CT成像原理與設備

1、精選優(yōu)質(zhì)文檔-傾情為你奉上CT成像原理與設備-CT成像基礎 (一)CT的成像原理與方式nhg影像園XCTMR.comCT與常規(guī)X線攝影一樣，它的成像也是利用了X線的原理。X線穿過人體各組織后會發(fā)生衰減，主要是因為能量被吸收(同時也有散射的緣故)。不同的組織會有不同衰減系數(shù)，也就是說不同的組織會有不同的X線衰減程度，而所有的應用X線的成像技術和模式都是以此為基礎的。目前所應用的投影方式X線成像技術可分為兩類，模擬成像和數(shù)字成像，CT則是應用數(shù)字成像的典型。nhg影像園XCTMR.com1數(shù)字成像所謂數(shù)字成像實際上就是將模擬信號數(shù)字化，也就是把連續(xù)變化的模擬曲線變化給予相應的具體值，形成

2、離散而非連續(xù)的數(shù)字值。這些數(shù)字以行和列的排列形式組成數(shù)字矩陣，然后將數(shù)字矩陣轉(zhuǎn)化為可視圖像的像素矩陣，每個像素根據(jù)數(shù)字矩陣中相應的數(shù)字以不同的亮度(即灰階)表現(xiàn)出來。nhg影像園XCTMR.com在X線數(shù)字成像中，一種是模擬圖像數(shù)字化；另一種是將獲得信息由模擬量直接轉(zhuǎn)換成數(shù)字(模數(shù)轉(zhuǎn)換)量，然后成像，如CR和DR。CT和這些數(shù)字成像又有所不同，并非直接測量而是經(jīng)過不同方式的計算方法使每個像素數(shù)字化，是個間接過程。nhg影像園XCTMR.com與模擬成像相比，數(shù)字成像的優(yōu)勢很多，可以進行高保真的存儲(磁帶及光盤)和傳輸(電纜、電話及衛(wèi)星)，并且隨時可以高保真的調(diào)閱，這是膠片存儲所不及的?？梢赃M行

3、圖像后處理(改變對比度、灰階和圖像大小，計算距離、面(體)積、測量像素或感興趣區(qū)的密度值以及二維三維甚至四維的圖像重建)；軟組織對比度分辨力(密度分辨力)也明顯高于模擬成像，它的不足之處是空間分辨力較模擬圖像低得多，目前最多為1024x 1024矩陣。nhg影像園XCTMR.com2CT掃描模式nhg影像園XCTMR.com(1)斷層掃描CT的X線球管發(fā)出的X射線與常規(guī)x線攝影的不同，在準直器的作用下，X射線呈有一定厚度的筆形或扇形束穿過相同厚度的人體斷層，到達對面替代常規(guī)X線攝影中膠片感光顆粒和熒光屏作用的檢測器(detector)，檢測器的作用是將穿過人體不同組織后衰減的X線的強度轉(zhuǎn)換成不

4、同電流強度的電信號通過輸送電纜送人計算機。這個X線束用不同的運動方式(直線或旋轉(zhuǎn))以脈沖形式依次從不同投射角度穿過人體的同一斷層，檢測器將所得數(shù)據(jù)依次送人計算機，由計算機計算出這一斷層矩陣中每一個像素的密度值(CT值)組成數(shù)字矩陣再以灰階形式顯示在監(jiān)視器上。一個斷層掃描完畢，掃描床移動使另一個斷層對準x線束再進行掃描。螺旋掃描出現(xiàn)之前所有的CT機器都是這一種掃描方式，螺旋掃描問世后將這種斷層掃描方式稱為常規(guī)CT掃描以與螺旋掃描相區(qū)分。nhg影像園XCTMR.com 斷層掃描主要有以下三種運算方法：反投影法(back projection)，亦稱綜合法(summation method

5、)；迭代法(interactive methods)，包括代數(shù)重建法(algebraic reconstruction)、逐線校正法(ray -by -ray correction)、逐點校正法(point- by -point correction)；解析法(analytic methods)，包括二維傅立葉轉(zhuǎn)換法(two-dimensional Fourier analysis)、濾波反投影法(filtered back-projection)和褶積反投影法(convoluted back-projection )。在上述三種重建方法中，由于運算量較小、圖像質(zhì)量較高，解析法的使用最多。nh

6、g影像園XCTMR.com(2)螺旋掃描：滑環(huán)技術是上世紀70年代末開始采用的新技術。滑環(huán)時代之前，含有X線球管的旋轉(zhuǎn)部分與靜止部分之間的饋電和信號傳輸是靠電纜來完成的，電纜的有限長度限制了球管的旋轉(zhuǎn)運動，使球管的運動只能是雙向往返式，無法向一個方向進行連續(xù)掃描。所謂滑環(huán)裝置，就是用類似發(fā)電機上碳刷作為旋轉(zhuǎn)部分，帶有凹槽的滑環(huán)作為固定部分，代替電纜來進行固定部分與旋轉(zhuǎn)部分之間的饋電和信號傳輸。省卻了電纜，使球管可以向一個方向連續(xù)旋轉(zhuǎn)。nhg影像園XCTMR.com螺旋掃描是在滑環(huán)技術應用的基礎上發(fā)展起來的一項新的掃描方式。掃描過程中，X線球管圍繞機架連續(xù)旋轉(zhuǎn)曝光，曝光的同時檢查床同步勻速移動，

7、探測器同時采集數(shù)據(jù)，由于掃描軌跡呈螺旋線，故稱螺旋掃描。螺旋掃描的特點是將傳統(tǒng)常規(guī)CT的二維采集數(shù)據(jù)發(fā)展為三維采樣。這種采樣完全不同于常規(guī)CT的采樣，常規(guī)CT中采樣時患者(檢查床)靜止不動，因而是一次二維采樣。采樣完成后檢查床運動一段距離，再進行另一層面的二維采樣。兩次采樣之間存在間隔。螺旋掃描則不同，球管連續(xù)旋轉(zhuǎn)曝光的同時，檢查床也在勻速運動，直至掃描完預定范圍，由于掃描的軌跡呈螺旋狀，所以稱之為螺旋掃描。螺旋掃描是整個掃描區(qū)域連續(xù)不問斷的三維采樣，又稱為容積或體積采樣，然后自三維數(shù)據(jù)中再重建出二維斷層圖像。所以螺旋掃描又稱體積或容積掃描(volume scanning)，這種采樣為數(shù)據(jù)的后

8、處理帶來了更大的靈活性。由于螺旋掃描的軌跡呈螺旋狀，與常規(guī)CT的掃描方式不同，掃描一周的起點與終點不在同一點上，這樣在圖像重建時采用的方法亦不同，它采用的是內(nèi)插法，又稱差補法(interpolation)。nhg影像園XCTMR.com螺旋掃描與常規(guī)斷層掃描相比，有兩大優(yōu)勢。第一是“快”，即掃描速度快。例如常規(guī)斷層掃描一個掃描周期大約10秒，如果掃描范圍為100mm，層厚為lOmm，全部掃描時間需要100秒。如果用螺旋掃描，旋轉(zhuǎn)一周為1秒，螺距為1，層厚和掃描范圍不變，僅僅需要10秒，快了10倍。因此螺旋掃描可以大大縮短患者的檢查時間，患者免去長時間平臥在檢查床上的痛苦和長時間的待診帶來的煩惱

9、?！翱臁边€可以使整個掃描區(qū)域內(nèi)的動態(tài)增強掃描成為現(xiàn)實，而常規(guī)CT只能在一或幾層內(nèi)完成動態(tài)掃描，這就為許多病變的診斷與鑒別診斷帶來更多更有意義的信息?！翱臁边€能在允許的掃描時間內(nèi)覆蓋更長的范圍，例如可以一次屏息完成肝、胰腺甚至腎臟的掃描。螺旋掃描的第二個優(yōu)勢是“容積數(shù)據(jù)”，由于孔徑的限制，CT掃描只能獲得人體的橫斷層圖像，前后左右的關系十分明了。但是上下關系的顯示始終是CT的缺陷。“容積數(shù)據(jù)”可以在工作站上進行圖像后處理，重組成高質(zhì)量的冠狀、矢狀、斜位甚至曲面圖像，彌補了只能橫斷掃描的缺陷。還可以進行三維圖像的重建，使我們能夠立體地觀察病變。常規(guī)CT在胸腹部掃描中常常遇到一個難題，即患者無法做到

10、每次屏息的呼吸幅度完全一致，雖然掃描床的移動非常精確，實際獲得的每兩層面之間縱軸方向的連續(xù)性很差，對于較小的病灶很容易在兩次掃描之間漏掉。這是實際應用中非常令人頭痛的事?！叭莘e采樣”是在一次屏息中獲得的連續(xù)數(shù)據(jù)，不會再產(chǎn)生上述問題。(二)CT設備nhg影像園XCTMR.com1.掃描部分nhg影像園XCTMR.com(1)高壓發(fā)生器：它的作用是為X球管產(chǎn)生X線提供穩(wěn)定的直流高壓，CT、球管大約需要120140kV的直流高壓。隨著各種技術的發(fā)展，高壓發(fā)生器的性能越加穩(wěn)定，體積亦越來越小。早些時候的常規(guī)X-CT、及高壓滑環(huán)CT的高壓發(fā)生器位于掃描架(gantry)之外，對其體積的要求不是很高。而具

11、備螺旋掃描功能的低壓滑環(huán)CT則需配備放置在掃描架之內(nèi)的小巧的高頻高壓發(fā)生器。nhg影像園XCTMR.com(2)X線球管：作用是發(fā)射X線。nhg影像園XCTMR.com(3)準直器：準直器是位于球管前方，通過可調(diào)節(jié)窗口決定X線寬度的裝置，使X線呈有一定厚度的扇形束狀，調(diào)節(jié)窗口的寬度可變換X線束的厚度，決定掃描的層厚。nhg影像園XCTMR.com(4)探測器：它的作用是接收衰減后的X線并將其轉(zhuǎn)化成為電信號。新代的固體探測器已有開發(fā)，如稀土陶瓷探測器轉(zhuǎn)換率高達9999，余輝也非常短，適合高速掃描的要求。nhg影像園XCTMR.com(5)掃描架和掃描床：掃描架內(nèi)裝沿軌跡運動的X線球管，球管對面是

12、成排的探測器(或與球管同時運動，或固定在掃描架上)，二者之間是掃描孔，球管(或與探測器一起)圍繞掃描孔旋轉(zhuǎn)并發(fā)射X線，對位于掃描孔內(nèi)的被掃描物體進行掃描。常規(guī)CT及高壓滑環(huán)CT、掃描架內(nèi)不裝備高壓發(fā)生器，而低壓滑環(huán)CT則要將小巧的高壓發(fā)生器安裝在掃描架內(nèi)的旋轉(zhuǎn)部分。掃描床上載被掃描物體，可作垂直和平行兩相運動，掃描時調(diào)整好高度，并將被掃描物體送人掃描孔，到達預定掃描位置。斷層掃描時，掃描床固定不動，掃描間隙移動到下一層掃描位置。螺旋掃描時，掃描床勻速前進或后退。掃描床的要求一是移動精度，目前最先進掃描床的移動精度可達0.5mm。另一要求是舒適程度。nhg影像園XCTMR.com2計算機部分&#

13、160; CT機具有兩個計算機系統(tǒng)，一是主計算機系統(tǒng)，一是陣列處理器。計算機部分是CT的“心臟”，承擔著如下任務：掃描程序的控制；信號的接收和處理；圖像的重建以及圖像的后處理。硬件的配置要求盡量快的計算速度和盡量大的容量，以用最快的速度計算出高質(zhì)量的圖像。nhg影像園XCTMR.com3圖像顯示及存儲部分nhg影像園XCTMR.com(1)顯示器：用于CT圖像的顯示，目前已采用高分辨力的大屏幕彩色監(jiān)視器，以適應高分辨力圖像，很多新的CT已經(jīng)采用高質(zhì)量的液晶顯示屏幕，使得監(jiān)視器變得更薄、更輕便。nhg影像園XCTMR.com(2)存儲器：重建圖像的暫時存儲一直是硬盤存儲，有利于隨時調(diào)閱及圖像后處

14、理?，F(xiàn)在多用磁光盤或小型磁帶作為永久存儲。nhg影像園XCTMR.com(三)操作控制部分nhg影像園XCTMR.com1在控制臺上可以進行掃描范圍的確定，各種掃描條件(層厚、間隔、kV、MAS及視野)和掃描方式(常規(guī)或螺旋)的選擇。nhg影像園XCTMR.com2圖像后處理，包括圖像的調(diào)閱及圖像的后處理，如各種二維及三維重建，各種血管成像以及CT值和距離、面積的測定，窗寬窗位的調(diào)節(jié)等?？梢詫D像轉(zhuǎn)輸?shù)姜毩⒐ぷ髡救ヌ幚恚毩⒐ぷ髡揪哂辛硪慌_圖像處理計算機，可以獨立進行各種圖像后處理，不再會影響掃描。nhg影像園XCTMR.com3照相系統(tǒng)(四)多層螺旋CTnhg影像園XCTMR.com1原理與

15、構造特點nhg影像園XCTMR.com(1)縱軸多排探測器：單層螺旋CT的Z軸方向只有一排探測器，多層螺旋CT改變?yōu)榫哂卸?264)組排探測器陣列，不同廠家的探測器排數(shù)和構造不同。nhg影像園XCTMR.com(2)錐形X線束：單層螺旋通過準直器后的x線束為薄扇形，因為對面z軸方向只有一排探貝4器接收信號，所以，x線束的寬度等于層厚。多層螺旋由于對面z軸方向是具有多個通道的多排探測器，X線束的寬度等于多(264)個層厚之和，改變?yōu)殄F形X線束，最厚可達40mm。提高了X線利用率。nhg影像園XCTMR.com(3)多個數(shù)據(jù)采集通道：單層螺旋僅有一組通道采集數(shù)據(jù)，目前的多層螺旋則根據(jù)層厚的不同把多

16、排探測器組合成不同的若干組，目前最多可以達到64組輸出通道。64組通道在掃描過程中，同時分別對各自連接的探測器接收的X線所產(chǎn)生的電信號進行采集、輸出。nhg影像園XCTMR.com(4)球管旋轉(zhuǎn)一周可以獲得多幅圖像：單層螺旋一個旋轉(zhuǎn)周期只能獲得一幅圖像，目前的多層螺旋一個采樣周期可獲得264幅圖像。nhg影像園XCTMR.com2多層螺旋CT的優(yōu)勢nhg影像園XCTMR.com(1)降低球管消耗：常規(guī)和單層螺旋C'I、球管旋轉(zhuǎn)一周僅能獲得一幅圖像。多層螺旋CT球管發(fā)射同等量的x射線，可以獲得264層圖像，使得x線的利用率提高到單層掃描的264倍。nhg影像園XCTMR.com(2)覆蓋

17、范圍更長：由于探測器側(cè)具有464個數(shù)據(jù)采集通道，使用同樣的層厚、同樣的掃描時間，使在一次屏息內(nèi)完成更長范圍的掃描成為可能。目前64層螺旋可在20秒左右，以亞毫米的薄層，完成自胸廓上口到恥骨聯(lián)合整個軀干的掃描。nhg影像園XCTMR.com(3)檢查時間更短：多層螺旋則使掃描時間又進一步縮短。在保持原來的層厚，覆蓋原來一樣的長度，相當于同樣螺距的條件下，掃描時間明顯縮短。64層CT可以在10秒以內(nèi)完成亞毫米層厚的肝臟掃描。64排CT可以在5秒內(nèi)完成0625毫米層厚的心臟掃描。nhg影像園XCTMR.com(4)掃描層厚更薄：由于具有464個數(shù)據(jù)采集通道，可以在一次屏息掃描中，同樣的掃描時間，保持

18、原來覆蓋長度的條件下，采用更薄的層厚完成檢查，大大提高了Z軸方向的空間分辨力。nhg影像園XCTMR.com(5)圖像后處理功能更強：多層CT多采用更薄的層厚進行檢查，增加了Z軸方向的空間分辨力，可以達到各向同性掃描。使我們在掃描后的圖像后處理工作中獲得空間分辨力明顯提高的各種重組或重建圖像。nhg影像園XCTMR.com(五)電子束CT(electronic beam CT，EBCT)nhg影像園XCTMR.com1原理與構造特點 又稱超高速CT(ultrafast CT，UFCT)。它的結(jié)構與常規(guī)(第三、四代)CT有很大不同。X線的產(chǎn)生做了重大改革，不是用普通的旋轉(zhuǎn)陽極球管，而是采用先進的電子束技術，從陰極的電子槍發(fā)出電子束并加速形成高能電子束通過磁