《医用放射影像仪器》PPT课件.ppt

主讲 周俊博士2010年秋季 杭州 X线机的发展简史 X线机各组成部分及功能 逆变式X线机 X线电视系统数字成像设备CR DR的组成 特点 原理X线CT的发展历史 CT机的基本构造及特点 螺旋CT的优缺点 螺旋CT的滑环技术及其种类 特点医用超声诊断仪的物理性质 分类 应用MRI的发展历史 组成部分 结构 作用 特点等详见书本第五章 医用放射 影像仪器 自伦琴于1895年发现X射线以后即已被应用于医学方面 成为近代医学不可缺少的工具 了解其他的重要发展时间 X线机分类 按用途 胃肠专用机 牙科 乳腺 床旁X线机 按主机功率 小型 10kw 中型 10kw 40kw 大型 50kw及以上 按主电路工作方式 工频 逆变 电容充放电X线机 练习P100第1 3题 练习P100第4题 固定阳极X射线管由阳极 阴极 和玻璃壳三个主要部分构成 教材P161图阳极的结构包括阳极头 阳极帽和阳极柄三个部分 作用是加正高压 吸引和加速阴极电子使其高速撞击靶面产生X线 阴极由灯丝 阴极头 阴极套 玻璃柱组成 阴极的作用是发射电子 并对电子束进行聚焦 聚焦后焦点分为实际焦点和有效焦点 投影值 练习P100第5 6 8题P109第101题 旋转阳极解决了焦点面积和散热的问题 提高了功率并缩小了焦点 阳极由靶面 转轴 轴承 转子 玻璃圈构成特殊X射线管金属陶瓷旋转阳极X射线管 玻璃壳改成金属和陶瓷组合而成栅控X射线管 阴极和阳极之间加入一个控制栅极软X射线管 乳房摄影等X射线管的特性通过阳极特性曲线和灯丝发射特性曲线来反映 练习P100第7题P109第102 103题 X射线管的管套 见教材P165图5 12 固定阳极X射线管 由薄钢板等金属制成 膨胀器 适应油温变化引起的热胀冷缩 内衬铅层防止散射线 窗口前放置一块铝滤过片以减少对人体有害的软X射线 旋转阳极X射线管 阳极上有一个阳极定子绕组X线管 高压变压器 灯丝加热变压器一起组成组合机头 练习P100第10题 高压发生器 X射线管组件 高压电缆三个部分高压发生器 教材P167图 高压发生器提供X射线管工作所需的管电压和灯丝加热电压 内有高压变压器 灯丝加热变压器 高压整流器 高压交换闸 箱体内充满变压器油 变压器油的作用是 1 保持各部件之间和对地的绝缘 2 散热 练习P100第11 12题 构造 铁心 初级绕组 次级绕组和夹持固定件四个部分 见教材P168图 特点 1 变压比大 次级输出电压高 绝缘要求高 2 连续工作负荷小 瞬时工作负荷大 3 浸在绝缘油中使用铁心 给磁通提供通路 广泛采用C型卷绕铁心 初级绕组 工作时电压不高 但电流很大次级绕组 输出电压很高 但电流很小 采用两个绕组串联和中心点接地的方式 目的是降低高压绝缘要求 变压比等于线圈匝数之比 练习P101第13 14题P109第104题 灯丝加热变压器特点 1 要有足够的容量 2 初次级应良好绝缘 3 由铁心和绕组组成 双焦点的X射线管 使用两个规格不同或相同的灯丝加热器 分别成为大 小焦点灯丝加热器 高压整流元件 将高压变压器次级输出的交流电压整流为脉动直流的高压 目前X线机使用高压硅整流管 高压交换闸 多个X射线管公用一个高压发生器的情况 有继电器式和电动机式两种 高压电缆 大中型X射线机中 高压发生器和X射线管是分开组装的 两者通过高压电缆连接在一起 练习P101第15 17题P109第105题 自耦变压器作用 为X射线机各部分电路供电的总电源部件 他的作用是将单一的供电电源电压 220V或380V 变为多个不同数值并可调节的输出电压 常用自耦变压器 抽头调压式自耦变压器和滑轮滑动调压式自耦变压器 目前普遍使用的是自动控制滑动调压式自耦变压器 练习P101第19题P109第106题 稳压器作用 保证X射线管管电流稳定 稳压器存在于灯丝加热电路中 医用X射线设备中多采用谐振式磁饱和稳压器 磁饱和稳压器 一种特殊的变压器 铁心与普通变压器不同 初级一侧用非饱和铁心 次级一侧用饱和铁心 谐振式磁饱和稳压器 四个铁心 增加一个补偿绕组和一个谐振电路 见教材P174图 练习P101第18题 空间电荷抵偿器空间电荷 灯丝侧后方发射出来的电子与灯丝前端发射出来的电子之间相互排斥使得侧后方发射出来的电子到达阳极的阻力很大 于是常滞留在灯丝的后方 形成空间电荷 当电压增加时 有部分空间电荷能够到达阳极形成管电流 使管电流增加 形成空间电荷效应 所以设计了空间电荷抵偿器来消除这个效应 保证管电流不变化 X射线机常用仪表电源电压表 kV表 mA表 mAs表 专业测量所有X线机及CT机的mAs线性 练习P101第20 22题 X射线机电路的基本要求 了解 整机电路的组成 电源电路 X射线管灯丝加热电路 高压变压器初级电路 高压变压器次级电路及管电流测量电路 限时电路 控制电路 教材P176图 电源电路 是对整机的电源供给 通常包括电源进线 熔断保护 通断控制 电源调节 电源指示及自耦变压器等 练习P109第107 108题 控制X射线管产生不同的管电流的电路 他要求灯丝加热电压稳定且可调节 管电流的调节 教材P177图 1 透视管电流的调节 透视管电流很小 一般2 3mA 最大限定为5mA 实际中多用一个半可调电阻和一个线绕电位器串联组成 2 摄像管电流的调节 摄像管电流较大 为透视管数十至数百倍 实际中采用分档定时调节 在现代大型X射线机及中高频X射线机中 常采用改变供给灯丝加热变压器电压的频率 及脉冲电压的占空比来改变次级加热电路 从而调节管电流 练习P101第23 25题 管电流的稳定 X射线机常在灯丝加热电路中设置稳压装置 谐振式磁饱和稳压器 和空间电荷补偿装置来消除外部电源电压波动及灯丝空间电荷效应的影响 目前 X射线电视系统和现代大型X射线机中采用了闭环控制技术来保证X射线管管电流的自动补偿稳定 灯丝增温 目的 为了延长X射线管灯丝的寿命 同时要保证X射线管足够的电子发射量 灯丝电路常设计成预热增温式 冷高压保护 在X射线管灯丝不加热的情况下 若在其两端加上的管电压 冷高压 达到一定值时 X射线管的灯丝将受到电场拉引力的作用而损坏 所以我们要引入冷高压保护 练习P102第26 27 29题 高压初级电路 是指自耦变压器输出至高压变压器初级线圈所构成的闭合回路 由于人体各部分的组织密度 厚度的差异要求X线机的管电压具有可调节性和可控制性 根据要求 一般高压初级电路包括管电压调节器 kV 管电压控制装置 管电压补偿装置 管电压预示电路 练习P109第109题 管电压的调节 调节范围一般在40 150kV之间 中小型X线机一般在125kV以下 管电压的调节是根据变压器的工作原理来进行的 电压之比等于匝数之比 工频机最常采用的是调节高压变压器初级输入电压的方式来调节管电压 实现方式分为分档调节式和管电压连续调节式 管电压的控制 控制高压初级电路的接通与断开 即高压次级电路的产生与消失 从而控制X射线的发生与停止 常用控制方法 接触器控制法和晶闸管控制法 练习P102第28 30题P109第110题 管电压的预示 操作人员要根据患者的不同部位在曝光前确定管电压值 并进行调节 获得方法 依据高压变压器的变压比将空载是的初级电压值换算成负荷时相对应的次级高压kV值 并加相关补偿 用高压初级电压来间接预示次级高压 使其所预示的管电压值与实际加于X射线管两端的电压值尽量一致 管电压预示常用的方法 刻度盘预示法 电压表预示法和数字显示预示法 管电压的补偿 补偿主电路的压降 电源电阻 自耦变压器阻抗 高压变压器阻抗等 这些压降会影响管电压 所以要进行管电压补偿 补偿方法有电阻式kV补偿电路和变压器式kV补偿电路两种 练习P102第31 37题P109第111 112题 主要部件包括高压变压器次级 高压整流元件 高压电缆 X射线管和mA测量用表等 电路结构有半波自整流 单相全波整流和三相全波整流 分别对应小 中 大型X射线机 旋转阳极启动 延时和保护电路旋转阳极的特点 焦点小 功率大 中型以上X射线机均采用旋转阳极X射线管 旋转阳极X射线管在摄影时必须旋转到一定转速才能曝光 否则会使X射线管过热融化 为了保护X射线管 设计了旋转阳极启动 延时和保护电路 练习P102第32 33题 旋转阳极快速启动 快速达到规定转速旋转阳极延时装置 使阳极到达一定转速后才开始曝光 常用的有继电器式和电子电路式 旋转阳极保护装置 防止阳极在没有旋转或者没有达到额定转速是产生X射线而导致焦点面过热融化 旋转阳极制动装置 减少阳极轴承的磨损 延长使用寿命 练习P103第34 35 38题 X射线管容量保护电路 防止操作人员在选择摄影条件时超过X线管的额定负载而损坏X线管的情况而设计的 限时电路 控制X线机的曝光时间的长短 包括机械 电子管 晶体管 集成电路限时器 光电管 电离室式控时系统 计算机控制的自动负载降落曝光控制系统操作控制电路 包括透视控制电路 普通摄影控制电路 滤线器摄影控制电路 胃肠 点片 摄影控制电路 练习P103第36 39题 使用50Hz或60Hz电源的是工频X射线机 400Hz 20khz的是中频X线机 20khz以上的是高频X线机 后两者都是使用了逆变技术来获得高于400hz的交流电源 所以 人们通常把经过变频而获得400hz以上交流工作电源的X线机称为逆变式X线机 体积和重量大大减小可输出高质量X射线 硬度和单色性大大加强 输出稳定 重复性好 有利于向智能化方向发展 曝光时间更短 可使用交 直流供电 结构和工作原理 见教材P181图 微机控制系统是整个逆变式X线机的核心 P109第113题 Time 16 10 17 50 20世纪50年代后出现特点 使放射技师可以在明室操作 降低了X射线剂量 便于观察 科研和教学 同时也便于实现图像数字化组成 X射线影像增强器 摄像机 控制器 监视器等 见教材P182图 P110第114 115题 是影像增强器的核心部分 结构是在高真空玻璃壳内封装着输入屏 聚焦电极 阳极 加速电极 输出屏 和离子泵 教材P182图输入屏 把X射线影响转变为电子像 由铝基板 荧光层 隔离层和光电层组成 静电透镜 又称电子透镜 是用静电聚焦方式来对电子束实现聚焦作用 由光阴极 聚焦电极 辅助阳极和阳极组成 输出屏 用于把增强了的电子像转换为可见影像 主要结构是光电层和玻璃层 管壁 除输入输出面全部用石墨遮光 P103第40 42题 亮度增益 影像增强器的主要作用是提高影像亮度 便于摄像机摄像 变野功能 目的是把问题部位影响放大后仔细观察 方法是在管内设辅助阳极 该种增强器一般有两种视野 全屏或中心一定范围 也有三视野增强器和连续可变视野增强器 小视野充分利用了输出屏的分辨率 使用较小视野时 由于缩小增益降低 要维持原来的输出亮度 必须适当增加X射线剂量 光分配器 单路式 双路式 三路式 光学透镜 教材P185图 P103第43 44 46题 一般分为 摄像管式摄像机 CCD或CMOS摄像机 摄像管式摄像机 由摄像管 聚焦线圈 偏转线圈 扫描电路 预放 视频处理等电路组成 摄像管是核心部件 摄像管可以分为根据外光电效应制成的光电式和根据内光电效应制成的光导式 光导式摄像管就是利用了某些材料 如硫化锑 氧化铅 受光照后电阻率发生变化的特性制成的 P104第47题P110第116题 CCD 半导体固体成像器件 电荷耦合器件 图像信息 CCD 相应比例的电荷 然后移位串行输出优点 灵敏度高暗电流小 光谱响应范围宽 动态响应范围宽惰性小 分辨率很高几何失真小 体积小重量轻耗电少动作快寿命长可靠性好 CMOS 互补性金属氧化导体 摄像通过光敏二极管来实现 特点是外围电路简单 集成度非常高 P110第117题 图像 像素越多 图像越清晰 扫描的概念 行扫描 电子束在水平方向的扫描 帧扫描 电子束在垂直方向的扫描 扫描的方式 教材P185图逐行扫描 自上到下依次扫描隔行扫描 先扫奇数行 再扫偶数行 P104第48题 包括图像信号 消隐信号和同步信号消隐信号和同步信号又包括行消隐 帧消隐 行同步 帧同步图像信号的性质教材P187图电视信号 教材P188图 P104第49题 设备分类 计算机X线摄影系统 CR 数字X线透视系统 DF 数字X线摄影系统 DR 数字X射线成像设备相对于传统的屏 胶系统的优点 1 对比度分辨率高 2 动态范围大 线性好 3 量子检出效率高 4 成像质量高 5 数字化传输与存储 PACS 不足 空间分辨率低日本富士公司于1982年首先推出了计算机X线摄像系统 90年代中期广泛用于临床 P104第50题P110第118题 组成部分 信息采集部分 信息转换部分 信息处理部分 信息存储及记录部分 工作原理教材P190图X射线透过被照体后 由影像板吸收 再经读取装置读出影像板中存储的影像信息 通过计算机处理 在经过激光照相机成像 或有存储装置存储而直接在荧屏上显像 影像板 imageplateIP IP是CR的关键 记录影像的载体 结构 表面保护层 荧光物质层 基板和背面保护层 工作原理 X射线照射IP时 入射IP的X射线量子被IP荧光层的PSL荧光体吸收 放出电子 部分电子呈半稳态 形成潜影 完成X射线信息的采集和存储 当用激光来扫描已有潜影的IP时 发生光激励发光现象 产生的荧光与第一次激发时X线的能量精确成正比 完成读出 IP的输出信号还需有读取装置继续完成光电转换和AD转换 才能形成数字图像 P104第51 53题P110第119题 包括暗盒型读出装置和无暗盒型读出装置 区别 有没有打开暗盒和取出IP的过程 暗盒型读出装置结构流程教材P191图读出原理教材P192图计算机处理 1 与读取数据有关的处理 2 与图像显示打印有关的处理 3 图像信息存储和记录有关的处理 存储方式 磁带 硬盘 光盘 改进方向 提高时间分辨率 提高X射线转换效率 减少IP荧光体内颗粒的尺寸 提高发光效率 P105第54题P110第120题 在I I影像增强器 TV系统的基础上 利用AD转换使模拟视频信号数字化 实现了计算机处理 1995年第一台性能优于CR的DR样机 结构X影像接收器数据采集器 AD 图像处理器 数据查找表 专用运算器 存储器图像监视器系统控制器 P105第56题P110第121题 检测器是DR的关键部件 根据检测器分类 CCD摄像机型 非晶硅平板探测器 非晶硒平板探测器和多丝正比室扫描型4种 CCD摄像机型DR由I I TV把作为信息载体的X射线转换为可见光 经CCD摄像机变为视频信号 再经AD转换成数字图像信号 教材P192图5 42缺点 由于I I和电视摄像机的光散射和电子散射 引入了附加的对比度损失 电视摄像机动态范围小 不能发现微小的组织差异 I I的视野小 边缘和中心的分辨率不一致 P105第55题 非晶硅型外形及工作原理 了解 教材P194图非晶硒型组成 集电矩阵 硒层 电介质 顶层电极 保护层 工作原理 了解 教材P195图多丝正比室 组成 高压电源 水平狭缝 多丝正比室 机械扫描结构 数据采集 计算机控制及图像处理系统 教材P195图结构 气体探测器 在两块平行的大面积金属板之间平行并列许多条金属丝 室内冲入惰性气体或有机气体 具有较高的探测灵敏度工作原理 了解 P105第57题P110第123题 与CR相比 优点如下 1 图像清晰度要优于CR2 DR的噪声源比CR少3 DR的工作效率比CR高4 DR的X线转换效率高5 DR检测器寿命长6 DR有升级为透视的能力问题 大面积TFT在工业生产中存在较大难度 不能满足心血管设备的需要 不能适应快速连续摄像的X线造影检查 提高读出和建像速度是主攻方向之一 P110第124题 1971年10月 英国工程师Hounsfield设计并扫描出第一副具有诊断价值的头部CT而宣告世界第一台CT扫描仪的研制成功 发展阶段 第一阶段 20世纪70年代 扇形束扫描技术第二阶段 80年代后期 滑环技术的应用第三阶段 多层扫描 P106第68题 组成 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 教材P198图数据采集系统 作用 产生X射线 使X射线束准直 滤过后 穿过病人所需成像部位的横截面 测得透射的X射线束强度 经AD转换为可提供计算机应用的数字信号 包括 高压发生器 CT专用X射线管 准直器 滤过器 探测器 扫描机架 诊断床和前置放大器 接口电路等 教材P199图 P111第128 129题 X射线管 基本结构与常规X线机相同 目前均为旋转阳极X射线管 但额定功率和热容量要大 尤其是螺旋CT扫描器 球管的散热常采用油冷和风冷方式 高压电源 管电压和管电流必须很稳定 于是采用闭环控制方法来稳定 滤过器 减小信号强度差使信号均匀 作用 1 吸收低能X射线 软X射线 2 使X射线束通过滤过器后 变成能量均匀分布的硬射线束 减小信号采集的误差 P106第69 70题P111第130题 准直器 分为前准直器和后准直器 探测器准直器 作用 控制X射线束在人体长轴平行方向上的宽度从而控制扫描层厚度 只适用于非螺旋CT和单层CT 并限制到达探测器组件的X射线角度分布 还有只接受垂直入射探测器的射线和减少散射线干扰的作用 教材P204图5 57机架 由机架部分和转动部分组成 转动部分包括 X射线管 X射线高压发生器 滤过器 准直器 滑环 探测器及数字数据传输装置等机架部分包括 旋转控制 旋转驱动 滑环碳刷 机架冷却 层面指示等 驱动方式为 皮带和线性电机直接驱动两种 目前多数是直接驱动方式 P106第71 74 77题P111第131 132题 探测器 将射线能量转换为电信号 模拟信号 的装置 作用 通过测量穿过病人的X射线透射值来采集信号 信号经AD转换为数字信号 供图像重建使用 为了保证重建的质量 要求探测器有很高的灵敏度 灵敏的响应性 较好的稳定性 较宽的动态范围 类型主要有 固体探测器和气体探测器 固体探测器 闪烁探测器 闪烁晶体与光电倍增管组成 气体探测器 利用气体电离原理 教材P201图 P106第75 76题P111第133题 数据测量系统或数据采集系统DAS 探测器和计算机之间 作用为前置放大 对数放大 模数转换 数据传输 教材P202图 扫描床 碳素纤维材料做成 对X射线吸收少 强度高 P111第134题 计算机系统 有主控计算机和阵列处理计算机组成 主控机任务 系统管理 任务分配 外设控制 阵列机任务 图像重建和处理 图像显示 记录和存储 P107第78题P111第135题 随着滑环技术和三维影像重建技术的发展 产生了螺旋CT优点 1 扫描速度非常快 2 连续扫描和连续采集数据可以获得容积数据 3 快速无层间隔扫描可以充分发挥对比剂的增强作用 缺点 1 床运动产生伪影 2 螺旋扫描图像的噪声比传统CT标准扫描图像的噪声高 3 图像处理时间长且需大容量的存储能力 4 仍受到最大扫描容积的限制 P107第79题P111第136题 滑环技术 利用碳刷和滑环进行连接的方法 解决了机架旋转部分与静止部分的供电和信号传递方式 可以实现连续扫描 功能 1 传递设备操作和控制信号 2 供应X射线管与变压器电源 3 传送探测器数据 滑环技术分为低压环和高压环 教材P204图低压滑环技术 从外部将数百伏的低压直流电传到滑环上 由滑环输送给高频高压发生器 技术的关键是采用高频逆变技术将制作的很小的高压发生器放在机架内 与X线管一起旋转 低压滑环对绝缘要求不高 稳定 可靠 采用较多 但是增加了旋转的重量 扫描速度低 高压滑环技术 机架外的高压发生器产生X线管所需的高压 然后通过电缆 电刷 滑环传到机架的X线管上 优点是高压外置 不受体积重量限制 扫描速度快 缺点是容易引起高压放电 引入高压噪声 绝缘要求高 成本高 P111第137 140题 包括 1 X射线管 2 探测器 3 机架与扫描检查床 4 控制与计算机 5 软件技术X射线管 高容量 大电流探测器 多采用固体探测器软件技术 由于床的移动 会产生运动伪影和层面错位 所以在重建前 要用螺旋内插法进行矫正 从螺旋数据合成平面数据 采用卷积滤波法 P107第80 81题 使用多排探测器阵列 扫描轨迹是多根螺旋线教材P209图关键部件是二维探测器阵列 在Z方向上有多排探测器 增加在Z轴的覆盖范围排列方式有 等宽型和不等宽型 P107第82 83题 概述及发展历史 了解 物理性质 方向性 反射 折射 透射 衍射 散射 衰减 多普勒效应 正压电效应 压力 电荷逆压电效应 电压 应变超声波换能器 利用逆压电效应产生超声波 正压电效应来接收超声回波 超声探头按用途分类 腹部探头 心脏探头 穿刺探头 高频浅表探头 超声探头按结构分类 单元换能器 多元阵换能器 超声多普勒换能器 P105第64 65题 幅度调制型超声利用超声波的反射特性基本电路 发射电路 接收电路 同步电路 扫描电路 临床上已经逐渐被B型超声仪替代 特点 简便易行成本低 P105第58题P110第126题 辉度调节型中的一个特殊类型 主要用于心脏及大血管检查 早期称之为M型超声心动图 描记了声束所经心脏各层组织结构的运动轨迹 基本结构 了解 临床应用 了解 P105第60 61题 辉度调制型原理与A型相同 不同之处教材209页 目前已经广泛应用于全身各部位检查 缺点 仅有二维切面图像等 P105第59题P110第125题 基本原理 多普勒效应利用多普勒效应 对运动的脏器和血流进行探测的仪器 发展历史 了解 教材P211第一代为连续波多普勒系统 发射和接受连续的超声 能探测深部血流和高速血流 缺点不能测距 第二代为脉冲多普勒系统 原则上 可检测心脏或大血管内的流动信号 第三代为多普勒彩色血流显像系统 在B型和M型的基础上 同时显示血流方向和相对速度 提供在心脏和大血管内血流的时间和空间信息 P105第62 63题 MR现象 1946年第一次由布洛赫领导的斯坦福大学研究小组和波塞尔领导的哈佛大学研究小组在水中和石蜡中独立发现 1973年MRI的空间定位方法1977年 首张MRI影像1980年 重建算法1983年 市场化 P107第84题 原理 原子核收到一定频率的电磁波激发后 会在他们的能级之间发生共振跃迁 组成 主磁体系统 梯度系统 射频发射和接收系统 计算机图像处理系统 辅助系统等组成 教材P214图 P112第141题 三种类型 常导型磁体 超导型磁体和永久型磁体 永久型磁体 最早使用的 结构 环形和轭型 教材P215图特点 优点 结构简单造价低 消耗功率小 维护费用低 杂散磁场少 容易制成开放式磁体 缺点 磁场强度较低 不能满足临床磁共振波谱研究的需要 磁场均匀性差 磁场稳定性差 P107第85题P112第142 143题 常导型磁体 电流通过线圈来产生磁场 实质就是空心的电磁铁 结构 单个线圈产生的磁场是非均匀的 所以必须是偶数个 最常见的是4线圈 优点 造价较低 安装制