第四章-CT成像系統(tǒng)B.

4 2X CT成像系統(tǒng)組成 CT每掃描一次 即可得到一個(gè)方程 經(jīng)過若干次掃描 即得到一聯(lián)立方程 經(jīng)過計(jì)算機(jī)運(yùn)算 傅立葉轉(zhuǎn)換 反投影法等 可以解出這一聯(lián)立方程 從而求出每個(gè)體素的X線吸收系數(shù)或衰減系數(shù) 將其排列成數(shù)字矩陣 digitalmatrix 數(shù)字矩陣經(jīng)過數(shù)字 模擬轉(zhuǎn)換器 D A 把數(shù)字矩陣中的每個(gè)數(shù)字轉(zhuǎn)變?yōu)橛珊诘桨撞煌叶鹊男》綁K 即像素 pixel 也按矩陣排列 即構(gòu)成了CT圖像 1 CT成像的基本原理 第一臺(tái)SiemensCT掃描儀 圖像獲取時(shí)間7分鐘 圖像矩陣80 x80像素 空間分辨率4LP cm SIRETOM in1974 機(jī)架床高壓發(fā)生器控制臺(tái)計(jì)算機(jī) 從外表來看 控制臺(tái) 計(jì)算機(jī) 高壓發(fā)生器 CT機(jī)架 從內(nèi)部看 球管探測(cè)器DAS 球管 探測(cè)器 DAS DataAcquisitionSystem 數(shù)據(jù)獲取系統(tǒng) CT機(jī)主要分以下三部分 即 掃描系統(tǒng) X線管 探測(cè)器和掃描架 計(jì)算機(jī)系統(tǒng) 數(shù)據(jù)儲(chǔ)存 運(yùn)算等 圖像顯示和存儲(chǔ) 照相系統(tǒng) CT設(shè)備的基本結(jié)構(gòu)與工作原理流程 高壓控制器 主要包括 KV控制板MA控制板顯示面板MA調(diào)整板曝光控制板旋轉(zhuǎn)陽(yáng)極啟動(dòng)板高壓油箱 變壓器 整流濾波電路變頻電路 操作控制臺(tái)與計(jì)算機(jī) 操作控制臺(tái)與計(jì)算機(jī) 掃描系統(tǒng) X線管 探測(cè)器和掃描架 掃描機(jī)架 gantry 內(nèi)安裝有X線系統(tǒng) 圖像采集 X線過濾器 系統(tǒng)準(zhǔn)直器等 其中X線球管和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng) dataacquisitionsystem DAS 最為重要 目前多數(shù)掃描機(jī)架的孔徑為70cm 傾斜角度通常為 12 30 CT掃描系統(tǒng)的掃描機(jī)架與掃描床掃描機(jī)架內(nèi)部結(jié)構(gòu) X線球管是CT影像設(shè)備的心臟部分 由陰極 陽(yáng)極和真空玻璃或金屬管組成 其類型可分為固定陽(yáng)極和旋轉(zhuǎn)陽(yáng)極兩種 固定陽(yáng)極X線球管主要應(yīng)用于單束和多束形的掃描機(jī)中 主要用于第1 2代CT機(jī)中 旋轉(zhuǎn)陽(yáng)極X線球管主要用在扇束旋轉(zhuǎn)掃描機(jī)中 故在第3 4代CT機(jī)中多采用此種X線球管 目前 CT多采用2個(gè)焦點(diǎn)交替工作 大大延長(zhǎng)了X線球管的壽命 其曝光次數(shù)由原來的2萬次達(dá)到25 50萬次以上 2003年末Siemens公司推出所謂的零兆陽(yáng)極熱容量的概念 代表球管為Straton電子束控金屬球管 是以0 37秒速度進(jìn)行機(jī)架旋轉(zhuǎn)的球管 可以實(shí)現(xiàn)亞毫米滿負(fù)荷掃描 Straton電子束控金屬球管外形 額定功率 熱容量要大得多冷卻裝置采用高速旋轉(zhuǎn)陽(yáng)極 轉(zhuǎn)速10000rpm以上 以及油循環(huán)技術(shù)目前CT中使用X線管的最大功率為100kW 最高熱容量可達(dá)7 5MHu 柵控式X線管使掃描時(shí)X線管間斷的發(fā)射X射線 稱為脈沖工作方式 柵控式柵控陽(yáng)極X線管 即在X線管靠近燈絲附近做一個(gè)專門的控制柵極 管電壓和管電流必須有足夠的穩(wěn)定度 CT掃描機(jī)中一般采用閉環(huán)反饋方法穩(wěn)定X線管的電壓和電流 使其誤差控制在0 01 0 05 范圍內(nèi) CT中X線管 與X線機(jī)的X線球管相比 1 X線球管的熱容量與散熱率熱容量的單位MHU X線球管的熱容量越大 表示可承受的工作電流越大 連續(xù)工作的時(shí)間也越長(zhǎng) 散熱率的單位是kHU 散熱率越高 說明X線球管的性能越好 如 TOSHIBA公司的Aquilion16排MSCT的X線球管熱容量達(dá)到7 5MHU 散熱率達(dá)到1386KHU min 而GE公司的64排LightSpeedVCT的X線球管熱容量達(dá)到8 0MHU 散熱率超過2100KHU min 2 掃描時(shí)間 重建時(shí)間和周期時(shí)間CT掃描時(shí)間是指X線球管以一定的層厚圍繞人體旋轉(zhuǎn)掃描一周 360 所需要的時(shí)間 掃描時(shí)間取決于X線球管旋轉(zhuǎn)的速度與能力 以往的CT掃描時(shí)間為1s 2s 3s或更長(zhǎng) 現(xiàn)在已實(shí)現(xiàn)了亞秒掃描 如GE公司LightSpeedPlus16排CT的掃描時(shí)間為0 5s Philips公司的Brilliance16排CT最短掃描時(shí)間可達(dá)0 42s 掃描時(shí)間的縮短可以減少病人的檢查時(shí)間 提高單位時(shí)間內(nèi)病人的檢查量 還能減少不配合病人的運(yùn)動(dòng)偽影等 重建時(shí)間是指計(jì)算機(jī)的陣列處理器將CT掃描的原始數(shù)據(jù)重建成圖像所需要的時(shí)間 目前 由于計(jì)算機(jī)功能的異常強(qiáng)大 CT圖像的重建速度有了大幅度提升 如先進(jìn)的16排MSCT能夠在1秒重建出12幅512 512的圖像 圖像掃描與重建時(shí)間7分鐘圖像掃描與重建時(shí)間 7秒 周期時(shí)間是指從CT掃描開始 圖像的重建 直到圖像的顯示這一全過程所需要的時(shí)間 最大連續(xù)掃描時(shí)間是指螺旋CT掃描時(shí)的X線球管連續(xù) 不間斷曝光時(shí)間的長(zhǎng)短 該時(shí)間的長(zhǎng)短不僅與X線球管的熱容量和散熱率因素有關(guān) 還與DAS數(shù)據(jù)采集的速度 計(jì)算機(jī)的處理能力等因素有關(guān) 目前的多層螺旋CT最大的連續(xù)掃描時(shí)間可以超過100秒 大功率 高熱容量和散熱率的X線管 GE的球管 TOSHIBA的球管 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng) DataAcquisitionSystem 作用是測(cè)量X射線束 并將這些數(shù)據(jù)編碼成二進(jìn)制數(shù)據(jù) 送往計(jì)算機(jī)進(jìn)行運(yùn)算 1 前置放大器 對(duì)數(shù)放大器 從探測(cè)器接收到的信號(hào) 使用高輸入阻抗的前置放大器進(jìn)行放大和阻抗變換 2 積分器在CT掃描過程中測(cè)量的是每個(gè)角度下的X線光子的總和 3 多路轉(zhuǎn)換器各路積分器輸出信號(hào)經(jīng)多路混合器變成一路 使用共同的A D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)變?yōu)閿?shù)字信號(hào) 徐瑞 4 A D轉(zhuǎn)換器A D轉(zhuǎn)換器是將連續(xù)模擬時(shí)域信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)殡x散的數(shù)字序列 A D轉(zhuǎn)換的方法有多種 最常用的有雙積分式A D轉(zhuǎn)換器和逐次逼近式A D轉(zhuǎn)換器 A D轉(zhuǎn)換器的主要指標(biāo)1 轉(zhuǎn)換速度2 變換精度和動(dòng)態(tài)范圍 徐瑞 探測(cè)器 detector 是DAS系統(tǒng)中重要的部件 探測(cè)器組件是由性能完全相同的探測(cè)器單元排列而成 每個(gè)探測(cè)器對(duì)應(yīng)著一束窄的X線 如果有N個(gè)探測(cè)器單元 那么一次就可同時(shí)獲得N個(gè)投影數(shù)據(jù) 探測(cè)器主要功能有 接收透過病人檢查部位的X射線 將接收到的X線轉(zhuǎn)換成模擬形式的電子信號(hào) 將模擬信號(hào)放大 將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào) A D轉(zhuǎn)換器 2 探測(cè)器的數(shù)量探測(cè)器是位于X線球管和計(jì)算機(jī)系統(tǒng)之間重要的數(shù)據(jù)檢測(cè)部件 一般來說 探測(cè)器的數(shù)量越多 采集到的掃描數(shù)據(jù)就越多 可提高X射線的利用率 相應(yīng)的縮短掃描時(shí)間和提高圖像的質(zhì)量 比如GE公司LightSpeed16排MSCT的探測(cè)器系統(tǒng)共有24排矩陣式探測(cè)器組合 每排有912個(gè)稀土陶瓷探測(cè)器 共有21 888個(gè)探測(cè)器 CT中常用的探測(cè)器類型有兩種 一種是利用X射線能使某些物質(zhì)閃爍發(fā)光的特性來探測(cè)X射線的裝置 將該收集熒光的探測(cè)器 稱閃爍晶體探測(cè)器 另一種是收集氣體電離電荷的探測(cè)器 稱氣體探測(cè)器 它收集電離作用產(chǎn)生的電子和離子 記錄由它們的電荷所產(chǎn)生的電壓信號(hào) 徐瑞 探測(cè)器 閃爍晶體探測(cè)器 利用某些晶體受到照射后發(fā)光的特征制成的 常用的閃爍晶體有碘化鈉等 具有殘光少 轉(zhuǎn)換效率高 性能穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn) 工作原理是 當(dāng)X線照射到晶體后 原子接收X線光量子的能量 產(chǎn)生激發(fā)或電離 處于激發(fā)狀態(tài)的原子返回到原來的基態(tài)時(shí) 即釋放出能量 這種能量會(huì)以熒光光子的形態(tài)出現(xiàn) 經(jīng)過光導(dǎo)傳給光電倍增管的光電陰極上 使其上的光電敏感物質(zhì)發(fā)出光電子 聚焦后投射到光電倍增管的聯(lián)極進(jìn)一步增大打在陽(yáng)極上 并在輸出電阻上形成一個(gè)電壓脈沖反饋到檢測(cè)電路 光電倍增管 光電倍增管是一種光電轉(zhuǎn)換器件 通過它可把光子轉(zhuǎn)換成電子 徐瑞 氣體探測(cè)器是利用氣體 一般采用化學(xué)性能穩(wěn)定的惰性氣體 電離的原理 當(dāng)X線進(jìn)入探測(cè)器時(shí) 極板間的氙氣被電離形成帶電離子 在電場(chǎng)作用下 帶電離子沿著電場(chǎng)線形移動(dòng)形成電流 該電流在外電路電阻中產(chǎn)生一個(gè)電壓信號(hào) 輸送到檢測(cè)電路 探測(cè)器 氣體電離室探測(cè)器 CT設(shè)備的計(jì)算機(jī)系統(tǒng) 控制整個(gè)CT系統(tǒng)的運(yùn)行2 圖像重建一幅CT圖像的重建需要數(shù)百萬次的數(shù)學(xué)運(yùn)算 徐瑞 計(jì)算機(jī)系統(tǒng) CT的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)包括主計(jì)算機(jī)和陣列計(jì)算機(jī)兩部分 主計(jì)算機(jī)控制CT整個(gè)系統(tǒng)的正常工作 其主要的功能有 掃描監(jiān)控 并將CT掃描得到的數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ) CT值的校正 圖像的重建控制與圖像后處理 CT機(jī)自身故障的診斷與分析 陣列處理器 ArrayProcessor AP 本身不能獨(dú)立工作 它與主計(jì)算機(jī)相連 在其控制下進(jìn)行高速的數(shù)據(jù)運(yùn)算以完成CT掃描的龐大數(shù)據(jù)量的處理與運(yùn)算 Philips16排MSCT影像設(shè)備的AP柜 CPU3 06GHzHardDisk146GB 圖像顯示與存儲(chǔ) CT圖像的顯示 由操作臺(tái)上的CRT屏顯示 目前多層螺旋CT多配有高性能的工作站 workstation 也可以在工作站的顯示屏上顯示 CT圖像的記錄系統(tǒng) 系統(tǒng)硬盤 外部存儲(chǔ)器等構(gòu)成 CT圖像的外部存儲(chǔ)器包括磁帶 合式磁帶 光盤 磁光盤 軟盤以及各種照相機(jī)等 CT圖像的顯示 imagingdisplay 可以由操作臺(tái)上的LCD屏顯示 單屏或雙屏 目前多層螺旋CT多配有高性能的工作站 workstation 也可以在工作站的顯示屏上顯示圖像 并利用工作站的應(yīng)用軟件進(jìn)行圖像的后處理和照相等工作 4 CT掃描方式 5 計(jì)算機(jī)硬磁盤容量 6 矩陣矩陣 matrix 是數(shù)字圖像的格式 矩陣的大小直接決定了CT圖像像素的大小與分辨率 矩陣與像素大小的關(guān)系 像素 mm 掃描野 FOV mm 矩陣 矩陣包括重建矩陣和顯示矩陣 早期CT機(jī)的矩陣較小 一般為256 256 320 320等 目前的CT機(jī)的矩陣增加到512 512 1024 1024 還有的CT機(jī)的重建矩陣為512 512 而顯示矩陣為1024 1024 對(duì)于顯示的CT圖像而言 其矩陣的大小不能小于重建矩陣 無論CT圖像采取何種介質(zhì)存儲(chǔ) 最終還必須提供一種途徑產(chǎn)生硬拷貝 即CT影像膠片 早期的CT機(jī)多使用多幅照相機(jī) 目前已經(jīng)被淘汰 激光照相機(jī)則以速度快 連續(xù)批量打印 成像清晰 分辨率高 集成度高 網(wǎng)絡(luò)化和明室操作等優(yōu)點(diǎn) 現(xiàn)在已經(jīng)成為醫(yī)學(xué)影像設(shè)備常用的硬拷貝工具 一 CRT型多幅照相機(jī) 徐瑞 二 激光型多幅照相機(jī) 激光型多幅照相機(jī)即激光照相機(jī) 因診斷 閱片的需要 常用激光照相機(jī)把數(shù)字X線圖像記錄在膠片上 下面說明其基本結(jié)構(gòu) 工作原理和特點(diǎn) 下面是激光照相機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖 徐瑞 激光照相機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖 徐瑞 1 基本結(jié)構(gòu)和功能 1 激光發(fā)生器 是膠片打印的能量來源 常用半導(dǎo)體激光器和氣體激光器 2 光調(diào)制器 以計(jì)算機(jī)輸入的數(shù)字圖像信號(hào)調(diào)制激光強(qiáng)度 3 光學(xué)掃描器 由擺動(dòng)式反光鏡或多面體旋轉(zhuǎn)式反光鏡組成 使激光束掃描膠片 4 膠片傳輸系統(tǒng) 保證膠片按照與掃描激光束垂直的方向高精度地移動(dòng) 由電動(dòng)機(jī) 引導(dǎo)軸 打印滾筒等組成 5 供片庫(kù) 儲(chǔ)存未感光的膠片 可容納100 200張 2 工作原理膠片在傳送系統(tǒng)控制下朝一個(gè)方向高精度地移動(dòng) 同時(shí)激光束相對(duì)于膠片移動(dòng)方向反復(fù)作垂直掃描 因此激光束是以二維方式順序掃描整張膠片 激光束的光強(qiáng)度受計(jì)算機(jī)輸出的數(shù)字圖像信號(hào)調(diào)制 激光束經(jīng)旋轉(zhuǎn)多面鏡的反射作線掃描 裝載膠片的打印滾筒和激光束動(dòng)作同步 膠片在激光束的照射下曝光形成平片圖像 徐瑞 以第3代CT為例說明CT成像的基本步驟與過程 即產(chǎn)生X線 收集數(shù)據(jù) 處理數(shù)據(jù) 顯示圖像 X線的產(chǎn)生是在高壓發(fā)生器作用下由X線球管發(fā)出的 在CT掃描過程中X線穿過人體后由探測(cè)器接受 收據(jù)數(shù)據(jù)系統(tǒng) DAS 每秒種向探測(cè)器取樣984次 每次取樣可以認(rèn)為是一次投影 總投影數(shù) 每秒取樣數(shù) 掃描速度 S 例如 第3代CT機(jī)DAS內(nèi)共有47塊模擬濾過器板 每塊板上有16個(gè)通道 則共有752個(gè)通道 每個(gè)通道每秒采樣次數(shù)為984次 這些采樣數(shù)據(jù)傳送到重建和數(shù)據(jù)收集處理器 RDCP 經(jīng)過暫存 過濾處理后送到磁盤上保存 數(shù)據(jù)處理和圖像重建的基本過程是 1 由數(shù)據(jù)收集系統(tǒng) DAS 采集的投影數(shù)據(jù) 首先送到A D轉(zhuǎn)換器 2 陣列處理器 AP 的輸入 輸出處理器 IOP 接收DAS的投影數(shù)據(jù) 必要時(shí)進(jìn)行數(shù)據(jù)的壓縮和重定格式處理 然后再將這些數(shù)據(jù)傳送到主存儲(chǔ)器的緩沖器中 3 AP的運(yùn)算單元由存儲(chǔ)傳輸處理器 超高速緩沖存儲(chǔ)器 數(shù)字轉(zhuǎn)換處理器和算術(shù)運(yùn)算單元等構(gòu)成 它們將被濾過的投影數(shù)據(jù)再傳送到反投影系統(tǒng) 4 反投影控制器將接收到的投影數(shù)據(jù)分配到反投影板上的各個(gè)單元 每個(gè)反投影單元 包含三個(gè)存儲(chǔ)器 分別是E存儲(chǔ)器 L存