原理-超音波影像实验室.doc

醫用超音波專題期末報告 Ultrasound Computed Tomography 何祚明 陳彥甫 摘要： 在本專題研究報告中，首先介紹過去電腦斷層（Computed Tomography）掃瞄的發展歷史，並且希望用超音波在不同組織物體間傳遞速度的不同，以類似傳統X-ray CT的影像重建方式，加以觀察組織物體中的二維速度分佈（velocity profile）影像。在重建影像的方式上，分別一般臨床儀器中常用的代數疊代法Algebraic Reconstruction Technique，ART）、直接傅立葉轉換法、逆投影影像重建法等方法針對簡單的幾何圖形模擬並重建其速度分佈影像。此外，亦使用胸部組織仿體、橡膠球、橡皮擦等三種不同的影像仿體，實際取得實驗數據，以驗證不同的影像重建方法所得到的速度分佈影像。從實驗結果得知以上三種重建影像的方法中，前兩種重建方式在模擬及實驗情形都可以正確無誤的將其速度變異性表示成二維影像，而逆投影影像重建法仍無法重建回正確的速度分佈影像。 壹、CT介紹＆掃瞄架構： 早在1950年代，Allan M. Cormack便開始探討各種CT的原理；但直到1960年代末期，英國EMI公司的實驗中心才根據Cormack原理，嘗試建立一套CT設備。Godfrey Hounsfield是整個實驗計畫的主持人，1971年他所領導的工作小組建立了第一套CT系統，並於1972年春正式發表頭部的CT影像。由於掃瞄範圍的限制，早期CT僅用於頭部斷層檢查；到了1976年，Robert Ledley發展出第一套可以掃瞄軀幹的CT系統。從此以後，CT正式在臨床診斷上扮演其無以倫比的重要角色。值得一提的是，Cormark與Hounsfeild更因在CT發展上的傑出貢獻，1979年之諾貝爾醫學獎。一般臨床所提及的CT，指的是以X光為射源所建立的斷層圖，稱為XCT。事實上，任何足以造成影像，並以電腦建立斷層圖的系統，均可稱之為CT；因此除XCT外，尚有超音波CTltrasonic CT），電阻抗CT（lectrical Impedance CT，EICT），單光子放射CT（ingle Photon Emission CT，），以及核磁共振CT（agnetic Resonant Imaging CT，MRICT）等；經過的發展，CT的掃瞄系統已經有了一二三四代之分，甚至有所謂的第五代CT分述如下第一代掃瞄系統：第一代掃瞄方式如圖一所示，是一種單偵測器，平移—旋轉的掃瞄系統（single detector，translate-rotate scanners）。利用聚焦良好的單一X光束，瞄準與之成對偵測器，平移掃瞄一段適當距離，獲取某一角度之完整資訊。如此一再重覆，直至獲得足夠建立剖面圖的資訊為止。通常每旋轉1度掃瞄一次共須掃瞄180次，所須時間約數分鐘。此系統的特性是，每次平移獲取一路徑資訊，每次旋轉則獲取一角度資訊。 圖一 （2）第二代掃瞄系統： 圖二是第二代CT的掃瞄方式為了加速掃瞄，採用平板式X光偵測器，平板上擁有許多個偵測器。就X光源與平板距離而言，除了正對X光源的偵測器外其餘各偵測器分別與X光源有不同夾角。因此系統每平移掃瞄一次，等於同時獲取了許多角度的資訊。舉例而言，若平板上擁有30個偵測器，每個偵測器與X光源夾角相差各一度，則在圖中位置平移掃瞄一次，共可獲得30度的資訊；而下次的平移掃瞄便可距離約30度的（2）處開始。若要完成180度的各角度資訊，只須6次旋轉操作。若平板上有n個偵測器，則此掃瞄方式理論上較諸第一代系統快了n倍之多。在正常系統下，第二代掃瞄速度介於10秒60秒間。此系統的特性是，每次平移獲取一路徑資訊，而每次旋轉則獲取多角度資訊。 圖二 （3）第三代掃瞄系統： 圖三是第三代CT系統的掃瞄方式此掃瞄方式與第二代掃瞄器的主要差異，乃是以凹面的偵測器排列，代替了平板式的偵測器。雖然設備上僅做了微量的改變，但對整個CT系統的進步是一大突。凹面偵測器蓋相當大的範圍，足以接受所有穿透掃瞄部位的X光。而凹面的排列方式，使各偵測器與X光源垂直；因而每次曝光時，各偵測器所獲得的資訊，就等於平移掃瞄所獲得的資訊。因此，第三代CT掃瞄不再有平移的操作；每次曝光便獲取多路徑的資訊，而每次旋轉則獲取一角度的資訊。由於省略了平移掃瞄的操作，大大的降低了掃瞄操作的時間；第三代CT掃瞄一剖面資料，僅需數秒而已。 圖三 （4）第四代掃瞄系統： 在第三代以前的CT系統，不管如何掃瞄，X光源與偵測器總是構成一套旋轉組合，沿著掃瞄剖面旋轉。到了第四代CT系統裡，呈環狀排列的偵測器，不再隨X光源旋轉；其掃瞄方式與第三