第四章CT成像系统B

1、4.2 4.2 X-CT成像系统组成成像系统组成 CT CT每扫描一次，即可得到一个方程，经过若干次每扫描一次，即可得到一个方程，经过若干次扫描，即得到一联立方程。经过计算机运算（傅立叶扫描，即得到一联立方程。经过计算机运算（傅立叶转换、反投影法等）可以解出这一联立方程，从而求转换、反投影法等）可以解出这一联立方程，从而求出每个体素的出每个体素的X X线吸收系数或衰减系数，将其排列成线吸收系数或衰减系数，将其排列成数字矩阵（数字矩阵（digital matrixdigital matrix），数字矩阵经过数字），数字矩阵经过数字/ /模拟转换器（模拟转换器（D/AD/A）把数字矩阵中的每个数字

2、转变为）把数字矩阵中的每个数字转变为由黑到白不同灰度的小方块，即像素（由黑到白不同灰度的小方块，即像素（pixelpixel），也），也按矩阵排列，即构成了按矩阵排列，即构成了CTCT图像。图像。1 1CTCT成像的基本原理成像的基本原理第一台Siemens CT 扫描仪.图像获取时间图像获取时间 7 分钟分钟, 图像矩阵图像矩阵80 x80 像素像素, 空空间分辨率间分辨率 4LP/cm。SIRETOM (in 1974) 机架机架 床床 高压发生器高压发生器 控制台控制台 计算机计算机从外表来看从外表来看.控制台控制台计算机计算机床床机架机架高压发生器高压发生器CT机架从内部看从内部看.

3、球管球管 探测器探测器 DAS*球管探测器DAS* Data Acquisition System(数据获取系统数据获取系统)CTCT机主要分以下三部分：即机主要分以下三部分：即 扫描系统（扫描系统（X X线管、探测器和扫描架）线管、探测器和扫描架）; ; 计算机系统（数据储存、运算等）计算机系统（数据储存、运算等）; ; 图像显示和存储、照相系统。图像显示和存储、照相系统。 高压发生器高压发生器X线球管线球管人体模型人体模型探测器群探测器群操作控制台操作控制台多幅激光照相机多幅激光照相机电子计算机电子计算机模数转换器模数转换器内外存储器内外存储器LCD显示器显示器 CT设备的基本结构与工作原

4、理流程设备的基本结构与工作原理流程高压控制器高压控制器主要包括：主要包括：KV控制板控制板MA控制板控制板显示面板显示面板MA调整板调整板曝光控制板曝光控制板旋转阳极启动板旋转阳极启动板高压油箱高压油箱(变压器变压器)整流滤波电路整流滤波电路变频电路变频电路操作控制台与计算机操作控制台与计算机操作控制台与计算机操作控制台与计算机 扫描系统（扫描系统（X X线管、探测器和扫描架）线管、探测器和扫描架） 扫描机架扫描机架（gantry）内安装有）内安装有X线系统、图像采线系统、图像采集、集、X线过滤器、系统准直器等，其中线过滤器、系统准直器等，其中X线球管和数线球管和数据采集系统（据采集系统（da

5、ta acquisition system，DAS）最为重）最为重要。目前多数扫描机架的孔径为要。目前多数扫描机架的孔径为70cm，倾斜角度通，倾斜角度通常为常为1230。 CT扫描系统的扫描机架与扫描床扫描系统的扫描机架与扫描床 扫描机架内部结构扫描机架内部结构 X线球管线球管是是CT影像设备的心脏部分，由阴极、影像设备的心脏部分，由阴极、阳极和真空玻璃或金属管组成，其类型可分为阳极和真空玻璃或金属管组成，其类型可分为固固定阳极和旋转阳极两种定阳极和旋转阳极两种。 固定阳极固定阳极X线球管线球管主要应用于单束和多束形主要应用于单束和多束形的扫描机中，主要用于第的扫描机中，主要用于第1、2代代

6、CT机中；机中； 旋转阳极旋转阳极X线球管线球管主要用在扇束旋转扫描机主要用在扇束旋转扫描机中，故在第中，故在第3、4代代CT机中多采用此种机中多采用此种X线球管；线球管； 目前，目前，CT多采用多采用2个焦点交个焦点交替工作，大大延长了替工作，大大延长了X线球管的线球管的寿命，其曝光次数由原来的寿命，其曝光次数由原来的2万万次达到次达到2550万次以上。万次以上。 2003年末年末Siemens公司推出公司推出所谓的零兆阳极热容量的概念，所谓的零兆阳极热容量的概念，代表球管为代表球管为Straton电子束控金电子束控金属球管，是以属球管，是以0.37秒速度进行机秒速度进行机架旋转的球管架旋转

7、的球管,可以实现亚毫米可以实现亚毫米满负荷扫描。满负荷扫描。Straton电子束控金属球管外形电子束控金属球管外形 额定功率、热容量要大得多额定功率、热容量要大得多冷却装置采用高速旋转阳极冷却装置采用高速旋转阳极(转速转速10000rpm以上以上)，以，以及油循环技术及油循环技术目前目前CT中使用中使用X线管的最大功率为线管的最大功率为100kW，最高热容，最高热容量可达量可达7.5MHu。栅控式栅控式X线管使扫描时线管使扫描时X线管间断的发射线管间断的发射X射线，称为射线，称为脉冲工作方式。栅控式栅控阳极脉冲工作方式。栅控式栅控阳极X线管线管(即在即在X线管靠近灯线管靠近灯丝附近做一个专门的

8、控制栅极丝附近做一个专门的控制栅极)管电压和管电流必须有足够的稳定度。管电压和管电流必须有足够的稳定度。CT扫描机中一扫描机中一般采用闭环反馈方法稳定般采用闭环反馈方法稳定X线管的电压和电流，使其误差线管的电压和电流，使其误差控制在控制在0.010.05范围内。范围内。 CT中中X线管线管与与X线机的线机的X线球管相线球管相比比1X线球管的热容量与散热率线球管的热容量与散热率热容量的单位热容量的单位MHU，X线球管的热容量越大，表示可承受线球管的热容量越大，表示可承受的工作电流越大，连续工作的时间也越长；的工作电流越大，连续工作的时间也越长；散热率的单位是散热率的单位是kHU，散热率越高，说明

9、，散热率越高，说明X线球管的性能线球管的性能越好。越好。如：如：TOSHIBA公司的公司的Aquilion 16排排MSCT的的X线球管热容线球管热容量达到量达到7.5MHU，散热率达到，散热率达到1386KHU/min；而；而GE公司的公司的64排排LightSpeed VCT的的X线球管热容量达到线球管热容量达到8.0MHU,散热散热率超过率超过2100KHU/min。2扫描时间、重建时间和周期时间扫描时间、重建时间和周期时间 CT扫描时间扫描时间是指是指X线球管以一定的层厚围绕人体旋转扫线球管以一定的层厚围绕人体旋转扫描一周（描一周（360）所需要的时间。扫描时间取决于）所需要的时间。扫

10、描时间取决于X线球管旋线球管旋转的速度与能力，以往的转的速度与能力，以往的CT扫描时间为扫描时间为1s、2s、3s或更长，或更长，现在已实现了亚秒扫描。现在已实现了亚秒扫描。如如GE公司公司LightSpeed Plus 16排排CT的扫描时间为的扫描时间为0.5s； Philips公司的公司的Brilliance 16排排CT最短扫描时间可达最短扫描时间可达0.42s； 扫描时间的缩短可以减少病人的检查时间，提高单位时扫描时间的缩短可以减少病人的检查时间，提高单位时间内病人的检查量，还能减少不配合病人的运动伪影等。间内病人的检查量，还能减少不配合病人的运动伪影等。重建时间重建时间是指计算机的

11、阵列处理器将是指计算机的阵列处理器将CT扫描的原始数据扫描的原始数据重建成图像所需要的时间。目前，由于计算机功能的异常重建成图像所需要的时间。目前，由于计算机功能的异常强大强大,CT图像的重建速度有了大幅度提升，如先进的图像的重建速度有了大幅度提升，如先进的16排排MSCT能够在能够在1秒重建出秒重建出12幅幅512512的图像。的图像。周期时间是周期时间是指从指从CT扫描开始、图像的重建、直到图像的显扫描开始、图像的重建、直到图像的显示这一全过程所需要的时间。示这一全过程所需要的时间。最大连续扫描时间是最大连续扫描时间是指螺旋指螺旋CT扫描时的扫描时的X线球管连续、不间线球管连续、不间断曝光

12、时间的长短。该时间的长短不仅与断曝光时间的长短。该时间的长短不仅与X线球管的热容量线球管的热容量和散热率因素有关，还与和散热率因素有关，还与DAS数据采集的速度、计算机的处数据采集的速度、计算机的处理能力等因素有关。目前的多层螺旋理能力等因素有关。目前的多层螺旋CT最大的连续扫描时最大的连续扫描时间可以超过间可以超过100秒。秒。大功率、高热容量和散热率的大功率、高热容量和散热率的X线管线管GE的球管的球管TOSHIBA的球管的球管数据采集系统（数据采集系统（ Data Acquisition System ）作作用是测量用是测量X射线束，并将这些数据编码成二进制射线束，并将这些数据编码成二进

13、制数据，送往计算机进行运算。数据，送往计算机进行运算。 1. 前置放大器前置放大器 ( 对数放大器对数放大器 ) 从探测器接从探测器接收到的信号收到的信号 , 使用高输入阻抗的前置放大器进使用高输入阻抗的前置放大器进行放大和阻抗变换。行放大和阻抗变换。 2. 积分器在积分器在 CT 扫描过程中测量的是每个扫描过程中测量的是每个角度下的角度下的 X 线光子的总和线光子的总和 。 3. 多路转换器多路转换器 各路积分器输出信号经多各路积分器输出信号经多路混合器变成一路路混合器变成一路 , 使用共同的使用共同的A/D 转换器转转换器转变为数字信号。变为数字信号。徐瑞4. A/D 转换器转换器 A/D

14、 转换器是将连续模拟时域信号转转换器是将连续模拟时域信号转变为离散的数字序列。变为离散的数字序列。A/D 转换的方法转换的方法有多种有多种 , 最常用的有双积分式最常用的有双积分式A/D 转换器转换器和逐次逼近式和逐次逼近式 A/D 转转 换器。换器。 A/D 转换器的主要指标转换器的主要指标 1) 转换速度转换速度 2) 变换精度和动态范围变换精度和动态范围10徐瑞探测器（探测器（detector）是是DAS系统中重要的部系统中重要的部件。探测器组件是由性能完全相同的探测器件。探测器组件是由性能完全相同的探测器单元排列而成单元排列而成 , 每个探测器对应着一束窄的每个探测器对应着一束窄的 X

15、 线线 , 如果有如果有 N 个探测器单元个探测器单元 , 那么一次就那么一次就可同时获得可同时获得 N 个投影数据。个投影数据。 探测器探测器主要功能有：主要功能有：接收透过病人检查部位的接收透过病人检查部位的X射线；射线；将接收到的将接收到的X线转换成模拟形式的电子信号；线转换成模拟形式的电子信号；将模拟信号放大；将模拟信号放大；将模拟信号转换成数字信号（将模拟信号转换成数字信号（A/D转换器）。转换器）。2探测器的数量探测器的数量 探测器是位于探测器是位于X线球管和计算机系统之间重要的数据线球管和计算机系统之间重要的数据检测部件。一般来说，探测器的数量越多，采集到的扫描检测部件。一般来说

16、，探测器的数量越多，采集到的扫描数据就越多，可提高数据就越多，可提高X射线的利用率，相应的缩短扫描时射线的利用率，相应的缩短扫描时间和提高图像的质量。间和提高图像的质量。 比如比如GE公司公司LightSpeed 16排排MSCT的探测器系统共的探测器系统共有有24排矩阵式探测器组合，每排有排矩阵式探测器组合，每排有912个稀土陶瓷探测器，个稀土陶瓷探测器，共有共有21，888个探测器。个探测器。 CT 中常用的探测器类型有两种中常用的探测器类型有两种 : 一种是利用一种是利用X射线能使某些物质闪烁发光的射线能使某些物质闪烁发光的特性来探测特性来探测X射线的装置，将该收集荧光的探射线的装置，将

17、该收集荧光的探测器测器 , 称称闪烁晶体探测器闪烁晶体探测器。 另一种是收集气体电离电荷的探测器另一种是收集气体电离电荷的探测器 , 称称 气体探测器气体探测器。它收集电离作用产生的电子和离。它收集电离作用产生的电子和离子子 , 记录由它们的电荷所产生的电压信号。记录由它们的电荷所产生的电压信号。徐瑞探测器探测器- 闪烁晶体探测器闪烁晶体探测器 利用某些晶体受到照射后发光的特征制成的，常用的利用某些晶体受到照射后发光的特征制成的，常用的闪烁晶体有碘化钠等，具有残光少，转换效率高，性能稳闪烁晶体有碘化钠等，具有残光少，转换效率高，性能稳定等优点。定等优点。 工作原理是：当工作原理是：当X线照射到

18、晶体后，原子接收线照射到晶体后，原子接收X线光量线光量子的能量，产生激发或电离，处于激发状态的原子返回到子的能量，产生激发或电离，处于激发状态的原子返回到原来的基态时，即释放出能量，这种能量会以荧光光子的原来的基态时，即释放出能量，这种能量会以荧光光子的形态出现，经过光导传给光电倍增管的光电阴极上，使其形态出现，经过光导传给光电倍增管的光电阴极上，使其上的光电敏感物质发出光电子，聚焦后投射到光电倍增管上的光电敏感物质发出光电子，聚焦后投射到光电倍增管的联极进一步增大打在阳极上，并在输出电阻上形成一个的联极进一步增大打在阳极上，并在输出电阻上形成一个电压脉冲反馈到检测电路。电压脉冲反馈到检测电路

19、。 光电倍增管是一种光电转换器件光电倍增管是一种光电转换器件 , 通过它可把通过它可把光子转换成电子。光子转换成电子。 徐瑞 气体探测器是利用气体气体探测器是利用气体( (一般采用化学性能一般采用化学性能稳定的惰性气体稳定的惰性气体) )电离的原理电离的原理, ,当当X X线进入探测器线进入探测器时，极板间的氙气被电离形成带电离子，在电时，极板间的氙气被电离形成带电离子，在电场作用下，带电离子沿着电场线形移动形成电场作用下，带电离子沿着电场线形移动形成电流，该电流在外电路电阻中产生一个电压信号，流，该电流在外电路电阻中产生一个电压信号，输送到检测电路。输送到检测电路。 探测器探测器 -气体电离

20、室探测器气体电离室探测器到到DAS电信号电信号氙气氙气探测器探测器X-ray控控制整个制整个 CT 系统的运行系统的运行 2. 图像重建一幅图像重建一幅 CT 图像的重建需要数百万次图像的重建需要数百万次的数学运算。的数学运算。徐瑞 计算机系统计算机系统CTCT的计算机系统包括主计算机和阵列计算机两部分。的计算机系统包括主计算机和阵列计算机两部分。主计算机主计算机控制控制CTCT整个系统的正常工作。其主要的功能整个系统的正常工作。其主要的功能有：有：扫描监控，并将扫描监控，并将CTCT扫描得到的数据进行存储；扫描得到的数据进行存储；CTCT值的校正；值的校正；图像的重建控制与图像后处理；图像的

21、重建控制与图像后处理；CTCT机自身故障的诊断与分析。机自身故障的诊断与分析。阵列处理器阵列处理器（Array Array Processor,APProcessor,AP）：）：本身不能独立工作，本身不能独立工作，它与主计算机相连，它与主计算机相连，在其控制下进行高在其控制下进行高速的数据运算以完速的数据运算以完成成CTCT扫描的庞大数扫描的庞大数据量的处理与运算。据量的处理与运算。Philips 16排排MSCT影像设备的影像设备的AP柜柜 CPU 3.06GHzHard Disk 146GB图像显示与存储图像显示与存储CTCT图像的显示：图像的显示：由操作台上的由操作台上的CRTCRT屏

22、显示，目前多层屏显示，目前多层螺旋螺旋CTCT多配有高性能的工作站（多配有高性能的工作站（workstationworkstation），也），也可以在工作站的显示屏上显示。可以在工作站的显示屏上显示。CTCT图像的记录系统：图像的记录系统：系统硬盘、外部存储器等构成。系统硬盘、外部存储器等构成。CTCT图像的外部存储器包括磁带、合式磁带、光盘、磁图像的外部存储器包括磁带、合式磁带、光盘、磁光盘、软盘以及各种照相机等。光盘、软盘以及各种照相机等。 CT图像的显示（图像的显示（imaging display）可以由操作）可以由操作台上的台上的LCD屏显示（单屏或双屏），目前多层螺旋屏显示（单屏或

23、双屏），目前多层螺旋CT多配有高性能的工作站（多配有高性能的工作站（workstation），也可以），也可以在工作站的显示屏上显示图像，并利用工作站的应在工作站的显示屏上显示图像，并利用工作站的应用软件进行图像的后处理和照相等工作。用软件进行图像的后处理和照相等工作。（4）CT扫描方式扫描方式（5）计算机硬磁盘容量）计算机硬磁盘容量（6）矩阵）矩阵 矩阵（矩阵（matrix）是数字图像的格式，矩阵的大小直接决）是数字图像的格式，矩阵的大小直接决定了定了CT图像像素的大小与分辨率，矩阵与像素大小的关系：图像像素的大小与分辨率，矩阵与像素大小的关系：像素（像素（mm）= 扫描野（扫描野（FOV）

24、mm / 矩阵。矩阵。矩阵包括重建矩阵和显示矩阵。早期矩阵包括重建矩阵和显示矩阵。早期CT机的矩阵较小，一机的矩阵较小，一般为般为256256，320320等；目前的等；目前的CT机的矩阵增加到机的矩阵增加到512512，10241024；还有的；还有的CT机的重建矩阵为机的重建矩阵为512512，而显示矩阵为，而显示矩阵为10241024，对于显示的，对于显示的CT图像图像而言，其矩阵的大小不能小于重建矩阵。而言，其矩阵的大小不能小于重建矩阵。 无论无论CT图像采取何种介质存储，最终还必须图像采取何种介质存储，最终还必须提供一种途径产生硬拷贝，即提供一种途径产生硬拷贝，即CT影像胶片。影像胶

25、片。 早期的早期的CT机多使用多幅照相机，目前已经被机多使用多幅照相机，目前已经被淘汰。淘汰。 激光照相机则以速度快、连续批量打印，成像激光照相机则以速度快、连续批量打印，成像清晰、分辨率高，集成度高、网络化和明室操作清晰、分辨率高，集成度高、网络化和明室操作等优点，现在已经成为医学影像设备常用的硬拷等优点，现在已经成为医学影像设备常用的硬拷贝工具。贝工具。( 一一 )CRT 型多幅照相机型多幅照相机徐瑞 激光型多幅照相机即激光照相机激光型多幅照相机即激光照相机 ,因诊断、因诊断、阅片的需要，常用激光照相机把数字阅片的需要，常用激光照相机把数字X线图线图像记录在胶片上，下面说明其基本结构、工像

26、记录在胶片上，下面说明其基本结构、工作原理和特点。下面是激光照相机结构示意作原理和特点。下面是激光照相机结构示意图。图。 徐瑞徐瑞1. 基本结构和功能基本结构和功能 (1) 激光发生器激光发生器 : 是胶片打印的能量来源是胶片打印的能量来源 , 常用半常用半导体激光器和气体激光器。导体激光器和气体激光器。(2) 光调制器光调制器 : 以计算机输入的数字图像信号调以计算机输入的数字图像信号调制激光强度。制激光强度。(3) 光学扫描器光学扫描器 : 由摆动式反光镜或多面体旋转由摆动式反光镜或多面体旋转式反光镜组成式反光镜组成 , 使激光束扫描胶片。使激光束扫描胶片。(4) 胶片传输系统胶片传输系统

27、 : 保证胶片按照与扫描激光束保证胶片按照与扫描激光束垂直的方向高精度地移动垂直的方向高精度地移动 , 由电动机、引导轴、打由电动机、引导轴、打印滚筒等组成。印滚筒等组成。(5) 供片库供片库 : 储存未感光的胶片储存未感光的胶片 , 可容纳可容纳 100-200 张。张。 2. 工作原理工作原理 胶片在传送系统控制下朝一胶片在传送系统控制下朝一个方向高精度地移动个方向高精度地移动 , 同时激光束相对于胶片同时激光束相对于胶片移动方向反复作垂直扫描移动方向反复作垂直扫描 , 因此激光束是以二因此激光束是以二维方式顺序扫描整张胶片。维方式顺序扫描整张胶片。 激光束的光强度受激光束的光强度受计算机

28、输出的数字图像信号调制。激光束经旋计算机输出的数字图像信号调制。激光束经旋转多面镜的反射作转多面镜的反射作 线扫描线扫描 , 装载胶片的打印滚装载胶片的打印滚筒和激光束动作同步筒和激光束动作同步 , 胶片在激光束的照射下胶片在激光束的照射下曝光形成平片图像。曝光形成平片图像。 徐瑞 以第以第3代代CT为例说明为例说明CT成像的基本步骤与过程，即产生成像的基本步骤与过程，即产生X线线收集数据收集数据处理数据处理数据显示图像。显示图像。 X线的产生是在高压发生器作用下由线的产生是在高压发生器作用下由X线球管发出的。在线球管发出的。在CT扫描过程中扫描过程中X线穿过人体后由探测器接受，收据数据系统线

29、穿过人体后由探测器接受，收据数据系统（DAS）每秒种向探测器取样）每秒种向探测器取样984次，每次取样可以认为是次，每次取样可以认为是一次投影，总投影数一次投影，总投影数=每秒取样数每秒取样数扫描速度（扫描速度（S）。）。 例如例如:第第3代代CT机机DAS内共有内共有47块模拟滤过器板，每块板块模拟滤过器板，每块板上有上有16个通道，则共有个通道，则共有752个通道，每个通道每秒采样次数个通道，每个通道每秒采样次数为为984次，这些采样数据传送到重建和数据收集处理器次，这些采样数据传送到重建和数据收集处理器（RDCP），经过暂存、过滤处理后送到磁盘上保存。），经过暂存、过滤处理后送到磁盘上保存。数据处理和图像重建的基本过程是：数据处理和图像重