成都华西华科研究所分析micro-CTX线检查物理原理与QCT骨密度软件体模检测

1.  X射线对物体的作用X射线足象光线一样的电 磁射线，但是它具冇更高的光子能童。像X射线这类的 放射线想要成像，就必须冇部分射线能穿过被投照物体， 而同时又冇部分射线吸收停留在物体内部。例如，X线 设备所发出的X线将无法对气体进行显影（因为全部射 线穿过而没有停留），也无法对厚达数公分的铅板显影 (因为射线完全被吸收了）。所以部分射线穿过而部分吸 收足对被投照物体进行M影的首要条件。

如果全部被投照物体有宥相同的X线吸收率，其影 像将是均匀一致的灰影，这也奄无临床意义。W此想要 让被投照物体产生有临床价值的内部结构影橡，其第二 个条件就是不同的吸收宇，也就是说物体的不N部分有 不同的X线吸收率，N时每一部分的吸收率都能足以产 生影像。只有不同的X线吸收率才能通过使用micro- CT产生最精细的三维内部影像。

利用这一原理对冇着不同X线吸收率的物体的不同部分进行成像的结果是产生了投照影橡。投照影像是 micro-CT进行三维重建的基础影像。需要牢记的一点 是投照影像的质最，比如对比度、信噪比等数值将直接关 系到三维重述的图像质量。因此在进行micro-CT检査 时，调整扫描参数获得嵌佳的投照影像是至关東要的。

下面有必要对X线如何工作显影的基本物理原理进 行简单介绍。在X线与物体之间相互作用关系中有三个 最重要的方式：光电吸收、康荇顿散射和电子偶形成图 14 - 3。它们的发生取决于两个因素：X线能fi和吸收X 线物体的原子序数，如图14-3所示。光驻极体的吸收 是低能光子的土要作用力式，特别是在原子数卨的区域₉ 光电吸收的审要特性是X线在相互作用中常常会丧失掉 全部能里。其可以成为人射X线淸道夫的这一特点，使 光电吸收成为micro-CT成像的首选作用方式。与此不 间的是康普顿散射，它可以使人射X线改变路线偏芮放 射源，而如果这些敝射光子被X线照像设备捕捉到，就会 形成伪影。第三种方式即电子偶形成只在光子能缳>1 MeV时才会发生，因此与micro-CT无关。

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图14-3 X射线或y射线的三种®饗的相互作用的方式 由吸收的原子数（Z)和光子能置（hv)决定。系数^，^和^

分别表示发生光电吸收、康普顿败射和电子偶形成的几串(来源于 The Atomic Nucleus by R. D. Evans 1955. >

实际上在micro-CT成象过程中，高原子数和低能 X线可以使光电吸收现象更加明M,从而产生史加梢细 的图像。而对于所有的micro-CT设备来说，骨骼的光 电吸收现象非常突出，这就是骨骼成为micro-CT检査 的理想对象的原因。然而，micr〇-CT系统的X线电压 较低，它在增加光电吸收现象同时也使得传输图像的对 比度增加。

太低的电压会使得传输图像变成黑屏，而且信号太 低无法被相机获取。这时需要对每一种不同的被投照物 体进行分析以找到适宜的平衡点。举一个典甩的例子， 对于小型啮鼠动物或是临床活体骨骼标本来说，最适宜 的管电压是40〜60 kV。而大沏哺乳动物的骨骷或是大 块厚皮质骨的适宜电压是70〜100kV。光电吸收的另一个重要特性是其对原子数最非常敏 感。一般来说：

常最  (1)这里r是光电吸收系数，Z是原子数量，n通常为 4~5,E代表X线光子能播:。实际上Z值上升至4〜5 时，意味着光电吸收对原子数摄的变化非常敏感。这一 现象是micro-CT成像的核心原理，也是micro-CT影 像产生对比度变化的基础。它使得在动物的骨骼和软组 织的彩像有着完全不同的对比度。在里童上#骼只是软 组织的不到两倍，但因为Ca的2：值为20,因此骨骼和软 组织的X线吸收率有着显著差异。

光电吸收的Z值依赖性实际上成为X线成像的首 要原理。这意味笤科研人员应首先了解被micro-CT检 査的对象的组成成分的平均原子数最差异。

最后要讨论的是X线吸收问题，即公式中的指数。 也就M说，如果某种厚度的一件物体能吸收一半的X线， 那么比它厚一倍的同种物体是不会吸收全部X线，而是 只吸收3/4X线。同理，三倍厚度的同种物体将会吸收 7/8的X线，依此类推。

2.  micro-CT成像的基本条件一切成象技术的通 用基本条件也适用于micro-CT，例如对比度、亮度、信 号的信噪比。想要获得最佳的骨骼micro-CT成像效果 就要严格遵循micro-CT系统供应商关于这些方面的设 备指令。我们已经了解了低电压可以改奔对比度，但同 时会降低亮度。micro-CT的X线源是由非常小的点组 成，通常直径为5〜8_Hm,这一点严格限制了 X线源的最 大能量和X线流最，因此噪声干扰就成为micro-CT成 像中一个特别审要的问題。通常情况下，X线背景成像 的信号/噪声比值应为饱合fi的40%〜60%为最佳。但 有时，对于活体检査往往要求在短节段内获得高解析度， 从而使信号/噪声比值不得不低干这一水平。减少旋转 步进的幅度并增加均帧可以增强均帧信号噪声比，同时 也增加扫描的时间。这也是进行每一项骨骼micro-CT 检査需要寻找的另一平衡点。

有一些图像伪影是CT所特有的，例如环戒样伪影 和射线束硬化现象。环戒样伪影由投照相机的几何旋转 增强产生，可以利用傅里叶分析技术来使之减少。射线 束硬化现象是micro-CT的主要问题。它产生于低能和 高能混合X线源的微距发射。在理想状态下，X线源应 是“单色的”，即只产生一种能》的X线源。但实际上X 线具有混合的“多色”能擞，当它穿过固体时低能光子酋 先被去除掉了，使得剩余射线的能贵光谱渐进性的持续 增高，这一现象在X线物理中称为射线束硬化现象◊其 中“硬化”一词是指高能熳。使用同步加速器CT可以产 生单能X线，使用这一特殊装置的X线发生装*可以大 辐扩展CT的临床应用范围。但这一方法无法应用于 micro-CT上，因为微焦距发射灌霈要使用的材料一 钨靶，会在发射过程中产生大贵的高能X线图14-4。 这一现象是micro-CT的最主要缺点的核心坭因。

射线柬硬化现象对CT成像是不利的。CT影像的 数学®建通常是建立在Feldkamp算法基础上（Feldkamp eta丨.1984),它包括反向投射和回旋。

不_管球电压T的能置散射图14-4由micro-CT傲焦源产生的作用于钨靶的多色 广讲X线能董光谱是micro - CT的射线束硬化现象的来 .源。它可以通过数学方法进行*建程序来减少.通过选择 合适的滤波器和X线能量源来纠正

反向投射来自多角度的物体的影像位迓。回旋通过 选择性的图像减影方法来去除单独使用反向投射时遗留 在物体周边的模糊光晕。Feldkamp算法的基础是假设X 射线通过物体时冇等M的袞减（如前面所述，以指数的方 式）.使得任一单一容墩成分的信号都不依赖于射线的通 过（DUman丨an 1992)。射线束硬化现象则打破r这一假 设，因为逐渐增加的X线原子能里，使得X线在S次作 用于样本时的衰减程度要明显大于这以后射线的成袞减 程度。

射线来硬化现象可以通过软件和坱件的调锒来减 少。重建程序可以有效的纠正错误，减少射线束硬化现 象。在硬件方面，可以在发射源前面放S金属箔来限制 X线能霣的范围，去除能M光谱中的低能部分。问时使 用较低的电压来控制呙能部分。然而有时候在投照低密 度的物体时是需要低能X线的，同样，透照密度卨的物体 时需要高能X线。射线朿硬化现象虽然可以在某种程度 上降到最小，但是是无法从micro-CT的图像中完全去 除的成都华西华科研究所分析研发定量CT QCT骨密度体模软件分析系统  
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