(yè)CT—高能工業(yè)CT面陣探測(cè)器CT系統(tǒng)采用錐束射線,面陣CCD探測(cè)器的象素尺寸在微米數(shù)量級(jí),象素個(gè)數(shù)在106數(shù)量級(jí)。獲得的圖像空間分辨率高。一次掃描可獲得物體一個(gè)區(qū)域的二維投影圖像,重建物體的三維圖像,故其掃描速度快,射線利用率高。由于無(wú)法采用后準(zhǔn)直，投影圖像中散射大,重建圖像質(zhì)量不如線陣探測(cè)器CT系統(tǒng)。第83頁(yè)/共125頁(yè)84工業(yè)CT的結(jié)構(gòu)射線源前后準(zhǔn)直器探測(cè)器機(jī)械掃描裝置電子學(xué)系統(tǒng)與接口計(jì)算機(jī)及外圍設(shè)備射線防護(hù)措施等高能XCT的部件配置圖工業(yè)CT—結(jié)構(gòu)第84頁(yè)/共125頁(yè)85CT圖象的后續(xù)處理多平面重組技術(shù)交互可視化技術(shù)圖像的增強(qiáng)技術(shù)逆向CAD處理技術(shù)圖像的縮放、旋轉(zhuǎn)、鏡像、銳化、平滑濾波、邊緣提取、亮度/對(duì)比度調(diào)整、偽彩色處理以及對(duì)圖像進(jìn)行標(biāo)注、編輯等。工業(yè)CT—圖像后續(xù)處理第85頁(yè)/共125頁(yè)86加速器核探測(cè)器計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)核電子學(xué)與數(shù)據(jù)獲取技術(shù)核信息處理輻射防護(hù)與蒙卡方法輻射物理及其他方面工業(yè)CT—相關(guān)技術(shù)第86頁(yè)/共125頁(yè)87康普頓散射影響首先由于散射過(guò)程本身的隨機(jī)性，散射的存在將引起系統(tǒng)噪聲的增加；其次散射可能引起重建圖像中的偽影。

低能散射不僅隨照射視野的變化而變化，還隨深度而變化，射線能量隨深度硬化也非常明顯。在CT重建圖像計(jì)算中，由于射線能量的硬化造成了同一種物質(zhì)的像素值有變化（即同一種物質(zhì)的衰減系數(shù)μ發(fā)生變化）。這樣就造成了同一種物質(zhì)的成像不均勻,降低了圖像分辨率。工業(yè)CT—影響因素第87頁(yè)/共125頁(yè)88射束硬化：在單能X射線的情況下,射線束流強(qiáng)度隨吸收物質(zhì)厚度按指數(shù)函數(shù)形式衰減,衰減系數(shù)為常數(shù)。然而,實(shí)際工業(yè)CT使用的是具有連續(xù)能譜的X射線源。由于低能光子比高能光子更易于被物質(zhì)吸收,因此，在穿透物質(zhì)的過(guò)程中,射線的平均能量逐漸變高,衰減系數(shù)逐漸減小。工業(yè)CT—影響因素第88頁(yè)/共125頁(yè)89射束硬化：影響重建圖像的質(zhì)量,使得密度均勻的切片在圖像上表現(xiàn)為亮度不均。工業(yè)CT—影響因素第89頁(yè)/共125頁(yè)90測(cè)量中的非線性對(duì)重建圖像的影響

在理想情況下，γ射線光子計(jì)數(shù)率的理論值應(yīng)該與實(shí)際測(cè)量值呈線性關(guān)系。實(shí)際情況并非如此，當(dāng)光子的計(jì)數(shù)率較大時(shí)，理論值與實(shí)際測(cè)量值基本上是線性正比關(guān)系；光子計(jì)數(shù)率較小時(shí)，由于測(cè)量時(shí)的散射等因素的影響，使得實(shí)際測(cè)量值與理論值存在偏差,導(dǎo)致在CT圖像重建時(shí)產(chǎn)生偽影。工業(yè)CT—影響因素第90頁(yè)/共125頁(yè)91測(cè)量中的非線性對(duì)重建圖像的影響鐵板厚度與γ射線計(jì)數(shù)率的關(guān)系工業(yè)CT—影響因素第91頁(yè)/共125頁(yè)92測(cè)量中的非線性對(duì)重建圖像的影響工業(yè)CT—影響因素CT圖像理論模擬結(jié)果左圖：所有探測(cè)器都為線性；右圖：第260路探測(cè)器為1%非線性第92頁(yè)/共125頁(yè)93偽影：

又稱假像，它是指圖像中與被檢物體的物理參數(shù)分布沒(méi)有對(duì)應(yīng)關(guān)系的部分。偽影可能來(lái)自被檢物和CT裝置兩個(gè)方面。工業(yè)CT—影響因素第93頁(yè)/共125頁(yè)94平板校正法目標(biāo)匹配定位方法剝皮算法增強(qiáng)工業(yè)CT圖象的小波方法代數(shù)重建法工業(yè)CT—改進(jìn)方法第94頁(yè)/共125頁(yè)95實(shí)驗(yàn)校正圖像結(jié)果對(duì)比a：校正前圖像；b：校正后圖像；c：校正前后數(shù)據(jù)對(duì)比

劉金匯,安繼剛,鄔海峰,等.測(cè)量中的非線性對(duì)集裝箱CT重建圖像的影響,《同位素》(JournalofIsotopes),第18卷第122期,2005年5月.平板校正法工業(yè)CT—改進(jìn)方法第95頁(yè)/共125頁(yè)96直接利用原始灰度值等原始數(shù)據(jù)的算法，對(duì)灰度變化、形變和遮擋等很敏感；采用低中級(jí)特征的算法，雖對(duì)灰度變化、形變和遮擋具有一定的穩(wěn)健性，但定位精度不高；利用高級(jí)特征算法，尋找高級(jí)特征很復(fù)雜。

故采用低中級(jí)特征中的邊緣信息定位圖像，以Hausdorff距離作相似性度量，實(shí)現(xiàn)目標(biāo)匹配定位。目標(biāo)匹配定位方法工業(yè)CT—改進(jìn)方法第96頁(yè)/共125頁(yè)97圖1原始圖像圖2檢測(cè)后的邊緣圖象目標(biāo)匹配定位方法工業(yè)CT—改進(jìn)方法第97頁(yè)/共125頁(yè)98圖3需定位圖像目標(biāo)匹配定位方法工業(yè)CT—改進(jìn)方法圖2檢測(cè)后的邊緣圖象第98頁(yè)/共125頁(yè)99圖5MTD匹配定位后的圖像目標(biāo)匹配定位方法工業(yè)CT—改進(jìn)方法第99頁(yè)/共125頁(yè)100圖7MTD對(duì)有噪聲圖像的匹配定位圖6加入噪聲后的圖像目標(biāo)匹配定位方法工業(yè)CT—改進(jìn)方法第100頁(yè)/共125頁(yè)101剝皮算法在工業(yè)CT圖像分割中的應(yīng)用

待提取的目標(biāo)物體（如感興趣區(qū)域、工件缺陷）都在工件的內(nèi)層上。由于檢測(cè)工件的CT圖像是同心圓式結(jié)構(gòu),因此可以像剝皮一樣把圖像的外部一層(或幾層)物質(zhì)剝離掉，而只保留內(nèi)部感興趣區(qū)域或工件缺陷所在的部分。由此,可形象地把這種分割方法叫作剝皮法。剝皮算法工業(yè)CT—改進(jìn)方法第101頁(yè)/共125頁(yè)102剝皮算法在工業(yè)CT圖像分割中的應(yīng)用剝皮算法工業(yè)CT—改進(jìn)方法第102頁(yè)/共125頁(yè)103剝皮算法的步驟框圖剝皮算法在工業(yè)CT圖像分割中的應(yīng)用剝皮算法工業(yè)CT—改進(jìn)方法第103頁(yè)/共125頁(yè)104剝皮算法各步驟的處理結(jié)果剝皮算法在工業(yè)CT圖像分割中的應(yīng)用剝皮算法工業(yè)CT—改進(jìn)方法第104頁(yè)/共125頁(yè)105受物理因素的影響,投影數(shù)據(jù)存在一定的噪聲(通常為高斯白噪聲)。經(jīng)重建后在斷面圖象上噪聲加重,而且投影數(shù)據(jù)上的白噪聲,經(jīng)重建后可能轉(zhuǎn)化為斷面圖象上的非白噪聲,這給圖象的后處理工作帶來(lái)很大的困難。小波分析在時(shí)域和頻域可同時(shí)局部化,其尺度(分辨)可根據(jù)圖象邊緣的奇異性調(diào)節(jié),可放大圖象的局部細(xì)節(jié)(如邊緣),而且可過(guò)濾噪聲。增強(qiáng)工業(yè)CT圖象的小波方法工業(yè)CT—改進(jìn)方法第105頁(yè)/共125頁(yè)106

與增強(qiáng)前的圖象比較具有噪聲低和邊緣突出的特點(diǎn)，可濾去CT圖象中的非白噪聲。增強(qiáng)工業(yè)CT圖象的小波方法工業(yè)CT—改進(jìn)方法ICT圖像小波增強(qiáng)圖象第106頁(yè)/共125頁(yè)107將圖象重建轉(zhuǎn)化為求解線性方程，當(dāng)投影數(shù)據(jù)不完全時(shí)，可以把丟失的數(shù)據(jù)當(dāng)作缺少了的方程