三类大型影像设备原理介绍

1、计算机断层扫描（CT） 磁共振影像（MRI） 正电子发射断层扫描（PET） CT（Computed Tomography）是使用X射线 从不同方位照射人体，由对应的探测器检测透过人 体后X线强度值的信号，经计算机根据物理模型进 行数学运算处理后，重建人体断面图像的X线诊断 设备。 扫描部分：X线球管、探测器、扫描架 计算机系统：贮存、运算 图像显示、存储系统 品牌品牌SiemensSiemensGEGEPhilipsPhilipsToshibaToshiba 型号Somatom Force Revolution CT IQon Spectral CT Aquilion ONE VISION 探

2、测器材料超高速稀土陶 瓷 人造宝石固体钨酸铬闪烁晶体GOS 360扫描时 间 0.25s0.28s0.27s0.275s 心脏平均采集 时间 0.13s0.14s2s0.275s 心率要求任何心率/节 律 任何心率/节 律 小于80次小于90次 驱动方式无线非接触式 传输 无线非接触式 滑环 气垫磁悬浮 CT的X光球管发出的X射线穿过人体时，被“吸收”衰减。 I0和I分别为人体入射前后的流强，为衰减系数。I0和I的 比值反映了人体的积分密度。通过一定的算法，计算出人 体各点的密度，根据其空间分布，生成密度图像，即CT 图像。 CT值为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

3、线性衰减系数的相对值，其单 位为Hu（Hounsfield unit）。 常见物质CT值：水（0 Hu）、空气（-1000Hu）、骨（1000Hu） 常规CT：间隔 式扫描 螺旋CT：连续 容积扫描 对于CT技术的要求就是在最短时间内，得到最清晰的图 像的同时，尽可能地加大检查范围。 在螺旋CT中采用多排探测器阵列。将单排探测器（900 个左右的探测器单位）改进为几排甚至几十排探测器，即 多层螺旋CT在Z轴方向上有数万个探测器呈二维阵列。 特点： 旋转一周可以获得多个断层图像 成像速度快，能包容较大范围进行容积扫描 排：指CT探测器在Z轴方向的物理排列数目，即有 多少排探测器，是CT的硬件结构

4、性参数。 层：指CT数据采集系统（Data Acquisition System, DAS）同步获得图像的能力，即同步采集 图像的DAS通道数目或机架旋转时同步采集的图像 层数，是CT的功能性参数。 “排”是指CT扫描机探测器的阵列数，一般排数越 多，探测器宽度越宽，以此扫描完成的宽度越大。 多“排”CT称为多“层”CT（MSCT），在一般情 况下两者含义相同，即有多少“排”探测器，一次 扫描即可完成多少“层”图像的采集。但是，如果 每排探测器一次采集重建出2层图像，如西门子64 层CT，实际探测器是32排，每排出2幅图像，因此 一次采集可以形成64层图像。 CT模拟定位机与一般CT的区别：

5、孔径 平板床 激光系统 软件 AAPM TG-66 Report 以人体内广泛存在的氢原子核为例，其含质子数为奇数， 具有自旋特性，因而有一定的角动量p，其大小可由自旋 量子数I来计算。（质子数和中子数同为偶数的核I为零， 无自旋运动） I0的核带电荷，自旋时形成磁场，有相应的自旋磁矩。 当外部施加一个静磁场B0后，若原子核自旋磁矩与B0方 向不同，则原子核轴向将因B0的影响沿一圆锥面围绕B0的 方向旋转，称为拉莫运动，其旋转频率称为拉莫频率。 此时如外加其他方向与B0垂直的电磁波，并使其频率与拉 莫频率相同，则原子核发生共振，自转轴倾角改变，从而 其能量状态发生改变。 在没有外加磁场时，各个

6、质子由于热运动而处于杂乱无章 的任意排列状态，磁矩方向各不相同，相互抵消，宏观上 不显磁性，此时M=0。 当沿某一Z轴方向施加静磁场B0，则M不再为零，且与B0平 行。 施加B0 此时如再外加一垂直于B0的电磁波B1，频率等于拉 莫频率，就会使M作为一个整体产生拉莫运动，M 与B0的方向偏离，呈圆锥形绕B0转动，转动的圆频 率为。 如果所加电磁波是脉冲式的，则脉冲去除后原子核 逐渐回复到初始平衡状态。这一放能过程称为弛豫。 弛豫时放出的能量以电磁波形式向周围发射，频率 同样是=B0，可用一定仪器检测其信号称为自 由感应衰变信号（FID）。 纵向弛豫：磁化强度矢量M的纵向投影逐步恢复到 初始值，

7、是原子核与周围介质不断进行热交换的结 果，故也称为自旋-晶格弛豫，相应的时间称为纵 向弛豫时间T1。 横向弛豫：M在垂直于B0的平面上形成的横向投影 逐渐恢复到零，是各原子核磁矩相互作用的结果， 故也称为自旋-自旋弛豫，相应的时间称为横向弛 豫时间T2。 T1实际定义：纵向磁化矢量从0恢复到最大值的 63%所需的时间。 T1是一个时间常数，描述组织的纵向磁化矢量恢复 的快慢程度。其长短依赖于组织成分、结构和环境， 如水为长T1，脂肪为短T1。 T2实际定义：横向磁化矢量衰减至其最大值的37% 的时间。 T2与人体组织的固有小磁场有关，如大分子比小分 子短，结合水比游离水短。 0.63 )1 (

8、 1 0 eM 0.37 1 0 eM T1 M0 1.0 t 0 T2 M0 1.0 0 t 主磁体 梯度磁场系统 射频（RF）系统 计算机处理系统 辅助设备 主磁体是MR的核心部分之一，其功能是提供使原 子核定向所必须的静磁场。 临床上磁共振成像要求磁场强度在0.053T范围内。 磁场强度越高，信噪比越高，图像质量越好。 低场 0.3T 中场 0.31.0T 高场 1.0T 磁体分类磁体分类优点优点缺点缺点 永磁体 场强稳定、维护简单、线 圈效率高 场强低，最大仅0.35T； 体积庞大；磁场均匀度受 室温影响较大 常导（阻抗型）型 磁体 安装容易、造价低磁场均匀度和稳定性差， 受室温影响较

9、大；耗电量 大；需大量水冷却，运行 维护费高；场强小于 0.3T 超导型磁体 磁场稳定、均匀，不受室 温影响；场强最高可达 8T 需要液氦冷却 匀场线圈：任何磁体都不会产生绝对均匀的磁场， 所以还要加一组匀场线圈，一般由铌钛合金制成， 置于磁体中心，梯度线圈外，可将磁场均匀性提高 100倍以上。 利用梯度线圈产生相对于主磁场来说较微弱的在空 间位置上变化的磁场，并叠加在主磁场上。 对MRI信号进行空间编码，以确定成像层面的位置 和厚度。 梯度磁场 梯度线圈 X向 Y向 Z向 梯度电源 任何一组梯度磁场都可起到层面选择、相位编码、 频率编码三项作用之一，因此可对人体的横断位、 矢状位、冠状位进行

10、成像。 发射射频（RF）脉冲使磁化的质子吸收能量产生共振，并接 收质子在弛豫过程中释放的能量而产生MR信号。 （1）射频线圈 (发射线圈和接收线圈) （2）射频发射放大器 （3）射频接收放大器 （4）射频屏蔽 发射器 功率放大 器 发射线圈人体组织接收线圈接收器 头部线圈体部线圈 乳腺线圈 膝关节线圈 PET（Positron Emission Tomography）：应用放射性示踪原理， 以断面解剖形态进行功能、代谢和受体显像的医学影像技术。在分子 水平上显示生物物质相应生物活动的空间分布、数量及其随时间的变 化，故又称为生化显像或分子显像。 将人体代谢所必需的物质，如：葡萄糖、蛋白质、核酸

11、、脂肪酸等标 记上短寿命的放射性核素（如18F）制成显像剂（如氟代脱氧葡萄糖， FDG）注入人体后进行扫描成像。 人体组织的基本元素 易于标记各种生命所必需的化合物及其代谢产物而 不改变它们的生物活性，且可以参与人体的生理、 生化代谢过程。 半衰期比较短 检查时可给予较大剂量，提高了影像的对比度和空 间分辨率，更真实地反映人体生理、生化、病理和 功能等方面的改变。 放射性核素放射性核素半衰期半衰期 （minmin） 最大正电子能量最大正电子能量 （MeVMeV） 最大射程最大射程 （mmmm） 平均射程平均射程 （mmmm） 11C 20.30.965.00.28 13N 10.01.195.

12、40.60 15O 2.01.708.21.10 18F 109.80.642.40.22 68Ga 67.81.899.11.35 82Rb 1.33.3515.62.60 通过核反应（如使用回旋加速器）可以产生某些不稳定核 素，如11C，13N，15O和18F等。这类不稳定核素按一定半 衰期衰变产生正电子（+衰变） （Z, A） （Z-1, A）+ e+ + 18F原子结构： 9个质子、9个中子、9个核外电子（氟稳定结构是10个 中子） 18F是用稳定核素18O经质子轰击而产生的。质子带 正电，产生的18F缺中子，其在衰变过程中放出一 个正电子俘获一轨道上的电子形成稳定核素。 18F-FD

13、G注射入人体内后，由+衰变反应产生的正 电子与人体内的电子发生湮灭辐射。 湮灭辐射湮灭辐射：+ + 粒子与物质作用能量耗尽时，和物质粒子与物质作用能量耗尽时，和物质 中的自由电子（中的自由电子（e e- -）结合，正负电荷抵消，两个电子）结合，正负电荷抵消，两个电子 的静止质量转化为的静止质量转化为2 2个能量相等（个能量相等（511KeV511KeV）、方向相）、方向相 反的反的光子而自身消失。光子而自身消失。 符合探测利用了湮没辐射产生的2个光子的直线性、 同时性这两个特点，进行成像。 直线性：直线性：即湮灭辐射即湮灭辐射产生的产生的2 2个个光子互成光子互成180180。 同时性：同时性

14、：即即湮灭辐射湮灭辐射产生产生2 2个个光子，同时被两个光子，同时被两个相对探相对探 头探测；头探测； 同时性同时性要求采用一种特殊的线路要求采用一种特殊的线路符合线路。符合线路。 符合线路（coincidence circuit）：只有进入两个探头的两个光子 是同时到达的闪烁事件才能被记录，否则不予接受，这种线路称符合 线路。 湮灭作用产生的两个光子几乎同时击中探测器环上对称位置的两个 探测器，每个探测器接收到光子后产生一个定时脉冲，这些定时脉 冲分别输入符合线路进行符合甄别，挑选符合事件。 飞行时间：假设湮没辐射产生在两个探测器的正中间，发 生的2个湮没辐射光子可同时到达两探测器，产生的脉

15、冲 时间差为零，除此之外，其他位置发生的湮没辐射光子， 在探测中总有一定时间差，这个时间差称为飞行时间。 符合时间窗：是为时间差所设的限，即两个光子被记录的 时间差小于符合时间窗时，就被作为一次符合探测。它决 定着符合探测效率、稳定性和精确度。 符合窗时间一般定为12-15ns，现在5ns。 PET机构成由探测器、扫描床、计算机及其他辅助 部分组成。 探测器由晶体、光电倍增管、前端电子学线路及射 线屏蔽装置组成。 单个晶体与光电倍增管构成探测器； 闪烁晶体是探测器质量的关键； 光电倍增管的性能直接影响探测器的可靠性和稳定 性。 临床PET采用多晶体组合结构。 用较少的探测器得到较多的环数、较大

16、的轴向视野和较高 的空间分辨率。 常用结构组态为4x36组合，四个光电倍增管与一个大晶 体块组合，大晶体块以一定深度的窄缝进行6x6矩阵切割， 切割后的36块小晶体便于对闪烁事件的精确定位。 NaI晶体能量分辨率较高，价格便宜。 BGO晶体密度大，探测效率高、稳定性好。 LSO、GSO等晶体密度大、衰减常数小、光产额高。 2D方式：在有电子准直状态下采集 3D方式：在撤除准直的状态下采集 3D方式信息量较2D方式高90%，信息量大,分辨率 高,噪声多. 消除消除来自视野来自视野内、内、 外的外的散射以散射以获得高获得高 质量图像质量图像 总计数高，但由于总计数高，但由于 散射和随机计数也散射和随机计数也 明显增加，影响图明显增加，影响图 像质量像质量 3D 采集方式采集方式2D 采集方式采集方式 常规注射计量常规注射计量90kg病人成像病人成像 由于散射和随机计由于散射和随机计 数率高，数率高，图像较模图像较模 糊糊