第4章计算机断层成像技术(1)汇总.
lecture1_断层成像介绍
要点 • • • • • • • • • 总体目标 线性成像系统 例，针孔照相机 辐射以及射线与物质间相互作用 连续成像和不连续成像 长度规 对比度 光子强度断层成像 核磁共振成像
成像定义
原函数－实际物体的真实空间描述。 分辨率－采集到的图像只是实际物体的 近似。分辨率描述这种空间映射的精确 度。 形变－描述图像的一些重要的非线性特 征如果没有形变，图像每一处的分辨率 是一样的。 模糊度－描述我们把希望成像的物体成 像的好坏程度。 对比度－描述图像中能够区分物体不同 部分的清晰程度。 信噪比
线性成像系统
如果成像过程中引入的原函数的模糊是空间一致的，图像可以被描述为原函 数的线性映射。 这种映射分辨率比较低，模糊很容易被描述为原函数和点扩展函数的卷积。
图像＝原函数 点扩展函数＋噪声
噪声是一个很重要的考虑由于它限制了以去除成像测量过程过带来的模糊为 目的的反卷积处理的有效性。
例，针孔照相机
P 0o , y O x , y dx
中心切片定理可以看作是可分离的二维傅里叶变换的结果。 ~ k , k O x , y e ik x e ik y dxdy o
x y
x
y
投影的一维傅里叶变换是
ik y ~ p k y P 0 o , y e y dy
原函数 源
针孔
图像
物体变得很大的时候，射线会沿很陡的路径穿过。
针孔照相机的形变2
同样，物体偏离中心线，探测器上的投影面 积会增大，（并且对孔张角减小）图像强度 降低。
原函数 源
针孔
图像
空间频率
调 制 传 递 函 数
空间频率
线条数/英寸
单光子发射计算机断层成像及计算机断层扫描(SPECT)临床应用进展
单光子发射计算机断层成像及计算机断层扫描（SPECT/CT）临床应用进展单光子发射计算机断层成像（SPECT）和计算机断层扫描（CT）是现代医学影像学中的重要技术，被广泛应用于医学检测和临床诊断。
本文将探讨单光子发射计算机断层成像技术和计算机断层扫描技术的原理及其在临床应用中的进展。
一、单光子发射计算机断层成像技术单光子发射计算机断层成像是一种基于核素放射性衰变的分子显像技术，由于不同组织和器官摄入的放射性示踪剂数量不同，通过对放射性示踪剂在体内的分布和排泄进行测量得到图像，能够清晰显示人体组织、器官的形态和代谢情况，为临床诊断提供了有力支持。
单光子发射计算机断层成像技术的原理是，在放射性示踪剂注入人体后，示踪剂会以放射性质顺着代谢途径分布到不同的器官和组织中，放射性示踪剂显像时通过检测射线，利用计算机重构出失去能量的伽马光子在人体内部的路径和来源，从而得到图像。
这种技术可以测量各器官和组织的代谢情况，从而发现和诊断一些疾病和损伤。
在临床应用中，单光子发射计算机断层成像技术常用于神经心理疾病、肺部疾病、甲状腺疾病、肝胆疾病、骨疾病等的检测和诊断，例如：肺气肿、脑血流量缺乏、血管瘤、甲状腺功能亢进、乳腺癌、骨肿瘤等。
二、计算机断层扫描技术计算机断层扫描技术是利用X射线通过对人体进行投影成像和计算机分析得到的断层图像，可以显示出前后方向和不同深度的结构层次。
计算机断层扫描技术的在临床检测和诊断中能够更加详细地了解人体内部结构，因而被广泛应用于医学影像学诊断中。
计算机断层扫描技术使用X射线作为成像能量，通过计算机将患者身体不同部位进行扫描，得到大量的,不同方向的计算机线数据，再通过计算机重组、重配成为多平面的图像，最后可以在计算机屏幕中清晰显示出来。
这种技术可以得到不同深度、层数的图像。
计算机断层扫描技术应用非常广泛，可用于整个人体的各种疾病的诊断，如头颅和颅脑损伤、肿瘤、心脏疾病、骨盆骨折等，甚至可以进行测量和计量，为手术和放疗提供更加精细的指导和方向。
《医学影像诊断技术课件——计算机断层扫描》
无痛、非侵入性，适合检测早期炎症等疾病。
局限性
易受到金属异物、骨质钙化等因素干扰。
计算机断层扫描的常见应用案例
颅脑
早期发现脑血栓、脑梗塞、脑肿瘤等病变，为神经 外科手术提供重要影像学依据。
心脏
可以在不止一个方向的建立三维图像，观察心脏是 否存在异常和心脏的重构、功能。是实现无创性评 估心脏解剖和功能依据。
计算机断层扫描的应用领域
1
临床诊断
主要用于对肿瘤、病灶、骨折、脑卒中
医学教育
2
和肺血栓等疾病的早期检测。
提供全新的视角分层展示病变部位和病
变情况，促进医学生和医生的学习和深
度讨论。
3
治疗计划
为手术、放疗和化疗治疗方案的制定和 跟踪提供重要依据。
计算机断层扫变部位。
胸部
可以确诊肺癌、肺结核、肺部占位性病变等各类肺
腹部
对患者肝、脾、肾、胃、肠等内脏产生这种像素清
计算机断层扫描技术的发展趋 势
计算机断层扫描的发展已经从单纯依靠人眼判断到智能化医疗时代，目前是 影像学技术不断发展的阶段，利用深度学习等算法，建立全新的影像诊断模 型。未来，它将更加精准、便携化、低辐射，覆盖范围也将扩大到更广泛的 应用场景。
《医学影像诊断技术课 件——计算机断层扫描》
欢迎来到本次课件，我们将一起学习关于计算机断层扫描的有趣知识。
计算机断层扫描的定义和原理
计算机断层扫描是一种医学影像技术，利用不同密度的组织对射线的吸收程度不同的原理，通过旋转式X射线 源和探测器扫描患者身体内部的组织结构，得到大量的截面图像，再由计算机重建成层层逼真的三维图像。
计算机断层扫描的未来前景
计算机断层扫描在医学领域起到了不可替代的作用，未来将会有更多的研究程序与算法的开发以应用于更多的 应用场景，引领医学技术不断向前推进，让那些原本因为无法诊断而被抛弃的疾病，和那些未来可能会发生的 疾病，都能被更早发现并治疗。
计算机断层扫描反射断层成像
处理结果比较: (b)中噪声被平滑掉,但图像严重 模糊 (c)也使图像模糊 (d)改进很多,消除噪声,图像更尖 锐,清晰.
第四章 图像重建与复原
2. 自适应中值滤波器
第四章 图像重建与复原
定义下列符号：
第四章 图像重建与复原
算法：
第四章 图像重建与复原
第四章 图像重建与复原
√高斯噪声 √瑞利噪声 √伽马（爱尔兰）噪声 √指数分布噪声 √均匀分布噪声 √脉冲噪声（椒盐噪声）
第四章 图像重建与复原
一些重要噪声的概率密度函数(PDF)
高斯
瑞利
伽马
指数
均匀
脉冲
第四章 图像重建与复原
1. 高斯噪声
第四章 图像重建与复原
2. 瑞利噪声
第四章 图像重建与复原
3. 伽马（爱尔兰）噪声
第四章 图像重建与复原
均值滤波器
1. 算术均值滤波器
第四章 图像重建与复原
2. 几何均值滤波器
第四章 图像重建与复原
3. 谐波均值滤波器
第四章 图像重建与复原
• 总结
√算术均值滤波器和几何均值滤波器适合 于处理高斯或均匀等随机噪声
√谐波均值滤波器适合于处理亮脉冲噪声
第四章 图像重建与复原
顺序统计滤波器
第四章 图像重建与复原
4. 指数分布噪声
第四章 图像重建与复原
5. 均匀分布噪声
第四章 图像重建与复原
6. 脉冲噪声（椒盐噪声）
第四章 图像重建与复原
第四章 图像重建与复原
样本噪声图像和它们的直方图
• 用于噪声模型的测试图 • 仅仅有3个灰度级的变化
由简单、恒定的区域组成
第四章 图像重建与复.25的椒盐噪声污染了的图像 (b) 7×7中值滤波器的滤波效果 (消除噪声的同时导致图像细节明显损失) (c) Smax=7的自适应中值滤波器的效果 (消除噪声的同时保持图像的细节)
第4章计算机断层成像技术(1)
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19
工业CT装置和医用CT装置的区别
X射线能量 X射线强度 放射性同位素 高能直线加速器
扫描和结构方式
医用CT装置 150KV以下
150mA左右 不采用 不采用 病人静止 X光机和探测器 运动
工业CT装置
常用电压420KV 2mA左右 60Co源 10MeV以上 检测对象运动 X光机和探测器保 持静止
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6
目前医用商用CT的生产厂家
▪ 国外： GE、TOSHIBA、Siemens 、 PHILIPS 垄断国际85%市场
爱迪生
国内：沈阳东软
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7
Hounsfield and his prototype
需要9天时间才能完成数据采集。
Central Research Laboratories, EMI (Electric and Mu04s:2ic1:a29l Industries )London
13
4.2几种典型CT
▪ 1 医用X-CT
▪ A、全身型
▪ 组成：X射线管、固体探测器阵列、转动扫 描机构、可调床位和纵向扫描机构、数据 采集系统，图像处理、存储和输出系统以 及整机电控系统。（为了减少扫描引起的 图像模糊和避免患者吸收不必要的剂量，X 射线管选用脉冲工作方式。）
▪ B、动态X-CT
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2Mev加速器工业CT系统
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清华同方威视技术股份有限公司
大型集装箱检查系统
18
威视大型集装箱检查系统发展历程
8 0 年代末：
我国某边境口岸。海关人员正焦急地将货物往花了整整一上午才抽 检完的一只集装箱里塞。身后，数以千计的卡车排开长龙，司机焦 躁地按着喇叭；
CT实验教学计算机断层成像实验报告
CT实验教学计算机断层成像实验实验报告摘要本实验了解了CT的诞生与发展，成像的基本原理，数字化图像处理的方法，以及CT实验仪的结构和使用方法。
实验采用CT教学实验仪，学会使用仪器在合适的测量条件对选定的样品进行扫描，并且正确的处理图像并打印出实验报表，掌握图像重建处理技术并对其加以分析总结。
通过实验对CT教学试验仪乃至CT 扫描技术有了进一步的认识，并且通过老师的指导对其本质以及CT的应用有了更深层的认识。
关键词CT实验仪，扫描，放射源，采样，图像重建正文计算机断层成像(Computed Tomography, 简称 CT)是计算机技术、数字化图像重建技术和核技术相结合的产物。
CT作为一种先进的疾病诊断手段广泛应用于医学，同时又作为一种无损检测手段广泛应用于工业领域。
一、CT教学实验仪1. CT的诞生与发展1895年11月，德国物理学家伦琴发现X射线后(并由此获得诺贝尔奖)。
很快X射线透视就成为医学上诊断疾病的一种重要手段，人们通过X射线透视摄影得到了人体形态学的信息。
但由于普通X射线透视摄影是将一个立体的器官(或物体)投射到一个平面上，得到的仅是影像重叠的平面图像。
由于人体内部各组织互相重叠，这种二维图像不易确定病变的准确位置。
CT的诞生，则解决了这个问题。
1963年，美国物理学家科马克发现人体不同的组织对X线的透过率有所不同，在研究中还得出了一些有关的计算公式，这些公式为后来CT的应用奠定了理论基础。
1967年，英国电子工程师亨斯费尔德在并不知道科马克研究成果的情况下，也开始了研制一种新技术的工作。
他首先研究了模式的识别，然后制作了一台能加强X射线放射源的简单的扫描装置，即后来的CT，用于对人的头部进行实验性扫描测量。
1971年9月，亨斯费尔德又与一位神经放射学家合作，在伦敦郊外一家医院安装了他设计制造的这种装置，开始了头部检查。
1972年4月，亨斯费尔德在英国放射学年会上首次公布了这一结果，正式宣告了CT 的诞生。
优选计算机断层成像技术
Musical Industries )London
prototypΒιβλιοθήκη of CT scannerHounsfield’s Apparatus
改进后需要9个小时才能完成数据采集。 Hounsfield’s Prototype with cow brain slice First CT image (1971)
右下图为一幅只含四个像素的图像，每 个像素的衰减系数的值是未知的。根据公 式，入射X射线强度为Io，透射后的强度为I， 则在水平方向上可以得到以下方程：
▪
▪ 一次扫描过程结束后，整个X射线源及 检测器系统将沿圆弧旋转一个角度（如每 次旋转1°），然后再重复平移扫描过程， 直至在整个180°圆周上扫描一遍。当把全 部投影数据送入计算机后，就可以通过图 像重建算法来重构关于探测平面的二维图 像，图像的灰度值与组织的衰减系数相对 应。这就是CT的基本工作原理。
showing cyst (confirmed) 囊肿
Hounsfield and EMI CT
4分钟可生成图像。
CT scanner 结构图
4.1 概述
一、CT的用途
医学诊断 辅助治疗 工业CT
二、CT的优点 三、CT的局限
显示真正的断层图像 图像清晰、密度分辨率高 操作简单、安全 有些病变不适宜 成分、生物、化学结构 造价高
的数学方法 ▪ 1961年，天文学家Oledendorf做了一个称为“旋
转－平移”的试验，实现了最早的图像重建 ▪ 1963年，美国教授cormark进一步发展了从X线
投影重建图像的准确数学方法（79年诺贝尔奖） ▪ 1967～1970年，hounsfield提出了断层的方法
（79年诺贝尔奖）
成像技术中的计算机断层扫描技术
成像技术中的计算机断层扫描技术计算机断层扫描技术，简称CT技术，是一种成像技术，已经被广泛应用于医学、工业和科学研究等领域。
CT技术是由电脑计算机将X射线影像转化为三维模型的一种方法。
它对于影像的准确性和清晰度有极高的要求，因此在医疗设备制造、医学诊断和科学研究中都占据着重要的地位。
CT技术的工作原理是通过X射线扫描来探测物体内部的信息。
X射线是一种能够穿透物质并被物质吸收的电磁波。
当X射线穿过某一物体时，被吸收的程度取决于物体内部不同组织的密度及吸收能力的不同。
扫描过程中，X射线生成器会以极快的速度对被检测物体进行扫描，然后通过探测器将被吸收的X射线信号转化成数字信号，传输给计算机。
计算机通过处理这些信号，就可以生成清晰的三维图像。
CT技术在医疗领域中应用广泛。
它可以对人体内部进行非侵入性检查，诊断出各种疾病，如肿瘤、结石、血管病变、器官畸形等。
同时，由于CT技术对辕裼细节的分辨率要求很高，它也被广泛应用于牙科和骨科。
例如牙科领域中，CT技术可以精确地显示牙齿根部的情况，判断牙龈炎症程度等。
CT技术还可以用于工业和科学研究中。
在工业领域中，CT技术可以对生产过程中的零部件进行检查，并且可以对零部件的缺陷和损耗情况进行有效的诊断。
在科学研究领域中，CT技术可以对不同的材料进行研究，例如金属材料、陶瓷材料、纤维材料、生物材料等，以及对天文物体进行研究，例如行星、星云、星系等。
尽管CT技术在医疗、工业和科学研究领域中应用广泛，但是它也存在一些限制。
因为CT扫描使用的是X射线，而X射线对人体有一定的辐射危害，因此需要对辐射量进行控制和监测。
另外，CT扫描的成像质量受到物体密度、扫描速度、探测器的灵敏度等因素的影响，因此需要进行精细的调整和优化。
同时，由于CT扫描的成本比较高，因此需要在应用中进行合理的价值评估。
综上所述，计算机断层扫描技术是一种广泛应用于医疗、工业和科学研究中的成像技术。
它可以对物质的内部结构进行无损检测，对疾病的诊断和治疗起到了重要的作用。
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▪ 3核医学发射CT
▪ 原理：将放射性核素注入到人体后，由于 放射性核素参与人体的正常或异常功能和 代谢变化，因而可以通过放射性核素在人 体内分布和代谢反映人体内的病理或生理 变化。
▪ A、单光子发射CT（SPECT)
▪ SPECT使用的放射性核素通常为鍀-99、 碘-131、碘-123、铊-201等。这些核素发 生β-衰变，每次固定产生一个光子。
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▪ B、正电子发射CT(PET) PET使用的核素为短半衰期核素碳-11、
氧-15、氟-18、氮-13.这类核素衰变时发生 β+衰变，释放出一个正电子。 PET的优点： （1）人体累积剂量小； （2）可以显示新陈代谢的情况； （3）图像空间分辨率好，信噪比高。
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4.2几种典型CT
▪ 1 医用X-CT
▪ A、全身型
▪ 组成：X射线管、固体探测器阵列、转动扫 描机构、可调床位和纵向扫描机构、数据 采集系统，图像处理、存储和输出系统以 及整机电控系统。（为了减少扫描引起的 图像模糊和避免患者吸收不必要的剂量，X 射线管选用脉冲工作方式。）
▪ B、动态X-CT
Early laboratory prototype of CT scanner8
Hounsfield’s Apparatus
改进后需要9个小时才能完成数据采集。
Hounsfield’s Prototype with cow brain slice
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First CT image (1971) showing cyst (confirmed)3ຫໍສະໝຸດ ▪ 普通X线摄影和CT摄影图示
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4
CT发展简史
▪ 1895年，伦琴发现X射线 （诺贝尔奖） ▪ 1917年，奥地利数学家Radon提出图像重建理论
的数学方法 ▪ 1961年，天文学家Oledendorf做了一个称为“旋
转－平移”的试验，实现了最早的图像重建 ▪ 1963年，美国教授cormark进一步发展了从X线
Principles of Radiation Imaging
辐射成像原理
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1
第四章 计算机断层成像技术
X射线发现后的七八十年中辐射成像技 术有了许多进步，但始终没有解决两个根 本性的问题。
一是常规X射线摄影使人体的三维结构通 过投影后显示在一个二维的平面上，造成 器官重叠，读片困难；
9
囊肿
Hounsfield and EMI CT
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4分钟可生成图像。
CT scanner 结构图
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4.1 概述
一、CT的用途
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医学诊断 辅助治疗 工业CT
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二、CT的优点 三、CT的局限
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显示真正的断层图像 图像清晰、密度分辨率高 操作简单、安全 有些病变不适宜 成分、生物、化学结构 造价高
投影重建图像的准确数学方法（79年诺贝尔奖） ▪ 1967～1970年，hounsfield提出了断层的方法
（79年诺贝尔奖）
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5
▪ 1972年 CT正式应用于临床 ▪ 1974年 全身CT应用于临床 ▪ 1978年 国内开始引进CT ▪ 1983年 电子束CT（EBCT）研制成功 ▪ 1989年 螺旋CT应用于临床 ▪ 1993年 双排CT研制成功 ▪ 1998年 多层螺旋CT应用于临床 ▪ 2000年 采集8层的螺旋CT问世 ▪ 2002年 采集16层的螺旋CT问世 ▪ 2004年 采集64层的螺旋CT问世
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工业CT装置和医用CT装置的区别
X射线能量 X射线强度 放射性同位素 高能直线加速器
扫描和结构方式
医用CT装置 150KV以下
150mA左右 不采用 不采用 病人静止 X光机和探测器 运动
工业CT装置
常用电压420KV 2mA左右 60Co源 10MeV以上 检测对象运动 X光机和探测器保 持静止
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2Mev加速器工业CT系统
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清华同方威视技术股份有限公司
大型集装箱检查系统
18
威视大型集装箱检查系统发展历程
8 0 年代末：
我国某边境口岸。海关人员正焦急地将货物往花了整整一上午才抽 检完的一只集装箱里塞。身后，数以千计的卡车排开长龙，司机焦 躁地按着喇叭；
1 9 9 1 年，法国戴高乐国际机场
其它医用CT---PET,发射式
正电子湮灭断层扫描(PET)
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6
目前医用商用CT的生产厂家
▪ 国外： GE、TOSHIBA、Siemens 、 PHILIPS 垄断国际85%市场
爱迪生
国内：沈阳东软
11:53:51
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Hounsfield and his prototype
需要9天时间才能完成数据采集。
Central Research Laboratories, EMI (Electric and Mu11s:5ic3:a51l Industries )London
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▪ 2工业CT ▪ 工业CT与X-CT的不同之处主要在于： ▪ （1）吸收剂量限不同 ▪ （2）成像时间要求不同 ▪ （3）谱的硬化和检测标定不同
▪ 用途：缺陷检测、尺寸测量、装配结构分 析、反馈工程
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工业CT
工件 旋转
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工业CT
420Kev X射线工业CT集成检测系统
世界上第一台集装箱检测系统投入使用，集装箱内小如香烟盒的物 体在高能X 射线的透视扫描下都清晰可辨。清华大学四位教授致信 校领导，建议注意这一新动向，迅速开展独立研制工作。
1 9 9 8 年1 月7 日
由清华同方股份有限公司承担的集装箱检测系统产品化工作通过 了国家组织的专家审定。专家委员会认为，该系统已达到可投产 制造的程度，清华同方具备在海关建造系统工程项目的能力。
二是无论是荧光屏还是X射线胶片，其固 有的分辨率都比较差。总的来说，投影X射 线成像系统对软组织的分辨能力是比较差 的。
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2
X射线计算机断层成像（X－ray computed tomography，简称X－CT）从 根本上克服了上述困难，是80多年来X射线 诊断学上的一次重大突破。
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