三类大型影像设备原理介绍

计算机断层扫描（CT）磁共振影像（MRI）正电子发射断层扫描（PET）目录当前1页，总共57页。CT（ComputedTomography）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。一、计算机断层扫描（CT）当前2页，总共57页。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CT组成当前3页，总共57页。CT发展简介当前4页，总共57页。当前5页，总共57页。品牌SiemensGEPhilipsToshiba型号SomatomForceRevolutionCTIQonSpectralCTAquilionONEVISION探测器材料超高速稀土陶瓷人造宝石固体钨酸铬闪烁晶体GOS360°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四大厂家高速CT参数对照（部分）当前6页，总共57页。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，μ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成像原理当前7页，总共57页。CT值为CT扫描中X线衰减系数的单位，用于表示CT影像中组织结构的线性衰减系数的相对值，其单位为Hu（Hounsfieldunit）。常见物质CT值：水（0Hu）、空气（-1000Hu）、骨（1000Hu）

CT值

当前8页，总共57页。CT扫描方式常规CT：间隔式扫描螺旋CT：连续容积扫描当前9页，总共57页。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多层螺旋CT当前10页，总共57页。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的硬件结构性参数。层：指CT数据采集系统（DataAcquisitionSystem,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。排与层的区别当前11页，总共57页。“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。排与层的区别当前12页，总共57页。CT模拟定位机CT模拟定位机与一般CT的区别：孔径平板床激光系统软件AAPMTG-66Report当前13页，总共57页。

二、磁共振影像（MRI）当前14页，总共57页。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）I>0的核带电荷，自旋时形成磁场，有相应的自旋磁矩μ。MRI影像形成原理当前15页，总共57页。当外部施加一个静磁场B0后，若原子核自旋磁矩μ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。当前16页，总共57页。在没有外加磁场时，各个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当前17页，总共57页。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𝜔。

当前18页，总共57页。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𝜔=γ·B0，可用一定仪器检测其信号称为自由感应衰变信号（FID）。当前19页，总共57页。纵向弛豫：磁化强度矢量M的纵向投影逐步恢复到初始值，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。当前20页，总共57页。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。当前21页，总共57页。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。0.630.37T1M01.0t0T2M01.00t当前22页，总共57页。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MR组成当前23页，总共57页。当前24页，总共57页。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0.05~3T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0.3~1.0T高场＞1.0T主磁体当前25页，总共57页。主磁体磁体分类优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需要液氦冷却当前26页，总共57页。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。主磁体当前27页，总共57页。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。梯度磁场系统当前28页，总共57页。梯度磁场系统梯度磁场梯度线圈X向Y向Z向梯度电源当前29页，总共57页。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、冠状位进行成像。梯度磁场系统当前30页，总共57页。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）射频屏蔽射频系统发射器功率放大器发射线圈人体组织接收线圈接收器当前31页，总共57页。头部线圈体部线圈乳腺线圈膝关节线圈当前32页，总共57页。PET（PositronEmissionTomography）：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、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。三、正电子发射断层扫描当前33页，总共57页。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。正电子放射性核素特点当前34页，总共57页。放射性核素半衰期（min）最大正电子能量（MeV）最大射程（mm）平均射程（mm）11C20.30.965.00.2813N10.01.195.40.6015O2.01.708.21.1018F109.80.642.40.2268Ga67.81.899.11.3582Rb1.33.3515.62.60常用正电子放射性核素物理特性

当前35页，总共57页。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（β+衰变）（Z,A）→（Z-1,A）+e++ʋ18F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）

当前36页，总共57页。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。当前37页，总共57页。18F-FDG注射入人体内后，由β+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：β+

粒子与物质作用能量耗尽时，和物质中的自由电子（e-）结合，正负电荷抵消，两个电子的静止质量转化为2个能量相等（511KeV）、方向相反的γ光子而自身消失。当前38页，总共57页。符合探测利用了湮没辐射产生的2个γ光子的直线性、同时性这两个特点，进行成像。直线性：即湮灭辐射产生的2个γ光子互成180°。同时性：即湮灭辐射产生2个γ光子，同时被两个相对探

头探测；同时性要求采用一种特殊的线路—符合线路。符合探测成像原理当前39页，总共57页。符合线路（coincidencecircuit）：只有进入两个探头的两个γ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γ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γ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。符合探测成像原理当前40页，总共57页。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。飞行时间技术（TOF）当前41页，总共57页。当前42页，总共57页。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。PET组成当前43页，总共57页。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。探测器当前44页，总共57页。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。探测器当前45页，总共57页。高能正电子成像的晶体和材料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。当前46页，总共57页。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