在医学CT上,CT值是用来刻画物质对X射线的相对衰减能力的。
这里的相对是相对水而言。
比较物理的讲,物质对X射线的衰减能力的单位是cm-1,即每经过1cm的某物质,其对X射线造成的强度衰减程度,我们通常称之为物质对X射线的线性衰减系数。
显然,物质原子序数越大,对X射线的衰减能力越强(相比于空气而言,自然铁更容易对X射线造成衰减);同样的,X射线的能量越高,就会有更多的X射线光子能够穿过1cm的物质。
因此,在考察物质对X射线的衰减能力的时候,需要分别考察该物质的原子序数以及对应X射线的能量。
在给定物质原子序数和X射线能量之后,另外一个至关重要的因素就是物质密度。显然,在100KeV的X射线能量下,水比空气更能够对X射线造成衰减,虽然从微观上来说都是H2O。
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所以,划重点:物质本身的原子序数、X射线能量、物质密度是决定宏观物质对X射线衰减能量的3个关键因素。
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在有了上述物理基础之后,我们现在可以针对医学CT来看。
一般来说,人体内部的物质可以大致分为如下几种:空气(如肺部等),软组织(肌肉,脂肪等),骨头和金属(通常是金属植入物,如金属牙等)。
其中,对于空气、软组织和骨头这些常见的物质,虽然他们不是单质,但是我们可以认为其等价原子序数和水的等价原子数序相当。
此外,临床上常用的X射线能量范围在80-140KeV左右,也比较固定。
因此,三个因素中的2个固定了,剩下的一个就是物质密度。由此可见,医学CT通常是通过物质密度来对物质进行区分的。
现在来看看典型值:在临床X射线能量范围内,水的线性衰减系数为0.2cm-1,肌肉为0.2~0.21cm-1,脂肪为0.18cm-1左右,空气在0左右,骨头在0.3~0.4cm-1左右。
记这些值比较麻烦,远不如记100,200这种整数来得容易。
观察这些值可以发现,这些值都在水附近,所以临床上通常使用某物质与水之间的相对值来衡量物质的衰减能力,即(物质衰减能力-水衰减能力)/(水衰减能力-空气衰减能力)*1000,其中水衰减能力在0.2左右,空气为0左右。
为了纪念第一个发明CT机的科学家Housfield,我们将这个相对值的单位记为HU。而这个相对值即为CT值。
这样一来,可以得出:空气的CT值为-1000HU左右,水是0HU,脂肪是-100HU左右,肌肉是50HU左右,骨头则是500~1000HU左右。这些值就好记多了。
所以,结论是:
1:在医学上,由于X射线能量比较固定,有效原子序数也比较固定,CT值就基本上刻画的是不同组织的密度差异性。
2:如何测量?这是CT图像重建的范畴了。X射线扫描得到投影图像,根据投影图像反演出人体每点的线性衰减系数,带入上述公式,计算得到每一个点的CT值。
(注意,上述所有的值都是一些粗略的近似,实际情况则需要实际考察。例如不同部位所使用的X射线能量不同等等。为了易于理解,上述表述也不尽严谨,欢迎讨论~)