CT的常用基本概念和术语剖析.doc

CT的基本概念和术语 计算机断层成像（CT）的基本概念和术语 2.2.1体素与像素（Voxel and Pixel） 体素是体积单位。在CT扫描中，根据断层设置的厚度、矩阵的大小，能被CT扫描的最小体积单位。体素作为体积单位，它有三要素，即长、宽、高。通常CT中体素的长和宽都为1mm，高度或深度则根据层厚可分别为10、5、3、2、1mm等。 像素又称像元，是构成CT图像最小的单位。它与体素相对应，体素的大小在CT图像上的表现，即为像素。 2.2.2采集矩阵与显示矩阵（Scaning and Displaying Matrix） 矩阵是像素以二维方式排列的阵列，它与重建后图像的质量有关。在相同大小的采样野中，矩阵越大像素也就越多，重建后图像质量越高。目前常用的采集矩阵大小基本为：512´512，另外还有256´256和1024´1024。 CT图像重建后用于显示的矩阵称为显示矩阵，通常为保证图像显示的质量，显示矩阵往往是等于或大于采集矩阵。通常采集矩阵为512´512的CT，显示矩阵常为1024´1024。 2.2.3原始数据（Raw Data） 原始数据是CT扫描后由探测器接收到的信号，经模数转换后传送给计算机，其间已转换成数字信号经预处理后，尚未重建成横断面图像的这部分数据被称为原始数据。 2.2.4重建与重组(Reconstruction and Reformation) 原始扫描数据经计算机采用特定的算法处理，最后得到能用于诊断的一幅横断面图像，该处理方法或过程被称为重建或图像的重建。 重组是不涉及原始数据处理的一种图像处理方法。如多平面图像重组、三维图像处理等。在以往英文文献中，有关图像的重建的概念也有些混淆，三维图像处理有时也采用重建(reconstruction)一词，实际上，目前CT的三维图像处理基本都是在横断面图像的基础上，重新组合或构筑形成三维影像。 由于重组是使用已形成的横断面图像，因此重组图像的质量与已形成的横断面图像有密切的关系，尤其是层厚的大小和数目。一般，扫描的层厚越薄、图像的数目越多，重组的效果就越好。 2.2.5算法、重建函数核与滤波函数(Algorithm, Kernel) 算法是针对特定输入和输出的一组规则。算法的主要特征是不能有任何模糊的含义，所以算法规则描述的步骤必须是简单、易操作并且概念明确，而且能够由机器实施。另外，算法只能执行限定数量的步骤。 重建函数核或称重建滤波器、滤波函数。CT的扫描通常需包含一些必要的参数，有的参数可由操作人员选择，有的则不能。重建函数核是一项重要的内容，它是一种算法函数，并决定和影响了图像的分辨力、噪声等等。 ·在CT临床检查中，可供CT图像处理选择的滤波函数一般可有高分辨力、标准和软组织三种模式，有的CT机除这三种模式外，还外加超高分辨力和精细模式等。 ·高分辨力模式实际上是一种强化边缘、轮廓的函数，它能提高分辨力，但同时图像的噪声也相应增加。软组织模式是一种平滑、柔和的函数，采用软组织模式处理后，图像的对比度下降，噪声减少，密度分辨力提高。而标准模式则是没有任何强化和柔和作用的一种运算处理方法。 2.2.6卷积(Convolution) 卷积是图像重建运算处理的重要步骤。卷积处理通常需使用滤波函数来修正图像，卷积结束后，形成一个新的用于图像重建的投影数据。请参见“重建函数核”条。 2.2.7内插(Interpolation) 内插是采用数学方法在一已知某函数的两端数值，估计该函数在两端之间任一值的方法。 CT扫描采集的数据是离散的、不连续的，需要从两个相邻的离散值求得其间的函数值。 目前，很多螺旋CT都采用该方法作图像的重建处理。内插的方法有很多种，如线性内插(单层螺旋扫描CT常用)、滤过内插和优化采样扫描(多层螺旋扫描CT采用)。 2.2.8准直宽度、层厚与有效层厚(Collimation, Slice and Effective Slice) 准直宽度是指CT机球管侧和病人侧所采用准直器的宽度，在非螺旋和单层螺旋扫描方式时，所采用的准直器宽度决定了层厚的宽度，即层厚等于准直器宽度。 但是，在多层螺旋扫描方式时，情况则不完全一样，因为同样的准直宽度可由4排甚至16排探测器接收，而此时决定层厚的是所采用探测器排的宽度。如同样10mm的准直宽度，可以由4个2.5mm的探测器排接收，那么层厚就是2.5mm；如果由16个6.25mm的探测器排接收，那么层厚就变成了0.625mm。 有效层厚指扫描时实际所得的层厚，由于设备制造的精确性原因，标称1mm甚至0.5mm的层厚设备制造厂家无法做到如此精确，一般都有一定的误差，其误差范围大约在10％～50％之间，层厚越小，误差越大。一般，层厚的误差与扫描所采用的方式和设备的类型无关。 2.2.9螺距(Pitch) 单层螺旋螺距的定义是：扫描机架旋转一周检查床运行的距离与射线束宽度的比值（参见螺旋扫描一节）。该比值(pitch)是扫描旋转架旋转一周床运动的这段时间内，运动和层面曝光的百分比。在单层螺旋CT扫描中，床运行方向(Z轴)扫描的覆盖率或图像的纵向分辨力与螺距有关。 多层螺旋螺距的定义基本与单层螺旋相同：即扫描旋转架旋转一周检查床运行的距离与全部射线束宽度的比值。但在单层螺旋扫描螺距等于1时，只产生一幅图像（不考虑回顾性重建设置因素），而多层螺旋扫描螺距等于1时，根据不同的CT机，可以同时产生4、8、16或更多的图像。 2.2.10扫描时间和周期时间(Scaning and Circle Time) 扫描时间是指X线球管和探测器阵列围绕人体旋转扫描一个层面所需的时间，常见的有全扫描（360°扫描），其它还有部分扫描（小于360°扫描）和过度扫描（大于360°扫描）。 目前的CT机都有几种扫描时间可供选择，以前最短的扫描时间为1秒，其它有2秒或3秒，现在新的多螺旋CT机最短扫描时间可达0.33秒。减少扫描时间除了可缩短病人的检查时间、提高效率外，并且是减少病人运动伪影的一个有效手段。 从开始扫描、图像的重建一直到图像的显示，这一过程称为周期时间。 一般周期时间与上述因素有关，多数情况下是上述两个因素的总和，但目前的CT机的计算机功能强大，并且都有并行处理和多任务处理的能力，所以，在一些特殊扫描方式情况下，扫描后的重建未结束，就可以开始下一次的扫描。所以，周期时间并非始终是扫描时间和重建时间之和。 2.2.11重建增量（Reconstruction Increment, Reconstruction Interval, Reconstruction Spacing） 重建增量或重建间距是螺旋扫描方式的专用术语，它的定义是：被重建图像长轴方向的距离。通过采用不同的重建增量，可确定螺旋扫描被重建图像层面的重叠程度，如重建增量小于层厚即为重叠重建。 重建增量大小与被重建图像的质量有关，即重建增量减小图像的质量改善，重叠重建可减少部分容积效应和改善3D后处理的图像质量。 2.2.12重建时间（Reconstruction Time） 重建时间是指计算机的阵列处理器，将扫描原始数据重建成图像所需的时间。 缩短重建时间也可减少病人的检查时间，提高检查效率，但与减少运动伪影无关。 重建时间与被重建图像的矩阵大小有关，矩阵大，所需重建时间长； 另外，重建时间的长短也与阵列处理器的运算速度和计算机内存容量的大小有关，阵列处理器的速度快、内存的容量大，图像重建的时间短。 2.2.13扫描视野和重建视野(Field of View,FOV) 扫描野或称有效视野，是扫描前设定的可扫描范围。 根据各厂家的设置，扫描野可有一个或数个，大小范围为16～50cm，一般单个扫描野的CT机，扫描野的大小在40～50cm之间。单扫描野的CT机，在定位相扫描后、正式扫描前，扫描野还可再次设置，以获得诊断需要的CT扫描图像，扫描完成后原始数据可再重建图像。 该有效视野的大小仍可改变此时的有效视野大小称为重建视野，理论上重建视野只能小于扫描野。 2.2.14时间分辨力（Temporal Resolution） 时间分辨力的主要含义是指扫描机架旋转一周的时间，但在多层螺旋CT中，它还与扫描覆盖范围和重建方式有关，它也是影像设备的性能参数之一，并且与每帧图像的采集时间、重建时间以及连续成像的能力有关。在CT中表示了设备的动态扫描功能，如在多层螺旋CT心脏成像时，时间分辨力的高低则决定了CT机在这方面临床应用的适应性和范围。 2.2.15层厚敏感曲线（Slice Sensitivity Profile, SSP） 层厚敏感曲线的定义是CT扫描机沿长轴方向通过机架中心测量的点分布函数（point spread function，PSF）的长轴中心曲线。和非螺旋CT相比，螺旋CT的层厚敏感曲线增宽，其半值宽度(Full Width at Half Maximum, FWHM)也相应增加，即螺旋扫描的实际层厚增加。 通常，在其它条件不变的情况下，层厚增加X线光子量也增加，并使噪声降低和对比度增加，但也使Z轴方向的空间分辨力下降和部分容积效应增大。理想的SSP应为矩形，非螺旋CT的SSP接近矩形而螺旋CT的SSP呈铃形分布曲线。 在螺旋扫描中，曲线的形状随螺距的增加而改变，此外曲线的形状也随采用内插算法的不同而改善，如采用180°线性内插可明显改善曲线的形状。SSP对图像中的高对比度和低对比度的长轴分辨力都很重要，它可影响小病灶的显示。具体地说，当病灶直径小于层厚宽度时，小病灶的CT值与背景的比值会降低。当SSP偏离理想的矩形，并且螺旋扫描采用较高的床速和360°线性内插算法，这种负作用更明显。但不管螺距的大小，这种负作用可由采用180°线性内插算法而大为减少。 2.2.16球管热容量和散热率(Heat Capacity and Diffusion of the Tube) X线球管的热容量大，表示可承受的工作电流大，连续工作的时间可以延长。所以，CT机所用的球管热容量越大越好。 与球管性能指标有关的还有散热率，同样散热率越高，该球管的性能越好。现代的螺旋CT扫描机，对球管的要求更高，因为以前的扫描是逐层进行，层与层扫描之间还可用于散热，现今的螺旋扫描一般都要连续扫描几十秒，甚至一百秒以上，所以必须要求球管有一个良好的热容量和散热率性能。 热容量和散热率的单位分别是MHU和kHU。 2.2.17部分容积效应(Partial Volume Effect) 在CT中，部分容积效应主要有两种现象：部分容积均化和部分容积伪影。 CT成像时CT值的形成和计算，是根据被成像组织体素的线性衰减系数计算的，如果某一体素内只包含一种物质，CT值只对该单一物质进行计算。但是，如果一个体素内包含有三个相近组织，如血液(CT值为40)、灰质(CT值为43)、和白质(CT值为46)，那么该体素CT值的计算是将这三种组织的CT值平均，最后上述测量的CT值被计算为43。CT中的这种现象被称为“部分容积均化”。 部分容积现象由于被成像部位组织构成的不同可产生部分容积伪影，如射线束只通过一种组织，得到的CT值就是该物质真实的CT值；射线束如同时通过衰减差较大的骨骼和软组织，CT值就要根据这两种物质平均计算，由于该两种组织的衰减差别过大，导致CT图像重建时计算产生误差，部分投影于扫描平面并产生伪影被称为部分容积伪影。 部分容积伪影的形状可因物体的不同而有所不同，一般在重建后横断面图像上可见条形、环形或大片干扰的伪像，部分容积伪影最常见和典型的现象是在头颅横断面扫描时颞部出现的条纹状伪影，又被称为‘