第十四章-X线计算机体层成像设备(X-CT)

第十四章X线计算机体层成像设备（X-CT）ComputedTomography濮阳市中医院放射科郭广卿学习要点掌握CT成像原理及图像处理技术12了解CT发展及各代扫描方式3熟悉CT基本结构及使用维护CT的定义CT是英文“ComputedTomography”的缩写。词根“tomo”含有断层的意义，具体解释为通过对一单个层面成像而形成的X线摄影技术。从名字不难看出CT的技术基础是计算机技术和X线断层摄影技术。中文为计算机体层摄影成像，它代表一种图像重建技术。第一节概述一、CT扫描机的发展简史（一）CT的发明和诞生1917年，雷登(J．Radon)指出对二维或三维的物体，可以从各个不同方向上的投影，用数学方法计算出唯一的一张重建图像。称之谓雷登变换。3601963年，美国数学学A.M.Cormark解决了图像重建的数学方法。1967年，豪斯菲尔德(GodfreyHounsfield)制成了第一台可用于临床的CT。1971年9月第一台头扫描CT机安装在英国的一所医院中。1972年，第一张临床CT图像是在伦敦的AtkinsonMorley医院拍摄的。用9天时间采集数据，2.5小时重建一幅图像，区分衰减系数4%。CT立即受到了医学界的热烈欢迎，成功震惊了整个医学界，CT的发明被认为是CT立即受到了医学界的热烈欢迎，成功震惊了整个医学界，CT的发明被认为是“自从伦琴1895年发现X线以来，在放射医学、医学物理和相关学科领域里，没有能与之相比拟的发明”Hounsfield和Cormack因发明CT获得1979年诺贝尔医学和生理学奖。1974年，美国GeorgaTown医学中心的工程师Ledley设计出了全身CT扫描机，使CT的应用扩展到全身各个部位的影像学检查。（二）各代CT的扫描方式1.第一代CTX线球管为固定阳极，发射X线为直线笔形束，一个探测器，采用直线和旋转扫描相结合，即直线扫描后，旋转1度，再行直线扫描，旋转180°完成一层面扫描，扫描时间3~6分钟。矩阵象素256×256或320×320。仅用于颅脑检查。2.第二代CT与第一代无质的区别，仅由小角度（3°~30°）扇形X线束替代了直线笔形束，探测器增至几十个，扫描时间缩至10秒到1.5分钟，矩阵象素与第一代CT机相同，可用于颅脑和腹部。•3.第三代CTX三线球管为旋转阳极。发射X线为扇形束，角度较大达30°~45°度，探测器多达几百个，只做旋转扫描，扫描时间为2.4~10秒，矩阵象素除256×256和320×320外，还有512×512。适用全身各部位。•4.第四代CT与第三代无质的区别，探测器多达1000余个，固定安装在扫描机架四周，仅X线球管绕患者旋转，扫描时间进一步缩短至1~5秒。•5.第五代CT为最新发展的电影扫描CT(cineCTscanner)，在扫描速度上有飞跃发展，采用电子枪结构，使每次扫描时间缩短至50毫秒，大大有利于心脏CT扫描。二、CT扫描机的发展趋势自1972年世界上第一台CT应用到临床以来，CT经历了从第一代到第五代迅猛发展，特别是1999年出现四层螺旋CT后，人们提出了“CT绿色革命”的概念，CT向着更低辐射剂量、更快的采集和重建速度、多样的图像重建处理、更多的人性化方向发展。2001年北美放射学会(RSNA)第87届年会上提出“扫描层数更多，扫描时间更短”的口号后，近几年时间，螺旋CT从单层、双层、4层、8层、16层、至64层、“双源CT”,发展到平板探测器在CT中的应用开发，使CT的应用得到进一步的的拓展。因此，CT的发展趋势就是“卓越的各向同性分辨率，超快的机架旋转速度，尽可能低的低剂量扫描方式，直接三维数据成像和正确临床应用解决方案”。主要体现在以下四个“面向”：1.面向心脏病学的心脏CT心脏CT为心脏提供了从检查到诊断的完整解决途径，具有实现流畅顺利的心血管检查所需的所有要素：先进的ECG同步采集技术，图像重建技术，消除期外搏动影响的直观ECG编辑技术，确保了极为出色的图像质量以及最低的辐射剂量。心脏CT可进行狭窄准确测量和支架植入的血管分析以及心脏形态学和功能学的分析测定。5秒扫完心脏，10秒扫完全身2.面向急症学的急诊CT急诊CT集成了针对急症和外伤的影像学解决途径，它提供了拓展的成像视野（FOV)，全身连续扫描范围长达200cm，快速、直接的三维图像重建可在患者离开检查床前已完成并供医生阅片，对于“时间就是生命”的急诊科而言，是一个重大的突破。3.面向肿瘤病学的肿瘤CT肿瘤CT实现面向肿瘤成像、评估和随访复查的最先进的扫描，直观的计算机辅助诊断工具以及智能化的评估、自动化随访和CT引导下的介入治疗，为预防诊断、肿瘤分期以及实时活检带来更正确的诊断。另外全面的肿瘤灌注成像将实现快速便捷的肿瘤成像，帮助肿瘤的鉴别诊断。4.面向神经病学的神经CT神经CT提供了高空间和高时间分辨率的无伪影成像技术，可对头部、颈部、脊柱复杂神经紊乱症以及创伤与休克进行快速准确的成像，自动化软件以及减影功能，实现卓越的诊断效果，并实现复杂血管结构的综合评价，脑灌注成像软件可用于休克病人和脑肿瘤的鉴别诊断。第二节CT成像原理一、CT成像的主要过程CT系统：X线管、准直器、检测器、扫描机构、测量电路、计算机、监视器等部分组成。基本工作过程：X线——前准直器形成很细的直线射束——人体被检测层面——射出的X线束到达后准直器——检测器，检测器将含有信息的X线转变为相应的电信号——测量电路将电信号放大——ADC变为数字信号——计算机处理系统处理（图像重建）按监视器扫描制式编码，屏幕上表示出不同灰度，显示人体这一层面上组织密度图像。二、CT成像的物理原理（一）X线线性衰减系数（μ）在均匀物体中，X线衰减服从指数规律Lambert-Beer式是吸收定律。由于人体器官或组织由多种物质成分和不同密度构成的，X线穿透人体时各点对X线的吸收系数由于人体器官或组织由多种物质成分和不同密度构成的，X线穿透人体时各点对X线的吸收系数μ不同。12I0是入射前X线的强度I是入射后X线的强度μ是均匀介质的线性衰减系数d为物质的厚度公式1中所用介质是均匀一致的介质，人体可以看成所有组织衰减系数的加权平均。公式2是测定物质衰减系数的基本关系式和基本依据。通过它，得到投影值和二维分布矩阵，由此重建出图像。（二）CT图像重建的基本方法图像重建方法是图像矩阵的求解方法。如有N×N的图像矩阵，有N×N个独立的线性方程组，并且求解N×N个矩阵中的体素的吸收系数μij。N×N个方程组求解可以采用迭代法（逐次近似法）等。（逐次近似法）等。现在应用比较多的是反投影法、解释法。解释法包括二维傅里叶重建法和现在应用比较多的是反投影法、解释法。解释法包括二维傅里叶重建法和滤波反投影法（filteringbackprojection，FBP）。•1.反投影法反投影法（backprojection）又称总和法或线性叠加法。它是利用所有X线的P值计算各个像素的μ值的二维分布。。它是利用所有X线的P值计算各个像素的μ值的二维分布。基本原理：是将所测得的投影值按其原路径平均的分配到每一点上，各个方向上投影值反投影后，在影像处进行叠加，推断出原图像。反投影法求解过程反投影法会产生晕状效应缺点：影像边缘处不清晰。如果在一均匀的组织密度内，存在吸收系数极不均匀的部分时，反投影图像与原图像会出现伪影（imageartifact）。如果在一均匀的组织密度内，存在吸收系数极不均匀的部分时，反投影图像与原图像会出现伪影（imageartifact）。反投影数量愈多，重建图像愈接近于原图像，但由于存在星形伪影，而使得重建图像的边缘部分模糊不清。目前已经不采用这种成像算法。2.迭代法以称逐次近似法。迭代法被Hounsfield应用到EMI扫描机中，目前的临床用CT已经不再采用这种方法，故不作介绍。3.分解法（解析法）分解法由于运算量较小，图像质量较高，目前CT机基本上都采用这种图像重建的方法。另外，为了实现扇形束CT扫描和螺旋扫描，在分解法的基础上，建立了扇形束CT算法和螺旋CT算法，由于比较复杂不再作介绍。第三节CT扫描机的基本组成CT扫描机可分为三个主要部分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。一、数据采集系统（一）X线管（二）准直器有两个准直器，一个是X线管前端的为前准直器，决定CT扫描层厚。一个是探测器端的为后准直器，它的狭缝分别对准每一个探测器，使探测器只接收垂直于探测器方向的射线，尽量减少来自其他方向的散射产生的干扰。为了在剂量不增加的前提下，有效地利用X射线，探测器孔径宽度要略大于前准直器宽度。（三）滤过器①吸收低能X线，这些低能射线对CT图像的形成没有任何作用，但是却增加了病人的照射剂量。②使穿过滤过器和受检者的投射线束的能量分布达到均匀硬化。（四）探测器X射线探测器(Detector)是一种将X射线能量转换为可供记录的电信号的装置。它接收到射线照射，然后产生与辐射强度成正比的电信号。通常，探测器所接受到的射线信号的强弱，取决于该部位的人体截面内组织的密度。密度高的组织，例如骨骼吸收X射线较多，探测器接收到的信号较弱；密度较低的组织，例如脂肪等吸收X射线较少，探测器获得的信号较强。这种不同组织对X射线吸收值不同的性质可用组织的吸收系数m来表示，所以探测器所接收到的信号强弱所反映的是人体组织不同的m值，从而对组织性质作出判断。探测器是很复杂的器件。一个典型的探测器包括：闪烁体、光电转换阵列和电子学部分。此外还有软件、电源等附件。目前，CT中常用的探测器类型有两种，一种是收集荧光的探测器，称闪烁探测器，也叫固体探测器。一种是收集气体电离电荷的探测器，称气体探测器。它收集电离作用产生的电子和离子，记录由它们的电荷所产生的电压信号。1.固体探测器固体探测器是利用射线能使某些物质闪烁发光的特性来探测射线的装置。由于此种探测器的探测效率高，分辨时间短，既能探测带电粒子，又能探测中性粒子；既能探测粒子的强度，又能测量它们的能量，鉴别它们的性质。所以，固体探测器在CT扫描机中得到了广泛的应用。固体探测器前面加有反射层，它是涂有白色氧化镁粉末的铝盒。它使闪烁晶体产生的荧光光子能大部分反射到光电阴极上。在晶体与光电倍增管间放置有机玻璃制成的光导，并涂有硅油以保证良好的光耦合。使用最普遍的闪烁晶体是激活碘化钠(NaI)晶体。这种晶体的密度大，对γ射线和X射线有较大的阻止特性。它的透明度和发光度都很高。但NaI晶体极易潮解，这是它的致命缺点。NaI晶体一旦潮解，探测器效率和能量分辨力均急剧下降，以致完全不能使用。在实际应用中，碘化钠晶体被密封在一个铝制外壳内。2.气体探测器气体探测器是利用气体(一般采用化学性能稳定的惰性气体)电离的原理，入射的X射线使气体产生电离，通过测量电流的大小来测得入射X射线的强度。气体探测器的结构如图3所示。气体探测器由一系列单独的气体电离室构成。各气体电离室的上下夹面由陶瓷拼成。每个气体电离室的X射线入射面由薄铝板制成，两侧用薄钨片作为隔板分隔开，所有隔板相互连通，加上500V直流电压，起收集电子的作用。各个中心收集电极引线接至相应的前置放大器，气体电离室内充满氙气。当入射X射线进入各个气体电离室后，将气体电离，正离子由中心收集电极接收，负离子(电子)被隔板接收。正、负离子的定向运动形成电离电流。电离电流与入射的X射线强度(光子数)成正比，很微弱，经前置放大器放大后，送入数据采集系统。电离电流会产生高温，因而隔板和收集电极均采用钨片。隔板与X射线入射方向一致，起到后准直器的作用，它可防止由被测病人产生的散射线进入电离室。气体探测器的光子转换效率比固体探测器要低。采用高压氙气可以增大气体的密度，提高转换效率。但由于钨片机械强度有限，所以不能采用太高的压力，这就限制了转换效率的进一步提高。但由于其几何效率高于固体探测器的几何效率，因而实际上这两种探测器的总检