编号12：第十二章 X线计算机体层成像设备

医学影像设备学

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第十二章X线计算机体层成像设备第一节概述一、X线-CT机开展简史X-CT：利用X线进行计算机横断体层摄影的专门设备。CT开展根底：1895年伦琴发现X线，为X-CT机诞生打下根底1917年奥地利Radon〔雷当〕提出重建图像理论1963年9月—1964年10月：美国A、M·Cormak：提出“用线积分表示一函数的方法及其在放射学上的应用〞。1970年英国豪斯菲尔德〔G·N·Housfield〕将第一台CT研制成功。1974年美国George-town大学医学中心的Ledly设计出第一台全身CT。〔一〕第1代CT平移一旋转方式直线扫描，专用头部扫描。组成：一个X线管和2-3个探测器组成数据采集系统单一X线管发出笔形X线束X线与探测器处于相对应位置上，扫描时，X线管和探测器环绕病人作旋转和同步直线平移运动，每完成一次扫描，旋转1°，再行下一次扫描，重复180次，完成一个断面扫描，扫一个断面的时间约3-5分钟，仅用颅脑检查。缺点：射线利用率低，扫描时间长〔二〕第2代CT：平移一旋转小扇形扫描用于头颅扫描扫描X线束由直线改为3-30°小扇形和3-30个同扇形角度数值一样的探测器，每次平移扫描旋转角度由1°，提高到小扇形束的度数，把扫描次数由180°除以扇形X线束角度数值即为扫描次数。例：扇形X线束为8°，那么180÷8=22.5次即旋转23次完成一个层面的扫描，扫1个层面约1分钟。〔三〕第3代CT：旋转/旋转式：用于全身扫描采用较大角度〔30~45°〕扇形X线束探测器数目为300~800个，使X线管探测器环绕被检体连续旋转360°，扫描时间〔一个层面〕为3~5s。以上3代CT机，X线管和探测器系统每扫一个层面后，仍需返回初始扫描位置，再行下一层面的扫描。〔四〕第4代CT旋转式大扇形扫描,用于全身扫描.把600~1500个探测器围绕被检体均等固定排列成圆环状而不旋转〔克服第3代CT探测器在旋转时产生的伪影〕，X线管在固定环形排列的探测器环内绕病人旋转360°，并辐射出角度＞50°以上的扇形X线束，扫描速度目前最快为一个层面为1秒左右，即探测器固定而X线管旋转的扫描方式。〔五〕第5代CT静止式电子束CT，以检查心脏为目的1、超高速CT扫描机又叫电子束CT机特点①无X线管，是电子束扫描技术②没有机械扫描部件③数据采集方法不同于常规的采集系统由一个电子束X线管，一组由864个固定探测器阵列和一个采样整理，数据显示的计算机系统结构。最大差异是X线管由一个电子枪，偏转线圈和处于真空中半环形钨靶组成，探测器排成216°环形。扫描时，电子束沿X线管长轴加速，电磁线圈将电子束聚焦，在偏转线圈作用下电子束瞬时偏转分别轰击四个靶面，扫8个层面时间为30~100毫秒。2、DSR动态空间重现机三个主要组成局部扫描系统：14个X线管排成半圆形阵列，其对面是14个电视摄影管，X线射出穿病人后被摄像管摄入。重建系统：图像经数字化后送计算机图像重建数据分析系统：将数字图像处理形成容积图像二、CT技术的开展趋势开展方向：加快扫描速度，提高图像质量，简化操作，提高工作效率，缩小体积。1、研制和生成新型高效探测器研制出256列的超宽探测器，大规模容剂性信息采集，使多层螺旋CT逐步升级。2、X线机CT扫描与其他成像设备的整合将CT与PET或SPECT进行融合，使图像信息增加病灶定位更准确，形态更直观。3、X线CT机与放疗设备整合使肿瘤的定位，治疗情况验证追踪。4、开发更多的软件第二节X线CT机的根本组成根本组成：数据采集系统，计算机和图像重建系统，图像显示、记录、存储系。一、数据采用系统作用：产生X线使X线准直成形再经滤过，穿过病人所需成像横截面，测得透射X线束强度，并将其转变为可提供计算机应用的数字信号。组成：X线高压发生器、X线管、准直器、滤过器、探测器、扫描机架、病床,前置放大器及接口电路。〔一〕X线管1、X线管结构与常规X线管根本相同，但额定功率和热容量大，尤其是螺旋CT2、CTX线管也分固定阳极和旋转阳极两种〔1〕固定阳极X线管：用于第一、二代CT机，〔头部机〕因其扫描是直线平移加旋转，对X线管功率要求不高。〔2〕旋转阳极X线管：用于3—4代CT机〔体部机〕及螺旋CT。对X线管瞬间功率要求高3,CTX线管的管电压和电流必须有足够稳定度，采用—闭环控制方法来稳定KV和mA。〔二〕准直器限制X线束只能进入感兴趣区和减少散射线的结构，以提高形像质量。1、X线管准直器〔前准直器〕控制X线束在人体长轴平行方向上的宽度，从而控制横截面成像的扫描厚度。2、探测器准直器〔后准直器〕使探测器只接受垂直入射探测器的射线束，尽量减少散射线干扰，提高探测器的测量精度。〔三〕滤过器过滤从X线管内发出的X线，使软射线被吸收的装置。作用：①过滤吸收软X线〔低能〕，使过滤后的X线均为穿透力强的硬射线。②使穿过滤线器和受检体的透射线束能量到达均匀硬化。〔四〕机架为一个结构框架，内装有旋转扫描架、X线管、高压发生器、滤过器、准直器、探测器及数据传输装置。高压发生器：体小，高频发生器安在X线管附近，管电压可从85KV—140KV任档选,管电流从30mA—200mA任选。冷却系统：冷却机器工作上热量扫描孔：位机架中心，借助激光束装置对病人扫描定位。〔五〕探测器将射线能量转为电信号的结构任务：接受穿人体后的X线来采集信号，并交给A/D转换为电子计算处理信号，供图像重建。1、探测器特性〔1〕效率：探测器对X线光子俘获能力，吸收能力和转变为电信号的能力，用照到探测器上并形成电信号的光子百分数表示，影响因素，俘获效率和吸收效率。1〕俘获效率：指探测器能获得穿过受检体的透射X光子能力。2〕吸收效率：指辐射进入探测器并被吸收的占总X线光子的百分数。3〕探测器效率=俘获效率×吸收效率俘获效率=探测器窗口宽度探测器窗口宽度+两探测器之间隔〔2〕灵敏性〔响应时间〕探测器探测到一个信号恢复到能探测下一个信号所需的时间，又叫响应时间，该时间非常短，防止信号堆积。〔3〕稳定性：指从某一瞬时到另一瞬时探测器的一致性和复原性。〔4〕动态范围：指能被测到的最大信号与能被识别的最小信号之比。2、探测器的类型〔1〕闪烁探测器：将X线能量转为可见光，然后再将可见光转变为电能。组成：由闪烁晶体和与其耦合的光电倍增管组成工作原理：X线照射闪烁晶体上时→晶体产生荧光→射入光电倍增管的光电阴极→光电阴极接受荧光后释放出光电子→倍增极家光电子数目增加至100万倍→阳极收集电子→并输出电信号。特点：①闪烁晶体产生的光强度与吸收X线能量成正比。②光电阴极释放出的光电子数与照与其上荧光成正比。〔2〕气体电离探测器当X线照射时，使气体产生电离，通过测量电流大小可测得入射X线的强度。组成：由一系列单独的气体电离室组成,各电离室由中隔板隔开，每个电离室两侧用薄钨片构成，各隔板互相连通并加上500V直流加速电压、电离室内充满气。工作原理：当X线入电离室后→气体电离→正离子由中心收集电极接收→电流经前置放大器放大→送入数据采集系〔信号输出〕隔板作用：隔板与X线入射方向一致，吸收散射线。〔3〕插入式探测器探测器阵列由假设干个探测器组件组成，每个组件可插入CT探测器的母盘。〔六〕数据测量装置，又叫数据采集系统〔DAS〕位置：位于探测器阵列与计算机之间作用：将探测器的微弱信息，经前置放大器放大，模数转换后形成数字信号送径计算机，供重建图像用。组成：1、前置放大器：将探测器输出的信号，预先放大。2、对数放大器：对入射X线强度I。〔位于X线管处的X线强度〕和透射X线强度I〔穿过病人后的X线强度〕进行对数换算。3、模拟/数字转换器：将模拟信号转换为二进制的数字信号。4、数字数据传输：由光导纤维将数据传输给计算机。〔七〕扫描床组成床面：由碳素纤维做成，吸收X线少，有很好的震动阻尼和满足超体重病需要的强度。垂直方向垂面运动利于病人上、下床，水平方向运动有利于头部扫至下肢。底座：有机械和电器部件，用以推动床面移动。二、计算机和图像重建系统〔一〕计算机处理体系和硬件1、流水线处理方式：把每条指令分为假设干个顺序的操作，每个操作分别由不同的处理器实施，每天指令像流水线一样被连续加工处理。2、并行处理方式：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。3、分布式处理方式：由假设干台独立的处理器构成，每台处理器都有各自的存储器而独立承担分配给它的任务。〔二〕软件1、根本功能软件指各类CT机均需具有的软件，包括：扫描功能、诊断功能、显示和记录功能、图像处理功能及故障诊断功能等软件，形成一个以管理程序为核心，能调度几个相互独立软件的系统。常用独立软件有：各独立软件联系方式：①人机对话方式：操作者通过控制台输入信息→管理程序接到这些信息指令→便调用相应功能软件②条件联系方式某个程序在运行过程中，发出一个命令信息，可要求管理程序调度相应的软件进行工作。③返回处理方式：某个程序在执行过程中发生错误，那么返送信息给管理程序，由其统一处理。2、专用功能软件〔1〕动态扫描软件：在选定了扫描的起始位置、终止位置、厚度、层距等扫描参数后，使扫描过程自动逐层进行。〔2〕快速连续扫描软件：对某一感兴趣区域自动做屡次快速扫描。〔3〕定位扫描软件：在所希望的角度上固定X线管和探测器，然后把病人自动送入的同时曝光。〔4〕目标扫描软件：对感性趣区的层面进行扫描，而对其它区采取较大厚度，层距或间距扫描。〔5〕平滑过滤软件：使所有相邻的不同组织界面得到平滑过滤，产生平均CT值，提高相邻区的比照。〔6〕三维图像重建软件：在薄层连续重叠扫描根底上重建三维图像。〔7〕高分辩力软件：用于肺部弥漫性间质病变的检查。〔8〕定量骨密度测定软件：用于对骨矿物质定量测定。〔9〕氙气增强CT软件：用氙气来测脑血流量。三、图像显示、记录和存储系统〔一〕图像显示系统CT机图像显示是监视器，常以不同灰度等级来显示。〔二〕图像存储系统CT是数字重建成像，以数字数据的形式来存储。优点：①方便进行图像处理和转换。②减少图像易丧失的可能。③缩小图像归档所占空间。④可行远程会诊。〔三〕图像记录系统CT图像的硬拷贝记录〔胶片记录〕要求如下：①应保证CT图像有良好密度和空间分辨力。②应区分组织在密度上细微差异。能满足这些要求的有如下二种胶片记录系统：1、CRT型多幅照相机CRT〔阴极射线管〕利用电子束扫描的阴极射线管把视频信号变为图像、显示在屏幕上，再经光镜折射和透射系统把屏幕上图经聚焦、投照胶片上。2、激光型多幅照相机又叫激光打印机目前广泛应用于CT、MRI、DSA应用原理：用激光束在胶片上逐行进行扫描使胶片感光。图示：激光源发出激光束首先被发散→由多棱镜向X轴方向偏转→经聚焦透镜聚焦后→投照胶片上→已成像胶片沿y轴运动、而出机器。第三节螺旋CT一、概述1、普通CT扫描X线管和探测器围绕着静止不动的病人旋转，采集来自某一层面组织的各个方向的透射X线数据。完成该层面的数据采集后，再通过床面向扫描孔内平移，扫下一相邻层面。分下述四个步骤：开始X线管和探测器加速到稳定速度X线管发X线经人体某层面，探测器探测获数据停止X线管和探测器减速直到停止床和病人被移向扫描孔行下一个扫描层位置1234第一步：X线管和探测器围病人旋转加速到额定转速。第二步：达额定转速的X线管发出X线，穿过病人待检层面照在探测器上，由探测器测得360°方向上的透射X线值。第三步：X线管和探测器减速至停止。第四步：病床平移，使另一层组织为于X线CT机扫描层面。特长：只有第2步是采集数据，1、3、4步上时间为准备工作时间叫扫描间的延误时间。逐层扫描：CT机行人体一层一层地进行扫描存在缺点：①需要较长扫描时间。②成像中会遗漏人体某些组织的情况。③不能准确地重建三维图像和多方位图像。④扫描层面有限。2、螺旋CT扫描扫描时，X线管探测器连续地围绕病人旋转，与此同时，承托病人的扫描床匀速地向机架扫描孔内推进，这样X线束在病人身上勾画出螺纹线轨迹，故称之螺旋CT。实现螺旋扫描须具备条件：①依靠滑环技术使X线管能连续沿一个方向转动。②病床做同步匀速直线运动。③须大功率，高热容量的X线管。④具有螺旋加权算法软件。⑤选用运算快，存储量大的计算机。〔1〕螺旋扫描优点1〕连续扫描时间短，在短时间内完成某一部位连续层面扫描。2〕防止病人遗漏、提高检出率。3〕造影CT检查，增强效果好。4〕提高病灶密度测量准确性。5〕可行多断面或三维图像重建。6〕病人易接受检查。〔2〕缺点1〕诊视床运动产生伪影。2〕扫描图像噪声高。3〕图像处理时间较长，需大容量存储能力。4〕受最大扫描容剂限制。5〕病人应配合好〔较长时间屏气〕。3、螺旋扫描中有关参数：螺距系数和重建间隔〔1〕螺距系数：指X线管旋转一周时扫描床移动的距离螺距系数=螺距/扫描厚度螺距系数愈大，扫描时间短，病人受照射量低，图像质量下降。〔2〕重建间隔：重建相邻两层横截面之间沿Z轴方向距离常是回忆性重建，对扫描容积范围的任意截面进行重建。二、螺旋扫描装置〔一〕滑环技术1、传统CT扫描机的馈电方式：传统CT扫描机的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、电缆易缠绕、扫速慢。每次扫描一层面后，扫描机架再回转原处，备下次扫描。2、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电刷保持良好的接触，经滑环与碳刷向X线管供电和信号传递，滑环可单向连续旋转，摆脱各电缆的缠绕限制。在CT扫描中，滑环与X线管，探测器结合在一起，构成旋转部件，机架上的静止局部与电刷相连，利用电刷和旋转滑环紧密接触，实现动静两部的连接，X线管始终沿一个方向旋转。3、低压滑环用滑环技术对扫描机架以低电压馈电的方式。外界将数百伏的低压电经低压馈线和电刷传至低压滑环上↓电低压滑环将低压电输给高频高压发生器↓高压发生器在扫描中与X线管同时旋转↓高频高压发生器将低电压，转为高电压，通过很短高压电缆送给X线管特点：①低压滑环的高压发生器装在旋转架上，可与X线管同时旋转。②高压发生器体小、重量轻、功率大〔高频〕。③高压发生器放在机架内。4、高压滑环机架外的高压发生器产生高电压↓经电缆和电刷传到高压滑环上↓经高压滑环输给X线管优点：①高压发生器位于机架外，不增加机架重量，使扫描快。②高压发生器不受体积限制，发生器功率可做得更大。缺点：①高压滑环易致机架旋转部件和静止部件，电刷间高压放电。②由于电压高大140KV，对绝缘材料要求高本钱贵。〔二〕螺旋CT的硬件和软件1、X线管要求管电流要大毫安输出产热少、散热快、以提高数据采集质量，消除伪影。2、探测器要求温度稳定性好，光电转换率高。3、机架与扫描检查床机架设计要使病人摆位容易、感觉舒适。检查床：定位精度高、平移速度稳定，减少伪影。4、控制与计算机〔1〕高速大容量计算机：一行实时处理和显示图像，改善图像细节。〔2〕操作屏的操作应十分方便〔鼠标式、触摸式〕。5、软件技术要求最大强度投影显示感兴趣区，抑制不希望显示的组织，最小强度投影要求见到气道内的结构。〔三〕多层面螺旋扫描技术单层螺旋扫描：使用一排探测器阵列，扫描轨迹为一根螺旋线。多层螺旋扫描：使用多排探测器，扫描轨迹，为多根螺旋线。特点：①X线管辐射的X线束在Z轴上较宽。②穿过病人的X线束被在Z轴方向上的多排探测器阵列接收。③电子开关将Z轴方向相邻探测器的输出进行不同组合，分别送入各组，积分、放大电路。④有4个数据通道。⑤数据取样率为传统CT的4倍。优点：①缩短扫描时间〔比单层〕。②图像质量提高。③可任意组合扫描层面厚度。④减少病人照射量。⑤延长X线管寿命。〔四〕多层面螺旋CT的探测器的排列1、几种探测器的类型〔1〕在Z轴〔水平轴〕方向有16排探测器，每排探测器是等宽的，探测器的宽度相当于层厚的1.25mm叫GE类型。〔2〕另一类为Z轴方向有8排探测器，每排探测器宽窄不一从中间向两边，其宽度分别相当于层厚1mm、1.5mm、2.5mm、5mm、simens类型。〔3〕另一类为沿Z轴方向有34排，等宽、中央4排为0.5mm，期于30排为1mm，114Toshiba类型。2、平板型探测器——用于多层扫描机面积为13×15cm2，X线管旋转一周复畜部位的容积需70S，扫描时间长仅用于颌面外科机。〔五〕多面螺旋CT优点〔1〕缩短扫描时间〔2〕图像质量有所提高〔3〕任意组合扫描厚度〔4〕减少病人X线照射量〔5〕延长X线管寿命第四节超高速CT一、概述比常规CT扫描快数十倍，常用心血管及空腔器官检查输等,属第5代CT，优于旋转CT。扫描方式单靶单层面扫描单靶多层面连续扫描多靶多层面扫描原理：130KV的高压使电子枪产生电子束→电子束加速→聚焦线圈使电子束聚焦→偏转线圈使电子束按规定角度偏转→射向4个固定的