医学影像设备学第5章-CT成像设备

第五章X线计算机体层成像设备医学影像设备学前言1917年，丹麦数学家雷当（J.Radon）从数学上证明：某种物理参量的二维分布函数由该函数在其定义域内的所有线积分完全确定。该研究结果的意义在于：确定一个物理参量，寻找该物理参量的线积分，获得所有方向的线积分，就能够求得该二维分布函数。X线计算机体层成像设备就成为了实现这一理论的先行者，并为医学影像的发展带来了一场革命性变革。第一节概述目录一、发展简史（一）CT的诞生（二）CT发展历程回顾二、发展趋势（一）硬件发展趋势（二）软件发展趋势第一节概述CT的概念：计算机断层扫描（computedtomography或computerizedtomography）简称CT。CT是指利用计算机来获取人体某一层组织结构的X线影像。CT摄取的是人体横向层面组织结构的影像，是人体上下重叠组织结构中我们所感兴趣的那一层组织的影像。第一节概述（一）CT的诞生1.1917年，丹麦数学家雷当（J.Radon）从数学上证明：某种物理参量的二维分布函数由该函数在其定义域内的所有线积分完全确定。2.1938年，汉堡C.H.F.Mubler的弗兰克（GabrialFrank）首次在一项专利中描述图像重建法在X线诊断中的应用。3.1956年，布雷斯韦尔（Bracewell）第一次将一系列由不同方向测得的太阳微波发射数据运用图像重建的方法，绘制了太阳微波发射图像。第一节概述4.1961年，奥顿道夫（WilliamH.Oldendorf）采用聚焦成一束的131I放射源完成了著名的旋转位移试验，向人们揭示了获取投影数据的基本原理与方法。5.1963年，美国的科马克（AllanM.ormack）以人体组织对X线的线性吸收系数为物理参量，用X线投影作为人体组织对X线线性吸收系数的线积分，研究出了重建图像的数学方法。第一节概述G.N.HounsfieldAllanM.Cormack第一节概述第一台CT在EMI公司诞生，并与1971年9月第一台CT设备安装在英国的阿特金逊-莫利医院。Hounsfield和JamieAmbrose共同完成了临床试验，验证了X线影像与相应位置人体解剖结构的一致性。1972年11月，在北美放射学会（RSNA）年会上向全世界宣布了他的这一具有划时代意义的重大发明。1979年Hounsfield和Cormack一起获得诺贝尔生理学医学奖。第一节概述（二）CT发展历程回顾第一代CT设备多属于头部专用机，采用平移（translation）+旋转（rotation）扫描方式（T/R扫描方式）。第一代CT设备第一节概述第二代CT设备采用T/R扫描方式，在第一代的基础上，将其单一笔形X线束改为窄扇形线束，探测器数目也增加到3～30个。第二代CT设备第一节概述第三代CT设备采用旋转+旋转扫描方式，即R/R扫描方式。使X线管和探测器作为整体只围绕受检者作旋转运动来进行数据采集，X线束为30º～45º的扇形束。第三代CT设备第一节概述第四代CT设备采用静止（stationarity）+旋转扫描方式（S/R扫描方式）。它用600个探测器紧密地排成圆周。第四代CT设备第一节概述第五代CT设备采用静止+静止扫描方式，即S/S扫描方式，突出特点是X线管和X线探测器都是静止的。第五代CT设备第一节概述螺旋CT设备滑环技术（slip-ringtechnique）和高频（highfrequency）X线发生装置的应用。滑环技术结构螺旋设备第一节概述各代CT的主要特征第一代第二代第三代第四代第五代螺旋扫描方式探测器数X线束扇角（º）扫描时间（s）每次层数T/R1笔形_240～3001T/R3～30窄扇形3～2620～2101R/R256～720扇形21～453～101S/R45～7200广角扇形48～1201～51S/S1500以上锥形30～450.03～0.12～8R/R512以上扇形或锥形30～450.35～11～128第一节概述二、发展趋势（一）硬件的发展1.加快扫描速度2.提高图像质量影响CT图像质量的因素：①X线源特性和探测器的性能②扫描数目和速度③图像重建所用的算法④数据表达与显示方法第一节概述3.降低剂量迭代重建技术（ASIR）心自动滤线器技术、ECG自动毫安技术、三维立体自动毫安技术、电子采集器技术及4D实时剂量调节方法等技术应用。4.缩小体积5.简化操作6.提高工作效率第一节概述（二）软件发展趋势1.血管成像门控技术的应用是CT临床技术的质的飞跃2.三维图像重建3.CT引导下的介入治疗4.仿真内镜5.放疗计划第二节成像系统医学影像设备学目录一、投影数据获取装置二、计算机和图像重建系统第二节成像系统CT设备主要三部分组成：数据采集部分、图像重建部分和图像显示与保存部分1.数据采集部分：X线发生装置与X线管、探测器及A/D转换器与接口电路、设备架等；2.图像重建部分：图像重建单元、数据存储装置等；3.图像显示与保存部分：图像显示器、多幅相机、图像存储装置（硬盘、刻录光盘）、中央系统控制器、检查床。第二节成像系统一、投影数据获取装置（一）X线发生装置1.高压发生器传统CT：高压发生器独立于扫描架以外。发生器与X线管之间的电信号联系由高压电缆完成。滑环技术螺旋CT机：采用高频逆变高压发生器，安装在设备架内。输出波形平稳，体积小，重量轻。第二节成像系统高压发生器的功率：高档CT机50～100KW；中档CT机35～45KW机；低档CT机20～30KW。CT机的管电压一般在80～140KV可调。第二节成像系统2.CTX线管CTX线管也有固定阳极X线管和旋转阳极X线管两种。固定阳极管的长轴与探测器平行；旋转阳极X线管的长轴则与探测器垂直。第二节成像系统旋转阳极X线管发射方式分连续发射和脉冲发射两种，多采用脉冲发射。脉冲发射的优点：（1）可以使投影数与被测物体的要求相匹配，并可以通过控制射线脉冲持续时间来调节对清晰度产生不良影响的测量路径；（2）可以在脉冲间歇时间内自动地进行每个测量通道的零点校准，因此可以避免由于测量电子原件工作点的飘移造成的信号误差；第二节成像系统（3）其它条件相同的情况下，信号强度高，与连续工作方式相比，有较好的信噪比，特别是在物体直径大时能获得噪声小的图像；（4）可以利用适当的发生器来切换从一个脉冲到另一个脉冲的X线管电压，这样可以在测量系统旋转一周时绘制出两幅不同能量的图像，有效的应用双谱线法摄制出几何学上完全相同的双谱线图像；（5）可以减少球管产热量和降低受检者的照射量。第二节成像系统CT旋转阳极X线管特点：功率大，热容量高。冷却方式：采用油循环加风冷却的双重冷却方式。第二节成像系统CT管球焦点：1mm²高速旋转阳极管焦点小，约为0.6mm²。转速约为3600转/min，或10000转/min左右。CT用X线管的热容量可高达8MHU,而名为Straton的电子束控金属X线管更号称是0MHU的X线管，这种X线管散热率高达4.7MHU/min第二节成像系统CT管及冷却外形电子束控金属球管第二节成像系统（二）准直器（collimator）与滤过器（filter）1.X线准直器X线准直器的作用有三点：（1）限定成像的空间范围（限定断层层厚）（2）降低受检者的表面辐射剂量（3）减少进入探测器的散射线第二节成像系统CT的准直器CT准直器控制示意图第二节成像系统2.X线滤过器X线滤过器的作用是：（1）吸收低能X线（软射线）；（2）使X线束通过滤过器和均匀圆形成像物体（水模，waterphantom）后，变成能量分布均匀的硬射线束。滤过器形状设计为楔形或“BOWTIE”形。第二节成像系统CT的滤过器（1）（2）第二节成像系统（三）探测器探测器类型有两种：一种是气体探测器；另一种是荧光固体探测器。荧光固体探测器又分为两种：闪烁探测器稀土陶瓷探测器稀土陶瓷探测器X线吸收利用率可达99%。第二节成像系统1.探测器的特性（1）检测效率（efficiency）：是指探测器从X线束吸收能量的百分数。影响探测器检测效率的因素有两个：几何效率和吸收效率1）几何效率（geometricalefficiency）：是由每个探测器的孔径和相关的每个探测器所占总空间的比来决定的。第二节成像系统2）吸收效率(absorptionefficiency)：是指X线辐射进入探测器而被吸收的百分率。3）总检测效率η：是几何效率和吸收效率的乘积。决定探测器检测效率的诸因素第二节成像系统（2）稳定性（stabilization）：是指探测器的重复性和还原性。（3）响应时间（responsetime）：是指探测器接受、记录和输出一个信号所需的时间。（4）准确性（accurateness）与线性（linearity）（5）一致性（consistency）（6）动态范围（dynamicrange）：指探测器能够测量识别的最大信号与最小信号之比。第二节成像系统2.探测器的种类主要有以下几种类型：疝气探测器、闪烁探测器。（1）疝气探测器：是利用化学性能稳定的惰性气体在X线等电离辐射的作用下产生电离的原理进行探测，由惰性气体和气体电离室构成。第二节成像系统高压氙气探测器的结构第二节成像系统气体探测器从工作方式上可分为比例计数型和电离室型。氙气检测器的电离特性第二节成像系统气体探测器的优点：稳定性高、一致性好、响应时间短、没有余辉问题以及价格便宜；缺点：需要恒温来保证气压的稳定、检测效率相对较低以及需要高mAs来获得足够强的信号，且宜受外界电场、震动干扰产生伪影，有饱和现象。第二节成像系统（2）闪烁探测器：是利用射线能使某些物质产生闪烁荧光的特性来探测射线的装置。闪烁探测器的结构示意图第二节成像系统3.各类探测器的特性比较第一、二、四代CT机一般采用闪烁探测器，第三代与螺旋CT机采用气体探测器或闪烁探测器。特性偏重：（1）温度特性（2）噪声（3）饱和现象（4）散射线准直（5）剂量利用率第二节成像系统4.多排探测器多层CT（multi-sliceCT，MSCT）是指通过一周扫描可以同时获得多层图像的CT，多采用稀土陶瓷探测器。多排探测器可分为等宽阵列与非等宽阵列，又称固定阵列与自适应阵列两类。第二节成像系统多排检测器示意图第二节成像系统多排探测器内部结构多排探测器外形第二节成像系统（四）数据采集系统数据处理主要由前置放大器、对数放大器、积分器、多路转换器、模/数转换器、接口电路等构成。作用：将探测器输出的微弱电信号经放大后，再经ADC转换为计算机能够识别的数字信号，并经接口电路将此数字信号输入计算机。第二节成像系统数据采集系统框图第二节成像系统双积分式A/D转换器工作原理图逐次逼近式A/D转换器第二节成像系统（五）扫描机架CT的设备架由两部分组成。一是旋转部分，主要由X线管及其冷却系统、准直器及其控制系统、滤过器、探测器、数据处理装置、滑环部分、高压发生器（低压滑环式SCT）等组成。二是固定部分，主要由旋转支架，旋转控制电机及其伺服系统，机架主控电路板组成。第二节成像系统扫描机架结构图第二节成像系统（六）扫描床扫描床由床面和底座构成，它的运动一般由两个电机控制：一个是床身升降电机；另一个是床面水平移动电机。扫描床水平定位设计精度不大于0.1mm。床面板是碳素纤维，强度高，质量轻。第二节成像系统床高度指示：显示范围大多0～550mm或450～1000mm。床水平运行指示和精度：0～1800mm或0～2000mm.显示误差＜±5mm.自动移动精度误差＜±0.25mm。第二节成像系统CT检查床与扫描架内部结构第二节成像系统二、计算机和图像重建系统计算机在CT中的功能：控制整个CT系统的运行、图像重建、图像处理、故障诊断及分析。（一）基本结构与特点计算机系统的基本组成：控制部分、图像重建单元、图像显示、数据存储。第二节成像系统特点：1.足够大的内存空间2.大容量运算能力3.高运算精度4.高运算速度5.高控制效率6.高性价比和好的通用性计算机系统框图第二节成像系统（二）图像重建单元图像重建单元又称快速重建单元，采用专用计算机—阵列处理机(arrayproces