醫(yī)學(xué)影像設(shè)備學(xué)-CT設(shè)備

1、第十二章 CT設(shè)備,第一節(jié) 概述 一、發(fā)展簡史,1895年,德國物理學(xué)家倫琴(W.C.Rontgen);發(fā)現(xiàn)X射線,為射線CT奠定了基礎(chǔ)。 1917年,奧地利數(shù)學(xué)家雷登(Radon):從數(shù)學(xué)上證明,利用物體在各個(gè)方面的投影數(shù)據(jù),可以重建出物體的二維斷面或三維圖像。 1945年,計(jì)算機(jī)的發(fā)明:為投影重建理論提供了物質(zhì)基礎(chǔ). 1963年,美國物理學(xué)家科馬克(Cormack)發(fā)表了一篇研究報(bào)告,詳細(xì)描述了用X射線投影數(shù)據(jù)重建圖像數(shù)學(xué)方法。 1971年,英國工程師亨斯費(fèi)爾德(Hounsfield):在EMI公司研制成功世界上的第一臺頭顱CT。 1974年,美國工程師萊德利(Ledley):研制成功世界

2、上的第一臺全身CT。,1971年,英國工程師亨斯費(fèi)爾德(Hounsfield):,Hounsfield,Cormack,CT機(jī)的分代: 第一代CT機(jī):X線為單束,探測器數(shù)有單個(gè)或幾個(gè),運(yùn)動方式平移加旋轉(zhuǎn),掃描時(shí)間長數(shù)分鐘,頭部. 第二代CT機(jī):X線為多束,探測器數(shù)有數(shù)個(gè)或幾十個(gè),運(yùn)動方式平移加旋轉(zhuǎn),掃描時(shí)間數(shù)十秒,全身. 第三代CT機(jī):X線為扇形,探測器數(shù)有幾百個(gè)扇形排列,運(yùn)動方式旋轉(zhuǎn)+旋轉(zhuǎn),掃描時(shí)間長數(shù)秒鐘. 第四代CT機(jī):X線為扇形,探測器數(shù)有數(shù)百到幾千個(gè)呈圓周狀排列,提高了圖像質(zhì)量.運(yùn)動方式為旋轉(zhuǎn). 第五代CT機(jī):電子束CT超高速型CT機(jī)(UFCT).掃描無機(jī)械旋轉(zhuǎn)維護(hù)費(fèi)用高.,（一）第

3、一代CT（平移+旋轉(zhuǎn)掃描方式）,第一代CT由X線管和1-2個(gè)探測器（detector）組成。 X線束穿過和探測器同步直線平移運(yùn)動。 獲得透射數(shù)據(jù)后，X線管和探測器環(huán)繞中心旋轉(zhuǎn)1，做上次相反的直線掃描運(yùn)動。 獲得數(shù)據(jù)后，再旋轉(zhuǎn)1，重復(fù)上述過程直到180，采集到數(shù)據(jù)組成的平行投影值，即完成了數(shù)據(jù)的采集過程。,第一代CT（平移+旋轉(zhuǎn)掃描方式）,（二）第二代CT（平移+旋轉(zhuǎn)掃描方式）,第二代CT X線束改為扇形線束，由一只X線管和330個(gè)晶體探測器組成。 由呈扇形排列的多個(gè)探測器，每次平移后的旋轉(zhuǎn)角由1提高到扇面角度，掃描時(shí)間減至18s。為了提高圖像質(zhì)量采用240、360平移加旋轉(zhuǎn)掃描，比第一代CT各

4、項(xiàng)指標(biāo)有提高，已具備了做全身CT檢查的條件。 第二代CT主要缺點(diǎn)是：在掃描過程時(shí)間長，由于病人的生理運(yùn)動，易產(chǎn)生偽影。,第二代CT（平移+旋轉(zhuǎn)掃描方式）,（三）第三代CT（旋轉(zhuǎn)-旋轉(zhuǎn)掃描方式）,第三代CT的扇形角較寬（3045），探測器增加到3001000個(gè)逐個(gè)依次無空隙排列。 掃描時(shí)，X線管和探測器無直線平移運(yùn)動，僅做圍繞病人進(jìn)行連續(xù)旋轉(zhuǎn)運(yùn)動即可。掃描時(shí)間可更短。 優(yōu)點(diǎn)：結(jié)構(gòu)較簡單，使用操作方便，可獲得較理想的CT圖像。 缺點(diǎn)：需對相鄰探測器的靈敏度差異進(jìn)行校正，相鄰探測器的性能差異將產(chǎn)生同心環(huán)形偽影。,第三代CT（旋轉(zhuǎn)-旋轉(zhuǎn)掃描方式）,（四）第四代CT（旋轉(zhuǎn)-靜止掃描方式）,第四代CT具有

5、更多（6004800個(gè)，分布在360的圓周上）探測器。掃描時(shí)X線管做圍繞病人一周的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動，而探測器則固定不動。 扇形線束角度也較大，掃描速度可達(dá)15s。 其工作原理和第三代CT沒有本質(zhì)的區(qū)別，僅是第三代CT的一個(gè)變形。,第四代CT（旋轉(zhuǎn)-靜止掃描方式）,（五）第五代CT（靜止-靜止掃描方式）,第五代CT由一個(gè)電子束X線管、由864個(gè)固體探測器構(gòu)成216的陣列固定環(huán)內(nèi)和一個(gè)數(shù)據(jù)采樣、圖像處理、數(shù)據(jù)顯示的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)組成。 每個(gè)固體探測器作為一個(gè)數(shù)據(jù)采集單元。它由一個(gè)X線可見光轉(zhuǎn)換晶體、一個(gè)光電轉(zhuǎn)換硅二極管和一個(gè)前置放大器構(gòu)成。 第五代CT適用于心臟，查易動病人檢查，是一種新型的CT。其缺點(diǎn)是造價(jià)

6、昂貴。,電子束CT,第五代CT（靜止-靜止掃描方式）,電子束CT,雙源CT,各代CT比較,二、現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢,滑環(huán)技術(shù)（slipring） 螺旋掃描技術(shù)（helical scan） 多層面螺旋掃描技術(shù)：2層CT、4層CT、8層、16層、32層、64層CT 容積掃描（volume Scan） 平板探測器CT機(jī)：錐形CT掃描機(jī)（cone beam CT）。 排(層)的發(fā)展: 單排CT 雙排CT64排CT平板（錐形）CT,錐形CT機(jī)面臨的難點(diǎn)是：,克服錐形線束偽影（cone beam artifact）； 改進(jìn)圖像重建算法； 提高大量數(shù)據(jù)的處理速度； 提高平板探測器的性能； 克服機(jī)械結(jié)構(gòu)限制。,容積

7、掃描,錐形CTTHREE-DIMENSIONAL,第二節(jié) CT工作原理,X線CT掃描機(jī)能對人體進(jìn)行橫斷體層成像，將各種組織對X線的吸收系數(shù)以數(shù)字（CT值）表示出來。 X線CT掃描機(jī)與常規(guī)X線體層攝影的原理和成像方法也完全不同，它沒有縱向體層攝影時(shí)上下層模糊影像對目標(biāo)體層的影響，被檢查層各點(diǎn)CT值經(jīng)數(shù)學(xué)方法重建出來的圖像。,投影像,X線投影,一、線衰減系數(shù),將X線束穿過人體一橫斷層面則對面的探測器可獲得該層面的信息。借助于各組織對X線具有不同衰減系數(shù)的特征來實(shí)現(xiàn)還原為該層面的圖像。X線在人體被衰減的程度，按組織對X線的衰減系數(shù)和組織厚度D以指數(shù)函數(shù)關(guān)系發(fā)生變化其式為: 或 式中：I0入射X線強(qiáng)度

8、；I為穿過病人衰減后的強(qiáng)度；D為組織厚度，為線性衰減系數(shù)。,沿X線束穿過的人體各組織密度一般是非均一的。認(rèn)為是由大量各不相同的密度單元體所組成。單元體厚度為D，單元體被分割得越細(xì)小，其體內(nèi)密度越接近一致.,二、工作原理,需要從一個(gè)橫斷面的許多視角射入X線，以便測得大量“衰減系數(shù)之和”，即所謂數(shù)據(jù)采集過程，隨后建立n元一次方程組求解，即可得到各單元體的衰減系數(shù)。若一幅圖像有nm個(gè)像素，則需解nm個(gè)n元一次方程，方能求出一個(gè)層面各單元體的衰減系數(shù)。 數(shù)據(jù)采集的基本組成部分是X線管、濾過器、準(zhǔn)直器和探測器，,將計(jì)算出各單元體衰減系數(shù)的過程稱為圖像重建。一幅圖像至少由幾十萬至上百萬個(gè)單元體（像素）組成

9、。,不同組織的衰減系數(shù)之和可能相等的示意圖,CT信號檢測原理,投影圖像重建,各組織的CT值,數(shù)據(jù)采集的組成:是X線管、濾過器、準(zhǔn)直器和探測器。為了從不同視角獲取數(shù)據(jù)，需要一個(gè)掃描機(jī)架。X線管、探測器環(huán)繞患者作360旋轉(zhuǎn)，以獲取大量原始數(shù)據(jù)。,Housfield unit (HU) :,WW decides what we see Kv ;mA;保用次數(shù) 熱容量: 0.5MHU 0.75MHU 1.5MHU 2MHU 3MHU 5MHU 5.5MHU 6MHU ,X線管組件接線圖,二、探測器,探測器是一種將射線能量轉(zhuǎn)換電信號的裝置。,（一）探測器性能,1效率 是指它從線束吸收能量的百分?jǐn)?shù)。幾何效

10、率;吸收效率;總檢測效率 。 2穩(wěn)定性 是指從一瞬間到另一瞬間探測器的一致性和還原性，探測器需經(jīng)常進(jìn)行校準(zhǔn)以保證其穩(wěn)定性。 3響應(yīng)性 是指探測器接收、記錄和拋棄一個(gè)信號所需的時(shí)間。 4準(zhǔn)確性 人體軟組織及病理變化所致衰減系數(shù)小的變化。,（二）探測器類型,固體探測器： 是一種收集熒光的探測器，稱閃爍探測器。 氣體探測器： 是收集氣體電離電荷的探測器。,1固體(閃爍)探測器,閃爍探測器是利用射線能使某些物質(zhì)閃爍發(fā)光的特性來探測射線的裝置。,Solid State Detector,Solid State Detector (SSD),Internal Collimator,External Col

11、limator Plate,Scintillator,Photo diode,x-ray,Light,Collimator: Molybdenum 0.1mm thickness 1.028 pitch eliminate scatter Scintillator: material is secret converts x-ray to visible light too much x-ray can change the sensitivity Photo diode: converts visible light to an electrical signal,to DDC,i,Soli

12、d State Detector,部分閃爍晶體性能表,2氣體探測器,氣體探測器是利用氣體（一般采用化學(xué)性能穩(wěn)定的惰性氣體）電離的原理，入射的X線使氣體產(chǎn)生電離，通過測量電流的大小來測得入射X線的強(qiáng)度。,探測器,固體探測器 Picker公司分布式處理方式; 西門子公流水線處理方式。,（一）流水線處理方式,流水線處理方式（pipeline processing） 采用了生產(chǎn)上的流水線概念，把每條指令分為若干個(gè)順序的操作，每個(gè)操作分別由不同的處理器實(shí)施。這樣可以同時(shí)執(zhí)行若干條指令，對每個(gè)處理器來說，每條指令中的同類操作像流水線一樣被連續(xù)加工處理。這樣可以提高計(jì)算機(jī)工作速度和提高各個(gè)處理器的使用效率。

13、,流水線處理方式,（二）并行處理方式,并行處理方式（parallel processing） 是由三臺多任務(wù)計(jì)算機(jī)通過系統(tǒng)總線耦合成一系統(tǒng)，分別形成掃描處理器、顯示處理器和文件處理器。掃描處理器中采用二臺陣列處理器和一臺反投影處理器，使其重建速率為每秒6400萬次浮點(diǎn)運(yùn)算。顯示處理器中采用一臺獨(dú)立的陣列處理器用于整形、放大、窗位控制和圖像分析。,并行處理方式,（三）分布式處理方式,分布式處理方式（distributed processing） 由若干臺獨(dú)立的處理器構(gòu)成，各臺處理器可分別處理同一程序的各個(gè)子程序，也可按功能分別處理一道程序的各個(gè)階段。每臺處理器都有自己的局部存儲器，能獨(dú)立承擔(dān)分配

14、給它的任務(wù)。在統(tǒng)一操作系統(tǒng)控制下工作，相互間可以通信。系統(tǒng)具有動態(tài)分配任務(wù)的能力，能自動進(jìn)行任務(wù)調(diào)度和資源分配 。 其優(yōu)點(diǎn)是： 可靠性高；一臺處理器失效，對系統(tǒng)影響不大； 靈活性高，由于系統(tǒng)模塊化，便于擴(kuò)充、替換和更換部件； 經(jīng)濟(jì)性好，可以用價(jià)格便宜的微處理器。,并行處理方式,四、軟件 （一）基本功能軟件,1人機(jī)對話方式 2條件聯(lián)系方式 3返回處理方式,（二）專用功能軟件,1動態(tài)掃描（dynamic scan）軟件 2快速連續(xù)掃描（fast continue scan）軟件 3定位掃描（scanogram or scout）軟件 4目標(biāo)掃描（object scan）軟件 5平滑過濾（smoot

15、hingcuppingfiltering）軟件 6三維圖像重建（three dimension imaging reconstruction）。 7高分辨力CT（high resolution CT）軟件 8定量骨密度測定軟件 9氙氣增強(qiáng)CT掃描軟件,第六節(jié) 圖像顯示、記錄和存儲系統(tǒng),計(jì)算機(jī)和圖像重建系統(tǒng)提供的數(shù)字圖像: 可以顯示在監(jiān)視器上供醫(yī)生觀看; 可以直接存儲在磁性載體上供以后需要時(shí)調(diào)用;也可以永久性地記錄在膠片上。 CT上配置了圖像顯示、 記錄和存儲系統(tǒng)。,圖像的存儲,顯示和記錄,磁盤(硬盤) 光盤 磁帶或軟磁盤 顯示器 照相機(jī),一、圖像顯示系統(tǒng),CT機(jī)用的常是高分辨率黑白電視監(jiān)視器,

16、1024*1024矩陣,16灰階.,二、圖像存儲系統(tǒng)（儲存介質(zhì)）,三、圖像記錄系統(tǒng),（一）陰極射線管型多幅相機(jī) （二）激光型多幅照相機(jī),照相機(jī),種類 干式打印機(jī) 多幅照相機(jī) 激光打印機(jī),（一）陰極射線管型多幅相機(jī),X,Y,（二）激光型多幅照相機(jī),激光圖像形成原理圖,激光相機(jī)圖像的形成,從激光管放出的激光，調(diào)制器AOM(acoustic optical modulater)調(diào)制，隨著圖像數(shù)據(jù)變化。 通過AOM的激光束器調(diào)整成適合掃描的光束。 靠多面轉(zhuǎn)鏡的旋轉(zhuǎn)，激光形成水平的掃描。 圓柱透鏡校正,多棱鏡反射不同角度變成水平強(qiáng)度均勻的掃描。 經(jīng)過f透鏡的光，再經(jīng)反射鏡反射掃描滾筒上的膠片使膠片感光。

17、,激光相機(jī)掃描部分,激光部分,激光與CRT相機(jī)優(yōu)點(diǎn),激光束有很好的聚焦性、方向性，反應(yīng)極其迅速，以毫微米級計(jì)算，這樣的激光束直接投照到膠片上防止了偽影，如輪廓線、光柵線、失真等。 系統(tǒng)采用計(jì)算機(jī)控制，輸入存儲器的圖像在打印之前可以清除，重新排列，然后打印。硬盤，可連續(xù)打印，可以存儲打印同時(shí)進(jìn)行，以至供多機(jī)共同使用。 CRT型多幅相機(jī)是一次性選擇圖像，按鍵后即曝光，無法更改，每次只能完成一次拷貝。,第七節(jié) 螺旋CT簡介一、特點(diǎn),常規(guī)CT掃描四個(gè)步驟 ： 第一步：X線管和探測器圍繞病人旋轉(zhuǎn)； 第二步：旋轉(zhuǎn)中的X線管產(chǎn)生X線，探測器采集透射值（原始數(shù)據(jù)）。X線管電源的電纜必須允許X線管旋轉(zhuǎn)360以上

18、； 第三步：X線管停止， X線管和探測器回到原始位置； 第四步：病床進(jìn)行平移，使另一層組織位于CT的掃描層面。,常規(guī)CT掃描缺點(diǎn)： 需要較長的掃描時(shí)間。 成像中會產(chǎn)生遺漏人體某些組織的情況。病人呼吸使前后兩次掃描中不相同的，相鄰兩掃描之間的組織造成遺漏； 不能準(zhǔn)確地重建三維圖像和多方位圖像； 應(yīng)用提高對比度技術(shù)時(shí)，只掃描了有限的幾個(gè)層面。,螺旋掃描容積式數(shù)據(jù)采集要求：,滑環(huán)技術(shù)使X線管能連續(xù)沿著一個(gè)方向轉(zhuǎn)動； 掃描床能做同步勻速直線運(yùn)動； 使用大功率、高熱容量和散熱率的X線管； 具有螺旋加權(quán)算法軟件； 用計(jì)算速度快、存儲容量大的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。,螺旋CT掃描原理圖,二、螺旋掃描裝置（一）滑環(huán)技術(shù),

19、常規(guī)CT的X線管系統(tǒng)的供電和信號（數(shù)據(jù)）傳遞均由電纜完成。掃描時(shí)X線管在機(jī)架內(nèi)只能做往復(fù)旋轉(zhuǎn)運(yùn)動，且電纜易纏繞，掃描速度難以提高。 滑環(huán)技術(shù)用一個(gè)滑環(huán)和電刷代替電纜，滑環(huán)在轉(zhuǎn)動時(shí)一直與電刷保持良好的接觸，經(jīng)電刷和滑環(huán)完成向X線管供電和信號的傳遞 。,滑環(huán)技術(shù)示意圖,滑環(huán)上電壓技術(shù),1高壓滑環(huán)技術(shù) 機(jī)架外的高壓發(fā)生器產(chǎn)生X線管所需的高電壓，通過電纜和電刷傳輸?shù)礁邏夯h(huán)上，而后經(jīng)高壓滑環(huán)輸入X線管。 2低壓滑環(huán)技術(shù) 外部將數(shù)百伏的低壓經(jīng)導(dǎo)線和電刷傳輸?shù)降蛪夯h(huán)上，由低壓滑環(huán)輸送給高頻高壓發(fā)生器，高頻高壓發(fā)生器產(chǎn)生的高電壓通過很短的一段高壓電纜，給X線管 。,高壓滑環(huán)技術(shù)原理圖,低壓滑環(huán)技術(shù)原理圖,

20、電刷(Brush),低壓滑環(huán),高低壓滑環(huán)優(yōu)點(diǎn)缺點(diǎn),高壓滑環(huán)技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)是高壓發(fā)生器放在機(jī)架外部，可以不受體積重量的限制，發(fā)生器功率容量做得大，又不增加旋轉(zhuǎn)機(jī)架的重量，使掃描速度更快。而且也不需要擔(dān)心滑環(huán)與電刷接觸處因電流過大而引起的溫度升高問題。其缺點(diǎn)是高壓滑環(huán)易引起機(jī)架旋轉(zhuǎn)部件與靜止部件、接觸臂、電刷之間的高壓放電，由此還會引發(fā)高壓噪聲，影響數(shù)據(jù)采集。 低壓滑環(huán)技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)是對絕緣要求不高，安全、穩(wěn)定、可靠。其缺點(diǎn)是高頻高壓發(fā)生器體積和重量受到限制，制造大功率的高頻高壓發(fā)生器有相當(dāng)?shù)募夹g(shù)難度，且增加了旋轉(zhuǎn)部分的重量，掃描速度較高壓滑環(huán)低。,（二）螺旋掃描技術(shù),1掃描速度非?？?通常1s內(nèi)可以旋轉(zhuǎn)

21、360，從而有效地縮短掃描時(shí)間，使病人更容易接受和忍受CT檢查中的屏氣要求。多數(shù)病人可以在一次屏氣中完成掃描，避免了呼吸運(yùn)動引起的掃描遺漏，減少了病人移動產(chǎn)生的偽影。 2連續(xù)掃描和連續(xù)采集數(shù)據(jù)可以獲得容積數(shù)據(jù) 通過回顧性重建能夠得到任意位置的層像和高質(zhì)量的三維重建圖像，提高了病灶檢出率。 3快速無層間隔掃描可以充分發(fā)揮對比劑的對比度增強(qiáng)作用 幾乎可使全部掃描都在增強(qiáng)高峰期完成，不但能獲得最佳增強(qiáng)效果，還可減少對比劑用量,三、多層面螺旋CT技術(shù),多層面螺旋掃描技術(shù)是指采用寬探測器技術(shù)，即探測器的列數(shù)增加，掃描時(shí)不用常規(guī)的層面或螺旋CT掃描準(zhǔn)直寬的扇形線束，而采用可調(diào)節(jié)寬度的錐形線束。根據(jù)所采集的

22、厚度來選擇錐形線束的寬度，后者則可激發(fā)不同數(shù)目的探測器，從而實(shí)現(xiàn)一次采集可同時(shí)獲得多層圖像的技術(shù)。,多層螺旋連續(xù)式掃描,（一）多層面螺旋CT的探測器陣列,探測器在Z軸方向的數(shù)目從傳統(tǒng)的一排增加至幾排甚至幾十排（多排探測器CT機(jī)-multirow detector CT）。其排列方式基本上有兩種類型。對稱形探測器;非對稱性探測器,（二）多層螺旋CT的重建方法,1優(yōu)化采樣掃描（optimized sampling scan） 它是通過調(diào)整采樣位置，獲得補(bǔ)償信息，從而達(dá)到縮短采樣間隔，使多層螺旋CT在相同掃描范圍內(nèi)，獲得多于單層螺旋CT掃描信息。,2濾過內(nèi)插法（filter interpolation） 采用Z軸方向?yàn)V過重建，取代常規(guī)的螺旋內(nèi)插法。 主要分為兩步： 應(yīng)用鄰近資料進(jìn)行線性內(nèi)插法，進(jìn)行重新采樣； 對重新采樣資料進(jìn)行濾過重建