CT原理-CT圖像重建（CT檢查課件）

CT圖像重建運(yùn)用一定的物理技術(shù)測(cè)定X線在人體內(nèi)的吸收系數(shù)為基礎(chǔ)，采用一定的數(shù)學(xué)方法經(jīng)計(jì)算機(jī)求解出吸收系數(shù)μ值在人體某剖面上的二維分布矩陣，再用電子技術(shù)把μ二維分布矩陣轉(zhuǎn)變?yōu)閳D像面上的灰度分布，實(shí)現(xiàn)重建體層圖像目的。本質(zhì)是吸收系數(shù)重建。一、CT圖像構(gòu)成概念（一）體素和像素1．體素2．像素對(duì)像素進(jìn)行空間位置編碼，在像平面上按像素的劃分順序編號(hào)，形成像素陣列。用每個(gè)體素對(duì)X線束的吸收系數(shù)μ代表圖像信息，并變換成各組織的CT值，構(gòu)成平面圖像的像素。（二）圖像矩陣（二）圖像矩陣每個(gè)小單元體按照掃描過程中的順序進(jìn)行排列和編號(hào)，形成一個(gè)有序的數(shù)組；這些有序的數(shù)組反映在圖像平面上形成圖像矩陣。CT圖像重建按照這些有序數(shù)組計(jì)算和重建圖像。N×N矩陣中的元素用μij

表示，代表組織的吸收系數(shù)或CT值。頭部CT采用256×256或320×320矩陣；全身CT圖像選320×320或512×512矩陣；顯示脊椎骨等結(jié)構(gòu)的細(xì)節(jié)采用512×512或640×640矩陣。（三）投影投照受檢體后出射的X線束強(qiáng)度

I稱投影(projection，P)，投影值的分布稱為投影函數(shù)。1．近似單能X線束獲取使發(fā)射的X線束中主要是標(biāo)識(shí)輻射的X線；線束再經(jīng)濾過獲得約70keV、近于單能的X線束。CT機(jī)中使用110～140kV的管電壓，用4～5mm厚的鋁板等作附加濾過物。2．窄束X線的獲取配準(zhǔn)直器。X線通過準(zhǔn)直器孔后被準(zhǔn)直成扁形的窄線束，束寬1～2mm，束高1～5mm。實(shí)用中的CT掃描多使用寬扇形X線束，怎樣理解窄束X線？1.不失真地反映人體被測(cè)層面的圖像信息；2.短時(shí)間內(nèi)完成；3.理論和技術(shù)上可行。二、圖像重建要求三、圖像重建的數(shù)學(xué)基礎(chǔ)1．吸收系數(shù)（3-3）

（3-5）

設(shè)f(s)是沿著X線束路徑隨S連續(xù)變化的物體吸收系數(shù)。（3-5）式寫成對(duì)連續(xù)函數(shù)f(s)變化的積分形式：

（3-6）

P是X線束穿透物體的投影。

1．

吸

收

系

數(shù)1．吸收系數(shù)設(shè)斷層平面在直角坐標(biāo)系X-Y中，斷層平面上每一點(diǎn)的吸收系數(shù)是坐標(biāo)(x，y)的函數(shù)f(x，y)。X線束在平移和旋轉(zhuǎn)掃描中，X線的投影P總是與X線來路徑l

有關(guān)，用極坐標(biāo)(R，θ）坐標(biāo)系來描述X線束路徑l

的位置。1．吸收系數(shù)投影P是隨X線束掃描方向和路徑的不同而變化，經(jīng)過坐標(biāo)變換后，X線束穿過吸收系數(shù)f(x，y)的物體，在R-θ坐標(biāo)平面上的投影的是坐標(biāo)（R，θ）的函數(shù)P(R，θ)。當(dāng)在某一θ角度時(shí)，將(3-6)式表示為平面坐標(biāo)上的投影P(R，θ)：

(3-8)1．吸收系數(shù)分析：數(shù)據(jù)采集(掃描)得到X線束在各個(gè)方向上的投影Pθ(R，θ)；

CT圖像重建就是要從積分方程(3-8)式中解出吸收系數(shù)f（x，y）。如何根據(jù)投影Pθ(R，θ)求解出斷面上線性衰減系數(shù)f(x，y)分布，就是CT圖像重建的數(shù)學(xué)方法問題。2.δ-函數(shù)δ-函數(shù)（Direc函數(shù)）又稱單位脈沖函數(shù)定義：2.δ-函數(shù)性質(zhì)：若f(t)為連續(xù)函數(shù)，有：意義：CT圖像重建中可用δ-函數(shù)來校正反投影法重建中產(chǎn)生的圖像模糊。2.δ-函數(shù)將一維δ函數(shù)推廣到二維，δ(x，y)有：3.卷積計(jì)算

v(x)為濾波函數(shù)，ω(x)表示投影函數(shù)Pθ（R，θ），意義：通過選擇不同的濾波函數(shù)

v(x)可對(duì)投影Pθ（R，θ）變換或?yàn)V波，獲取清晰的CT圖像?！?一)反投影法(backprojection)又稱總和法，是利用投影數(shù)值近似地復(fù)制出μ

值的二維分布。基本原理：是將所測(cè)得的投影值按其原路徑平均的分配到每一點(diǎn)上，各個(gè)方向上投影值反投影后，在影像處進(jìn)行疊加，推斷出原圖像。四、圖像重建方法★(一)

反

投

影

法★(一)反投影法例：對(duì)四個(gè)體素(μ1=2

，μ2=4

，μ3=6

，μ4=8)矩陣的圖像重建：對(duì)四體素矩作0°、45°、90°、135°投影(掃描)，再將投影值反投回原矩陣的對(duì)應(yīng)位置上，即可將原矩陣中的四體素的特征參數(shù)值解出?！?一)反投影法★(一)反投影法缺點(diǎn)：影像邊緣處不清晰。如果在一均勻的組織密度內(nèi)，存在吸收系數(shù)極不均勻的部分時(shí)，反投影圖像與原圖像會(huì)出現(xiàn)偽影(imageartifact)。如圓柱形單密度體，利用反投影法所重建圖像的結(jié)果呈現(xiàn)出星形偽影。反投影數(shù)量愈多，重建圖像愈接近于原圖像，但由于存在星形偽影，而使得重建圖像的邊緣部分模糊不清?！?一)反投影法★(一)反投影法★(一)反投影法重建圖像的邊緣模糊不清原因：重建的密度函數(shù)fb(x，y)與實(shí)際的密度函數(shù)f(x，y)不一樣。為獲得真實(shí)的密度函數(shù)，必須對(duì)fb(x，

y)進(jìn)行修正。反投影吸收系數(shù)fb(x，y)與實(shí)際f(x，y)之間存在一個(gè)1/r，1/r稱為模糊因子。要點(diǎn)1.多層螺旋CT檢測(cè)器：均等分配、非均等分配探測(cè)器不同組合，可以得到不同層厚2.多層螺旋CT的優(yōu)勢(shì)3.CT圖像重建概念：體素和像素、圖像矩陣、投影4.圖像重建的數(shù)學(xué)基礎(chǔ)：吸收系數(shù)、

δ-函數(shù)、卷積計(jì)算5.反投影法圖像重建第三節(jié)

CT圖像重建(2)復(fù)習(xí)第三節(jié)CT圖像重建一、CT圖像構(gòu)成概念（一）體素和像素（二）圖像矩陣（三）投影二、圖像重建要求三、圖像重建的數(shù)學(xué)基礎(chǔ)1．吸收系數(shù)[μ→f(s)→f(x，y)]2.δ-函數(shù)3.卷積計(jì)算復(fù)習(xí)四、圖像重建方法★(一)反投影法是利用投影數(shù)值近似地復(fù)制出μ

值的二維分布?；驹恚菏菍⑺鶞y(cè)得的投影值按其原路徑平均的分配到每一點(diǎn)上，各個(gè)方向上投影值反投影后，在影像處進(jìn)行疊加，推斷出原圖像。缺點(diǎn)：影像邊緣處不清晰。CT機(jī)裝置探測(cè)器：碘化鈉、鍺酸鉍—高壓氙氣電離室—稀土陶瓷探測(cè)器—平板探測(cè)器(非晶硅、非晶硒）（二）傅里葉變換法是基于使圖像矩陣的求解與圖像投影的傅里葉變換間建立確定的關(guān)系；或?yàn)樾拚赐队胺ㄖ心：蜃?，從頻域上校正圖像模糊部分的圖像重建方法。1．二維傅里葉變換法2．傅里葉變換反投影法1．二維傅里葉變換法二維傅里葉變換定義：1．二維傅里葉變換法進(jìn)行二維傅里葉反變換后即可得到重建圖像。2．傅里葉變換反投影法

反投影重建圖像的吸收系數(shù)與實(shí)際圖像之間關(guān)系：用二維傅里葉變換寫成頻域的形式為：2．傅里葉變換反投影法

校正模糊失真：先將fb(x,y)作二維傅里葉變換，然后將變換結(jié)果用ρ加權(quán)，得真正圖像的二維傅里葉變式：在此基礎(chǔ)再行二維傅里葉反變換，獲原圖像吸收數(shù)分布面函數(shù)f(x,y)。(三)濾波反投影法采用先修正、再反投影的做法，得到原始的密度函數(shù)?；咀龇ǎ涸谀骋煌队敖窍氯〉猛队昂瘮?shù)（1D函數(shù)）后，對(duì)其作濾波處理，得到一個(gè)經(jīng)過修正的投影函數(shù)。然后再將此修正后的投影函數(shù)作反投影運(yùn)算，得出所需的密度函數(shù)。解決的主要問題：如何修正投影函數(shù)才能使之在作反投影后能重建原密度函數(shù)。將投影函數(shù)gθ(R)修正為g′θ(R)，然后再作反投影，就能得到不失真的原密度函數(shù)f(x,y)。(三)濾波反投影法(三)濾波反投影法(三)濾波反投影法濾波反投影法(filteredbackprojection)（四）卷積反投影法用卷積方法修正投影函數(shù)，然后再作反投影重建圖像的方法。在頻域中作濾波運(yùn)算=在時(shí)域中卷積運(yùn)算來完成。將投影函數(shù)gθ(R)與|ρ|的逆傅里葉變換式進(jìn)行卷積，同樣可以得到所需要的修正過的反投影函數(shù)。（四）卷積反投影法本質(zhì)上卷積反投影法與濾波反投影法是一樣的。濾波反投影法是將投影函數(shù)gθ(R)變換到頻域中，然后用濾波函數(shù)|ρ|對(duì)變換函數(shù)作濾波后，再反變換到空域中作為修正過的投影函數(shù)；卷積反投影法是將gθ(R)直接在空域中進(jìn)行修正，即將gθ(R)與一個(gè)事先設(shè)計(jì)好的卷積函數(shù)|ρ|的逆FT函數(shù)進(jìn)行卷積運(yùn)算，然后將卷積后的結(jié)果作反投影。（四）卷積反投影法根據(jù)FT的卷積定理的傅里葉反變換在時(shí)域中可構(gòu)成濾波函數(shù)h（t），通過選取不同的濾波函數(shù)，對(duì)進(jìn)行有效地濾波，達(dá)到滿意的重建圖像效果。

卷積函數(shù)h（t）選取是卷積計(jì)算的關(guān)鍵，h（t）稱為卷積核(convo1utionkernet)。

（四）卷積反投影法與濾波反投影法相比，卷積反投影法避免了FT運(yùn)算。（四）卷積反投影法

卷積的濾波作用（四）卷積反投影法

CT圖像重建運(yùn)用一定的物理技術(shù)測(cè)定X線在人體內(nèi)的吸收系數(shù)為基礎(chǔ)，采用一定的數(shù)學(xué)方法經(jīng)計(jì)算機(jī)求解出吸收系數(shù)μ值在人體某剖面上的二維分布矩陣，再用電子技術(shù)把μ二維分布矩陣轉(zhuǎn)變?yōu)閳D像面上的灰度分布，實(shí)現(xiàn)重建體層圖像目的。本質(zhì)是吸收系數(shù)重建。一、CT圖像構(gòu)成概念（一）體素和像素1．體素2．像素對(duì)像素進(jìn)行空間位置編碼，在像平面上按像素的劃分順序編號(hào)，形成像素陣列。用每個(gè)體素對(duì)X線束的吸收系數(shù)μ代表圖像信息，并變換成各組織的CT值，構(gòu)成平面圖像的像素。（二）圖像矩陣（二）圖像矩陣每個(gè)小單元體按照掃描過程中的順序進(jìn)行排列和編號(hào)，形成一個(gè)有序的數(shù)組；這些有序的數(shù)組反映在圖像平面上形成圖像矩陣。CT圖像重建按照這些有序數(shù)組計(jì)算和重建圖像。N×N矩陣中的元素用μij

表示，代表組織的吸收系數(shù)或CT值。頭部CT采用256×256或320×320矩陣；全身CT圖像選320×320或512×512矩陣；顯示脊椎骨等結(jié)構(gòu)的細(xì)節(jié)采用512×512或640×640矩陣。（三）投影投照受檢體后出射的X線束強(qiáng)度

I稱投影(projection，P)，投影值的分布稱為投影函數(shù)。1．近似單能X線束獲取使發(fā)射的X線束中主要是標(biāo)識(shí)輻射的X線；線束再經(jīng)濾過獲得約70keV、近于單能的X線束。CT機(jī)中使用110～140kV的管電壓，用4～5mm厚的鋁板等作附加濾過物。2．窄束X線的獲取配準(zhǔn)直器。X線通過準(zhǔn)直器孔后被準(zhǔn)直成扁形的窄線束，束寬1～2mm，束高1～5mm。實(shí)用中的CT掃描多使用寬扇形X線束，怎樣理解窄束X線？1.不失真地反映人體被測(cè)層面的圖像信息；2.短時(shí)間內(nèi)完成；3.理論和技術(shù)上可行。二、圖像重建要求三、圖像重建的數(shù)學(xué)基礎(chǔ)1．吸收系數(shù)（3-3）

（3-5）

設(shè)f(s)是沿著X線束路徑隨S連續(xù)變化的物體吸收系數(shù)。（3-5）式寫成對(duì)連續(xù)函數(shù)f(s)變化的積分形式：

（3-6）

P是X線束穿透物體的投影。

1．

吸

收

系

數(shù)1．吸收系數(shù)設(shè)斷層平面在直角坐標(biāo)系X-Y中，斷層平面上每一點(diǎn)的吸收系數(shù)是坐標(biāo)(x，y)的函數(shù)f(x，y)。X線束在平移和旋轉(zhuǎn)掃描中，X線的投影P總是與X線來路徑l

有關(guān)，用極坐標(biāo)(R，θ）坐標(biāo)系來描述X線束路徑l

的位置。1．吸收系數(shù)投影P是隨X線束掃描方向和路徑的不同而變化，經(jīng)過坐標(biāo)變換后，X線束穿過吸收系數(shù)f(x，y)的物體，在R-θ坐標(biāo)平面上的投影的是坐標(biāo)（R，θ）的函數(shù)P(R，θ)。當(dāng)在某一θ角度時(shí)，將(3-6)式表示為平面坐標(biāo)上的投影P(R，θ)：

(3-8)1．吸收系數(shù)分析：數(shù)據(jù)采集(掃描)得到X線束在各個(gè)方向上的投影Pθ(R，θ)；

CT圖像重建就是要從積分方程(3-8)式中解出吸收系數(shù)f（x，y）。如何根據(jù)投影Pθ(R，θ)求解出斷面上線性衰減系數(shù)f(x，y)分布，就是CT圖像重建的數(shù)學(xué)方法問題。2.卷積計(jì)算

v(x)為濾波函數(shù)，ω(x)表示投影函數(shù)Pθ（R，θ），意義：通過選擇不同的濾波函數(shù)

v(x)可對(duì)投影Pθ（R，θ）變換或?yàn)V波，獲取清晰的CT圖像。★(一)反投影法(backprojection)又稱總和法，是利用投影數(shù)值近似地復(fù)制出μ

值的二維分布?；驹恚菏菍⑺鶞y(cè)得的投影值按其原路徑平均的分配到每一點(diǎn)上，各個(gè)方向上投影值反投影后，在影像處進(jìn)行疊加，推斷出原圖像。四、圖像重建方法★(一)

反

投

影

法★(一)反投影法例：對(duì)四個(gè)體素(μ1=2

，μ2=4

，μ3=6

，μ4=8)矩陣的圖像重建：對(duì)四體素矩作0°、45°、90°、135°投影(掃描)，再將投影值反投回原矩陣的對(duì)應(yīng)位置上，即可將原矩陣中的四體素的特征參數(shù)值解出?！?一)反投影法★(一)反投影法缺點(diǎn)：影像邊緣處不清晰。如果在一均勻的組織密度內(nèi)，存在吸收系數(shù)極不均勻的部分時(shí)，反投影圖像與原圖像會(huì)出現(xiàn)偽影(imageartifact)。如圓柱形單密度體，利用反投影法所重建圖像的結(jié)果呈現(xiàn)出星形偽影。反投影數(shù)量愈多，重建圖像愈接近于原圖像，但由于存在星形偽影，而使得重建圖像的邊緣部分模糊不清?！?一)反投影法★(一)反投影法★(一)反投影法重建圖像的邊緣模糊不清原因：重建的密度函數(shù)fb(x，y)與實(shí)際的密度函數(shù)f(x，y)不一樣。為獲得真實(shí)的密度函數(shù)，必須對(duì)fb(x，

y)進(jìn)行修正。反投影吸收系數(shù)fb(x，y)與實(shí)際f(x，y)之間存在一個(gè)1/r，1/r稱為模糊因子。(三)濾波反投影法采用先修正、再反投影的做法，得到原始的密度函數(shù)?；咀龇ǎ涸谀骋煌队敖窍氯〉猛队昂瘮?shù)（1D函數(shù)）后，對(duì)其作濾波處理，得到一個(gè)經(jīng)過修正的投影函數(shù)。然后再將