（生物医学工程专业论文）CT设备的故障分析及故障预防.pdf

第一军医大学硕士学位论文2 、对c t 设备的故障进行分类，逐个给出每类故障具体的预防方法和措施。关键词：c t ；故障分析；故障预防；故障维修a b s t r a c tc ti so n eo ft h em o s ta d v a n c e da n dm o s te x t e n s i v e l ya p p l l e dm e d i c a li m a g i n ge q u i p m e n to nt h ew o r l d s i n c e2 1 s tc e n t u r y ，t h ed e v e l o p m e n to f c tt e c h n o l o g yh a sc h a n g e dw i t he a c hp a s s i n gd a y n e wm o d e lc te q u i p m e n t sw e r ep u b l i s h e dc o n t i n u o u s l y s i n g l er o ws p i r a lc tw a sr e p l a c e db ym u l t ir o ws p i r a lc tr a p i d l y t h ef u n c t i o n so fc ti n c r e a s eu n c e a s i n g l ya n dt h es p e e do fs c a na c c e l c r a t e sc o n t i n u o u s l y ，b u ti t so v e r a l lp r i c ed r o py e a rb yy e a r w i t ht h ef a s td e v e l o p m e n to fe c o n o m yo fo u rc o u n t r y ，h i g hg r a d ec ts y s t e m sw e r ep o p u l a r l ya p p l i e di nd i f f e r e n tl e v e l sh o s p i t a li no u rc o u n t r y ，a n ds t iuh a v et h et e n d e n c yo fu n c e a s i n ga c c e l e r a t i o n b u tt h et e c h n i c a lr e s e a r c hf o rm a i n t e n a n c ea n ds e r v i c eo fc te q u i p m e n td o e sn o tc a t c hu pw i t bi nt i m e ，t h eo w nm a i n t e n a n e et e c h n i c i a no fh o s p i t a li sv e r yf e wt ob ea b l et og e tt h eo p p o r t u n i t yo ft e c h n i c a lt r a i n i n g a l o n gw i t hm i c r o e l e c t r o n i c st e c h n o l o g ya n dc o m p u t e rt e c h n o l o g yd e v e l o pf a s t ，i nc te q u i p m e n t ，t h ei n t e g r a t e dd e g r e eo fe a c hp a r t si sm o r ea n dm o r eh i g h ，s o f t w a r ea n dh a r d w a r ei n t e r f u s i o ne a c ho t h e r ，t h es p a c et h a tm a i n t e n a n c et e c h n i c i a nd e v e l o p sb e c o m el i t t l ea n dl i t t l e a n dt h i sc a u s em a n yt e c h n i c a lp e o p l ew h oe n g a g ei nc te q u i p m e n tm a i n t e n a n c ei nh o s p i t a lr u no f fg r a d u a l l y al o to fh o s p i t a l sh a v et os p e n dah u g es u mo fc a p i t a le v e r yy e a rt op u r c h a s et h eg u a r a n t e eo fc tc o m p a n i e s ，w h i c hb r i n g sh e a v ye c o n o m i cb u r d e nt og e n e r a lh o s p i t a le s p e c i a l l ym e d i u mo rs m a l lh o s p i t a l s n o w ，s e r v i c ea n dt h ed a i l ym a i n t e n a n c eo fc te q u i p m e n th a v eb e c o m eab i gp r o b l e mw i t hd o m e s t i ch o s p i t a l t h em a j o rp u r p o s eo ft h isp a p e rist or e s e a r c ht h es e r vic ea n dm a i n t e n a n c et e c h n o l o g yo f c te q u i p m e n tu n d e rt h ee x i s t i n gt e c h n i c a lc o n d it i o ni no u rc o u n t r y ，t om a k ep a p e rm o r es y s t e m a t i ca n dp r a c t i c a l ，t h i sp a p e rh a sf i r s ti n t r o d u c e dt h ed e v e l o p m e n th i s t o r vo fc te q u i p m e n t ，t h e n ，e l a b o r a t ec o n s t r u c t i o no fs y s t e ma n d t h e第一军医大学硕士学位论文w o r k i n gp r i n c i p l eo fc te q u i p m e n ts y s t e m a t i c a l l y ，i n c l u d i n gt h ep r o p e r t yo fx - r a y ，t h ea b s o r p t i o nl a wo fx - r a yf o rm a t e r i a l s ，t h er e c o n s t r u c t i o np r i n c i p l eo fc ti m a g e ，t h es t r u c t u r eo fs o f t w a r ea n dh a r d w a r ef o rc te q u i p m e n t f i n a l1y ，w it h2c ts y s t e m st h a tw eu s e d ，s t a t i s t i ca n da n a l y s i so fa l lt h em a l f u n c t i o n sw h i c hh a v ec a r r i e do u ti np a s s e d1 0y e a r sw a sg i v e n ，a n da c c o r d i n gt ot h es y s t e m a t i cp a r t so ff a u l tl o c a t e d ，c l a s s i f yt h em a l f u n c t i o n s ，t h e ne l a b o r a t et h e i rw o r k i n gp r i n c i p l eo n eb yo n e ，a n a l y z et h er e g u l a r i t ya n dt h ec h a r a c t e r i s t i co fe a c hm a l f u n c t i o n ，a n dp u tf o r w a r ds p e c i f i cp r e v e n t i o nm e t h o da n dm e a s u r ef o rt h em a l f u n c t i o n t h o u g hc te q u i p m e n tm a l f u n c t i o n sv a r yw i t hd i f f e r e n tm a n u f a c t u r e ra n dd i f f e r e n tm o d e l ，w eb e li e v et h a tb a s e do ni d e n t i c a lc tp r i n c i p l ea n ds i m i l a rc o n s t r u c t i o no fs y s t e m ，t h em a l f u n c t i o n so fc te q u i p m e n t sa r er e g u l a ra n ds o m em a l f u n c t i o n sc a nb ep r e v e n t e d t h e r e f o r e ，t h o u g hi nt h i sp a p e rt h em a l f u n c t i o na n a l y s i sa n ds t a t i s t i c sc o m ef r o ms p e c i f i cm o d e lo fc te q u i p m e n t ，i t se l a b o r a t i o nf o re a c hp a r t sw o r k i n gp r i n c i p l e ，t h em a l f u n c t i o na n a l y s i sa n dt h eg i y e nm e t h o d so fm a l f u n c t i o np r e v e n t i o nw i l la ls oh a sc e r t a i ng u i d a n c ea n dr e f e r e n c em e a n i n gf o ro t h e rm o d e l so fc 1 、e q u i p m e n t t h i sp a p e rh a sf o l l o w i n gi n n o v a t i o np o i n t ：1 s t a t i s t i ca n da n a l y s i so fa l lm a l f u n c t i o n st h a tc a r r i e do u ti n 1 0y e a r sf o rs p e c if i cc te q u i p m e n tw a sg i v e n 2 c l a s s i f ya l lt h em a l f u n c t i o n sf o rc te q u i p m e n t s ：g iv es p e c i f i cp r e v e n t i o nm e t h o df o re a c hk i n do fm a l f u n c t i o no n eb yo n e k e y w o r d ：o t ：m a l f u n c t i o na n a l y s i s ：m a l f u n c t i o np r e v e n t i o nm a l f u n c t i o nr e p a i r s第一章绪论本章首先简要介绍c t 的发展史以及发展过程中先后出现的5 种结构的c t ，近年来c t 技术的新进展，然后提出c t 设备故障分析和预防的概念及其意义，最后阐述本论文所做的工作和要达到的目的。1 1c t 的发展史说到c t ，我们不得不提到x 射线。1 8 9 5 ，德国物理学家伦琴在研究阴极射线管时，为了防止光线外泄，在玻璃管的外层包了一层不透光的纸板，但在黑暗中竟然见到距玻璃管2 米之外的一块浸过氰化铂钡的纸屏风 ，发生了显著的荧光。因此伦琴断定，一定是阴极射线管中发出了一种能穿透不透光物质两人眼又看不见的射线，因为当时还不知道这是一种什么射线，伦琴就以数学上的未知数“x ”来命名，称之为x 射线。后人为了纪念伦琴的功绩，又将x 射线称为伦琴射线。x 射线的发现为c t 的诞生奠定了物质基础。发现x 线后的7 0 多年时间，在医学方丽，x 射线摄影都是一种广泛应用的重要手段，它经历了各种技术上的改进。但是，在c t 发明以前，都是用x 线透过三维物体而用二维胶片来记录。这样，就使大量的信息相互重叠丽难以区分，而且吸收值差别不大的组织也分辨不出来。另外，x线散射的影响也较大，它使照片的对比度受损，这些缺点在c t 发明以前是无法避免的。于是，科学家们一直在探索利用x 线的透射来获得断层照片的可能性。2 0 世纪初有学者提出一种设想，即利用x 线沿着不同的方向来透射物体，然后利用从各个方面上获得的x 线的投影数据来重建图像。1 9 1 7年澳大利亚数学家雷登( r a d o n ) 发表了一篇论文，从数学上证明了此种设想的可行性，即利用对物体在各个方向的投影数据，完全可以重建出物体的二维断面或三维图像。只是因为这种方法计算量非常巨大，当时还没有发明计算机，此种技术只能是纸上谈兵，无法进入实用阶段。1 9 4 5 年，随着计算机的发明，c t 爿开始由理论研究进入到实际研究阶段。以下是第一军医大学硕上学位论文! - ! ! ! 一- ：= ：= = = = = = = = = ：= = ! = = = = = = = ! ! ! = = = = = ! ! = = = =c t 发展阶段具有里程碑意义的事件：1 、1 8 9 5 ，德国物理学家伦琴发现x 线，为c t 的诞生奠定了物质基础。2 、1 9 1 7 年澳大利亚数学家雷登( r a d o n ) 发表了一篇论文，从数学上证明利用对物体在各个方向的投影数据，可以重建出物体的z - 维断面或三维图像。3 、1 9 4 5 年，计算机的发明，为投影重建理论提供了物质基础。4 、1 9 6 3 年，美国物理学家科马克( a m c o r m a c k ) 发表了一篇报告，详细地描述了用x 线投影数据重建图像的数学方法5 、1 9 7 1 年，英国工程师亨氏菲尔德( 1 t o u n d s f i e l d ) 在e m i 公司研制成功了世界上第一台头颅c t 。6 、1 9 7 4 年，美国工程师莱得利( l e d l e y ) 研制成功了世界上第一台全身c t 。从世界上第一台c t 诞生以来的3 0 多年问，随着科技的发展，c t 技术也在不断地改进。有学者根据扫描架的运动方式，将c t 划分为以下5代。第一代c t ：x 射线管采用固定阳极，它所发射的x 射线为笔形线束，线束角为l 3 。x 射线管和探测器固定在一个框架上，随框架一起围绕病人不断地做平移一旋转运动。每次平移时，采集几百个投影数据，然后框架旋转1 3 。，继续平移，采集数据，直到框架旋转到1 8 0 。，完成一次扫描。然后，框架反向旋转，继续做平移一旋转运动，直到框架回到0 。，完成另一次的扫描。这种c t 一般采用两束x 射线束对准两个笔形探测器，每次扫描可同时获得两个相邻的断面图像。每次扫描大约需要3 6 分钟，因此这种c t 只适用于头部的检查。第二代c t ：其结构与第一代c t 基本相同，仍采用平移一旋转的扫描方式，只是x 线束由笔形改为扇形，扇束角一般为1 5 2 5 。，探测器也由几个增加到几十个，框架每次旋转的角度由1 4 3 。增加到1 0 2 0 。，每次扫描时问从几分钟减少到几十秒。因此第二代c t 可用于颅脑和腹部检查。但做腹部检查时，要求病人憋住气，病人比较痛苦。第三代g t ：x 射线管采用旋转阳极，x 射线的扇束角增大到4 5 。左右，涵盖了整个扫描区域，探测器增加到5 0 0 个以上。与第一、二代c t 最大第一章绪论的区别是，机架只需围绕病人旋转，连续采集数据，而无需再做平移运动，这就大大缩短了扫描时间，一般可在5 秒内完成一次数据采集工作，最快的可达0 5 秒。因此第三代c t 可用于全身各部位的检查。在第三代c t 发展的初期，由于旋转部分和固定部分之间的高压电源、低压电源、控制信号和数据信号的传递都是通过电缆来完成的，受电缆长度的限制，机架只能不断地做正向反向旋转来采集数据。由于存在机械的加速减速过程，因此扫描速度受到一定的限制。随着滑环技术的引入，第三代c t 在总体性能上有了质的飞跃。旋转部分和固定部分之间不再需要电缆来传递高压电源、低压电源、控制信号和数据信号，而是通过滑环和碳刷来传递，使机架得以单向连续旋转，而不必再做正向反向旋转，免除了机架的加速和减速过程，使单层的扫描速度最快可达0 5 秒。而且，机架的单向连续旋转，意味着采样可以连续不断，使得一些新的扫描方法，如螺旋扫描、动态扫描、容积扫描、增强触发扫描、c t 透视、c t 血管造影等扫描方法得以实现。第四代c t ：其结构与第三代基本相同，唯一的不同是，探测器固定不动，几千个探测器呈圆周排列在机架的固定部分，扫描时，仅有x 射线管在旋转。单层扫描时间为1 5 秒。这种c t 的缺点是对散射线比较敏感，太多的探测器也增加了机器的成本和机器校正的难度。另外，在图像质量方面，第四代c t 并不比第三代c t 强，因此，这种结构的c t 应用并不广泛。第五代c t ：在结构上与前四代c t 有了根本的区别。它采用电子枪结构。利用电子枪发射电子束，经加速线圈加速，形成高能电子束，高能电子束再通过聚焦和偏转后，射到一个弧形的钨环靶上，激发出x 射线扇束。电子束顺着弧形靶面连续轰击，便产生了环绕病人的x 射线扇束。出几千个探测器组成的探测器环安装在与靶环相对的位置上。由于电子扫描的速度比机械运动的速度炔 ! 导多，因此单次扫描的时间可缩短至5 0 毫秒。通过采用4 个靶环和8 排探测器，可在极短的时问内同时获得8 个层面的图像。第五代c t 的这些特点，使得它特别适用于心脏等运动部位的检查，对于其它部位的检查，它可以有效地消除病人呼吸或不配合所造成的运动伪影。第一军医大学硕士学位论文1 2 现代c t 的新进展2 0 0 0 年以来，随着探测器的发展和大容量x 射线管的采用，多排螺旋c t 进入快速发展阶段，从4 排、8 排、1 6 排很快发展到3 2 排、6 4 排，而且有加速发展的趋势。现在有的厂家正在研制一种所谓“梦幻c t ”，它采用一种宽度达几十厘米的平板探测器，机架每旋转l 圈，可获得二百多幅断层图像。1 3c t 设备故障分析和预防的重要意义随着c t 设备在我国大、中、小医院的逐渐普及，c t 设备的维护和故障维修已成为困扰各家医院的突出问题。由于c t 是目前世界上最先进的大型医疗仪器之一，它集机械、电子、材料、计算机、光学等高科技于一身，加上外国公司出于自身利益对国内用户自己维修设置了诸多障碍，如不提供详细图纸，在机器中设置有时间限制的维修密码等，因此给用户自己维修带来很大的难度，许多医院不得不花巨资买公司的保修，每年需几十万至上百万元，如不买保修，仅工时费每小时就需近千元。如果我们能突破外国公司的技术封锁，依靠自己的技术力量解决大部分的故障，无疑将会给医院带来巨大的经济效益和社会效益。要想依靠自己的力量维修c t ，我们就必须深入理解和掌握c t 设备的工作原理，仔细分析各种故障的前因后果，提出今后预防同类故障的方法和措施。根据2 0 来年维修c t 设备的经验，我们发现c t 设备的许多故障的发生是有先兆的，如预先采取适当的措施，许多故障是可以预防的。1 4 本论文的主要工作和作用本论文首先介绍c t 设备的发展史，然后阐述一般c t 设备的工作原理及系统结构，接着以南方医院所使用的2 台西门子公司的c t 为例，对其投入使用1 0 余年来所出现的故障进行了统计分析，并按故障所处的系统部件进行分类，进一步具体分析c t 设备主要部件的工作原理及其故障的特点和规律，并就这些故障提出预防的方法和措施。我们希望我们的工作能为国内同行提供一些有益的参考和借鉴，起到抛砖引玉的作用。第二章c t 的_ c 作原理及系统结构第二章c t 的工作原理及其系统结构本章首先概述c t 的工作原理，然后介绍构成c t 基础的x 射线和图像重建原理，最后介绍c t 的系统结构，包括软件和硬件的结构。2 1c t 原理概述c t 是利用x 射线的穿透特性，让x 射线束围绕着被扫描物体的某个层面旋转，从而对该层面进行各个方向的扫描，并利用x 射线探测器同步接收该层面在各个方向上的x 射线透过量。探测器测得的模拟信号被送到采样电路进行模数转换，转换成计算机可识别的数字信号。这些数字信号代表的是该层面在各个方向上对x 射线的衰减值或吸收值。这些吸收值被送到图像重建处理器，进行分析和处理，分解出该层面内每个点的吸收值，然后将这些吸收值按其原来的空间位置排列成数字矩阵，数字矩阵中的每一项与图像中的一个像素相对应。最后将数字矩阵转换成相应的亮度信号，送到显示器去显示出来，便成为一幅完整的c t 图像。2 2x 射线的本质及特性2 2 1x 射线的本质1 8 9 5 年伦琴在研究阴极射线管时所发现的x 射线是如何产生呢? 后人经几十年的研究与实验，揭示了伦琴当时所发现的x 射线，是由于阴极射线高速撞击到阴极射线管的玻璃壁而产生的，那么，为什么阴极射线撞击玻璃壁会产生x 射线呢?我们知道，世界上一切物质都是由分子组成的，分子又是由更小的粒子一原子组成的，而原子又是由原子核和围绕原子核旋转的电子所组成。原子核带正电荷，电子带负电荷，它们所带的正负电荷总量相等，相互抵消，因此原子在正常状态下呈中性。另外，原子核还可再细分为质子和中子，质子带正电，中子不带电。不同的元素，其原子结构是不同的，如氢原子由1 个质子、i 个中子和1 个电子组成，氦原予由2 个质子、2 个中子和两个电子组成，氧原予由8 个质子、8 个中子和8 个电子组成，分两第一军医大学碘十学位论文层排列。根据原子结构的电子壳层理论，原子结构类似于一个小行星系( 见图2 1 ) ，中心是原子核，由质子和中子组成，原子核外有1 至7 层绕核运转的电子，原子核带正电，电子带负电。由于原子核和电子之间的相互作用力的制约，每一绕行电子都有一定的运行轨道，这些轨道组成一系列壳层，从里向外数分别称为k 层、l 层、m 层、n 层、0 层、p 层、q 层。壳层与电子具有以下特性：l 、电子的壳层是从里向外数的，也就是说最靠近原子核的是第一层，也称为k 层。2 、每一层最多只能容纳一定数目的电子，其规律为：第n 层所能容纳的最多电子个数为：2 n 2 ，按照这个规律，1 至7 层所能排列的最大电子数目分别为：2 ，8 ，1 8 ，3 2 ，5 0 ，7 2 ，9 8 。3 、每一层都有其特定的能级，能级从外到里逐层递减。也就是说最外层的电子能级最高，最内层的电子能级最低。电子总是倾向于取最低能级，也就是说优先占据较低能级的壳层，但同时必须符合第n 层电子数目不能超过的2 n 2 规律。排满较低能级的壳层后，再排较高能级的壳层。图2 1 原子结构图6 第二章c t 的工作原理及系统结构当高速运动的电子撞击原予时，会产生两种幅射现象：韧致辐射和标识辐射，这两种辐射合在一起，就构成了我们所说的x 射线。所谓韧致辐射，是指高速运动的电子在撞击靶物质的原子时，在靶物质原子核电场的作用下，其运动方向被改变，速度被降低，所损失的动能有一部分转化为光子辐射出击，这种由于高速运动的电子和靶物质原子核电场相互作用引起的辐射，我们称为韧致轴射，其波长与加速电压的关系如下： ：堡三。1 2 4 0 。! 尚evv其中e 一电子的电荷量h - - 普朗克常数c 一光速v 一电子的加速电压由上式可知加速电压越高，电子的能量越大，辐射的波长越短，穿透力越强。所谓标识辐射，是指当高速运动的电子撞击靶物质的原子时，与原子的内层电子发生碰撞，将原来的电子轰脱原子。当原子内层失去一个的电子后，具有较高能级的外层电子就要填补内层电子的空位，同时释放其多余的能量。这种由于电子从外层向内层跃迂而引起的能量辐射，我们称之为标识辐射。显然，当k 层失去电子时，k 层外的各层轨道上的电子都有可能来填补k 层的空位。因此标识辐射不是唯一的，每一层轨道都有多种标识辐射。如l 层跃迁到k 层所产生的标识辐射称为k 。辐射，由m 层跃迁到k 层所产生的标识辐射称为k 。辐射，由n 层跃迁到k 层所产生的标识辐射称为k，辐射。同样，对l 层有l 。、l 。、l ，辐射；对m 层有m 。、m 。m 。辐射。人类经过多年的研究与实验，证明x 射线是一种高能量的光子束，它与光波、无线电波等并无本质的区别，均同属电磁波。只是它的波长比可见光短，介于紫外线和y 射线之间，因此人用肉眼看不见x 射线。第一军医 学硕士学位论文2 2 2x 射线的特性与普通光线一样，x 射线也具有波一粒二重性，每个x 射线光子都具有一定的能量，并以光速传播，同时服从光的反射、折射、散射和衍射等规律。但是，由于x 射线光子的能量很大，因此它还具有普通光线所没有的性质，在与物质相互作用时，x 射线具有以下几种主要特性：1 、物理特性( 1 ) 穿透作用：x 射线的波长很短，对各种物质都具有不同程度的穿透能力。( 2 ) 荧光作用：某些物质( 如磷、铂氢化钠、硫化锌、钨酸钙等) ，受x 射线照射后，会激发出荧光，当x 射线撤离后，荧光还会持续一段时间。( 3 ) 电离作用：具有足够能量的x 射线光子可以从原子中轰脱电子，从而产生一次电离。脱离了原子的电子也能与其它原子发生碰撞，产生二次电离。大部分c t 设备的探测器就是根据气体电离的原理制成的。2 、化学特性( 1 ) 感光作用：x 射线象可见光一样，呵使摄影用的胶片感光。( 2 ) 脱水作用：某些物质受x 射线长期照射后，因结晶体脱水而改变颜色，如荧光屏、增感纸、铅玻璃等，受x 射线长期照射后都会逐渐变色。3 、其它效应( 1 ) 光电效应：x 射线光子将能量传递给原子的内层电子，其中一部分能量使内层电子克服原子核电场的束缚而脱离轨道，成为光电子；另一部分能量则转换成光电子的动能而被带走。( 2 ) 康普顿散射：入射的x 射线光子与物质的外层电子相碰撞，光子的一部分能量传给电子，将电子从原子中轰脱，成为反冲电子；碰撞后的光子损失了部分能量，波长增大且运动方向被改变，成为散射光子。( 3 ) 电子对的产生：按照爱因斯坦的物质质量能量联系定律，与1个电子的静止质量相联系的能量是0 5 1 1 m e v 。当能量大于1 0 2 2 m e v 的x射线光子进入物质的原子核时，受到原子核的电场作用，它会突然消失而转换成1 个正电子和1 个负电子，这一过程称为电子对的产生。超出第二章c t 的工作原理及系统结构1 0 2 2 眦e v 的那部分光子能量，将成为新产生的电子对的动能。2 3 物质对x 射线的吸收规律当x 射线穿透介质时，由于各种吸收和散射而被衰减( 图2 2 ) ，其衰减规律为：i = t o e 一其中i oi o 为 射x 射线强度i 为透过物体后的x 射线强度u 为该物体的对x 线性衰减系数d 为物体厚度。图2 2 物质对x 射线的吸收从公式可看出，透过的x 射线强度与x 射线源的强度成正比，而与介质的u 值和厚度成反比。必须指出的是，同一种介质的线性衰减系数并非恒定，它随x 射线强度和介质厚度的变化而变化。1t 其规律为：u = 二1 n 竺di从上式可看出，“随着介质变厚而变小，这种现象称为射线硬化，重建图像时必须对采样数据进行较正。在实际的c t 扫描中，x 射线所透过的人体是由多种物质组成的，包括骨骼、肌肉、各种软组织、液体、空气等。也就是说，在每一方向的x射线路径上，均包含多种对x 射线吸收系数不同的物质。为了求出人体内每一点对x 射线的吸收值，我们将x 射线路径上的物体分成若干小段( 如图2 3 所示) ，每段的长度为d ，只要d 足够小，我们就可以假设在每段内的密度是均匀的。第一军医大学硕士学位论文- 正口工匝图2 3x 射线穿过多种物质时的衰减根据前面的公式，我们可以推导出，当强度为i 。的x 射线穿过由吸收值分别为u 。、u 。、u 。的几个小块组成的物体后，透出的x 射线强度为：一。f 。i = i o e ”1一“当n 无限大时，我们可以推导出：k l o 。! l 。玉从第( 2 ) 个式子，我们可以推出：“。+ h ：+ u 。+ + u 。= di上式表示：在x 射线穿过的路径上，如果已知每一个块的长度d 、入射的x 射线的衰减系数的总和便可计算出来。只要我们对物体在1 1 个方向上进行投影，我们就可以求出由1 1 n 个小块组成的物体中，每个小块对x 射线的吸收值。2 4c t 图像重建原理2 4 1 直接矩阵求解法为了求出图像内各点对x 射线的吸收值，我们先将图像重建面划分成均匀的矩阵网格。为简明起见，我们以1 个2 2 个单元组成的矩阵为例，况明直接矩阵求解法的计算过程( 图2 4 ) 。假设一开始，开始我们并不知道矩阵内各点对x 射线的吸收值，但我们却可能通过对该矩阵进行各方向的投影来测得在每一方向上该矩阵对x 射线的吸收值的总和。根据每一投影的结果，我们可得到1 个线性方程，由于矩阵内有4 个未知数，为求出它们的值，我们需要4 个独立的线性方程。通过对矩阵进行水平方向和垂直方向的投影，我们可以得到4 个线性方程( a ) 、( b ) 、( c ) 、( d ) 。一十e 十帝i 增帝d 。弓寸牛痧一珥 帝玢1一”l + 233。u3 + “4 = 7丫v”l + ”324“2 + “426图2 4 在水平方向和垂直方向进行投影u 。+ u ：= 3( a )u3 + u 。= 7( b )p l + u3 = 4( c )“z + u 1 = 6( d )仔细观察上面的式子我们可以发现：a + b = c + d从这个式子我们可以推导出：a = c + d bb = c + d - - ac = a + b oo = a + b - - c图25 从对角线方向投影一i l 一“2 + “3 = 5第一军医大学硕上学位论文这意味着其中任意一个方程可由其余三个方程推导出来，即只有三个方程是相互独立的。从数学上可知，为了求出4 个未知数，我们至少需要4 个以上的独立方程。为此，我们再沿着矩阵的两条对角线投影( 图2 5 ) ，得到另外两个方程：pz + u 。= 5( e )u + 1 14 5( f )解a f 所组成的联立方程，我们便可求出：u 1 = lu2 = 2u3 = 3u4 - - - - 4在实际问题中，根据矩阵大小和未知数的个数，我们总能找到足够的线性方程来求出未知数。但这种方法有以下缺点：l 、方程的个数往往多于未知数。2 、当扫描过程中病人运动或其它因素，可能导致方程包含错误的因素。3 、当矩阵增大时，未知数太多，计算量非常巨大。2 4 2 逐次近似法( 又称迭代法)仍以四个单元组成的矩阵为例。不管单元内的吸收值是多少，一开始，我们先为各单元设定1 个初值( 一般设为o ) ，然后用测得的投影法修正它。每进行一次修正，原来的值就被修正后的值所代替，直到矩阵内的值与实测的投值在一定的精度范围内相一致为止，其步骤如下：l 、对原矩阵作0 。、4 5 。、9 0 。、1 3 5 。方向的投影，求出各方向的投影值( 图2 6 a ) 。2 、设该矩阵内各单元的初值为0 ( 图2 6 b ) 。3 、对假设的矩阵做0 。方向投影，测出各行的投影值( 图2 6 b ) 。4 、按以下公式，修正矩阵内的数值：矩阵内的新值= 矩阵内的原值+ 修正系数其中：原行或列的投影和一新行或列的投影和修正系数= 丁一8 - _ _ 9 4根据上述公式，第一行的修正系数为2。量= q 一2第二行的修正系数为2。用修正系数去修正矩阵后，得到图2 6 c 。5 、对得到的新矩阵做9 0 。方向的投影，求得各列的新投影和( 图2 6 d )工= 2 一n求出第一列的修正系数为2。7 - 7 一n第二列的修正系数为f u用修正系数去修正矩阵后，得到图2 6 e 。用上述方法求出对角线的修正系数，修正矩阵( 图2 6 f 、图2 6 9 ) 。再对这个矩阵进行水平和垂直方向的投影测试，我们发现，新得到的各行或各列及对角线的投影和已经等于矩阵内各行或列及对角线的和，如继续投影，各方向的修正系数均为0 ，至此，修正过程就可以结束了。最后一步所得到的矩阵就是我们要求的结果( 图2 6 h ) 。57( 曲o + 40 + 4o + 3o + 3( c )2一?2 。一ii+4 + 04 + 03 + 03 + o! i 二12 一一l( c )000o( 8 0 )- = - 2 41 鱼二q ! = ，7( b )= 0= 0= 7= 74433( d )( 9 7 )2( d3542图2 6 逐次近似法t 4 ( h 17 7少第二章c t 的工作原理及系统结构2 4 。3 反投影法( 又称为总和法)1 、反投影法的代数方式它是通过将各方向的投影值反投影回矩阵，即投影值与原值不断迭加的方法，来求得矩阵内每一单元的值。仍以2 2 矩阵为何。说明反投影法的步骤：1 、分别对原矩阵在0 。、9 0 。、4 5 。、1 3 5 。方向上进行投影，求得各行、列、对角线方向的投影。2 、设矩阵内各单元的初始值为o3 、将0 。方向的投值反投影回初始矩阵，即投影值与初始值相加，得到矩阵a4 、将9 0 。方向的投影值反投影到矩阵a ，得到矩阵b5 、将4 5 。方向的投影值反投影到矩阵b ，得到矩阵c6 、将1 3 5 。方向的投影值反投影到矩阵c ，得到矩阵d7 、求出背景强度。背景强度指任一方向的投影值的总和。本例中背景强度为2 08 、矩阵d 的各单元分别减去背景强度，得到矩阵e9 、矩阵e 中的各单元分别除以矩阵的最大公约数，得到矩阵f 。这就是我们要求的结果。1 197( 原矩阵及其在各方向的投影( 假设的初始矩阵)( 矩阵e )26( 矩阵f )2 、反投影法的图解方式为了更直观地理解反投影法，我们也可以用图解的方式来描述反投影法的过程( 图2 7 ) 。假设在一圆形的扫描区域中，有一颗高密度的钉子。首先，让x 射线沿o 。方向移动，对扫描区域进行扫描。当射线遇到钉子时，探测器会产生1 个衰减脉冲，在钉子以外的其它区域，没有衰减脉冲。将测得的脉冲信号反投影回矩阵中，就形成了一幅0 。方向的反投影图像。同理，分别对扫描区域进行4 5 。、9 0 。、1 3 5 。方向的扫描，我们可以得到这三个方向的反投影图像。将所有方向的反投影图像进行叠加，就形成了一幅叠加的反投影图像。从叠加的图像中减去背景强度后，便得到一幅钉子的星形第二章c t 的工作原理及系统结构图像。显然，反投影的方向和次数越多，星形图像的边缘越平滑，越接近于钉子的实际图像。图2 7 反投影法的图解方式第一军医大学硕士学位论文2 。4 4 滤波反投影法( 又称为卷积反投影法)其基本思路与反投影法基本相同，不同之处是，在每个投影信号进行反投影前，先用1 个滤波函数进行滤波，经滤波后的投影再反投影回扫描区域，加入滤波函数的目的是消除星状伪影。我们仍以对高密度的钉子扫描为例，说明滤波被反投影法的工作原理( 图2 8 ) 。1 、预先选定1 个滤波函数。2 、对扫描区域在0 。方向上进行扫描，测得钉子的脉冲信号。3 、对脉冲信号进行滤波，滤波后的在主脉冲的两侧出现了小的正负交替脉冲。4 、将滤波后的脉冲信号进行反投影，便得到钉子在0 。方向的滤波反投影图像。5 、同理，对扫描区域分别在4 5 。、9 0 。、1 3 5 。方向上进行扫描，我们可以得到这3 个方向的滤波反投影图像。6 、将所有方向的滤波反投影图像进行叠加，就形成了一幅蹙加的滤波反投影图像。7 、从叠加的图像中减去背景强度后，便得到一幅钉子的图像我们可以发现，经滤波后的反投影信号相互叠加时，其边缘具有正负抵消的作用，使叠加后的图像边缘十分光滑，非常接近于钉子的图像。滤波反投影法的关键是选择合适的滤波函数。滤波函数选择恰当时，滤波反投影信号相互叠加时，主信号周围的干扰会正负相互抵消，因而可获得边缘清晰的图像。反之，滤波函数选择不当，不仅干扰信号不会相互抵消，还会使主信号失真，得到反效果。预先选定的滤波信号4 个方向滤波反投影的叠加叠加图像减去背景强度后所得的图像图2 8 滤波反投影法1 92 5c t 的系统结构2 5 1c t 硬件结构框图( 见图2 9 )整个系统一般分为三大部分：h o s t c o n s o l e ( 主计算机控制台)s y s t e mc o n t r o l ( 系统控制)图像重建处理器2 5 1 1h o s t c o n s o l e 它包含控制整个系统所需的所有部件，由以下部件组成：主计算机控制台，包括键盘、鼠标、监视器等。操作系统存贮设备，包括硬盘、c d r o m 。图像存贮及存档设备，包括1 个或多个硬盘和1 个可擦写光驱。2 5 1 2s y s t e mc o n t r o l 它包含涉及数据测量的所有部件，由以下部件组成：g a n t r ys t a t i o n a r y ( 机架静止部分)g e n e r a t o ra n dx - r a yt u b e ( 高压发生器和x 射线管)g a n t r yr o t a t i n ga n dx r s ( 机架旋转部分和x 射线控制系统)d m sa n dd e t e c t o r ( 数据测量系统和探测器)p h s ，p a t i e n th a n d l i n gc o n t r o l ( 病人控制系统)w c s ，w a t e rc o n t r o ls y s t e m ( 水冷却系统)p d s ，p o w e rd i s t r i b u t i o ns y s t e m ( 电源分配系统)s l i p r i n g s ，滑环。包括高压滑环、电源滑环、数据滑环和控制滑环。2 5 1 3 图像重建处理器它包含涉及图像重建和处理的那些部件，由以下部件组成：图像处理器成像器第二章c t 的t 作原理_ ：醍系统结构图2 9c t 硬件结构框图- 2 1 图2 1 0c t 的控制结构框图2 2第二章c t 的工作原理及系统结构2 。5 2c t 的控制结构框图( 见图2 。1 0 )2 5 2 1 基本概念1 、功能控制器：整个系统的控制是按照分布式智能管理系统来设计的，即所有的功能控制必须由1 个相应的8 位功能控制器来处理。在整个系统中，每一个大部件都有自己的功能控制器，这些控制器负责执行相应的指令，并将执行状态反馈给其它部件的功能控制器。2 、c a n 网络：所有的功能控制器是通过一种称为c a n ( c o n t r o la r e an e t w o r k ) 的网络联在一起。c a n 网络由两根线组成，所有的参数、指令和错误信息，都是通过这两根线来传送的。3 、硬线信号：有些需要即时响应的信号并不是通过c a n 来传送的，而是通过与c a n 平行的硬线来传送的，这些信号我们称为硬线信号。例如x g e n ( x - r a yc o n t i n l i o u sg e n e r a t o r ) 信号，它是用于关闭高压的；h t p( h o r i z o n t a lt a b l ep u l s e ) 信号，它用于在定位扫描或螺旋扫描过程中提供床的水平移动脉冲；以上这些信号都必须及时响应，因此宜采用硬线信号( 见图3 ) 。系统中采用硬线连接的信号还有s t a r t 、x r a yg e n 、u d co k 、x r a y o n a 、x c e n a ，t u b e a r c 、d o s e o k ，v e n r e a ，p r e x r a y o f f 、x r a y o n 、f i td o s e 等。2 5 2 _ 2 系统部件及其控制器i 、g a n t r ys t a t i o n a r y ( 机架静止部分)m c u ( m a s t e rc o n t r o lu n i t ) ：m c u 是介于主计算机和其它控制器之间的接口控制器。主计算机和m c u 之间是通过数据电缆通讯的，通讯协议为i l d l c ( h i g h l e v e ld a t al i n kc o n t r 0 1 )r t c ( r o t a t i n ga n dt i l tc o n t r o l l e r 机架旋转和倾斜控制器) ：它负责根据用户的指令和不同的扫描模式，控制机架的旋转速度和倾斜角度。g p c ( g a n t r yp a n e lc o n t r o l l e t 机架面板控制器) ：它负责接收用户从机架面板输入的控制命令，控制病人床的升降和进出，主要用于病人定位。2 、p h s ( p a t i e n tt a b l eh a n d l es y s t e m 病人床控制系统)p t v ( p a t i e n tt a b l ev e r t i c a lc o n t r o l l e r 病人床垂直控制器) ：它第一军医大学硕上学位论文负责控制病人床的垂直升降。p t h ( p a t i e n tt a b l eh o r i z o n t a lc o