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第十二章CT设备 第一节概述一 发展简史 1895年 德国物理学家伦琴 W C Rontgen 发现X射线 为射线CT奠定了基础 1917年 奥地利数学家雷登 Radon 从数学上证明 利用物体在各个方面的投影数据 可以重建出物体的二维断面或三维图像 1945年 计算机的发明 为投影重建理论提供了物质基础 1963年 美国物理学家科马克 Cormack 发表了一篇研究报告 详细描述了用X射线投影数据重建图像数学方法 1971年 英国工程师亨斯费尔德 Hounsfield 在EMI公司研制成功世界上的第一台头颅CT 1974年 美国工程师莱德利 Ledley 研制成功世界上的第一台全身CT 1971年 英国工程师亨斯费尔德 Hounsfield Hounsfield Cormack CT机的分代 第一代CT机 X线为单束 探测器数有单个或几个 运动方式平移加旋转 扫描时间长数分钟 头部 第二代CT机 X线为多束 探测器数有数个或几十个 运动方式平移加旋转 扫描时间数十秒 全身 第三代CT机 X线为扇形 探测器数有几百个扇形排列 运动方式旋转 旋转 扫描时间长数秒钟 第四代CT机 X线为扇形 探测器数有数百到几千个呈圆周状排列 提高了图像质量 运动方式为旋转 第五代CT机 电子束CT超高速型CT机 UFCT 扫描无机械旋转维护费用高 一 第一代CT 平移 旋转扫描方式 第一代CT由X线管和1 2个探测器 detector 组成 X线束穿过和探测器同步直线平移运动 获得透射数据后 X线管和探测器环绕中心旋转1 做上次相反的直线扫描运动 获得数据后 再旋转1 重复上述过程直到180 采集到数据组成的平行投影值 即完成了数据的采集过程 第一代CT 平移 旋转扫描方式 二 第二代CT 平移 旋转扫描方式 第二代CTX线束改为扇形线束 由一只X线管和3 30个晶体探测器组成 由呈扇形排列的多个探测器 每次平移后的旋转角由1 提高到扇面角度 扫描时间减至18s 为了提高图像质量采用240 360 平移加旋转扫描 比第一代CT各项指标有提高 已具备了做全身CT检查的条件 第二代CT主要缺点是 在扫描过程时间长 由于病人的生理运动 易产生伪影 第二代CT 平移 旋转扫描方式 三 第三代CT 旋转 旋转扫描方式 第三代CT的扇形角较宽 30 45 探测器增加到300 1000个逐个依次无空隙排列 扫描时 X线管和探测器无直线平移运动 仅做围绕病人进行连续旋转运动即可 扫描时间可更短 优点 结构较简单 使用操作方便 可获得较理想的CT图像 缺点 需对相邻探测器的灵敏度差异进行校正 相邻探测器的性能差异将产生同心环形伪影 第三代CT 旋转 旋转扫描方式 四 第四代CT 旋转 静止扫描方式 第四代CT具有更多 600 4800个 分布在360 的圆周上 探测器 扫描时X线管做围绕病人一周的旋转运动 而探测器则固定不动 扇形线束角度也较大 扫描速度可达1 5s 其工作原理和第三代CT没有本质的区别 仅是第三代CT的一个变形 第四代CT 旋转 静止扫描方式 五 第五代CT 静止 静止扫描方式 第五代CT由一个电子束X线管 由864个固体探测器构成216 的阵列固定环内和一个数据采样 图像处理 数据显示的计算机系统组成 每个固体探测器作为一个数据采集单元 它由一个X线 可见光转换晶体 一个光 电转换硅二极管和一个前置放大器构成 第五代CT适用于心脏 查易动病人检查 是一种新型的CT 其缺点是造价昂贵 电子束CT 第五代CT 静止 静止扫描方式 电子束CT 双源CT 各代CT比较 二 现状与发展趋势 滑环技术 slipring 螺旋扫描技术 helicalscan 多层面螺旋扫描技术 2层CT 4层CT 8层 16层 32层 64层CT 容积扫描 volumeScan 平板探测器CT机 锥形CT扫描机 conebeamCT 排 层 的发展 单排CT 双排CT 64排CT 平板 锥形 CT 锥形CT机面临的难点是 克服锥形线束伪影 conebeamartifact 改进图像重建算法 提高大量数据的处理速度 提高平板探测器的性能 克服机械结构限制 容积扫描 锥形CTTHREE DIMENSIONAL 第二节CT工作原理 X线CT扫描机能对人体进行横断体层成像 将各种组织对X线的吸收系数以数字 CT值 表示出来 X线CT扫描机与常规X线体层摄影的原理和成像方法也完全不同 它没有纵向体层摄影时上下层模糊影像对目标体层的影响 被检查层各点CT值经数学方法重建出来的图像 投影像 X线投影 一 线衰减系数 将X线束穿过人体一横断层面则对面的探测器可获得该层面的信息 借助于各组织对X线具有不同衰减系数的特征来实现还原为该层面的图像 X线在人体被衰减的程度 按组织对X线的衰减系数 和组织厚度D以指数函数关系发生变化其式为 或式中 I0入射X线强度 I为穿过病人衰减后的强度 D为组织厚度 为线性衰减系数 沿X线束穿过的人体各组织密度一般是非均一的 认为是由大量各不相同的密度单元体所组成 单元体厚度为 D 单元体被分割得越细小 其体内密度越接近一致 二 工作原理 需要从一个横断面的许多视角射入X线 以便测得大量 衰减系数之和 即所谓数据采集过程 随后建立n元一次方程组求解 即可得到各单元体的衰减系数 若一幅图像有n m个像素 则需解n m个n元一次方程 方能求出一个层面各单元体的衰减系数 数据采集的基本组成部分是X线管 滤过器 准直器和探测器 将计算出各单元体衰减系数的过程称为图像重建 一幅图像至少由几十万至上百万个单元体 像素 组成 不同组织的衰减系数之和可能相等的示意图 CT信号检测原理 投影图像重建 各组织的CT值 数据采集的组成 是X线管 滤过器 准直器和探测器 为了从不同视角获取数据 需要一个扫描机架 X线管 探测器环绕患者作360 旋转 以获取大量原始数据 Housfieldunit HU WWdecideswhatwesee WLdecidestheprecision CTnumber 1000 500 ThelowertheWL thelightertheimageThenarrowertheWW thehigherthecontrast 各组织的CT值 CT 3D 三 基本构成 CT由三个主要部分构成 数据采集系统 包含X线高压发生器 X线管 准直器 滤过器 探测器 扫描架 扫描床 前置放大器及接口电路等 计算机及图像重建系统 图像显示 记录和存储系统 它包含显示器 光驱 多幅照相机 激光照相机 洗片机等 CT的基本构成方框图 前置放大器 CT机的基本结构 gantry table OC insideOC PDU 第三节基本参数一 分辨力 一 空间分辨力空间分辨力 spatialresolution SR 是指在高对比情况下鉴别细微的能力 显示最小体积 病灶和结构的能力 它与X线管焦点大小 探测器尺寸 相邻间隔 采样间隔 系统的噪声指标以及图像重建中卷积滤波函数等因素有关 空间分辨率测量方法 有点扩散函数法 调制传递函数截止频率法MTF 星型频闪模型法 分辨成排圆孔大小法 模型测试卡 空间分辨率测试卡 空间分辨率测试卡 MTF ModulationTransferFunction 空间分辨率是评价图像清晰度的标准用厘米线数对表示 cm Linepair 二 低对比分辨力 低对比分辨力 是当细节与背景间具有低对比度时 将一定大小的细节从背景中鉴别出来的能力 二 伪影 artifacts CT图像伪影 CTimageartifacts 是经计算机处理的人体各部位图像时由于各种因素的影响而产生被检体不存在的假象 通称为伪影 artifact 常见的伪影有 移动条纹伪影环状伪影放射状伪像雪花状伪像 commonimageartifacts Moir artifact CenterDot CenterSmudge Singleringartifact Partialsingleringartifact Multi ringartifact Bandartifact streakartifact 三 基本参数 一 扫描时间 二 重建时间 三 层厚 四 矩阵 采样矩阵 重建矩阵 四 螺旋CT的专用参数 一 螺距 pitch 螺距为X线管旋转一周时扫描床的水平位移 二 螺旋因子 pitchfactor 螺旋因子为螺距与层厚相除所得的商 三 重建间隔重建间隔指被重建的相邻两层横截面之间沿Z轴方向的距离 螺旋因子分别为1 0 1 5的覆盖图 螺旋CT扫描 第四节数据采集系统 系统的构成包括 X线高压发生器 X线管 准直器 滤过器 探测器 扫描架 扫描床 前置放大器及接口电路 一 X线管 一 基本结构 一 基本结构 X射线管是产生X线的器件 CT机上使用X线管与一般X线机上使用的X线管结构基本相同 也有固定阳极X线管和旋转阳极X线管两种 组成 由阴极 阳极 真空玻璃管 或金属管 旋转阳极CT射线管采用油 风冷却方式 阳极靶面的热能 周围的油 高压油泵 散热器 冷却风扇 到空气中 二 性能参数热容量 Kv mA 保用次数 热容量 0 5MHU0 75MHU1 5MHU2MHU3MHU5MHU5 5MHU6MHU X线管组件接线图 二 探测器 探测器是一种将射线能量转换电信号的装置 一 探测器性能 1 效率是指它从线束吸收能量的百分数 几何效率 吸收效率 总检测效率 2 稳定性是指从一瞬间到另一瞬间探测器的一致性和还原性 探测器需经常进行校准以保证其稳定性 3 响应性是指探测器接收 记录和抛弃一个信号所需的时间 4 准确性人体软组织及病理变化所致衰减系数小的变化 二 探测器类型 固体探测器 是一种收集荧光的探测器 称闪烁探测器 气体探测器 是收集气体电离电荷的探测器 1 固体 闪烁 探测器 闪烁探测器是利用射线能使某些物质闪烁发光的特性来探测射线的装置 SolidStateDetector SolidStateDetector SSD InternalCollimator ExternalCollimatorPlate Scintillator Photodiode x ray Light Collimator Molybdenum0 1mmthickness1 028pitcheliminatescatterScintillator materialissecretconvertsx raytovisiblelighttoomuchx raycanchangethesensitivityPhotodiode convertsvisiblelighttoanelectricalsignal toDDC i SolidStateDetector 部分闪烁晶体性能表 2 气体探测器 气体探测器是利用气体 一般采用化学性能稳定的惰性气体 电离的原理 入射的X线使气体产生电离 通过测量电流的大小来测得入射X线的强度 探测器 固体探测器 气体探测器 固体探测器VS气体探测器 固体探测器 优点 灵敏度高 光子转换率高 缺点 相邻的探测器有间隙 X射线的利用率低 晶体的余辉时间较长 一致性差 受温度和湿度影响大 气体探测器 优点 几何利用率高 一致性好 缺点 灵敏度差 光子转换率低 三 探测器的补偿设置 CT探测器通道数一般探测器数相对应 探测器的补偿设置 offsetdetector 探测器的位置在球管正下方 在扫描过程中探测器偏离X线中心1 4通道 探测器的补偿设置 探测器位置在球管对方 扫描过程中探测器和球管位置相对固定 围绕患者进行旋转扫描运动 但X线穿过患者后到达探测器的采样途径并非正对每个通道的中心而是偏离中心1 4通道 探测器的补偿设置 offsetdetector 探测器的补偿在不增加探测器通道数的情况下围绕患者旋转360 所得采样数据可提高一倍 减少了伪影 提高了图像质量 探测器的补偿设置 探测器的补偿 1 4h h X raytube Detector Centerofrotation Combinedrawdata 三 准直器 准直器作用是 大幅度地减少散射线的干扰 减少患者的放射剂量 决定扫描层的厚度 准直器分两种 X线管侧准直器 称为前准直器 探测器侧准直器 称为后准直器 准直器可决定扫描层的厚度 常见CT扫描层的厚度为1mm 2mm 3mm 5mm 7mm 8mm 10mm 螺旋CT准直器结构示意图 为补偿器 为控制电机 为联动齿轮 分别为与准直器叶片 相连的辅助杆 为叶片运行通道的固定锁 分别为10 2mm的层厚传感器 前准直器 SourceCollimator 前准直器 可以去除散射线 能够使X射线呈束状排列 可以调节层后的扫描厚度 前准直器 后准直器 SecondCollimator 位于探测器的前面 主要的作用是除去X射线被照射后产生的散射线 结构简单 后准直器 前准直器 后准直器 SecondCollimator DifferentofCollimationmethod 上部 下部 Controlledslicewidthusingadditionelementdata 線管 Controlledslicewidthusingbeamtrimmer 四 滤过器 在临床CT实际使用的线束是 多能 的 为了满足重建过程的需要 就要使用专门的滤过器 滤过器的目的有 吸收低能X线 滤过的结果使射线束的平均能量升高 射线变 硬 吸收软射线 使穿过滤过器和受检者的透射线束的能量分布达到均匀硬化 滤过器 五 数据测量装置 数据采集 1 前置放大器将探测器信号预先放大 2 对数放大器对入射X线强度和透射X线强度进行对数换算 3 模拟 数字转换器 analogtodigitalconverter ADC 将模拟信号转换成二进制的数字信号 4 数字数据传输将数据传输给计算机 光纤可以消除外界的干扰 Filter DataAcquisitionSystem DAS Source Detector Source Collimator Second Collimator Patient Scattering 数据测量装置的基本构成 X线管和检测器 六 扫描机架 旋转部分主要由 X线管及其冷却系统 准直器及其控制系统 滤过器 探测器 数据采集系统 DAS 滑环部分 高压发生器 螺旋CT 等组成 固定部分主要由 旋转支架 旋转控制电机及其伺服系统 机架主控电路板组成 扫描机架 扫描机架 机架扫描 X射线管 高压系统 冷却系统 前准直器 ROTORSTARTER ACINPUT MOTORCONTROLLER 前准直器 探测器 X射线高压发生器 后准直器 滑环 扫描机架结构图 七 扫描床 扫描病人用的载体 由床面和底座构成 两个电机控制 升降电机 水平移动电机 升降电机 一 扫描床定位床板定位的精度直接决定切片位置的准确性 定位精度不大于0 1mm 二 床面板床面板由碳素纤维制成 因为碳素纤维具有强度高 重量轻 且对X线衰减小等特点 床高度指示 0 550mm床水平指示 0 1600mm 1m显示误差 5mm 第五节计算机及图像重建系统 内容 控制和监视整个扫描过程 并将采集的数据送入存储器 CT值的校正和输入数据的扩展 与操作者对话并控制扫描等信息的传送 图像重建的程序控制 故障诊断及分析 一 测量数据的校正 预处理 一 原始数据零点漂移校正 二 参考校正 三 空气校正 四 体模校正 五 Log转换 六 环形校正 原始数据零点漂移校正 参考校正 二 图像重建 平行线束转换 滤过处理 反投影计算 这三种处理被称之为图像重建 一 平行线束转换 X线管辐射出的X线经准直器准直形成一定扇角和厚度的扇形束 扇形束数据通过平行束转换成平行束数据 并通过展开探测器使每一个采集面得到平行线束 平行束转换时 是以扇形面数据插值的方式实现的 二 滤波 在转换为平行线束后进行滤波它包括 图像重建时调整的滤波参数 操作台上设定的滤波函数 三 反投影计算 滤波后的数据是分别以View和Channel为坐标的投影数据 这些数据经反投影运算转换成坐标系内的图像象素数据 每个View的滤波结果的反投影形成图像 反投影的数据以空气为0基准 空气的CT值为 1000 执行反投影的处理过程称为后处理 处理后的结果存于硬盘中 三 计算机处理体系和硬件 CT中的计算机体系结构采用多重处理技术 其目的是为了提高处理速度和运算能力 具体的有流水线处理方式 并行处理方式和分布处理方式 不同公司生产的CT采用的处理方式不同 例如 GE公司并行处理方式 Picker公司分布式处理方式 西门子公流水线处理方式 一 流水线处理方式 流水线处理方式 pipelineprocessing 采用了生产上的流水线概念 把每条指令分为若干个顺序的操作 每个操作分别由不同的处理器实施 这样可以同时执行若干条指令 对每个处理器来说 每条指令中的同类操作像流水线一样被连续加工处理 这样可以提高计算机工作速度和提高各个处理器的使用效率 流水线处理方式 二 并行处理方式 并行处理方式 parallelprocessing 是由三台多任务计算机通过系统总线耦合成一系统 分别形成扫描处理器 显示处理器和文件处理器 扫描处理器中采用二台阵列处理器和一台反投影处理器 使其重建速率为每秒6400万次浮点运算 显示处理器中采用一台独立的阵列处理器用于整形 放大 窗位控制和图像分析 并行处理方式 三 分布式处理方式 分布式处理方式 distributedprocessing 由若干台独立的处理器构成 各台处理器可分别处理同一程序的各个子程序 也可按功能分别处理一道程序的各个阶段 每台处理器都有自己的局部存储器 能独立承担分配给它的任务 在统一操作系统控制下工作 相互间可以通信 系统具有动态分配任务的能力 能自动进行任务调度和资源分配 其优点是 可靠性高 一台处理器失效 对系统影响不大 灵活性高 由于系统模块化 便于扩充 替换和更换部件 经济性好 可以用价格便宜的微处理器 并行处理方式 四 软件 一 基本功能软件 1 人机对话方式2 条件联系方式3 返回处理方式 二 专用功能软件 1 动态扫描 dynamicscan 软件2 快速连续扫描 fastcontinuescan 软件3 定位扫描 scanogramorscout 软件4 目标扫描 objectscan 软件5 平滑过滤 smoothingcuppingfiltering 软件6 三维图像重建 threedimensionimagingreconstruction 7 高分辨力CT highresolutionCT 软件8 定量骨密度测定软件9 氙气增强CT扫描软件 第六节图像显示 记录和存储系统 计算机和图像重建系统提供的数字图像 可以显示在监视器上供医生观看 可以直接存储在磁性载体上供以后需要时调用 也可以永久性地记录在胶片上 CT上配置了图像显示 记录和存储系统 图像的存储 显示和记录 磁盘 硬盘 光盘磁带或软磁盘显示器照相机 一 图像显示系统 CT机用的常是高分辨率黑白电视监视器 1024 1024矩阵 16灰阶 二 图像存储系统 储存介质 三 图像记录系统 一 阴极射线管型多幅相机 二 激光型多幅照相机 照相机 种类干式打印机多幅照相机激光打印机 一 阴极射线管型多幅相机 X Y 二 激光型多幅照相机 激光图像形成原理图 激光相机图像的形成 从激光管放出的激光 调制器AOM acousticopticalmodulater 调制 随着图像数据变化 通过AOM的激光束器调整成适合扫描的光束 靠多面转镜的旋转 激光形成水平的扫描 圆柱透镜校正 多棱镜反射不同角度变成水平强度均匀的扫描 经过f 透镜的光 再经反射镜反射扫描滚筒上的胶片使胶片感光 激光相机扫描部分 激光部分 激光与CRT相机优点 激光束有很好的聚焦性 方向性 反应极其迅速 以毫微米级计算 这样的激光束直接投照到胶片上防止了伪影 如轮廓线 光栅线 失真等 系统采用计算机控制 输入存储器的图像在打印之前可以清除 重新排列 然后打印 硬盘 可连续打印 可以存储打印同时进行 以至供多机共同使用 CRT型多幅相机是一次性选择图像 按键后即曝光 无法更改 每次只能完成一次拷贝 第七节螺旋CT简介一 特点 常规CT扫描四个步骤 第一步 X线管和探测器围绕病人旋转 第二步 旋转中的X线管产生X线 探测器采集透射值 原始数据 X线管电源的电缆必须允许X线管旋转360 以上 第三步 X线管停止 X线管和探测器回到原始位置 第四步 病床进行平移 使另一层组织位于CT的扫描层面 常规CT扫描缺点 需要较长的扫描时间 成像中会产生遗漏人体某些组织的情况 病人呼吸使前后两次扫描中不相同的 相邻两扫描之间的组织造成遗漏 不能准确地重建三维图像和多方位图像 应用提高对比度技术时 只扫描了有限的几个层面 螺旋扫描容积式数据采集要求 滑环技术使X线管能连续沿着一个方向转动 扫描床能做同步匀速直线运动 使用大功率 高热容量和散热率的X线管 具有螺旋加权算法软件 用计算速度快 存储容量大的计算机系统 螺旋CT扫描原理图 二 螺旋扫描装置 一 滑环技术 常规CT的X线管系统的供电和信号 数据 传递均由电缆完成 扫描时X线管在机架内只能做往复旋转运动 且电缆易缠绕 扫描速度难以提高 滑环技术用一个滑环和电刷代替电缆 滑环在转动时一直与电刷保持良好的接触 经电刷和滑环完成向X线管供电和信号的传递 滑环技术示意图 滑环上电压技术 1 高压滑环技术机架外的高压发生器产生X线管所需的高电压 通过电缆和电刷传输到高压滑环上 而后经高压滑环输入X线管 2 低压滑环技术外部将数百伏的低压经导线和电刷传输到低压滑环上 由低压滑环输送给高频高压发生器 高频高压发生器产生的高电压通过很短的一段高压电缆 给X线管 高压滑环技术原理图 低压滑环技术原理图 电刷 Brush 低压滑环 高低压滑环优点缺点 高压滑环技术的优点是高压发生器放在机架外部 可以不受体积重量的限制 发生器功率容量做得大 又不增加旋转机架的重量 使扫描速度更快 而且也不需要担心滑环与电刷接触处因电流过大而引起的温度升高问题 其缺点是高压滑环易引起机架旋转部件与静止部件 接触臂 电刷之间的高压放电 由此还会引发高压噪声 影响数据采集 低压滑环技术的优点是对绝缘要求不高 安全 稳定 可靠 其缺点是高频高压发生器体积和重量受到限制 制造大功率的高频高压发生器有相当的技术难度 且增加了旋转部分的重量 扫描速度较高压滑环低 二 螺旋扫描技术 1 扫描速度非常快通常1s内可以旋转360 从而有效地缩短扫描时间 使病人更容易接受和忍受CT检查中的屏气要求 多数病人可以在一次屏气中完成扫描 避免了呼吸运动引起的扫描遗漏 减少了病人移动产生的伪影 2 连续扫描和连续采集数据可以获得容积数据通过回顾性重建能够得到任意位置的层像和高质量的三维重建图像 提高了病灶检出率 3 快速无层间隔扫描可以充分发挥对比剂的对比度增强作用几乎可使全部扫描都在增强高峰期完成 不但能获得最佳增强效果 还可减少对比剂用量 三 多层面螺旋CT技术 多层面螺旋扫描技术是指采用宽探测器技术 即探测器的列数增加 扫描时不用常规的层面或螺旋CT扫描准直宽的扇形线束