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Micro-CT原理及應(yīng)用

來(lái)源:北京力途科技有限公司   2010年03月05日 15:36  

Micro-CT原理及應(yīng)用

1895年,Wilhelm C. Roentgen 發(fā)現(xiàn)了 X 射線,并為夫人拍下了世界上*張 X —— 戴戒指的手掌照片。1967年,Godfrey N. Hounsfield 發(fā)明了*臺(tái) CT 設(shè)備,能夠從多個(gè)角度攝片,采集被攝物體的三維信息,在不破壞物體的情況下觀察其內(nèi)部結(jié)構(gòu)。1970年代,醫(yī)院開(kāi)始使用CT診斷疾病。數(shù)十年來(lái),這一偉大技術(shù)已經(jīng)廣泛應(yīng)用于各種領(lǐng)域,例如醫(yī)學(xué)(組織器官、生理代謝過(guò)程成像)、藥學(xué)(藥效檢測(cè)、新藥開(kāi)發(fā))、材料學(xué)(新材料的開(kāi)發(fā))、工業(yè)(各種器件的質(zhì)檢和探傷)、農(nóng)業(yè)(木材和種子的質(zhì)檢和分析)、工程(建筑材料內(nèi)部孔隙度、連通度和滲透性分析)、珠寶(真?zhèn)巫R(shí)別和*切割方案設(shè)計(jì))、考古(化石的結(jié)構(gòu)和成分分析)等領(lǐng)域。(更多CT應(yīng)用……)

zui為人們所熟知的 CT 是應(yīng)用于臨床檢查的醫(yī)學(xué) CT,*幅 CT 圖片顯示的就是頭顱影像。經(jīng)過(guò)40多年的發(fā)展,Hounsfield 發(fā)明的速度極慢的平移式筆形束CT已經(jīng)發(fā)展成為種類(lèi)繁多的CT家族,例如螺旋 CT、64 排容積 CT、定量 CT。(更多CT技術(shù)背景……

 

CT設(shè)備的基本分類(lèi)

 

類(lèi)型

FOV

分辨率

描述

CT

10-60cm

500-1500μm

臨床CT,以人體掃描為主,安裝定量分析軟件即成為QCT(定量CT)。螺旋CT發(fā)明以來(lái),掃描速度不斷加快,幾分鐘就可以完成全身掃描。但是受到FOV尺寸和輻射劑量 的影響,難以提高分辨率。

pQCT

5-15cm

50-500μm

四肢定量CTperipheral Quantitative CT),掃描人體的 四肢,兼可用作臨床診斷和科學(xué)研究。pQCT能夠分別分析骨小梁和骨皮質(zhì), 并可以進(jìn)行生物力學(xué)分析,準(zhǔn)確預(yù)測(cè)骨折風(fēng)險(xiǎn),而且不受體位、體型和骨質(zhì)增生的影響,對(duì)骨質(zhì)疏松的風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估比DEXA有明顯優(yōu)勢(shì)。

microCT

1-8cm

5-80μm

顯微CT,采用微焦點(diǎn)X線球管,分辨率高,但是成像范圍小,用于科學(xué)研究。包括 in vitro(離體)和 in vivo(活體)兩類(lèi),前者用于骨骼等標(biāo)本,后者用于活體小動(dòng)物掃描。

CTM

0.01-0.5cm

0.1-10μm

CT顯微鏡(X-Ray Computerized Tomography Microscopy),采用同步加速器產(chǎn)生的平行X線成像。分辨率zui高,達(dá)到亞微米級(jí),但是FOV極小。單能譜X線,成像質(zhì)量高。

 

1980年代,由于普通CT無(wú)法滿足科學(xué)研究對(duì)分辨率的苛刻要求,學(xué)術(shù)界開(kāi)始研發(fā)顯微CT,即MicroCT。MicroCT(也稱(chēng)為顯微CT、微焦點(diǎn)CT或者微型CT)采用了與普通臨床CT不同的微焦點(diǎn)X線球管,分辨率高達(dá)幾個(gè)微米,僅次于同步加速X線成像設(shè)備的水平,具有良好的顯微作用。而高分辨率付出的代價(jià)是掃描樣品的體積很小,只有幾個(gè)厘米,體現(xiàn)其微型的一面。

與臨床CT普遍采用的扇形X線束(Fan Beam)不同的是,MicroCT通常采用錐形X線束(Cone Beam)。采用錐形束不僅能夠獲得真正各向同性的容積圖像,提高空間分辨率,提高射線利用率,而且在采集相同3D圖像時(shí)速度遠(yuǎn)遠(yuǎn)快于扇形束CT。

 

MicroCT成像原理

 

MicroCT能夠提供的 2 類(lèi)基本信息:幾何信息和結(jié)構(gòu)信息。前者包括樣品的尺寸、體積和各點(diǎn)的空間坐標(biāo),后者包括樣品的衰減值、密度和多孔性等材料學(xué)信息。除此之外,SCANCO 的有限元分析功能,還能夠提供受檢材料的彈性模量、泊松比等力學(xué)參數(shù),分析樣品的應(yīng)力應(yīng)變情況,進(jìn)行非破壞性的力學(xué)測(cè)試。

 

MicroCT 2 種基本結(jié)構(gòu)

l 樣品靜止,X線球管和探測(cè)器運(yùn)動(dòng):這種結(jié)構(gòu)和臨床螺旋CT一致, 球管繞樣品旋轉(zhuǎn)。掃描速度快,射線劑量小,空間分辨率較低,多用于活體動(dòng)物掃描。

l 樣品運(yùn)動(dòng),X線球管和探測(cè)器固定:樣品在球管和探測(cè)器之間自旋,并可做上下和前后移動(dòng)。掃描速度較慢,射線劑量大,空間分辨率高,多用于離體標(biāo)本掃描。

 

MicroCT 2 類(lèi)應(yīng)用對(duì)象

l 活體(in vivo):研究對(duì)象通常為小鼠、大鼠或兔等活體小動(dòng)物,將其麻醉或固定后掃描??梢詫?shí)現(xiàn)生理代謝功能的縱向研究,顯著減少動(dòng)物試驗(yàn)所需的動(dòng)物數(shù)量。和醫(yī)學(xué)臨床CT類(lèi)似,活體小動(dòng)物 MicroCT 也能夠進(jìn)行呼吸門(mén)控和增強(qiáng)掃描(采用造影劑)。

l 離體(in vitro):研究對(duì)象通常為離體標(biāo)本(例如骨骼、牙齒)或各種材質(zhì)的樣品,分析內(nèi)部結(jié)構(gòu)和力學(xué)特性。也可以使用凝固型造影劑灌注活體動(dòng)物,對(duì)心血管系統(tǒng)、泌尿系統(tǒng)或消化系統(tǒng)進(jìn)行精細(xì)成像。

 

MicroCT 的主要應(yīng)用領(lǐng)域

骨小梁

l 骨骼。骨骼是 MicroCT zui主要的應(yīng)用領(lǐng)域之一,其中骨小梁又是主要研究對(duì)象。骨松質(zhì)和骨皮質(zhì)的變化與骨質(zhì)疏松、骨折、骨關(guān)節(jié)炎、局部缺血和遺傳疾病等病癥有關(guān)。目前,MicroCT 技術(shù)在很大程度上取代了破壞性的組織形態(tài)計(jì)量學(xué)方法。

l 牙齒及牙周組織。 能夠從 3D 整體結(jié)構(gòu)出發(fā),對(duì)根管形態(tài)改變、齲齒破壞、牙組織密度變化、牙槽骨結(jié)構(gòu)和力學(xué)特
性的變化等情況進(jìn)行研究。

生物材料

l 生物材料。例如, 分析體外制備仿生材料支架的孔隙率、強(qiáng)度等參數(shù),優(yōu)化支架設(shè)計(jì);掃描需要置換的組織樣品,獲取三維圖像后輸出為 STL 文件進(jìn)行快速成形(CAD/CAM),等等。

l 疾病機(jī)制研究。例如,研究不同基因或信號(hào)通路對(duì)骨骼的數(shù)量或質(zhì)量的影響,疾病狀態(tài)對(duì)骨骼發(fā)育/修復(fù)的影響,評(píng)價(jià)高脂血癥對(duì)心臟瓣膜鈣化的影響,細(xì)胞因子對(duì)骨折后組織修復(fù)時(shí)血管生長(zhǎng)的影響,等等。

l 新藥開(kāi)發(fā)。例如,研究新的骨質(zhì)疏松藥物藥物及療效評(píng)價(jià),MicroCT 已經(jīng)稱(chēng)為一種重要的臨床前檢測(cè)技術(shù)。

l 其它。微型器件的質(zhì)檢和探傷,建筑材料內(nèi)部孔隙度、連通度和滲透性分析,珠寶的真?zhèn)巫R(shí)別和*切割方案設(shè)計(jì),以及化石結(jié)構(gòu)分析等。

 

活體小鼠胸腔成像(容積再現(xiàn))

 

以下實(shí)驗(yàn)圖片是國(guó)產(chǎn)小動(dòng)物Micro-CT系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果案例,更多信息請(qǐng)咨詢(xún)北京力途科技有限公司!

CT成像重建效果:真實(shí)小鼠經(jīng)過(guò)CT重建后結(jié)果

 

 

 

經(jīng)偽彩修飾后的三維鼠

小鼠CT

小鼠骨骼三維圖

 

 

 

大鼠骨小梁1

大鼠骨小梁2

大鼠骨小梁3

軟件后處理:

數(shù)據(jù)接口:DICOMJPEG、TIFF、BMP、IM0、RAW等格式

圖像文件的輸入輸出二維處理:圖像瀏覽、選擇、處理和顯示,二維幾何變換及測(cè)量,連續(xù)圖像播放等

三維處理:三維組織分割,表面模型重建及分層顯示,切片重組

三維顯示:真實(shí)感顯示,光照參數(shù)調(diào)節(jié),三維幾何變換,三維測(cè)量

圖像分割:提供多種分割方法(Fast Marching, Level Set

 

實(shí)驗(yàn)圖片——以下圖片由中山大學(xué)腫瘤防治中心提供

注射造影劑實(shí)驗(yàn):

(采用的造影劑為Fenestra VC

圖一:注射造影劑11min

圖二:注射造影劑VC 45min

圖三:注射造影劑61min

外物植入實(shí)驗(yàn):

1.在小鼠體內(nèi)植入鎂條,觀察鎂條分解情況(圖片見(jiàn)下頁(yè))

A:植入鎂條30min后; B:植入鎂條4d 后; C:植入鎂條 14d 后;

 

2.人肝癌細(xì)胞植入實(shí)驗(yàn)

人肝癌細(xì)胞植入14d 后腹部形成腫瘤的小鼠

 

【名詞解釋】

 

CT

CT值(CT number)是以水的CT值為零,而相對(duì)于其他物質(zhì)X線的衰減值。例如,空氣的CT值為 -1000,而骨密質(zhì)的CT值為 +1000,人體除骨密質(zhì)和肺以外,CT值基本在 -100+100之間。CT值的標(biāo)準(zhǔn)單位是 HUHounsfield)。組織密度越大,CT值越高。如果某一組織發(fā)生病變而致密度改變,則會(huì)影響到CT值的改變,這對(duì)CT診斷有很大價(jià)值。

 

 

BMC

骨礦含量或骨礦物質(zhì)含量(Bone Mineral Content,BMC),單位是g

 

 

BMD

骨密度或骨礦物質(zhì)密度(Bone Mineral DensityBMD),2D BMD的單位是g/cm^23D BMD 的單位是mg/cc

 

 

BMP

骨形態(tài)發(fā)生蛋白(Bone Morphogenetic ProteinBMP)是轉(zhuǎn)化生長(zhǎng)因子β超家族成員之一,具有誘導(dǎo)未分化的間充質(zhì)干細(xì)胞向成軟骨細(xì)胞和成骨細(xì)胞定向分化與增殖的能力,能促進(jìn)新骨形成。

 

 

BS

骨表面積(Bone Surface,BS),單位是mm^2。

 

 

BS/BV

骨表面積和骨體積的比值,單位是1/mm。

 

 

BS/TV

骨表面積和組織體積的比值,單位是1/mm

 

 

BV

骨體積(Bone Volume),單位是mm^3

 

 

BV/TV

相對(duì)骨體積或骨體積分?jǐn)?shù),單位是%。

 

 

Conn.D.

連接密度(Connectivity Density,Conn.D.),單位是1/mm^3

 

 

Ct.Ar

皮質(zhì)骨面積(Cortical bone Area,Ct.Ar),單位是mm^2。

 

 

Ct.Th

皮質(zhì)骨厚度(Cortical bone Thickness,Ct.Th),單位是μm

 

 

Ct.Wi

皮質(zhì)骨寬度(Cortical bone Width,Ct.Wi),單位是μm

 

 

DA

各向異性的程度(Degree of Anisotropy,DA),是ROI平均截距長(zhǎng)度橢圓中長(zhǎng)徑和短徑的比值。在骨質(zhì)疏松初期,承重骨小梁的DA通常增加,隨骨質(zhì)疏松加劇,DA會(huì)減小。

 

 

DICOM

醫(yī)學(xué)數(shù)字成像和通信標(biāo)準(zhǔn)(Digital Imaging and Communications in Medicine,DICOM)是美國(guó)放射學(xué)會(huì)(American College of Radiology,ACR)和國(guó)家電子制造商協(xié)會(huì) National Electrical Manufactorers Association,NEMA)為主制定的用于數(shù)字化醫(yī)學(xué)影像傳送、顯示與存儲(chǔ)的標(biāo)準(zhǔn)。在, DICOM標(biāo)準(zhǔn)中詳細(xì)定義了影像及其相關(guān)信息的組成格式和交換方法,利用這個(gè)標(biāo)準(zhǔn),人們可以在影像設(shè)備上建立一個(gè)接口來(lái)完成影像數(shù)據(jù)的輸入/輸出工作。DICOM標(biāo)準(zhǔn)以計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)的工業(yè)化標(biāo)準(zhǔn)為基礎(chǔ),它能幫助更有效地在醫(yī)學(xué)影像設(shè)備之間傳輸交換數(shù)字影像,這些設(shè)備不僅包括CT、MR、核醫(yī)學(xué)和超聲檢查,而且還包括CR、膠片數(shù)字化系統(tǒng)、視頻采集系統(tǒng)和 HIS/RIS 信息管理系統(tǒng)等。該標(biāo)準(zhǔn)1985年產(chǎn)生,目前版本為2003年發(fā)布的DICOM 3.0 2003版本。

 

 

Distance Transformation

距離變換(distance transformation)是定量分析骨小梁的方法之一,該方法可以計(jì)算樣品中的每一個(gè)體素與zui近的骨骼-空氣介面(背景)之間的距離。計(jì)算得到的距離可以采用以該體素為中心、距離為半徑的球體來(lái)直觀地表示,從圖片上看,該球體恰好位于該結(jié)構(gòu)內(nèi)部。計(jì)算過(guò)程中,通過(guò)大球體替代其內(nèi)部小球體的方法去處多余的球體。由該方法計(jì)算得到的Tb.N、Tb.ThTb.Sp是采用的。該方法的詳細(xì)內(nèi)容參見(jiàn)瑞士蘇黎世大學(xué)發(fā)表的論文:A new method for the model-independent assessment of thickness in three-dimensional images. J Microsc, 1997; 185:67-75

 

 

FOV

視野或檢查野(Field of View,FOV),是CT等成像設(shè)備的重要性能參數(shù)之一 ,用于衡量成像設(shè)備能夠進(jìn)行有效成像的空間尺寸。

 

 

HA

羥基磷灰石(Hydroxyapatite,HA),是組成骨骼的主要物質(zhì) 。目前,通常在體模內(nèi)置入已知密度的 HA,用于校準(zhǔn) CT 值。

 

 

HU

HUHounsfield Units)是CT值的單位,以 CT 的發(fā)明人Godfrey Newbold Hounsfield 的名字命名,念作“胡”。

 

 

IPL

圖像處理語(yǔ)言(Image Processing Language,IPL)是 SCANCO MicroCT 設(shè)備軟件中的圖像處理語(yǔ)言,由 SCANCO 的專(zhuān)家 Andres Laib 編寫(xiě)。

 

 

MAR

骨礦化沉積率(Mineral Apposition Rate。MAR),單位是μm/天。

 

 

MIL

平均截距長(zhǎng)度(Mean Intercept Length,MIL)是定量分析骨小梁的方法之一,該方法可以計(jì)算測(cè)試線在 ROI 內(nèi)部的截距長(zhǎng)度。MIL能夠測(cè)定樣品表面積與體積的比率(BS/BV),進(jìn)而估計(jì)Tb.NTb.ThTb.Sp。MIL分布能夠確定MIL橢圓體的方向和各向異性的程度(Degree of Anisotropy)。該方法的詳細(xì)內(nèi)容參見(jiàn):Distribution of membrane thickness determined by lineal analysis. J Microsc. 1978; 113:27-43.

 

 

MTF

調(diào)制傳遞函數(shù)(Modulation Transfer Function,MTF),用于評(píng)估成像設(shè)備(例如CT機(jī)) 物理分辨率。與像素分辨率(Normial Resolution)或檢測(cè)能力(Detectability)不同,以 MTF 表示的物理分辨率是真實(shí)衡量CT等成像設(shè)備空間分辨率的客觀指標(biāo),表示為 8μm@10%MTF10%MTF水平時(shí)的物理分辨率為 8μm)。

 

 

OVX

卵巢摘除(ovariectomy,OVX),把卵巢摘除的動(dòng)物(通常是大鼠或小鼠)作為婦女絕經(jīng)后骨質(zhì)疏松癥的動(dòng)物模型。

 

 

PACS

醫(yī)學(xué)圖像管理系統(tǒng)(Picture Archiving and Communication System,PACS)是對(duì)醫(yī)學(xué)圖像信息進(jìn)行數(shù)字化采集、存儲(chǔ)、管理、傳輸和重現(xiàn)的系統(tǒng)。它的主要作用是,利用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)代替?zhèn)鹘y(tǒng)的膠片圖像記錄、膠片和報(bào)告的庫(kù)房存儲(chǔ)、檢查圖像的人工傳遞、在光箱上重現(xiàn)圖片。PACS充分利用了計(jì)算機(jī)、網(wǎng)絡(luò)的特點(diǎn),將醫(yī)學(xué)圖像進(jìn)行數(shù)字化處理,通過(guò)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行傳輸,利用顯示設(shè)備重現(xiàn)圖像。

 

 

ROI

感興趣區(qū)(Region of Interest,ROI)是使用軟件工具在圖像中定義得到的封閉區(qū)域,該區(qū)域通常具有相似的特性。3D圖像中定義的 ROI 也稱(chēng)為 VOIVolume of Interest)。

 

 

sham

假手術(shù)(sham-operated),模擬卵巢摘除手術(shù)的過(guò)程,但是保留卵巢,作為OVX動(dòng)物模型的陰性對(duì)照。

 

 

SMI

結(jié)構(gòu)模型指數(shù)(Structure Model Index,SMI),定義骨小梁板狀(plate-like)和桿狀(rod-like)的程度,板狀骨小梁和桿狀骨小梁的SMI數(shù)值分別為03。發(fā)生骨質(zhì)疏松時(shí),骨小梁從板狀向桿狀轉(zhuǎn)變,SMI數(shù)值增加。

 

 

STL

STL格式zui初出現(xiàn)于1988年美國(guó)3DSYSTEMS公司生產(chǎn)的 SLA 快速成形機(jī)中,STL就是StereoLithography(立體印刷術(shù))的縮寫(xiě),它是將三維模型的表面近似表達(dá)為小三角形平面的組合,非常相似于 有限元分析中的三結(jié)點(diǎn)平面單元。

 

 

Tb.N

骨小梁數(shù)量(Trabecular Number,Tb.N),是指給定長(zhǎng)度內(nèi)骨組織與非骨組織的交點(diǎn)數(shù)量,單位是1/mm。發(fā)生骨質(zhì)疏松時(shí),Tb.N 的值減小。

 

 

TBPf

骨小梁模式因子(Trabecular Bone Pattern factor,TBPf),衡量骨小梁凸面和凹面的程度,單位是1/mm。。低TBPf值提示骨小梁由桿狀向板狀變化,發(fā)生骨質(zhì)疏松時(shí)TBPf值增加。

 

 

Tb.Sp

骨小梁分離度(Trabecular Separation/SpacingTb.Sp),是指骨小梁之間的髓腔平均寬度,單位是μmTb.Sp增加,提示骨吸收增加,可能發(fā)生骨質(zhì)疏松。 在多孔材料中,Tb.Sp 即可理解為孔隙率。

 

 

Tb.Th

骨小梁厚度(Trabecular Thickness,Tb.Th),是指骨小梁的平局厚度,單位是μm

 

發(fā)生骨質(zhì)疏松時(shí),Tb.Th 值減小。 在多孔材料中,Tb.Th 即可理解為孔壁厚度。

 

 

TRI

三角測(cè)量法(triangulation,TRI)是定量分析骨小梁的方法之一,該方法以各種不同形狀和尺寸的三角形表示ROI表面,然后計(jì)算ROI內(nèi)部四面體的體積和三角形的面積。用該方法計(jì)算BS/BVMIL方法更為直接,也可以估算Tb.NTb.Th、Tb.Sp、MIL橢圓體的方向和各向異性程度。該方法的詳細(xì)內(nèi)容參見(jiàn)瑞士蘇黎世大學(xué)發(fā)表的論文:Direct Three-Dimensional Morphometric Analysis of Human Cancellous Bone: Microstructural Data from Spine, Femur, Iliac Crest, and Calcaneus. J Bone Miner Res. 1999; 14(7):1167-1174.

 

 

VOI

見(jiàn)ROI。

 

 

表面再現(xiàn)

表面再現(xiàn)(surface rendering)是顯示物體表面三維圖像的方法。優(yōu)點(diǎn)是所需數(shù)據(jù)量較少、處理速度較快,缺點(diǎn)是僅有表面圖像而沒(méi)有內(nèi)部結(jié)構(gòu)信息。

 

 

部分容積效應(yīng)

體素不連續(xù)地顯示一個(gè)物體,使物體中的細(xì)節(jié)被平均分配,即體素內(nèi)的細(xì)節(jié)由一個(gè)加權(quán)平均值表達(dá),這種現(xiàn)象被稱(chēng)為部分容積效應(yīng)(partial volume effect),是CT成像中常見(jiàn)的圖像偽影,使密度差別較大的物體邊緣變模糊。層厚越大,部分容積效應(yīng)就越嚴(yán)重。

 

 

插值

插值或內(nèi)插(interpolation)是采用數(shù)學(xué)方法在一抑制函數(shù)的兩端數(shù)值,估計(jì)該函數(shù)在兩端之間任一值的方法。CT掃描采集的數(shù)據(jù)是離散的、不連續(xù)的,需要從兩個(gè)相鄰的離散值求得其間的函數(shù)值。內(nèi)插的方法有很多種,例如線性?xún)?nèi)插、率過(guò)內(nèi)插和優(yōu)化采樣掃描等。

 

 

重建

原始掃描數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)計(jì)算機(jī)采用特定的算法處理,得到能夠用于診斷的圖像,這種處理方法或過(guò)程稱(chēng)為重建(reconstruction)。圖像重建速度是衡量CT機(jī)性能的一個(gè)重要指標(biāo)。

 

 

重建函數(shù)核

重建函數(shù)核(kernel)又稱(chēng)重建濾波器、濾波函數(shù)。CT掃描通常會(huì)包含一些必要的參數(shù),如球管的電壓、電流、層厚等,重建函數(shù)核是其中一個(gè)重要內(nèi)容。它是一種算法函數(shù),決定或影響圖像的分辨率和噪聲等。常見(jiàn)的重建函數(shù)核有高分辨率、標(biāo)準(zhǔn)和軟組織3種模式:高分辨率模式是一種強(qiáng)化邊緣、輪廓的函數(shù),能夠提高分辨率,但是圖像噪聲也相應(yīng)增加;軟組織模式是一種平滑、柔和的函數(shù),圖像對(duì)比度下降,噪聲減少,密度分辨率提高;標(biāo)準(zhǔn)模式則是沒(méi)有任何強(qiáng)化或柔和作用的算法。

 

 

重組

重組(reformation)是不涉及原始數(shù)據(jù)處理的一種圖像處理方法,如多平面重組、三維圖像處理等,即,在橫斷面圖像的基礎(chǔ)上,重新組合或構(gòu)建成三維影像。由于使用已形成的橫斷面圖像,因此重組圖像的質(zhì)量與已形成的橫斷面圖像有密切關(guān)系。

 

 

窗口

窗口(window)是根據(jù)人眼的視覺(jué)特性采用計(jì)算機(jī)設(shè)置的不同灰度標(biāo)尺。窗口的設(shè)置包括了全部約4000個(gè)CT值范圍,根據(jù)人眼的需要可相應(yīng)調(diào)節(jié),以適應(yīng)診斷需要。窗口技術(shù)通常采用窗寬和窗位的設(shè)置來(lái)調(diào)節(jié),窗寬以WWidth)表示,窗位以LLevel)或 CCenter)表示。

 

 

定位掃描

定位掃描(Scout View)是用于確定后續(xù)精細(xì)掃描 區(qū)域的初掃。

 

 

多平面重組

多平面重組(multi-planar reformation,MPR)把體素重新排列,在二維屏幕上顯示任意方向上的斷面。CT采集的一組斷層圖像,通過(guò)計(jì)算機(jī)處理后形成各向體素間距相同的三維容積數(shù)據(jù),然后用正交的3個(gè)平面(冠狀面、矢狀面和橫斷面)截取三維數(shù)據(jù),生成3幅二維斷層圖像。操作者用鼠標(biāo)移動(dòng)3個(gè)平面的位置,使3幅圖像隨之產(chǎn)生協(xié)同變化。

 

 

分辨率

分辨率包括空間分辨率(spatial resolution)、密度分辨率(density resolution)和時(shí)間分辨率(temporal resolution)。空間分辨率是CT機(jī)在高對(duì)比度情況下分辨相鄰2個(gè)zui小物體的能力,有每厘米包含線對(duì)數(shù)(LP/cm)和毫米線徑(mm2 種表示方法??臻g分辨率應(yīng)該在10%MTF的前提下進(jìn)行比較,目前CT的分辨率在15LP/cm10%MTF)左右。密度分辨率是CT機(jī)在低對(duì)比度情況下分辨相鄰2個(gè)zui小物體的能力,表示方法是某一物體尺寸時(shí)密度的百分比濃度差,例如一個(gè)3mm的物體,密度分辨率是3%,通常CT密度分辨率范圍是0.25%0.5%/1.53mm。時(shí)間分辨率是CT機(jī)在單位時(shí)間內(nèi)采集圖像的幀數(shù),表示動(dòng)態(tài)掃描能力。在一般情況下,分辨率就是指空間分辨率。

 

 

分離

分離(separation)是指將一個(gè)完整的三維容積圖像分為幾個(gè)部分的過(guò)程,與圖像合并(combination)相對(duì)。

 

 

傅立葉變換

傅立葉變換(Fourier transform)是圖像重建方法的一種,是一種將空間信號(hào)轉(zhuǎn)換為頻率信號(hào)的數(shù)學(xué)方法,可以將一個(gè)空間信號(hào)轉(zhuǎn)換為具有不同頻率和幅度的正弦和余弦函數(shù)。

 

 

輻射劑量

CT等成像設(shè)備使用過(guò)程中,操作人員和受檢動(dòng)物都需要注意射線防護(hù)。目前,通行的輻射劑量度量方法有以下幾種:

l 照射量(exposure),指直接度量X射線對(duì)空氣電離能力的量,表示輻射場(chǎng)強(qiáng)度,從電荷量的角度來(lái)反映射線強(qiáng)度。單位是庫(kù)侖?千克-1C?kg1)或倫琴(R);

l 吸收劑量(absorbed dose),指每單位質(zhì)量的被照射物質(zhì)所吸收任何電離輻射的評(píng)價(jià)能量,從能量角度反映照射量。單位是戈瑞(Gy)或拉德(rad)。

l 劑量當(dāng)量(dose equivalent),即使在吸收劑量相同的情況下,不同輻射類(lèi)型所產(chǎn)生的生物效應(yīng)的嚴(yán)重性各不相同,為了便于比較,引入劑量當(dāng)量這一概念。它是采用適當(dāng)?shù)男拚蜃訉?duì)吸收劑量進(jìn)行加權(quán),使修正后的吸收劑量更能反映輻射對(duì)肌體的危害程度。單位是希沃特(Sv)或雷姆(rem)。

因此,劑量當(dāng)量(Sv)比吸收劑量(Gy)或照射量(C?kg1)更能反映CT機(jī)的X射線對(duì)人體的危害程度。通常情況下,自然環(huán)境輻射1-10mSv/年,全身CT掃描約10mSv/次,乘坐一次 越洋飛機(jī)接受的輻射<5μSv。

 

 

光線跟蹤

在醫(yī)學(xué)圖像顯示過(guò)程中,通常采用陰影和光線來(lái)加強(qiáng)表現(xiàn)三維圖像中物體的立體感,zui常見(jiàn)的光線應(yīng)用方法是光線跟蹤法(ray tracing)。

 

 

灰階

灰階(gray level/scale)是根據(jù)像素的CT值在圖像上顯示的一段不同亮度的信號(hào),把從白色到黑色之間的灰度分成若干等級(jí),則稱(chēng)為灰階或灰度級(jí)。人眼一般只能識(shí)別40級(jí)左右連續(xù)的灰階,而組織密度灰階差要大得多。在CT圖像顯示技術(shù)中,常通過(guò)窗口技術(shù)對(duì)窗寬、窗位進(jìn)行調(diào)節(jié),以適應(yīng)視覺(jué)的*范圍。

 

 

甲狀旁腺激素

甲狀旁腺激素(parathyroid hormone , PTH)是肽類(lèi)激素,主要功能是影響體內(nèi)質(zhì)鈣與磷的代謝,作用于骨細(xì)胞和破骨細(xì)胞,使骨鹽溶解,從骨動(dòng)員鈣,使血液中鈣離子濃度增高,同時(shí)還作用于腸及腎小管,使鈣的吸收增加,從而維持血鈣的穩(wěn)定。若甲狀旁腺分泌功能低下,血鈣濃度降低,出現(xiàn)手足抽搐癥;如果功能亢進(jìn),則引起骨質(zhì)過(guò)度吸收,容易發(fā)生骨折。

 

 

矩陣

矩陣(matrix)是像素以二維方式排列的陣列,與重建后圖像的質(zhì)量有關(guān)。在相同大小的采樣野中,矩陣越大像素也就越多,重建后圖像質(zhì)量越高。目前常用的矩陣尺寸有512×5121024×1024 2048×2048。

 

 

卷積

卷積(convolution)是圖像重建運(yùn)算處理的重要步驟。卷積處理通常需要使用濾波函數(shù)來(lái)修正圖像,卷積結(jié)束后形成一個(gè)新的用于圖像重建的投影數(shù)據(jù)。

 

 

美國(guó)機(jī)械

工程師協(xié)會(huì)

美國(guó)機(jī)械工程師協(xié)會(huì)(the American Society of Mechanical Engineers,ASME)創(chuàng)立于1880年,是一個(gè)非盈利性的教育和技術(shù)組織,服務(wù)于來(lái)自世界各地12.5萬(wàn)的會(huì)員。其擁有的出版機(jī)構(gòu)是世界上zui大的專(zhuān)業(yè)性出版機(jī)構(gòu)之一,制定多種工業(yè)和制造業(yè)標(biāo)準(zhǔn),出版物例如 Journal of Biomechanical Engineering。

 

 

逆向工程

針對(duì)通常情況下由模型到實(shí)物的設(shè)計(jì)步驟,從實(shí)體產(chǎn)生模型再進(jìn)行制造的過(guò)程稱(chēng)為逆向工程(Reverse Engineering,RE)。標(biāo)準(zhǔn)的逆向工程定義為:分析目標(biāo)系統(tǒng),認(rèn)定系統(tǒng)的構(gòu)件及其交互關(guān)系,并且通過(guò)高層抽象或其他形式來(lái)展現(xiàn)目標(biāo)系統(tǒng)的過(guò)程。

 

 

配準(zhǔn)

配準(zhǔn)(registration)的過(guò)程就是尋求兩幅圖像間一對(duì)一映射的過(guò)程,即,將兩幅圖像中對(duì)應(yīng)于空間同一位置的點(diǎn)起來(lái)。圖像配準(zhǔn)通常是圖像融合(infusion)的前提條件。

 

 

容積掃描

由于螺旋CT的速度大大快于非螺旋CT,而且采集的往往是一個(gè)器官的掃描數(shù)據(jù) (容積采集區(qū)段)而不是一個(gè)層面的數(shù)據(jù),因此這種掃描方法稱(chēng)為容積掃描(volume scanning)。

 

 

容積再現(xiàn)

容積再現(xiàn)(volume rendering, VR)是顯示物體完整三維圖像的方法。與表面再現(xiàn)相比,對(duì)計(jì)算機(jī)要求較高,但是保留了物體內(nèi)部結(jié)構(gòu)信息。

 

 

軟射線

軟射線能量較低,較易為人體吸收,對(duì)人體危害大,而在CT成像中基本沒(méi)有作用。硬射線能量比較高,大部分可以直接穿透人體,人體吸收少、危害小,CT成像主要依靠硬X射線。CT機(jī)中的楔形補(bǔ)償器或?yàn)V過(guò)器,就起到阻擋軟X線、通透硬X線的目的,將球管產(chǎn)生的多能譜X線濾過(guò)成均一的硬X線。鎢靶X 射線管發(fā)射的稱(chēng)為硬射線,相對(duì)而言鉬銠等低原子序數(shù)陽(yáng)極靶材料制成的X 射線管發(fā)射的稱(chēng)為軟射線,它們發(fā)射的X 射線波長(zhǎng)較長(zhǎng)、穿透力較弱、衰減系數(shù)較高。

 

 

三維可視化

由于人眼的解剖結(jié)構(gòu)限制,人類(lèi)無(wú)法真正直接觀察三維物體,而在顯示器屏幕上看到的三維圖像,都是計(jì)算機(jī)模擬三維顯示效果產(chǎn)生的。根據(jù)XY、Z軸的直角坐標(biāo)體系,人們能夠在3個(gè)坐標(biāo)軸方向上對(duì)圖像做任意旋轉(zhuǎn),借助于軟件處理,能夠看到物體的前、后、頂、底的三維空間投影圖像。這種三維顯示方法,在圖像處理專(zhuān)業(yè)術(shù)語(yǔ)中稱(chēng)為三維可視化(3D visualization),在醫(yī)學(xué)上稱(chēng)為三維成像。

 

 

算法

算法(algorithm)是針對(duì)特定輸入和輸出的一組規(guī)則。算法的主要特征是不能有任何模糊的定義,算法規(guī)則描述的步驟必須是簡(jiǎn)單、易操作并且概念明確,而且能夠有計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)。

 

 

提取

提?。?/span>segmentation)是指將圖像中具有特殊涵義的不同區(qū)域區(qū)分開(kāi),這些區(qū)域是互不交叉的,每個(gè)區(qū)域都滿足特定區(qū)域的一致性。在圖像處理中,分割是選擇感興趣區(qū)的方法之一,通常通過(guò)設(shè)定上下閾值、區(qū)域生長(zhǎng)、自動(dòng)邊緣檢測(cè)或者定義三維輪廓線(contour)等多種方式來(lái)實(shí)現(xiàn)。這種方法有時(shí)也被稱(chēng)為 extraction

 

 

體模

體模(phantom)是在CT等成像設(shè)備中用于校準(zhǔn)的標(biāo)準(zhǔn)品,CT的體模通常由多個(gè)已知不同密度的羥基磷灰石組成。

 

 

體素

CT掃描中,根據(jù)斷層設(shè)置的厚度和矩陣的大小,能被CT掃描的zui小體積單位稱(chēng)為體素(voxel)。體素由長(zhǎng)、寬、高三要素表示,能任意表示物體的顏色、透明度、密度、強(qiáng)度、形變和時(shí)間,與此對(duì)應(yīng)的是二維圖像中的像素(pixel)。

 

 

偽影

偽影(artifact)是由于設(shè)備或患者造成的、與掃描物體無(wú)關(guān)的影像,在圖像中表現(xiàn)的形狀各異,并會(huì)影響診斷的準(zhǔn)確性。偽影例如患者移動(dòng)造成的運(yùn)動(dòng)偽影、金屬物造成的放射狀偽影、多能譜X線造成的射線硬化偽影、層厚過(guò)大引起的部分容積效應(yīng)偽影等。

 

 

像素

像素(pixel)是構(gòu)成CT圖像的zui小單位,與體素相對(duì)應(yīng),體素的大小在CT圖像上的表現(xiàn),即為像素。

 

 

信噪比

信噪比(signal/noise ratioSNR)即信號(hào)和噪聲的比值。任何一種信號(hào)中都會(huì)包含噪聲,但信號(hào)和噪聲之間的比值不同。在實(shí)際應(yīng)用中,該比值越大,噪聲的含量就越小,信息傳遞的質(zhì)量就越高。

 

 

硬射線

見(jiàn)“軟射線”。

 

 

原始數(shù)據(jù)

原始數(shù)據(jù)(raw data)是對(duì)物體進(jìn)行掃描后由探測(cè)器接收到的信號(hào),經(jīng)模數(shù)轉(zhuǎn)換后傳送給計(jì)算機(jī),其間已轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)未經(jīng)圖像重建處理的這部分?jǐn)?shù)據(jù)被稱(chēng)為原始數(shù)據(jù)。

 

 

再現(xiàn)

再現(xiàn)或三維再現(xiàn)(rendering),以二維形式顯示三維圖像的方法,即在顯示器上顯示三維離體圖像,通過(guò)映像、檢驗(yàn)和投影重組3個(gè)主要步驟來(lái)實(shí)現(xiàn),有表面再現(xiàn)和容積再現(xiàn)2種算法。為了增加顯示效果,再現(xiàn)過(guò)程中還可加入光線、陰影、質(zhì)地和色彩等屬性。

 

 

噪聲

CT中,噪聲(noise)是一均勻物質(zhì)掃描圖像中各點(diǎn)之間CT值的隨機(jī)波動(dòng),也可看作是圖像矩陣中像素值由于各種原因引起的誤差。

 

 

錐形 X 線束

錐形束是指球管發(fā)出的X射線呈圓錐體狀照射在掃描對(duì)象上,與傳統(tǒng)的扇形X線束 fan beam)相比,采用錐形X線束(cone beam)的CT具有明顯優(yōu)勢(shì),(1)數(shù)據(jù)采集效率高,空間分辨率高,均一性好,(2X線利用率高,可以降低射線劑量,(3)在三維CT應(yīng)用范圍更廣。雖然錐形束CT的重建算法比較復(fù)雜,由于其運(yùn)算量較大,但是隨著近幾年硬件和算法的快速發(fā)展,醫(yī)用及工業(yè)CT正向著中等甚至大錐角三維錐束CT過(guò)渡。

 

 

zui大密度投影

投影是把三維信息壓縮到二維的常用方法。zui大密度投影(maximum intensity projection,MIP)將三維數(shù)據(jù)向任意方向進(jìn)行投影,假想有許多投影線,取投影線經(jīng)過(guò)的所有體素中zui大的一個(gè)體素值,作為投影結(jié)果圖像的像素值。在投影線上取zui小值,就成為zui小密度投影。前者多用于顯示高密度影,如血管造影,后者多顯示低密度影,如氣道。

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