ct原理及发展历程Word格式.docx

ct原理及发展历程Word格式.docx

《ct原理及发展历程Word格式.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《ct原理及发展历程Word格式.docx（27页珍藏版）》请在冰豆网上搜索。

●信息处理：

根据物理量A与物理量B之间的物理关系A=F（B），求解出物理量B的分布。

CT就是计算机断层成像。

广义上讲，以下技术均属于计算机断层成像技术：

●X射线（γ射线）断层成像技术（即狭义CT）

●激光CT成像（OpticalComputerTomography）

●核磁共振断层成像技术（MagneticResonanceImaging,MRI）

●超声成像技术（UltrasonicTomography,UT）

●电阻抗成像技术（ElectricalImpedanceTomography）

●红外成像技术（InfraredImaging）

●……

而本课程主要介绍X射线（γ射线）断层成像技术（即狭义CT，XCT）。

即便是狭义的XCT，根据射线产生方式、获得信息内容、所关心物理过程等的不同，又分为

●透射式CT（TransmissionCT）

◆吸收衬度CT成像（AttenuationcontrastCT,即通常CT）

◆相位衬度CT成像（PhasecontrastCT）

●发射式CT（EmissionCT）：

PET，SPECT

●散射式CT（ScatteringCT）

本课程仅介绍吸收衬度CT。

1.2CT设备的构成

前面提到，CT成像涉及“信息获取”和“信息处理”两个过程，根据需要，无论是工业CT或是医用CT，都包含以下组成部分：

●射线发生器

●射线探测器

●机械及控制系统

●计算机（控制/存储/处理）

1.3CT分类及部分性能指标

可根据不同准则对CT进行分类：

●纳米焦点CT：

对象10-30um，分辨率30-160nm

●微焦点CT：

对象1-30mm，分辨率0.5-5um

●医学CT：

对象（人）300-800mm，分辨率0.3mm-3mm

●工业CT：

对象（构件）100-500mm，分辨率0.1-0.5mm

●大型工业CT：

构件300-1000mm，分辨率0.5-1.0mm

●超大型工业CT：

构件1000-2000mm，分辨率1.0mm左右

●工程CT：

桥梁、隧道等，分辨率1米-几米

●地学CT

●天体CT

著名的医学影像厂商：

GPS（GE，Philips，Siemens），Toshiba

著名的工业CT厂商：

YXLON，GE，SkyScan，ZEISS（XRadia），岛津

1.4CT成像的特点

●非接触、无损成像

●无影像重叠

●密度和空间分辨率高

●数字图像，易于处理、存储、传输

1.5CT应用领域

●医疗生物（医疗诊断、小动物成像）

●工业（国防：

导弹、炮弹、飞机发动机叶片、火箭推进器、气缸...；

民用：

机械部件、电子器件、陶瓷、…）

●材料（分子结构、岩心、管道、…）

●安全检查（非金属武器、毒品、炸药…）

●化石成像（古动植物三维结构成像）

●CT原理也用于：

天体成像、地学成像（地震、地质构造）、工程成像（桥梁、隧道、水坝、物探）

编织材料

泡沫材料

芯片检测

电子封装

岩心分析

火工品

离体牙

种子

1.6CT发展简史

WilhelmConradRö

ntgen（27March1845–10February1923）wasaGermanphysicist,who,on8November1895,producedanddetectedelectromagneticradiationinawavelengthrangeknownasX-raysorRö

ntgenrays,anachievementthatearnedhimthefirstNobelPrizeinPhysicsin1901.Inhonourofhisaccomplishments,in2004theInternationalUnionofPureandAppliedChemistry（IUPAC）namedelement111,roentgenium,aradioactiveelementwithmultipleunstableisotopes,afterhim.

This121-year-oldpictureoffingersisoneofthefirstimagesevermadewithx-rays.

ThehandbelongedtoAnnaBertha,wifeofGermanphysicistWilhelmRö

ntgen,thediscoverofx-rays.Theblackglobonthefourthfingerisaringmadeofgold,whichabsorbsx-rays.

JohannKarlAugustRadon（16December1887–25May1956）wasanAustrianmathematician.

SirGodfreyHounsfieldandtheEMIheaderscanner

ThefirstclinicalCTscanonapatienttookplaceon1stOctober1971atAtkinsonMorley'

sHospital,inLondon,England.Thepatient,aladywithasuspectedfrontallobetumour,wasscannedwithaprototypescanner,developedbyGodfreyHounsfieldandhisteamatEMICentralResearchLaboratoriesinHayes,westLondon.Thescannerproducedanimagewithan80x80matrix,takingabout5minutesforeachscan,withasimilartimerequiredtoprocesstheimagedata.

国内情况

1980’s初期开始CT理论与应用研究

较早开始CT研究的单位：

上海交通大学（庄天戈）

北京信息工程学院（邱佩璋）

清华大学（安继刚、王经谨、张朝宗）

东南大学，东北大学，重庆大学

目前活跃的研究单位：

清华大学（康克军、陈志强、李元景、刘以农、张丽、邢宇翔、赵自然等，威视），东北大学（郑全录、江根苗，东软），重庆大学（王珏、曾理，ICT中心），中北大学（韩炎、潘晋孝、桂志国等），北京大学（姜明、杨建生、周铁），首都师范大学，中科院高能物理所（魏龙、姜晓明、朱佩平、单保慈、魏存峰等），上海交通大学（赵俊），西安交通大学（牟轩沁），北京交通大学（渠刚荣），北京信息科技大学（邱钧），大连理工大学（孙怡），北京航空航天大学（杨民、傅健），西北工业大学。

还有一些搞PET、光CT的单位：

中科院高能所、华中科技大学（骆清铭、谢庆国）等。

1.7检测成像工程中心简史

●2003年，张朋研究员调入首都师范大学，建设检测成像实验室

●2007年，完成实验室多功能锥束/扇束工业CT系统的搭建，国内率先实现GPU加速图像重建，对外做了大量的服务工作

●2009年，自主研发成功显微CT设备，分辨率为10-20um

●2010年，获批检测成像北京高校工程中心

●2012年，与东营三英工程中心联合成功研制研发光耦合显微CT，分辨率到达亚微米

●2013年，成立天津三英精密仪器有限公司

●2013年，与中科天悦公司联合开发口腔CT

●2015年，自主研发成功国内首台双能谱显微CT设备，分辨率达到亚微米

二、X射线成像物理学

2.1X射线的产生

X射线本质上是一种电磁波，波长介于0.001纳米到10纳米之间，X射线的能量与波长成反比。

X射线通常由高速电子轰击高原子序数的金属靶（如钨、钼等）而产生。

图1是由X光管产生X射线的示意图。

图1X光管产生X射线示意图

高速运动的电子打到靶上（如钨、钼等），受靶中原子核库仑力的作用，速度骤减而发出X射线，称此种X射线为轫致辐射。

以这种方式产生的X射线光子的能量分布从接近零的能量到电子的最高能量。

若电子的能量足够大，还可以把靶面材料原子中的内层电子撞击出去，使原子处于不稳定的激发状态；

为使原子恢复至稳定的低能态，邻近层的高能态电子立即自发地填补其空穴，该电子出发地能级扣除空穴处能级后多余的能量以辐射形式释放，即特征X射线。

如上所述，加速电子轰击金属靶而产生的X射线由不同能量（或波长）的轫致辐射光子和特征光子组成。

组成X射线的各个能量的光子个数的概率分布曲线称为X射线谱。

图2是电压为100kV时电子以夹角13度轰击钨靶产生的X射线谱。

图2X射线能谱示意图

2.2X射线与物质相互作用

X射线穿过物质时，会与物质发生作用而衰减。

在通常CT系统所用的X射线能量范围内，X射线与物质的相互作用主要有三种形式：

光电效应（Photoelectriceffect）、康普顿散射（Comptonscatter）和电子对效应（Electronpaireffect）。

三种作用所占的比例与X射线的能量和被照射物体的原子序数有关，如图3所示。

下面分别介绍这三种作用的物理机制。

图3X射线与物质作用中光电效应、康普顿散射和电子对效应起主导作用的范围

1）光电效应：

射线光子与成像介质的原子（作为整体）相互作用时，整个光子被原子吸收，其所有能量传递给原子中的一个电子（多发生于内层电子）。

该电子获得能量后离开原子而被发射出来，称为光电子。

光电子的能量等于入射X射线光子的能量减去电子的结合能。

图4光电效应示意图

2）康普顿散射：

X射线光子与成像介质原子的外层电子（可视为自由电子）发生非弹性碰撞，光子只将部分能量传递给原子外层电子，使该电子脱离核的束缚从原子中射出，并按一定的概率分布产生一个与入射光子方向间夹角为的散射光子。

散射角分布由0到180度。

散射光子还会以一定概率发生二次或多次散射。

图5康普顿散射示意图

3）电子对效应：

能量大于1.02MeV的X射线光子从成像介质的原子核旁经过时，在原子核的库仑场作用下，光子转变成一个电子和一个正电子。

所发射出的电子还能继续与介质