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第十四章X线计算机体层成像设备 X CT ComputedTomography 学习要点 熟悉CT基本结构及使用维护 CT的定义 CT是英文 ComputedTomography 的缩写 词根 tomo 含有断层的意义 具体解释为通过对一单个层面成像而形成的X线摄影技术 从名字不难看出CT的技术基础是计算机技术和X线断层摄影技术 中文为计算机体层摄影成像 它代表一种图像重建技术 第一节概述 一 CT扫描机的发展简史 一 CT的发明和诞生1917年 雷登 J Radon 指出对二维或三维的物体 可以从各个不同方向上的投影 用数学方法计算出唯一的一张重建图像 称之谓雷登变换 360 1963年 美国数学学A M Cormark解决了图像重建的数学方法 1967年 豪斯菲尔德 GodfreyHounsfield 制成了第一台可用于临床的CT 1971年9月第一台头扫描CT机安装在英国的一所医院中 1972年 第一张临床CT图像是在伦敦的AtkinsonMorley医院拍摄的 用9天时间采集数据 2 5小时重建一幅图像 区分衰减系数4 CT立即受到了医学界的热烈欢迎 成功震惊了整个医学界 CT的发明被认为是CT立即受到了医学界的热烈欢迎 成功震惊了整个医学界 CT的发明被认为是 自从伦琴1895年发现X线以来 在放射医学 医学物理和相关学科领域里 没有能与之相比拟的发明 Hounsfield和Cormack因发明CT获得1979年诺贝尔医学和生理学奖 1974年 美国GeorgaTown医学中心的工程师Ledley设计出了全身CT扫描机 使CT的应用扩展到全身各个部位的影像学检查 二 各代CT的扫描方式1 第一代CTX线球管为固定阳极 发射X线为直线笔形束 一个探测器 采用直线和旋转扫描相结合 即直线扫描后 旋转1度 再行直线扫描 旋转180 完成一层面扫描 扫描时间3 6分钟 矩阵象素256 256或320 320 仅用于颅脑检查 2 第二代CT与第一代无质的区别 仅由小角度 3 30 扇形X线束替代了直线笔形束 探测器增至几十个 扫描时间缩至10秒到1 5分钟 矩阵象素与第一代CT机相同 可用于颅脑和腹部 3 第三代CTX三线球管为旋转阳极 发射X线为扇形束 角度较大达30 45 度 探测器多达几百个 只做旋转扫描 扫描时间为2 4 10秒 矩阵象素除256 256和320 320外 还有512 512 适用全身各部位 4 第四代CT与第三代无质的区别 探测器多达1000余个 固定安装在扫描机架四周 仅X线球管绕患者旋转 扫描时间进一步缩短至1 5秒 5 第五代CT为最新发展的电影扫描CT cineCTscanner 在扫描速度上有飞跃发展 采用电子枪结构 使每次扫描时间缩短至50毫秒 大大有利于心脏CT扫描 二 CT扫描机的发展趋势 自1972年世界上第一台CT应用到临床以来 CT经历了从第一代到第五代迅猛发展 特别是1999年出现四层螺旋CT后 人们提出了 CT绿色革命 的概念 CT向着更低辐射剂量 更快的采集和重建速度 多样的图像重建处理 更多的人性化方向发展 2001年北美放射学会 RSNA 第87届年会上提出 扫描层数更多 扫描时间更短 的口号后 近几年时间 螺旋CT从单层 双层 4层 8层 16层 至64层 双源CT 发展到平板探测器在CT中的应用开发 使CT的应用得到进一步的的拓展 因此 CT的发展趋势就是 卓越的各向同性分辨率 超快的机架旋转速度 尽可能低的低剂量扫描方式 直接三维数据成像和正确临床应用解决方案 主要体现在以下四个 面向 1 面向心脏病学的心脏CT心脏CT为心脏提供了从检查到诊断的完整解决途径 具有实现流畅顺利的心血管检查所需的所有要素 先进的ECG同步采集技术 图像重建技术 消除期外搏动影响的直观ECG编辑技术 确保了极为出色的图像质量以及最低的辐射剂量 心脏CT可进行狭窄准确测量和支架植入的血管分析以及心脏形态学和功能学的分析测定 5秒扫完心脏 10秒扫完全身 2 面向急症学的急诊CT急诊CT集成了针对急症和外伤的影像学解决途径 它提供了拓展的成像视野 FOV 全身连续扫描范围长达200cm 快速 直接的三维图像重建可在患者离开检查床前已完成并供医生阅片 对于 时间就是生命 的急诊科而言 是一个重大的突破 3 面向肿瘤病学的肿瘤CT肿瘤CT实现面向肿瘤成像 评估和随访复查的最先进的扫描 直观的计算机辅助诊断工具以及智能化的评估 自动化随访和CT引导下的介入治疗 为预防诊断 肿瘤分期以及实时活检带来更正确的诊断 另外全面的肿瘤灌注成像将实现快速便捷的肿瘤成像 帮助肿瘤的鉴别诊断 4 面向神经病学的神经CT神经CT提供了高空间和高时间分辨率的无伪影成像技术 可对头部 颈部 脊柱复杂神经紊乱症以及创伤与休克进行快速准确的成像 自动化软件以及减影功能 实现卓越的诊断效果 并实现复杂血管结构的综合评价 脑灌注成像软件可用于休克病人和脑肿瘤的鉴别诊断 第二节CT成像原理 一 CT成像的主要过程 CT系统 X线管 准直器 检测器 扫描机构 测量电路 计算机 监视器等部分组成 基本工作过程 X线 前准直器形成很细的直线射束 人体被检测层面 射出的X线束到达后准直器 检测器 检测器将含有信息的X线转变为相应的电信号 测量电路将电信号放大 ADC变为数字信号 计算机处理系统处理 图像重建 按监视器扫描制式编码 屏幕上表示出不同灰度 显示人体这一层面上组织密度图像 二 CT成像的物理原理 一 X线线性衰减系数 在均匀物体中 X线衰减服从指数规律Lambert Beer式是吸收定律 由于人体器官或组织由多种物质成分和不同密度构成的 X线穿透人体时各点对X线的吸收系数由于人体器官或组织由多种物质成分和不同密度构成的 X线穿透人体时各点对X线的吸收系数 不同 1 2 I0是入射前X线的强度I是入射后X线的强度 是均匀介质的线性衰减系数d为物质的厚度 公式1中所用介质是均匀一致的介质 人体可以看成所有组织衰减系数的加权平均 公式2是测定物质衰减系数的基本关系式和基本依据 通过它 得到投影值和二维分布矩阵 由此重建出图像 二 CT图像重建的基本方法图像重建方法是图像矩阵的求解方法 如有N N的图像矩阵 有N N个独立的线性方程组 并且求解N N个矩阵中的体素的吸收系数 ij N N个方程组求解可以采用迭代法 逐次近似法 等 逐次近似法 等 现在应用比较多的是反投影法 解释法 解释法包括二维傅里叶重建法和现在应用比较多的是反投影法 解释法 解释法包括二维傅里叶重建法和滤波反投影法 filteringbackprojection FBP 1 反投影法反投影法 backprojection 又称总和法或线性叠加法 它是利用所有X线的P值计算各个像素的 值的二维分布 它是利用所有X线的P值计算各个像素的 值的二维分布 基本原理 是将所测得的投影值按其原路径平均的分配到每一点上 各个方向上投影值反投影后 在影像处进行叠加 推断出原图像 反投影法求解过程 反投影法会产生晕状效应 缺点 影像边缘处不清晰 如果在一均匀的组织密度内 存在吸收系数极不均匀的部分时 反投影图像与原图像会出现伪影 imageartifact 如果在一均匀的组织密度内 存在吸收系数极不均匀的部分时 反投影图像与原图像会出现伪影 imageartifact 反投影数量愈多 重建图像愈接近于原图像 但由于存在星形伪影 而使得重建图像的边缘部分模糊不清 目前已经不采用这种成像算法 2 迭代法以称逐次近似法 迭代法被Hounsfield应用到EMI扫描机中 目前的临床用CT已经不再采用这种方法 故不作介绍 3 分解法 解析法 分解法由于运算量较小 图像质量较高 目前CT机基本上都采用这种图像重建的方法 另外 为了实现扇形束CT扫描和螺旋扫描 在分解法的基础上 建立了扇形束CT算法和螺旋CT算法 由于比较复杂不再作介绍 第三节CT扫描机的基本组成 CT扫描机可分为三个主要部分1 数据采集系统 2 计算机和图像重建系统 3 图像显示 记录和存储系统 一 数据采集系统 一 X线管 二 准直器有两个准直器 一个是X线管前端的为前准直器 决定CT扫描层厚 一个是探测器端的为后准直器 它的狭缝分别对准每一个探测器 使探测器只接收垂直于探测器方向的射线 尽量减少来自其他方向的散射产生的干扰 为了在剂量不增加的前提下 有效地利用X射线 探测器孔径宽度要略大于前准直器宽度 三 滤过器 吸收低能X线 这些低能射线对CT图像的形成没有任何作用 但是却增加了病人的照射剂量 使穿过滤过器和受检者的投射线束的能量分布达到均匀硬化 四 探测器X射线探测器 Detector 是一种将X射线能量转换为可供记录的电信号的装置 它接收到射线照射 然后产生与辐射强度成正比的电信号 通常 探测器所接受到的射线信号的强弱 取决于该部位的人体截面内组织的密度 密度高的组织 例如骨骼吸收X射线较多 探测器接收到的信号较弱 密度较低的组织 例如脂肪等吸收X射线较少 探测器获得的信号较强 这种不同组织对X射线吸收值不同的性质可用组织的吸收系数m来表示 所以探测器所接收到的信号强弱所反映的是人体组织不同的m值 从而对组织性质作出判断 探测器是很复杂的器件 一个典型的探测器包括 闪烁体 光电转换阵列和电子学部分 此外还有软件 电源等附件 目前 CT中常用的探测器类型有两种 一种是收集荧光的探测器 称闪烁探测器 也叫固体探测器 一种是收集气体电离电荷的探测器 称气体探测器 它收集电离作用产生的电子和离子 记录由它们的电荷所产生的电压信号 1 固体探测器固体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 由于此种探测器的探测效率高 分辨时间短 既能探测带电粒子 又能探测中性粒子 既能探测粒子的强度 又能测量它们的能量 鉴别它们的性质 所以 固体探测器在CT扫描机中得到了广泛的应用 固体探测器前面加有反射层 它是涂有白色氧化镁粉末的铝盒 它使闪烁晶体产生的荧光光子能大部分反射到光电阴极上 在晶体与光电倍增管间放置有机玻璃制成的光导 并涂有硅油以保证良好的光耦合 使用最普遍的闪烁晶体是激活碘化钠 NaI 晶体 这种晶体的密度大 对 射线和X射线有较大的阻止特性 它的透明度和发光度都很高 但NaI晶体极易潮解 这是它的致命缺点 NaI晶体一旦潮解 探测器效率和能量分辨力均急剧下降 以致完全不能使用 在实际应用中 碘化钠晶体被密封在一个铝制外壳内 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射线使气体产生电离 通过测量电流的大小来测得入射X射线的强度 气体探测器的结构如图3所示 气体探测器由一系列单独的气体电离室构成 各气体电离室的上下夹面由陶瓷拼成 每个气体电离室的X射线入射面由薄铝板制成 两侧用薄钨片作为隔板分隔开 所有隔板相互连通 加上500V直流电压 起收集电子的作用 各个中心收集电极引线接至相应的前置放大器 气体电离室内充满氙气 当入射X射线进入各个气体电离室后 将气体电离 正离子由中心收集电极接收 负离子 电子 被隔板接收 正 负离子的定向运动形成电离电流 电离电流与入射的X射线强度 光子数 成正比 很微弱 经前置放大器放大后 送入数据采集系统 电离电流会产生高温 因而隔板和收集电极均采用钨片 隔板与X射线入射方向一致 起到后准直器的作用 它可防止由被测病人产生的散射线进入电离室 气体探测器的光子转换效率比固体探测器要低 采用高压氙气可以增大气体的密度 提高转换效率 但由于钨片机械强度有限 所以不能采用太高的压力 这就限制了转换效率的进一步提高 但由于其几何效率高于固体探测器的几何效率 因而实际上这两种探测器的总检测效率大致相近 气体探测器中各个气体电离室是相互连通的一个整体 处在相同的气压 密度 纯度 温度条件下 因而有较好的一致性 由于kV存在波动 CTX射线管辐射的X射线强度不稳定 而X射线强度变化对成像有很大的影响 因此 一般在探测器的两端装有参考探测器通道 参考探测器用来测量入射人体前的原始X射线强度以修正探测器的测量结果 在扫描和采集数据过程中保证系统的稳定性是非常重要的 为防止探测器输出信号出现零位漂移 在扫描过程中需对探测器的变化进行校正 使得在每个X射线脉冲到来之前所有探测器输出皆为0 此外 每天还应对系统漂移进行校正 保证在全部动态范围内的线性和稳定性 五 数据测量装置数据测量装置位于探测器陈列和计算机之间 它的任务是将探测器输出的微弱信号经过前置放大 模数转换后送往计算机 供计算机进行图像重建 六 机架CT扫描机架是一个结构框架 内部有一个旋转扫描架 上面装有高压发生器和X线管 同时带有滤过器 准直器 探测器以及数字传输装置 在螺旋CT中 为了帮助冷却X线管运行时产生的热量 机架内配有油 空气冷却的热交换器 在机架上有一个贯穿扫描机架的也 称为扫描孔 借助于安放在扫描孔中的激光束装置对病人进行扫描定位 部分CT扫描机的直径可达78cm CT扫描机架为了满足病人进行检查的需要 机架可以做偏离垂直平面的前后倾斜 随着CT机型号不同而不同 一般在 12 30 之间 七 扫描床用于扫描时按计划将病人输送到扫描野 并使预定扫描层定位于扫描平面 床面前端可安装头托 适应特殊需要时应用 庆体能够升降 以便于病人上下 1 床面材料没有功能 透X线性能好 又要承重能力强 扫描床面为碳素纤维增强塑料制成 2 床面承重要求达200千克 3 床面行程要求有较大的活动范围 一般200厘米 4 定位精度要求床面的定位精度达0 25毫米 以保证扫描层定位准确 重复性好 5 最低高度扫描床有升降功能 便于病人上下 最低35厘米 6 互锁功能与扫描架互锁 保证床面或扫描架的活动不会与对方发生碰撞 挤压病人 二 计算机和图像重建系统 CT扫描机的整个系统都是用计算机来管理 通常用计算机 又称主控计算机 执行系统管理 任务分配和外设控制等任务 具体的内容是 控制和监视整个系统扫描过程 并将采集的数据送入存储器 CT的校正和输入数据的扩展 人机对话并控制扫描等信息传送 图像重建的程序控制 故障诊断和分析 同时 采用专用计算机 又称 列阵处理机 来执行图像重建和处理 一 主控计算机主要用于CT机系统控制 负责系统管理 图像数据储存 人机对话 一般用标准小型机或微型机 1 类型主要分为专业级和PC级两种 目前多层螺旋CT均采用专业级双核技术 2 内存128M 2G 3 硬盘硬盘用于存储近期原始图像数据 硬盘大小决定了存储容量 现多用10 70G 也有用多个硬盘组成硬盘陈列使用 以进一步扩大存储容量 4 磁光盘 光盘用于永久性记录图像数据或原始数据 磁光盘 CD R 可以接受并记录主控计算机传来的数据 也可以将存储的数据传回CT的主控计算机 用CT的软件对数据进行各种处理 5 接口用于数据传输的连接方式 常见有数字接口 DICOM接口和PC机的USB接口等 6 不间断电源 UPS 停电后可供应主控计算机工作10 15min不等 保证计算机按正常程序关机 保护计算机硬件和软件不受损坏 二 重建计算机处理数据量大的高档CT设置图像重建计算机 是多CPU并行处理专用计算机 它接受控测器或磁盘传来的原始数据 进行预处理和图像重建 图像数据送主控计算机存储 1 重建矩阵重建图像时使用的矩阵 它和重建范围共同决定像素大小 影响着图像的空间分辨率 常见重建矩阵有512X512等 2 重建时间是指图像处理机使用采集数据重建出一幅CT图像需要的时间 重建时间与重建矩阵大小有关 与处理器的主频 内存配置有关 标准轴扫和螺旋扫描的重建时间不同 重建时间短 可以及时看到扫描图像 便于随时进行相关处理 三 软件系统CT设有两大软件系统 维修功能软件和诊断功能软件 1 维修功能软件用于CT系统安装设置 调整 维护 此软件一般为设备工程师专用 通过CT维修功能软件 可以方便的完成CT机的安装验收检测 查看故障日志及报错代码等 2 诊断功能软件包括 CT机基本应用软件 指各种CT均具有的扫描 诊断 显示和记录功能 图像基本处理软件 如定位扫描 目标扫描 快速连续扫描 平滑过滤 高分辨率扫描 各种测量等 后处理功能 由于扫描层厚达0 5mm z轴方向分辨率提高 基本上达到了各项同性 因此多种后处理软件得到的图像如同直接扫描的图像一样良好 后处理软件的功能图像处理中介绍 四 工作站工作站早期称为独立诊断台 1 用途工作站主要用来作图像后处理 在扫描且图像重建完成后 图像的后处理工作在工作站进行 在工作量较小的情况下可以不设 即扫描到后处理 软阅读 出片等所有工作都在主控制台进行 2 结构即一台高配置计算机 配用各种专用软件 它的硬件配置包括CPU速度 内存容量 硬盘容量 CD R 接口显示器 常见的工作站是通过网络从主控制台传来数据 进行图像处理 诊断 并可存储 传输 硬拷贝 新的一种工作站称作并行后处理工作站 它与主控制台共享病人数据库 主动直接读取 消除了传送环节 省时 方便 三 图像显示 记录和储存系统 计算机和图像重建系统提供的数字图像 通过数 模转换 D A转换 显示器正在监视器上 可以通过激光打印形成胶片或者通过光盘刻录将图像记录在光盘上保存 未完成上述任务 CT扫描机上配置了图像显示 记录和存储系统 一 图像显示系统 显示器CT的图像显示系统是利用黑白监视器 彩色显示器 液晶显示器 图像的显示是以不同的灰度等级显示 而非图像数据 通常512 512 1280 1024显示矩阵 二 图像存储系统CT是数字成像 可以以数字数据的形式来存储图像 数字图像是以二维像素矩阵的方式来存储的 目前图像存储常用磁盘或光盘来进行存储 图像存储的优点是 方便图像处理和图像转换 减少图像丢失的可能 缩小图像归档的空间 三 图像记录系统对CT图像胶片记录要求严格 要求图像有良好的密度分辨率和较高的空间分辨率 以区分组织在密度上的细微差别和分别细微的解剖结构 能满足这些要求的有两类胶片记录系统CRT型多幅相机和激光型相机 1 CRT型多幅相机阴极射线管 CRT 型多幅相机利用电子束扫描的阴极射线管把视频信号变为图像信号 显示在监视器屏幕上 经过光学透镜把屏幕上的图像聚焦后根据需要显示幅数 投照在胶片的相应部位使胶片感光 然后经过暗室处理形成一张CT影像胶片 现代CT基本不再使用这种记录系统 2激光型多幅相机激光型多幅相机又称激光照相机和激光打印机 目前广泛应用于CT MRI CR DR DSA ECT等数字化设备 其用途和CRT多幅相机相同 但成像原理完全不同 其工作原理在数字成像设备中已经讲述 不再叙述 第四节CT图像处理系统 经扫描获得的像素CT值数字矩阵直接转换成的图像 往往不能被临床利用 还需要对数字矩阵做各种各样的再处理 才能转变成可利用的图像 这样处理以后 还可根据临床需要 对图像做某种和某些处理及变换 图像的处理技术就是根据这些实际的需要产生的 图像处理技术 就是根据一定的数学模型应用计算机技术 以已经获取的像素CT值数字矩阵进行有的放矢的再加工处理 使图像能被方便识别 快速获取准确诊断信息的技术 一 图像处理功能的种类 图像处理功能的种类其实都是对检测出的CT值进行相应的数学变换和计算 这些程序已固化在机器内部 只需简单操作就可以实现其功能 其种类大致有 1 窗口技术2 图像缩小 放大 移动 3 测CT值4 旋转 黑白反转5 感兴趣区评估 测量6 CT值分布曲线7 测定距离 角度 面积 8 多幅显示9 静态和动态显示10 任意断面成像11 二维 三维成像12 图像相加 相减及其他组合操作 二 显示功能处理 一 CT值与灰度显示1 CT值 CTnumber CT扫描中X线衰减系数的单位 用于表示CT影像中组织结构的线性衰减系数 吸收系数 的相对值 简言之 物体对水的相对吸收值定义为CT值 CT值用亨氏单位 Hounsfieldunit 表示 简写为HU 计算机以X线扫描所得的信息 计算出每个单位容积的衰减系数 值 这个 值在换算成CT值 CT值的计算公式如下 CT值 m w w 系分度因数 现在用亨氏单位 H 为1000 w为73keV能量X线在水中的线性衰减系数 人体内不同密度的组织CT值均介于2000个分度之间 如果CT图像用2000个灰阶来表示 其图像层次将非常丰富 但人眼一般仅能分辨出16个灰阶 若将2000个分度划分为16个灰阶 则每个灰阶的CT值为125 2000 16 Hu 即相邻两个组织间CT值相差125Hu时 人眼才能分辨 为了能观察到CT机所具有的较高的密度分辨力 引进了窗宽和窗位 2 灰度显示灰度 指图像面黑白或明暗的程度 从全黑到全白可有无数个不同的灰度 CT影像是以灰度分布的形式显示的图像 CT图像的本质是 成像 若CT值按2000个计算 相应的灰度值也有2000个 即从全黑 CT值为 l000 到全白 CT值为 1000 有2000个不同的黑白或明暗等级 灰度 CT像是一个灰度不同 且灰度变化不连续的图像 二 窗口技术1 窗宽和窗位选择CT图像的CT值达2000个CT值 图像上从全黑到全白应能显示2000个不同的黑白程度 2000个灰度等级 将每个CT值对应显示器的一个灰阶 显示器能显示出这么多灰阶的CT图像 人眼能否鉴别这么多的CT灰阶 人眼全灰度标范围内 当两个像素的灰度相差60HU时 才能分辨出它们有不同的黑白程度 相当于把从全黑到全白只能分成约33个灰阶 窗口技术是CT检查中用以观察不同密度的正常组织结构或病变组织的一种显示技术 包括窗宽 windowwidth 和窗位 windowlevel 由于各种组织结构或病变的CT值各不相同 因此 欲显示某一组织结构细节时 应当选择合适的窗宽和窗位来显示该组织结构或病变 以获得最佳的图像 窗宽 windowwidth 就是显示图象上所包括的 个灰阶 值的范围 在此CT值范围内的组织和病变均以不同的模拟的灰度显示 数字成像方式的图像显示中 根据人眼视觉分辨力的需要 对兴趣结构所占据的灰阶范围作选择性显示的技术 窗位 windowlevel 又称窗中心 是指CT图象上黑白刻度中心点CT值范围 数字成像方式的图像显示中 以某一灰阶为中心点 选择性显示该中心上 下一定范围内的灰阶 该中心点即为窗位 同样的窗宽 由于窗位不同 其所包括CT值范围的CT值也有差异 CT检查中窗口技术的应用 窗宽和窗位的选择 关系到组织结构细节的显示 一般根据所要显示的组织结构CT值的变化范围来确定恰当的窗宽和窗位 尤其当正常组织与病变组织间密度差别较小时 必须使用窄窗宽才能显示病变 加大窗宽 图像层次增多 组织对比减少 细节显示差 缩小窗宽 图像层次减少 组织对比增加 因此 必须选择合适的窗宽和窗位 相互协调 才能获得既有一定层次 又有良好对比的图像 三 图像的放大和缩小目的是扩展显示的视野 采用简单的数字放大或缩小计算方法 从图像数据矩阵选出一部分图像数据并扩展到与原来图像矩阵一一对应 达到放大显示图像目的 四 图像反转是图像灰度的正负反转 图像中像素灰度值的大小反转 在视觉上体现为黑白反转 即高密度的组织变为低密度 五 测量兴趣区域1 确定兴趣区域为观察图像中的某一区域 人为的设定这一区域范围 进行区域内图像放大 CT值分布计算 面积或体积计算等 划定这一区域为ROI regionofinterest 确定ROI可以选择矩形 圆形 椭圆形或任意形状区域 使用光笔或电阻笔在模拟的屏幕板上划定 显示器屏幕上即可标出所画定的ROI 2测量兴趣区域在显示的图像中能比较精确地了解到所确定ROI内的平均CT值 并且可在屏幕上显示出CT值分布曲线 四 CT图像后处理技术 一 二维重组1 多平面重组 矢状面重组冠状面重组斜面重组 旋转任意层面重组2 曲面重组 组织拉直同层面重组 1 多平面重组重组是将己有的各个层面中的有关显示数据取出来重新组合成为新的层面 矢状面 冠状面 斜面及任意曲面的图象 螺旋CT扫描 一次扫描采集的原始数据 不增加X线照射量 也排除了呼吸运动的伪影 重组的图象用显示数据重建 直接重建的图象用原始数据重建 胃癌MPR 冠状位重建 斜冠状位重建 矢状位重建 原始横断面 肺动脉栓塞MPR 冠状面重建 矢状面重建 原始横断面图 2 曲面重建 CPR 是MPR的一种特殊方法 适合于人体一些曲面结构器官的显示 如 颌骨 迂曲的血管 支气管等 曲面重建图象的客观性颌准确性和操作者点画线的精确性有很密切的关系 曲面重建 胸部胸部CPR 正常肾动脉CPR 二 三维重组技术表面遮盖显示 SSD 最大密度投影 MIP 最小密度投影 MinP 容积显示 VRT 腔内重建技术 VE 1 容积重建 VR VR将每个层面容积资料中的所有体素加以利用 从而获得全面的解剖信息和良好的空间关系 VR通过对容积内不同体素施加不同的透明度 可以透过透明部分观察其后的结构 具有深度感 能更好地显示病变的比邻关系 实现四维立体显示效果 VR能自动将密度与色彩相结合 不但能在解剖上区分病变 还可以更好地显示病变与正常组织的密度差以及病变本身的密度差别 缺点 对计算机的运算能力有较高的要求 因为参数选择较复杂 需要计算大量的数据 处理和显示过程花费时间较长 正常手掌骨结构及软组织 肌腱 VR 腹部血管VR CR MIP CR VR 2 最大密度投影 MIP MIP是利用容积数据中在视线方向上密度最大的全部像元值成像的投影技术之一 其主要的优势是可以较真实地反映组织的密度差异 缺点是对密度接近且结构相互重叠的复杂解剖部位不能获得有价值的图像 MIP常用于具有相对高密度的组织和结构 如血管及管壁的钙化斑块 肺内结节与肿块 明显强化的软组织占位病灶 骨骼等 血管MIP需静脉注射对比剂后进行 胆系MIP需静脉注射胆影葡胺后扫描 MIP 胸部血管MIP 胸部骨骼MIP 腹部血管MIP 正常肾动脉MIP 双侧股动脉MIP MIP比VR显示髂动脉钙化更加清晰 MIP与SSD重建技术比较 MIP 可分辨血管壁钙化与充盈造影剂的血管腔 SSD 不能反映灰阶度 3 最小密度投影 Min IP Min IP是利用容积数据中在视线方向上密度最小的像元值成像的投影技术 由于人体内的组织器官中气道和经过特殊处理 清洁后充气 的胃肠道等的CT值最低 1000HU 所以Min IP主要用于显示大气道 支气管树和胃肠道等中空器官的病变 MinIP 4 虚拟内窥镜虚拟内窥镜技术即CTVE CTVirtualEndoscopy 技术 是随着计算机技术 计算机图形学 计算机图像处理尤其是虚拟现实等学科的发展而逐步形成的一种独特的医学图像后处理技术 指螺旋CT机对选定的躯体部位行连续容积扫描采样后 借助导航技术 Navigation 或漫游技术 FlyThrough 以及伪彩技术来逼真地模拟腔道内镜检查的一种方法 可以逼真的在任意CT位置断面上进入任意大小管道如胃肠腔 气管 支气管等 以管道腔内中心为轴心 在充气腔内循腔道纵轴向头端或尾端方向 漫游 利用远景投影软件功能调整视屏距 物屏距 视角 透视方向及亮度 显示该节段内任意腔道的内部结构 并赋以伪彩色 同时不断缩短物屏距 产生目标物体逐渐向观察者靠近并逐渐放大的图像 产生类似纤维内窥镜在腔内前进的直观动态三维立体重建图像 称为CT内窥镜 仿真内窥镜 气管 仿真内窥镜 正常喉腔 仿真内窥镜 喉癌 仿真胃镜 胃癌CTVE CTVE直观立体的显示椎管内情况 5 表面遮盖显示SSD是在一个由 象素 构成的数学容积中 根据预先确定的阈CT值 通过计算机将在阈CT值范围内的组织结构 象素 联接形成的一个数学模拟三维图象 SSD应用深度编码 使图像有深度感 立体直观 可以通过确定不同的阈值来显示检查对象的不同靶结构 图象类似钡剂充盈相 缺点 只能选择单一的阈值 结果使阈值以外的象素信息丢失 仅利用10 的数据 不能表示实际组织的密度信息 图像对阈值的变化非常敏感 不适当的阈值选择可能丢失相关解剖结构 如骨的三维成像观察骨折时 阈值选择不当 能出现 假孔 现象 因此正确确定相应的CT阈值非常重要 另一个缺点是本法获得的图像是不透明的 无法了解其内部结构 如血管成像时不易区分钙化与血管腔内造影剂 亦可采用分段法Segmentation 再次调整阈值去除钙化 将钙化与血管模型分别赋予伪彩色后叠加形成图像 血管狭窄的长度与宽度能被低估 SSD三维重建清晰显示脊椎解剖关系 手掌骨结构SSD 正常肝脾及其血管SSD 喉 气管透明三维Raysum 透明显示 空气灌肠CT成像 第五节螺旋CT 一 概述 螺旋CT突破了传统CT的设计 采用滑环技术 将电源电缆和一些信号线与固定机架内不同金属环相连运动的X射线管和探测器滑动电刷与金属环导联 球管和探测器不受电缆长度限制 沿人体长轴连续匀速旋转 扫描床同步匀速递进 传统CT扫描床在扫描时静止不动 扫描轨迹呈螺旋状前进 可快速 不间断地完成容积扫描 一 螺旋CT扫描原理 1 原理在螺旋CT扫描过程中 与传统的扫描最大的不同在于数据的采集不是一层一层地进行的 而是连续的容积扫描 在扫描过程中 X线管连续的围绕病人旋转 与此同时 承托病人的扫描床匀速的向机架扫描孔内推进 这样X线束在病人的扫描部位的照射轨迹是螺旋状的 因此称为螺旋扫描 螺旋扫描是采集人体组织一段体积的信息 因此这一技术也叫容积扫描 2 实现螺旋扫描的前提条件 依靠滑环技术使X线管能在连续地沿着一个方向旋转 扫描床能同步匀速直线运动 使用大功率 高热容量和散热率高的X线管 具有螺旋扫描的加权算法的条件 选用计算速度快 存储容量大的计算机系统 3 螺旋扫描的优点 提高扫描速度 减少运动伪影 提高了对比剂的利用率 薄层扫描 不会产生病灶的遗漏 可任意 回顾性重建 无层间隔大小的约束和重建次数的约束 容积扫描 提高了多方位和三维图像重建的质量 4 常规CT的缺点 扫描时间长 会产生病灶的遗漏 不能准确多方位和三维图像重建 增强扫描只能扫描有限的几个层面 二 螺旋扫描的常用参数1 螺距 球管旋转一周检查床移动的距离与扫描线束厚度 即层厚 的比值 螺距等于0时 相当于传统CT扫描 螺距等于0 5时 X线管旋转曝光2周 螺距等于1时 X线管旋转曝光1周 螺距等于2时 X线管旋转曝光半周 螺距越大 探测器采集的信息量相对较少 图像质量下降 螺距 每圈移床距离 层厚 螺距越大 床速越快 低螺距 高螺距 2 层厚层晒太阳是指断层的厚度 对于单螺旋CT来说 层厚主要由准直器通道限定X线束宽度决定 可理解为探测器的宽度 在第一种螺距的含义下 当螺距为0时 相当于传统CT的扫描方式 当螺距小于层厚或小于线束的宽度时 相邻螺圈有重叠 当螺距等于层厚或等于线束的宽度时 相邻的螺线圈虽无重叠 但却紧挨着 且用于重建的断层也紧挨着 但螺距大于层厚时 扫描覆盖的受检体的范围增大 在第二种螺距的含义下 当螺距为0时 也相当于传统CT的扫描方式 当螺距等于0 5时 扫描一圈床移动距离等于扫描线束宽度的一半 相邻螺线圈有重叠 且用于重建的断层也有重叠 螺距等于1 0时 扫描一圈床移距离等于扫描线束宽度 螺距等于1 5时 扫描一圈床移距离等于扫描线束的1 5倍 螺距等于2 0时 扫描一圈床移距离等于扫描线束宽度的2倍 螺距越小 扫描对受检体覆盖的越完全 螺距小 层厚薄可提高纵向分辨率 对检出小病灶有利 3 螺旋插值螺旋CT扫描采集数据的过程中因被检体随床的不断移动 采集到的数据不是同一断层扫描的采集结果 而时螺旋数据 为了得到同一断层的数据并据此来重建一幅断层图像 就必须根据不是取自同一断层的螺旋实测采样值 通过某种计算即所谓的内插算法来获取重建所需要的同一断层内的采样数据 这种在欲重建图像所对应的同一断层内进行内插数据的方法称为螺旋插值 螺旋插值是在靠近欲重建断层的邻近螺线圈间进行 根据与层面邻近螺线圈上采样点与断层上相应点的分布 并用一定的近函数进行一定的运算 利用运算的结果来补充欲重建断层上的采样值 这样的采样值并非实测的投影数据 而是建立投影数据的方法 完成螺旋插值运算功能的部件叫螺旋内插器 合成平面数据最容易的逼近法是采用一种 滑动 滤波器于螺旋数据上形成投影数据 目的是仅仅选择关注的需要数据和界定数据对某一指定位置平面上反映贡献的程度 实际上也是一种卷积运算 为了得到合成的平面数据 这对螺旋数据的z 轴加权法称作螺旋内插法 具有这种加权的功能部件通常称作螺旋内插器 通常采用三种不同的螺旋内插器 标准型 清晰型 超清晰型 为理解这些内插器功能 首先要明白层厚仍然是限制z 轴向分辨率的因素 螺旋内插是给螺旋数据分段加权 作为一种建立数据的方法 这些数据就如在感兴趣的位置上进行轴向扫描测量得到的 对选定位置 投影数据加权后产生横截面的数据 每个横截面被限定在360o的数据组 由此重建图像 标准内插是一种改善的内插方法 使线性内插的范围减少到一周 清晰内插器采用一个高阶 单边凸函数来增加分辨率 方法是对z 轴向离开感兴趣区的数据进行负向加权 由于数据从二周内加权然后变为一周的数据 清晰内插器具有采用更多的内插数据的效果 也具有改变用于重建的投影数据加权作用的效果 超清晰内插器是高阶双边凸起的内插器 它对三周内的数据加权 这种超清晰内插器使用了最多的螺旋数据来形成要重建图像的平面数据而不牺牲z 轴的分辨率 当然采用超清晰内插器要大大增加数据的计算量 增加图像的重建时间 二 螺旋扫描装置 一 滑环技术常规CT扫描机的X线管系统的供电和数据传递均由电缆完成 由于电缆易缠绕 因此X线管在机架内只能做往复运动 不能向一个方向连续旋转 扫描速度难以提高 20世纪70年代出现的滑环技术 解决了上述问题 滑环技术用一个滑环和碳刷代替电缆 滑环在转动时一直与碳刷保持良好的接触 红碳刷和滑环完成X线管供电和信号的传递 因此可以实现X线管在机架内沿一个方向连续的旋转 实现了螺旋扫描 滑环技术可分为高压滑环和低压滑环 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滑环上 再经高压滑环输入X线管 2 低压滑环技术外部数百伏的低压经导线和电刷传输到低压滑环上 由滑环传送经高频发生器 高频发生器产生的高压经过很短的一段高压电缆输送经X线管 高压滑环技术和低压滑环技术的主要区别是滑环上有没有高压的传输 实现低压滑环技术的前提是高压发生器的高频化 高压发生器高频化后 体积和重量大大减小 和X线管共同旋转在机架内 高压滑环的最大特点是对滑环绝缘要求以及周围部件的绝缘要求比较高 低压滑环技术的最大优点是对绝缘要求不高 安全 稳定 可靠 因此其成为未来的发展趋势 二 单层螺旋CT滑环技术的运用 使螺旋扫描成为可能 实现了X线的连续曝光 数据的连续采集 检查床的连续运动 将常规的单层扫描变成了容积扫描 缩短了扫描时间 使CT的应用范围和各种功能得到进一步的扩展 为了实现滑环螺旋扫描 硬件和软件必须进行相应的改变 就单层螺旋CT进行简单的介绍 1 X线管滑环技术使扫描机架以连续单方向旋转 由于成像质量与X剂量之间的依存关系 要提高扫描速度 螺旋CT的X线管必须做到以下几点 管电流提高 高热容量和高散热效率 稳定性高 寿命长 因此应用到螺旋CT上的X线管都和常规CT的X线管有着较大的区别 比如金属陶瓷X线管 动态飞焦点技术 零兆球管等都是适应螺旋扫描而作的相应改进 2 探测器单层螺旋CT探测器仅有一排 目前临床上采用的探测器主要有气体和闪烁晶体 气体探测器的温度稳定性好 但是光电转换效率低 固体探测器光电效率高 但是温度稳定性差 目前单螺旋CT采用稀土陶瓷探测器 进一步提高了稳定性 3 机架与扫描床机架设计采用人机工程技术 使病人摆位更容易 感觉更舒服 一次摆位病人扫描范围加大 机架的倾斜以及范围的控制均可以在控制计算机上完成 操作更容易 简单 4 控制台与计算机高速大容量计算机系统 实时处理和显示已经普遍采用 其显示矩阵为1024X1024 改善了图像的细节 更能充分显示图像包含的信息 操作可实现鼠标式和触摸式 操作十分方便 随着连续扫描层数的增加 对计算机的内存也要求比较高 目前可达到2G内存 硬盘容量也相应地增大 有的还使用磁盘陈列 同时DICOM接口技术的应用使接口标准化 可与其他设备兼容 可以连接激光相机 以及进入PACS系统 5 软件技术螺旋扫描是一种体积扫描技术 它所应用的三维组织软件包可同时使用各种不同的颜色区分不同的组织 使三维图像更加逼真 智能扫描可根据人体解剖形态进行扫描 最大密度投影可显示感兴趣区域而抑制不希望显示的组织 最小密度投影可看到气道内的接口以及血管成像 仿真内窥镜等软件技术是常规扫描不具备的 三 多层螺旋CT多层螺旋CT又称多排CT 多层CT是在单 双层CT基础上的发展 但其性能却与单 双层螺旋CT大不相同 多层CT在结构上的最大变化是有多排检测器和多个数据采集系统 DAS 传统的CT扫描一圈只获得一幅人体图像 而MSCT增加了探测器纵向排列的排数以及Z轴方向探测器阵列宽度 因此MSCT扫描一周可获得2 64幅 甚至更多的CT图像 MSCT同单层螺旋CT相比 其优越性主要来自探测器的结构 数字采集系统和计算机的变化 现简述如下 1 探测器的结构 线束 螺距以及层厚 1 探测器的结构 MSCT探测器的材料一般采用转换效率高的稀土陶瓷闪烁晶体与光电二极管一起共同组成探测器阵列 探测器排列的方式目前有两种类型 一种是探测 器的宽度均等的等款型对称排列 另一种是各排测器的宽度不均等的非等宽型排列 为了提高线束的利用率 各排探测器排列为弧形状 等宽型和不等宽型探测器各有利弊 等宽型探测器阵列在组合成各种层厚时较为灵活 但是各排探测器的间隙也多 而投照在间隙上的X射线不能被利用 所以线束利用率低 丢失有用信息 不等宽探测器型阵列各排探测器的间隙数目少 故线束利用率高 丢失的有用信息少 但在组合成各种层厚上不如等宽型方便 2 X射线束 在传统和单层螺旋CT的扫描中 因为只有一排探测器采集数据 所以通过准直后X射线束的形状为薄扇形束 线束的宽度近似等于层厚 而在多层螺旋CT数据采集中 长轴方向有多排探测器排列采集数据 所以X线束沿长轴方向的总宽度大于等于数排探测器沿长轴方向宽度的总和才可以 故X射线束的形状是以X线管焦点为顶点的四棱锥形 这样才能覆盖多排探测器 这样的X射线束称为小孔束或厚扇形束 3 螺距与层厚就多层螺旋CT而言 使用的螺距概念在含义上常有以下两种 两种螺距的关系为 层螺距 层数X束螺距传统CT和单层螺旋CT的层厚选择 可改变线束的宽度实现 而且可以粗略的认为层厚等于线束的宽度 也等于探测器的有效宽度 在多层螺旋CT中的层厚 虽然也与射线束的宽度有关 但主要取决于探测器的有效探测宽度 或者粗略说等于探测器沿长轴方向的总宽度 探测器的不同组合将对应不同的层厚 2 数据采集系统传统CT和单层螺旋CT在进行数据采集中只有一个数据采集系统或数据采集通道 多层螺旋CT有多个数据采集系统 多个数据通道 通过前准直以及探测器排数的不同组合形式 可以获得同的扫描层数 3 多层螺旋CT的重建在采集到足够的重建数据后 最关键的是重建算法的选择与确定 由于多层螺旋CT数据采集的特点 其重建算法也不是单层螺旋的简单变化 而是更为复杂 故不作介绍 其算法的选择应着眼于消除伪影 减少图像噪声和改善图像质量 4 计算机系统目前应用到多层螺旋CT中的计算机系统和常规CT 单层螺旋CT相比运算速度更快 这依赖于计算机技术的发展 例如计算机系统采用双中央处理器的双核技术 大内存的使用 可达2G以上 硬盘均采用高速 大容量硬盘 甚至采用磁盘阵列 使计算机系统对数据的处理运算能力以及图像的重建速度变得非常迅速 多层螺旋CT的最大优势首先是实现了图像重建的各向异性 如长轴和横向分辨率几乎完全相同并且很高 其次是大大提高了检查速度 目前全新的64层螺旋CT的使用以及双源CT的使用 使多层螺旋CT的扫描速度又进入了一个崭新的时代 心脏等动态器官的检查变得更加简单 同时三维以及各种回顾性重建变得更加多样化 伴随着多层螺旋CT性能的进一步提高 各个方向上重建性能趋于一致 CT图像仅仅是横断面图像的概念已成为历史 人们完全可以重建任意方位 任意剖面的图像 伴随着多层螺旋CT技术的进步 一定会出现更新更好的临床检查应用技术 第六节CT的使用维护 一 CT的使用操作 CT机属大型昂贵的精密医疗设备 必须正确使用 任何一个错误的操作 轻者不能完成患者的检查 重者造成设备损坏 一 使用原则CT机的使用应遵循下列原则 CT机操作人员必须具备专门知识和操作技能 熟悉CT机的结构 工作原理 扫描参数选择等等 应按国家的相关规定 经过专门的CT机上岗培训并获得合格证书 根据CT机的特点 严格遵守使用说明所规定的操作规程 要谨慎 熟练 正确地操作机器 每日CT开机后 按要求进行x线管预热训练和空气校准 避免冷x线管突然加上高压后因快速升温而造成阳极靶面损伤 降低x线管的使用寿命 扫描过程中要注意操作台和监视屏上个参数的变化 及时发现异常 应注意扫描时间 禁止超热容量使用 二 操作规程 不同厂家和型号的CT机又自由的使用特点 也有相应的操作规程 归纳起来 有以下几点 开机前检查控制室 扫描室和计算机室的温度和湿度 使之达到规定的要求方向可开机 严格按照顺序启动机器 开机后观察各项技术选择是否在正常位置 并开始进行CTX线管的预热训练 按要求进行x线管的预热训练后 再按医嘱和病变部位选择相应的技术条件扫描病人 按要求进行CT图像后处理