三類(lèi)大型影像設(shè)備原理介紹

1、計(jì)算機(jī)斷層掃描（CT）磁共振影像（MRI）正電子發(fā)射斷層掃描（PET）CT（Computed Tomography）是使用X射線從不同方位照射人體，由對(duì)應(yīng)的探測(cè)器檢測(cè)透過(guò)人體后X線強(qiáng)度值的信號(hào)，經(jīng)計(jì)算機(jī)根據(jù)物理模型進(jìn)行數(shù)學(xué)運(yùn)算處理后，重建人體斷面圖像的X線診斷設(shè)備。掃描部分：X線球管、探測(cè)器、掃描架計(jì)算機(jī)系統(tǒng)：貯存、運(yùn)算圖像顯示、存儲(chǔ)系統(tǒng)品牌品牌SiemensSiemensGEGEPhilipsPhilipsToshibaToshiba型號(hào)Somatom ForceRevolution CTIQon Spectral CTAquilion ONE VISION探測(cè)器材料超高速稀土陶瓷人造寶石固

2、體鎢酸鉻閃爍晶體GOS360掃描時(shí)間0.25s0.28s0.27s0.275s心臟平均采集時(shí)間0.13s0.14s2s0.275s心率要求任何心率/節(jié)律任何心率/節(jié)律小于80次小于90次驅(qū)動(dòng)方式無(wú)線非接觸式傳輸無(wú)線非接觸式滑環(huán)氣墊磁懸浮CT的X光球管發(fā)出的X射線穿過(guò)人體時(shí)，被“吸收”衰減。I0和I分別為人體入射前后的流強(qiáng)，為衰減系數(shù)。I0和I的比值反映了人體的積分密度。通過(guò)一定的算法，計(jì)算出人體各點(diǎn)的密度，根據(jù)其空間分布，生成密度圖像，即CT圖像。CT值為CT掃描中X線衰減系數(shù)的單位，用于表示CT影像中組織結(jié)構(gòu)的線性衰減系數(shù)的相對(duì)值，其單位為Hu（Hounsfield unit）。常見(jiàn)物質(zhì)CT

3、值：水（0 Hu）、空氣（-1000Hu）、骨（1000Hu） 常規(guī)CT：間隔式掃描螺旋CT：連續(xù)容積掃描對(duì)于CT技術(shù)的要求就是在最短時(shí)間內(nèi)，得到最清晰的圖像的同時(shí)，盡可能地加大檢查范圍。在螺旋CT中采用多排探測(cè)器陣列。將單排探測(cè)器（900個(gè)左右的探測(cè)器單位）改進(jìn)為幾排甚至幾十排探測(cè)器，即多層螺旋CT在Z軸方向上有數(shù)萬(wàn)個(gè)探測(cè)器呈二維陣列。特點(diǎn)：旋轉(zhuǎn)一周可以獲得多個(gè)斷層圖像成像速度快，能包容較大范圍進(jìn)行容積掃描排：指CT探測(cè)器在Z軸方向的物理排列數(shù)目，即有多少排探測(cè)器，是CT的硬件結(jié)構(gòu)性參數(shù)。層：指CT數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)（Data Acquisition System, DAS）同步獲得圖像的能力，即

4、同步采集圖像的DAS通道數(shù)目或機(jī)架旋轉(zhuǎn)時(shí)同步采集的圖像層數(shù)，是CT的功能性參數(shù)?！芭拧笔侵窩T掃描機(jī)探測(cè)器的陣列數(shù)，一般排數(shù)越多，探測(cè)器寬度越寬，以此掃描完成的寬度越大。多“排”CT稱(chēng)為多“層”CT（MSCT），在一般情況下兩者含義相同，即有多少“排”探測(cè)器，一次掃描即可完成多少“層”圖像的采集。但是，如果每排探測(cè)器一次采集重建出2層圖像，如西門(mén)子64層CT，實(shí)際探測(cè)器是32排，每排出2幅圖像，因此一次采集可以形成64層圖像。CT模擬定位機(jī)與一般CT的區(qū)別： 孔徑 平板床 激光系統(tǒng) 軟件AAPM TG-66 Report以人體內(nèi)廣泛存在的氫原子核為例，其含質(zhì)子數(shù)為奇數(shù)，具有自旋特性，因而有一定

5、的角動(dòng)量p，其大小可由自旋量子數(shù)I來(lái)計(jì)算。（質(zhì)子數(shù)和中子數(shù)同為偶數(shù)的核I為零，無(wú)自旋運(yùn)動(dòng)）I0的核帶電荷，自旋時(shí)形成磁場(chǎng)，有相應(yīng)的自旋磁矩。當(dāng)外部施加一個(gè)靜磁場(chǎng)B0后，若原子核自旋磁矩與B0方向不同，則原子核軸向?qū)⒁駼0的影響沿一圓錐面圍繞B0的方向旋轉(zhuǎn)，稱(chēng)為拉莫運(yùn)動(dòng)，其旋轉(zhuǎn)頻率稱(chēng)為拉莫頻率。此時(shí)如外加其他方向與B0垂直的電磁波，并使其頻率與拉莫頻率相同，則原子核發(fā)生共振，自轉(zhuǎn)軸傾角改變，從而其能量狀態(tài)發(fā)生改變。在沒(méi)有外加磁場(chǎng)時(shí)，各個(gè)質(zhì)子由于熱運(yùn)動(dòng)而處于雜亂無(wú)章的任意排列狀態(tài)，磁矩方向各不相同，相互抵消，宏觀上不顯磁性，此時(shí)M=0。當(dāng)沿某一Z軸方向施加靜磁場(chǎng)B0，則M不再為零，且與B0平行。施

6、加B0此時(shí)如再外加一垂直于B0的電磁波B1，頻率等于拉莫頻率，就會(huì)使M作為一個(gè)整體產(chǎn)生拉莫運(yùn)動(dòng)，M與B0的方向偏離，呈圓錐形繞B0轉(zhuǎn)動(dòng)，轉(zhuǎn)動(dòng)的圓頻率為。如果所加電磁波是脈沖式的，則脈沖去除后原子核逐漸回復(fù)到初始平衡狀態(tài)。這一放能過(guò)程稱(chēng)為弛豫。弛豫時(shí)放出的能量以電磁波形式向周?chē)l(fā)射，頻率同樣是=B0，可用一定儀器檢測(cè)其信號(hào)稱(chēng)為自由感應(yīng)衰變信號(hào)（FID）?？v向弛豫：磁化強(qiáng)度矢量M的縱向投影逐步恢復(fù)到初始值，是原子核與周?chē)橘|(zhì)不斷進(jìn)行熱交換的結(jié)果，故也稱(chēng)為自旋-晶格弛豫，相應(yīng)的時(shí)間稱(chēng)為縱向弛豫時(shí)間T1。橫向弛豫：M在垂直于B0的平面上形成的橫向投影逐漸恢復(fù)到零，是各原子核磁矩相互作用的結(jié)果，故也稱(chēng)為

7、自旋-自旋弛豫，相應(yīng)的時(shí)間稱(chēng)為橫向弛豫時(shí)間T2。T1實(shí)際定義：縱向磁化矢量從0恢復(fù)到最大值的63%所需的時(shí)間。T1是一個(gè)時(shí)間常數(shù)，描述組織的縱向磁化矢量恢復(fù)的快慢程度。其長(zhǎng)短依賴于組織成分、結(jié)構(gòu)和環(huán)境，如水為長(zhǎng)T1，脂肪為短T1。T2實(shí)際定義：橫向磁化矢量衰減至其最大值的37%的時(shí)間。T2與人體組織的固有小磁場(chǎng)有關(guān)，如大分子比小分子短，結(jié)合水比游離水短。0.63)1 (10eM0.3710eMT1M01.0t0T2M01.00t主磁體梯度磁場(chǎng)系統(tǒng)射頻（RF）系統(tǒng)計(jì)算機(jī)處理系統(tǒng)輔助設(shè)備主磁體是MR的核心部分之一，其功能是提供使原子核定向所必須的靜磁場(chǎng)。臨床上磁共振成像要求磁場(chǎng)強(qiáng)度在0.053T范

8、圍內(nèi)。磁場(chǎng)強(qiáng)度越高，信噪比越高，圖像質(zhì)量越好。低場(chǎng) 0.3T中場(chǎng) 0.31.0T高場(chǎng) 1.0T磁體分類(lèi)磁體分類(lèi)優(yōu)點(diǎn)優(yōu)點(diǎn)缺點(diǎn)缺點(diǎn)永磁體場(chǎng)強(qiáng)穩(wěn)定、維護(hù)簡(jiǎn)單、線圈效率高場(chǎng)強(qiáng)低，最大僅0.35T；體積龐大；磁場(chǎng)均勻度受室溫影響較大常導(dǎo)（阻抗型）型磁體安裝容易、造價(jià)低磁場(chǎng)均勻度和穩(wěn)定性差，受室溫影響較大；耗電量大；需大量水冷卻，運(yùn)行維護(hù)費(fèi)高；場(chǎng)強(qiáng)小于0.3T超導(dǎo)型磁體磁場(chǎng)穩(wěn)定、均勻，不受室溫影響；場(chǎng)強(qiáng)最高可達(dá)8T需要液氦冷卻勻場(chǎng)線圈：任何磁體都不會(huì)產(chǎn)生絕對(duì)均勻的磁場(chǎng)，所以還要加一組勻場(chǎng)線圈，一般由鈮鈦合金制成，置于磁體中心，梯度線圈外，可將磁場(chǎng)均勻性提高100倍以上。利用梯度線圈產(chǎn)生相對(duì)于主磁場(chǎng)來(lái)說(shuō)較微

9、弱的在空間位置上變化的磁場(chǎng)，并疊加在主磁場(chǎng)上。對(duì)MRI信號(hào)進(jìn)行空間編碼，以確定成像層面的位置和厚度。梯度磁場(chǎng)梯度線圈X向Y向Z向梯度電源任何一組梯度磁場(chǎng)都可起到層面選擇、相位編碼、頻率編碼三項(xiàng)作用之一，因此可對(duì)人體的橫斷位、矢狀位、冠狀位進(jìn)行成像。發(fā)射射頻（RF）脈沖使磁化的質(zhì)子吸收能量產(chǎn)生共振，并接收質(zhì)子在弛豫過(guò)程中釋放的能量而產(chǎn)生MR信號(hào)。（1）射頻線圈 (發(fā)射線圈和接收線圈)（2）射頻發(fā)射放大器（3）射頻接收放大器（4）射頻屏蔽發(fā)射器功率放大器發(fā)射線圈人體組織接收線圈接收器頭部線圈體部線圈乳腺線圈膝關(guān)節(jié)線圈PET（Positron Emission Tomography）：應(yīng)用放射性示蹤

10、原理，以斷面解剖形態(tài)進(jìn)行功能、代謝和受體顯像的醫(yī)學(xué)影像技術(shù)。在分子水平上顯示生物物質(zhì)相應(yīng)生物活動(dòng)的空間分布、數(shù)量及其隨時(shí)間的變化，故又稱(chēng)為生化顯像或分子顯像。將人體代謝所必需的物質(zhì)，如：葡萄糖、蛋白質(zhì)、核酸、脂肪酸等標(biāo)記上短壽命的放射性核素（如18F）制成顯像劑（如氟代脫氧葡萄糖，F(xiàn)DG）注入人體后進(jìn)行掃描成像。人體組織的基本元素 易于標(biāo)記各種生命所必需的化合物及其代謝產(chǎn)物而 不改變它們的生物活性，且可以參與人體的生理、 生化代謝過(guò)程。 半衰期比較短 檢查時(shí)可給予較大劑量，提高了影像的對(duì)比度和空 間分辨率，更真實(shí)地反映人體生理、生化、病理和 功能等方面的改變。放射性核素放射性核素半衰期半衰期（

11、minmin）最大正電子能量最大正電子能量（MeVMeV）最大射程最大射程（mmmm）平均射程平均射程（mmmm）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通過(guò)核反應(yīng)（如使用回旋加速器）可以產(chǎn)生某些不穩(wěn)定核素，如11C，13N，15O和18F等。這類(lèi)不穩(wěn)定核素按一定半衰期衰變產(chǎn)生正電子（+衰變） （Z, A） （Z-1, A）+ e+ + 18F原子結(jié)構(gòu)： 9個(gè)質(zhì)子、9個(gè)中子、9個(gè)核外電子（氟穩(wěn)定結(jié)構(gòu)是10個(gè) 中子）

12、18F是用穩(wěn)定核素18O經(jīng)質(zhì)子轟擊而產(chǎn)生的。質(zhì)子帶正電，產(chǎn)生的18F缺中子，其在衰變過(guò)程中放出一個(gè)正電子俘獲一軌道上的電子形成穩(wěn)定核素。18F-FDG注射入人體內(nèi)后，由+衰變反應(yīng)產(chǎn)生的正電子與人體內(nèi)的電子發(fā)生湮滅輻射。湮滅輻射湮滅輻射：+ + 粒子與物質(zhì)作用能量耗盡時(shí)，和物質(zhì)粒子與物質(zhì)作用能量耗盡時(shí)，和物質(zhì)中的自由電子（中的自由電子（e e- -）結(jié)合，正負(fù)電荷抵消，兩個(gè)電子）結(jié)合，正負(fù)電荷抵消，兩個(gè)電子的靜止質(zhì)量轉(zhuǎn)化為的靜止質(zhì)量轉(zhuǎn)化為2 2個(gè)能量相等（個(gè)能量相等（511KeV511KeV）、方向相）、方向相反的反的光子而自身消失。光子而自身消失。符合探測(cè)利用了湮沒(méi)輻射產(chǎn)生的2個(gè)光子的直線性、

13、同時(shí)性這兩個(gè)特點(diǎn)，進(jìn)行成像。直線性：直線性：即湮滅輻射即湮滅輻射產(chǎn)生的產(chǎn)生的2 2個(gè)個(gè)光子互成光子互成180180。同時(shí)性：同時(shí)性：即即湮滅輻射湮滅輻射產(chǎn)生產(chǎn)生2 2個(gè)個(gè)光子，同時(shí)被兩個(gè)光子，同時(shí)被兩個(gè)相對(duì)探相對(duì)探 頭探測(cè)；頭探測(cè)； 同時(shí)性同時(shí)性要求采用一種特殊的線路要求采用一種特殊的線路符合線路。符合線路。符合線路（coincidence circuit）：只有進(jìn)入兩個(gè)探頭的兩個(gè)光子是同時(shí)到達(dá)的閃爍事件才能被記錄，否則不予接受，這種線路稱(chēng)符合線路。湮滅作用產(chǎn)生的兩個(gè)光子幾乎同時(shí)擊中探測(cè)器環(huán)上對(duì)稱(chēng)位置的兩個(gè)探測(cè)器，每個(gè)探測(cè)器接收到光子后產(chǎn)生一個(gè)定時(shí)脈沖，這些定時(shí)脈沖分別輸入符合線路進(jìn)行符合甄別

14、，挑選符合事件。飛行時(shí)間：假設(shè)湮沒(méi)輻射產(chǎn)生在兩個(gè)探測(cè)器的正中間，發(fā)生的2個(gè)湮沒(méi)輻射光子可同時(shí)到達(dá)兩探測(cè)器，產(chǎn)生的脈沖時(shí)間差為零，除此之外，其他位置發(fā)生的湮沒(méi)輻射光子，在探測(cè)中總有一定時(shí)間差，這個(gè)時(shí)間差稱(chēng)為飛行時(shí)間。符合時(shí)間窗：是為時(shí)間差所設(shè)的限，即兩個(gè)光子被記錄的時(shí)間差小于符合時(shí)間窗時(shí)，就被作為一次符合探測(cè)。它決定著符合探測(cè)效率、穩(wěn)定性和精確度。符合窗時(shí)間一般定為12-15ns，現(xiàn)在5ns。PET機(jī)構(gòu)成由探測(cè)器、掃描床、計(jì)算機(jī)及其他輔助部分組成。探測(cè)器由晶體、光電倍增管、前端電子學(xué)線路及射線屏蔽裝置組成。單個(gè)晶體與光電倍增管構(gòu)成探測(cè)器；閃爍晶體是探測(cè)器質(zhì)量的關(guān)鍵；光電倍增管的性能直接影響探測(cè)器

15、的可靠性和穩(wěn)定性。臨床PET采用多晶體組合結(jié)構(gòu)。用較少的探測(cè)器得到較多的環(huán)數(shù)、較大的軸向視野和較高的空間分辨率。常用結(jié)構(gòu)組態(tài)為4x36組合，四個(gè)光電倍增管與一個(gè)大晶體塊組合，大晶體塊以一定深度的窄縫進(jìn)行6x6矩陣切割，切割后的36塊小晶體便于對(duì)閃爍事件的精確定位。NaI晶體能量分辨率較高，價(jià)格便宜。BGO晶體密度大，探測(cè)效率高、穩(wěn)定性好。LSO、GSO等晶體密度大、衰減常數(shù)小、光產(chǎn)額高。2D方式：在有電子準(zhǔn)直狀態(tài)下采集3D方式：在撤除準(zhǔn)直的狀態(tài)下采集3D方式信息量較2D方式高90%，信息量大,分辨率高,噪聲多.消除消除來(lái)自視野來(lái)自視野內(nèi)、內(nèi)、外的外的散射以散射以獲得高獲得高質(zhì)量圖像質(zhì)量圖像總計(jì)數(shù)高，但由于總計(jì)數(shù)高，但由于散射和隨機(jī)計(jì)數(shù)也散射和隨機(jī)計(jì)數(shù)也明顯增加，影響圖明顯增加，影響圖像質(zhì)量像質(zhì)量3D 采集方式采集方式2D 采集方式采集方式常規(guī)注射計(jì)量常規(guī)注射計(jì)量90kg病人成像病人成像 由于散射和隨機(jī)計(jì)由于散射和隨機(jī)計(jì)數(shù)率高，數(shù)率高，圖像較模圖像較模糊糊 圖像