醫(yī)用CT機的質(zhì)量控制與計量檢定

醫(yī)用CT機的質(zhì)量控制與計量檢定yixuejiliang@126.com夏勛榮主要內(nèi)容：

1、與CT相關(guān)的概念

2、CT機的結(jié)構(gòu)及成像原理

3、CT機的主要性能指標

4、CT機質(zhì)量檢測的設(shè)備

5、CT機各項指標的檢定意義CT的含義CT是ComputedTomography的縮寫。“computed”意為計算機技術(shù)；“tomos”的含義是“斷層”，意為人體中的單一層面；后綴“graphy”，意為成像技術(shù)，例如“radiography”-放射成像技術(shù)。普通X線成像技術(shù)中，人體組織和結(jié)構(gòu)被重疊在一起，而CT成像技術(shù)中得到的是人體某一層面的影像。CT成像與普通X線成像的區(qū)別1.1895年倫琴發(fā)現(xiàn)X線；2.1917年，奧地利數(shù)學(xué)家J.Radon證明了CT成像的數(shù)學(xué)原理，即投影重建圖像數(shù)學(xué)理論；3.1963年，美國科學(xué)家Cormack從人體掃描試驗中研究出了重建圖像的數(shù)學(xué)方法；4.1971年9月，英國的Hounsfield研制成功了第一臺CT，并應(yīng)用于臨床診斷；5.1979年Hounsfield和美國的Cormack獲得了醫(yī)學(xué)生理學(xué)獎；6.1998年11月在北美放射學(xué)會年會上有4家公司分別展出了多排螺旋CT機。CT成像技術(shù)的發(fā)展歷史CT機的發(fā)展歷史體素與像素CT機的結(jié)構(gòu)及成像原理1mm10mm由于被掃描人體的組成是不均勻的，在實際應(yīng)用中將人體斷層分成很多小塊，這種被分成許多密度均勻的小立方體，稱之為“體素”。體素是產(chǎn)生CT圖像的基本單元，體素越小圖像越清晰。體素的大小由下式?jīng)Q定：體素=FOV×層厚/矩陣所以CT力爭較多的原始數(shù)據(jù)，而原始數(shù)據(jù)又與采集點數(shù)和探測器的數(shù)目有關(guān)。體素與像素像素是顯示圖像的基本單元，它與體素有關(guān)，但又是兩回事。像素大小與圖像處理系統(tǒng)的存儲矩陣有關(guān)，與監(jiān)視器顯示圖像部分的尺寸有關(guān)。像素=FOV/矩陣體素和像素采用同一坐標系，像素值（像素的CT值）代表對應(yīng)體素的平均吸收特性并在圖像上顯示出來。體素與像素CT值的概念CT值代表X線穿過人體組織被吸收后的衰減值。為了定量衡量組織對于X光的吸收率，Hounsfield定義了一個新的標度“CT值”。為了表示對他的敬意，后人將CT值的單位定位“H”。CT值的計算：某物質(zhì)的CT值等于該物質(zhì)的衰減系數(shù)與水的衰減系數(shù)之差，再與水的衰減系數(shù)之比后乘以1000。CT值的概念某物質(zhì)CT值=1000×（μ-μ水）/μ水,其單位名稱為HU（HounsfieldUnit）。CT值不是一個絕對值,而是一個相對值。不同組織的CT值各異,各自在一定范圍內(nèi)波動。骨骼的CT值最高,為1000HU；軟組織的CT值為20～70HU；水的CT值為0（±10）HU；脂肪的CT值為-50～

-100以下；空氣的CT值為-1000HU。窗寬窗位的概念窗寬是CT圖像上顯示的CT值范圍。在此CT值范圍內(nèi)的組織和病變均以不同的模擬灰度顯示。而CT值高于此范圍的組織和病變，無論高出程度有多少，均以白影顯示，不再有灰度差異；反之，低于此范圍的組織結(jié)構(gòu)，不論低的程度有多少，均以黑影顯示，也無灰度差別。

窗位是窗的中心位置，同樣的窗寬，由于窗位不同，其所包括CT值范圍的CT值也有差異。例如窗寬同為100H，當窗位為0HU時，其CT值范圍為-50～+50H；如窗位為+35H時，則CT值范圍為-15～+85HU。通常，欲觀察某組織結(jié)構(gòu)及發(fā)生的病變，應(yīng)以該組織的CT值為窗位。例如腦質(zhì)CT值約為+35H,則觀察腦組織及其病變時，選擇窗位以+35H為妥。

窗寬窗位的概念CT成像的物理原理圖CT機的結(jié)構(gòu)及成像原理CT成像的基本原理CT機的結(jié)構(gòu)及成像原理CT成像的數(shù)學(xué)原理圖μ1=4μ2=3μ3=2μ4=1

CT每掃描一次，即可得到一個關(guān)于衰減系數(shù)的方程，經(jīng)過若干次掃描，即得到一聯(lián)立方程。經(jīng)過計算機運算（傅立葉轉(zhuǎn)換、反投影法等）可以解出這一聯(lián)立方程，從而求出每個體素的X線吸收系數(shù)(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。CT機的結(jié)構(gòu)及成像原理模數(shù)轉(zhuǎn)換器高壓發(fā)生器X線球管人體模型探測器群操作控制臺相機電子計算機存儲器顯示器

CT影像設(shè)備的基本結(jié)構(gòu)與工作原理流程CT機的結(jié)構(gòu)及成像原理第一代單束平移-旋轉(zhuǎn)方式視頻7.20第二代窄扇束平移-旋轉(zhuǎn)方式第三代寬扇束旋轉(zhuǎn)-旋轉(zhuǎn)方式第四代寬扇束靜止-旋轉(zhuǎn)方式螺旋CT第五代泛指各種先進的掃描方式雙源CTConebeamCTCT常規(guī)X線數(shù)字化圖像化模擬圖像圖像重建，三維斷層重建幾何聚焦，二維X光片密度分辨好（0.5%）密度分辨差空間分辨一般（4～15）Lp/cm空間分辨好（12～35）Lp/cm成像劑量較高成像劑量低CT與常規(guī)X線比較（1）掃描系統(tǒng)（X線管、探測器和掃描架）;（2）計算機系統(tǒng)（數(shù)據(jù)儲存、運算等）;（3）圖像顯示和存儲、照相系統(tǒng)。

CT影像設(shè)備的組成與功能CT機的結(jié)構(gòu)及成像原理（1）掃描系統(tǒng)（X線管、探測器和掃描架）:

掃描機架（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)的掃描機架與掃描床掃描機架內(nèi)部結(jié)構(gòu)CT機的結(jié)構(gòu)及成像原理CT機的結(jié)構(gòu)及成像原理探測器滑環(huán)高壓部分（1）掃描系統(tǒng)（X線管、探測器和掃描架）:

X線球管是CT影像設(shè)備的心臟部分，由陰極、陽極和真空玻璃或金屬管組成，其類型可分為固定陽極和旋轉(zhuǎn)陽極兩種。固定陽極X線球管主要應(yīng)用于單束和多束形的掃描機中，其焦點是矩形的，主要用于第1、2代CT機中；旋轉(zhuǎn)陽極X線球管主要用在扇束旋轉(zhuǎn)掃描機中，故在第3、4代CT機中多采用此種X線球管；CT機的結(jié)構(gòu)及成像原理

目前，CT多采用2個焦點交替工作，大大延長了X線球管的壽命，其曝光次數(shù)由原來的2萬次達到25～50萬次以上。

2003年末Siemens公司推出零兆陽極熱容量的概念，代表球管為Straton電子束控金屬球管，以0.37秒速度進行機架旋轉(zhuǎn)的球管,可以實現(xiàn)亞毫米滿負荷掃描。Straton電子束控金屬球管外形

CT機的結(jié)構(gòu)及成像原理（1）掃描系統(tǒng)（X線管、探測器和掃描架）:

CT的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)（DAS）作用是測量X射線束，并將這些數(shù)據(jù)編碼成二進制數(shù)據(jù)，送往計算機進行運算。探測器（detector）是DAS系統(tǒng)中重要的部件，主要功能：①接受透過病人檢查部位的X射線；②將接收到的X線轉(zhuǎn)換成模擬形式的電子信號；③將模擬信號放大；④將模擬信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號（通過A/D轉(zhuǎn)換器）。CT機的結(jié)構(gòu)及成像原理（1）掃描系統(tǒng)（X線管、探測器和掃描架）:

探測器是位于X線球管和計算機系統(tǒng)之間重要的數(shù)據(jù)檢測部件。一般來說，探測器的數(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)的縮短掃描時間和提高圖像的質(zhì)量。比如GE公司LightSpeed16排MSCT的探測器系統(tǒng)共有24排矩陣式探測器組合，每排有912個稀土陶瓷探測器，共有21，888個探測器。（1）掃描系統(tǒng)（X線管、探測器和掃描架）:CT機的結(jié)構(gòu)及成像原理（2）計算機系統(tǒng):

CT和MRI等臨床大型醫(yī)療設(shè)備均使用的是小型計算機。CT的計算機系統(tǒng)包括主計算機和陣列計算機兩部分。主計算機控制CT整個系統(tǒng)的正常工作，其主要的功能有：①掃描監(jiān)控，并將CT掃描得到的數(shù)據(jù)進行存儲；②CT值的校正；③圖像的重建控制；④CT機自身故障的診斷與分析。陣列處理器（ArrayProcessor,AP）：本身不能獨立工作，它與主計算機相連，在其控制下進行高速的數(shù)據(jù)運算以完成CT掃描的龐大數(shù)據(jù)量的處理與運算。CT機的結(jié)構(gòu)及成像原理

（3）圖像顯示與存儲：

CT圖像的顯示：由操作臺上的CRT等顯示屏顯示，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、外部存儲器等構(gòu)成。CT圖像的外部存儲器包括磁帶、合式磁帶、光盤、磁光盤、軟盤以及各種照相機等。CT機的結(jié)構(gòu)及成像原理CT機的性能指標JJG961-2001醫(yī)用診斷計算機斷層攝影裝置（CT）X射線輻射源JJG1026-2007醫(yī)用診斷螺旋計算機斷層攝影裝置（CT）X射線輻射源CT機的性能指標CT機的性能指標檢定項目技術(shù)指標管電壓在（80～145）kV范圍內(nèi)，誤差不超過±5%管電流在（50～2000）mA范圍內(nèi)，誤差不超過±10%輸出的輻射值電壓/kV80100120140半值層/mmAl2.43.03.84.2劑量指數(shù)頭部劑量模體，中心和邊緣均不超過50mGy均勻性水模中心區(qū)域CT值與邊緣各點CT值的偏差不超過4HU噪聲水平噪聲水平應(yīng)不大于0.35%CT值一般不超過±10%(后面詳細數(shù)據(jù))層厚標稱層厚在（3～10）mm范圍內(nèi)，誤差的絕對值小于1mm空間分辨力頭部：4Lp/cm；腹部：3Lp/cm。低對比分辨力1.0%的對比度，應(yīng)能分辨直徑為3.5mm的一組圓孔普通CT的性能指標螺旋CT性能指標劑量指數(shù)：頭部的加權(quán)CT劑量指數(shù)不超過60mGy，腹部不超過35mGy均勻性：新安裝4HU；使用中5HU圖像之間的一致性：不同層面之間不超過6HUCT值：空氣（-1000±30）HU；水（0±4）HU空間分辨力：5.0Lp/cm（FOV小于20cm的放大掃描7.5Lp/cm）低對比分辨力：1.0%的對比度，應(yīng)能分辨直徑為3.0mm的一組圓孔；0.3%的對比度，應(yīng)能分辨直徑為6.0mm的一組圓孔CT機的性能指標電壓表CT機質(zhì)量檢測的標準器電流表CT機質(zhì)量檢測的標準器劑量儀長桿電離室及劑量模體CATPHANCT機質(zhì)量檢測的標準器國產(chǎn)TM164模體Victoreen1，管電壓的檢測（1）將電壓表的探測器置于X射線照射野中心，射線束與探測器截面垂直。（2）選常用的電壓值至少重復(fù)測量3次，取其平均值，用相對偏差表示電壓的準確度。CT機的質(zhì)量檢測2，管電流的檢測（1）將電流表的鉗型探測器夾在CT機靠近X射線管陽極電纜上。（2）選常用的電流值至少重復(fù)測量3次，取其平均值，用相對偏差表示電流的準確度。CT機的質(zhì)量檢測3，輻射值的檢測（1）將CT電離室的中心部分置于X射線照射野中心。X射線管置于非旋轉(zhuǎn)狀態(tài)，吸收片放在X射線管焦點和電離室之間，其間距大于20cm并與電離室平行。（2）測量未加吸收片和通過不同厚度的吸收片時空氣比釋動能率。（3）用作圖法或計算法求出空氣比釋動能率降到初始值(無吸收片)一半時的吸收片厚度，即為輸出的輻射質(zhì)。CT機的質(zhì)量檢測1），基本方法2），簡便方法用BARRACUDA直接測量4，劑量指數(shù)的檢測CT掃描要比普通X射線檢查帶給患者更大的輻射劑量，它在臨床上的廣泛應(yīng)用增加了群體中輻射誘發(fā)癌癥的發(fā)生幾率。因此，當多層螺旋CT等各種新設(shè)備的出現(xiàn)更加方便和有利于臨床診斷時，必須充分正視合理控制CT檢查所致受檢者的輻射劑量問題，這是當前社會各界關(guān)注的一個重點課題。在CT劑量學(xué)研究領(lǐng)域，目前應(yīng)用最廣泛的描述是CT劑量指數(shù)，劑量指數(shù)常用下面三個概念來表征：CTDI100、加權(quán)CTDIW、容積CTDIvol。CT機的質(zhì)量檢測CTDI100CT機的質(zhì)量檢測加權(quán)CTDIWCT機的質(zhì)量檢測容積CTDIvolCT機的質(zhì)量檢測4，劑量指數(shù)的檢測

將頭部和腹部劑量模體分別置于射線照射野中心，將長桿電離室依次放置模體中通孔里，其余圓孔插人圓棒，用CT機頭部和腹部條件掃描劑量模體，掃描區(qū)域內(nèi)不應(yīng)有影響射線束的物質(zhì)。CT機的質(zhì)量檢測4，劑量指數(shù)的檢測CT機的質(zhì)量檢測影像性能的檢測定位片CT機的質(zhì)量檢測模體的擺位5，均勻性的檢測均勻性的定義：

掃描野中均質(zhì)體各局部在CT圖像上顯示出來的CT值的一致性。偏離程度越大，均勻度越差；越小越好，最好為0檢測方法（1）用CT機頭部條件掃描水模體，所掃描區(qū)周圍不應(yīng)有影響射線束的物質(zhì)。（2）在圖像里選取5個測量區(qū)，分別在圖像的中心和上下左右距圖像邊緣10mm處取面積約為100mm2的區(qū)域，測量其CT值及標準偏差。（3）以中心感興趣區(qū)域平均CT值與邊緣各點的平均CT值之間的差別來表示均勻性。CT機的質(zhì)量檢測均勻性圖像CT機的質(zhì)量檢測環(huán)狀偽影X射線的硬化

X射線的光子能量不一，具有一定的頻譜寬度，隨著球管的老化，光子的頻譜變寬。我們在