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1、 课程名称光机电一体化技术专 业机械制造及其自动化姓 名叶宁军学 号20090077教 师汪 敏CT系统简介在科技发展迅猛的今天，越来越多的人从有病治病发展到无病防病的阶段啦，也有越来越多的人对医疗器械有着或多或少的好奇心。因此，人们不再局限于为医是从，更多的是去了解一切于自己健康有关的事物。人们最难接触到的就是医院里庞大的医疗器械，因此有人会对这些稀奇古怪的东西有着无限大的探索欲。在这里我对CT做一简单的介绍。CT是“计算机X线断层摄影机”或“计算机X线断层摄影术”的英文简称，是从1895年伦琴发现X线以来在X线诊断方面的最大突破，是近代飞速发展的电子计算机控制技术和X线检查摄影技术相结合的
2、产物。CT由英国物理学家在1972年研制成功，先用于颅脑疾病诊断，后于1976年又扩大到全身检查，是X线在放射学中的一大革命。我国也在70年代末引进了这一新技术，在短短的30年里，全国各地乃至县镇级医院共安装了各种型号的CT机数千台，CT检查在全国范围内迅速地层开，成为医学诊断中不可缺少的设备。计算断层摄影（Computed Tomography），简称CT ,是电子计算机和X线相结合，应用到医学领域的重大突破，它使传统的X线诊断技术进入了计算机处理、电视图像显示的新时代。一、CT的工作原理 CT机扫描部分主要由X线管和不同数目的控测器组成，用来收集信息。X线束对所选择的层面进行扫描，其强度因
3、和不同密度的组织相互作用而产生相应的吸收和衰减。探测器将收集到X线信号转变为电信号，经模数转换器（AD converter）转换成数字，输入计算机储存和处理，从而得到该层面各单位容积的CT值（CT number），并排列成数字矩阵（Digital matrix）。这些数字可储存于硬磁盘（Hard disk）、软磁盘（Floppy）和磁带（Magnetic tape,MT）中，也可用打印机印用。数字矩阵经数模（D/A）转换器在监视器上转为图像，即为该层的横断图像。图像可用多幅照相机摄于胶片上，供读片、存档和会诊用。 二、 CT扫描的基本概念应用于计算机轴向断层扫描（CAT）中的扫描仪可产生X光，
4、这是一种强大的电磁能。X光的光子与普通可见光的光子基本相同，但是它们携带的能量更多。这种较高的能量水平可以使X光直接穿过人体大多数的软组织（请参阅X光浅说以了解X光穿透软组织的原理，以及X光机是如何产生X光光子的）。 常规的X光成像技术利用的是光影原理。从人体一侧照射“光线”，此时，人体另一侧的胶片可记录骨骼的轮廓。阴影只能反映物体轮廓的一部分（图1）。想象一下，您站在一堵墙的前面，右手拿一个菠萝，放在胸前；左手伸出，拿一个香蕉。您的朋友只看墙，不看您。如果您面前有一盏灯，您的朋友就只能在墙上看到您拿着香蕉的轮廓，而看不到菠萝身体的影子挡住了菠萝。如果灯在左边，您的朋友就只能看到菠萝的轮廓，而
5、看不到香蕉。图1 香蕉实验同样的现象也会在常规X光成像技术中出现。如果一块较大的骨骼恰好位于X光机和一块较小的骨骼中间，大骨骼的图像将会盖掉小骨骼。为了看清这块较小的骨骼，必须转动身体或移动X光机。同样，为了看清您同时拿着菠萝和香蕉，您的朋友必须从两个方向观察您的影子，以获得完整的意象。这就是计算机化轴向断层扫描的基本概念。在CT扫描仪中，X光束围绕着患者的身体进行运动，从数百个角度进行扫描。计算机负责收集所有信息，并将这些信息合成为人体三维图像。CT扫描仪看起来像是一个竖立的大圆圈饼。患者躺在一个平台上，随平台慢慢通过一个洞，进入仪器中。X射线管安装在洞边缘一个可移动的圆环上。在圆环与X射线
6、管相对的位置上安装了一列X射线探测器。 电机驱动圆环进行转动，使X射线管和X射线探测器围绕躯体进行旋转。每一次完整的旋转都可扫描出人体上一个狭窄的水平“断层”。控制系统将平台向洞里推进一些，扫描下一个断层。放射医学技术人员常常在另一个隔开的房间内对CT仪器进行操作，以免反复暴露在辐射下（图2）。图2 CT仪器的操作通过这种方式，机器以螺旋式的运动路线记录X光断层的信息。计算机可调整X光的强度，以最适合的功率对每种类型的组织进行扫描。患者完全通过仪器后，计算机将所有的扫描信息进行整合，形成一个详细的人体影像（图3）。当然，通常情况下不需要对整个身体进行扫描。更多的时候，医生会选择一小部分进行扫描
7、。由于CT扫描仪是全角度地对人体逐个断层依次进行扫描，它所收集的信息比传统X光扫描要全面得多。 图3 CT计算机断层扫描成像实验装置系统框图三、CT机的基本结构由四个主要方面构成，即1.X线产生系统；2.数据采集系统；3.数据处理系统；4.图像显示系统。为便于叙述，这里用美国GE公司生产的9800CT机为例对CT机的基本结构作一概述。（图4） 图4 CT机的基本结构图9800CT机是第三代CT机，它的特点是采用高速旋转石墨阳极X线管，扇形X线束张角46，用742只高压氙气检测器。数据采集率为984Hz，用一台16位内存128K扩充到256K的小型计算机作为各部件工作的总调度，一台32位浮点矩阵
8、处理机作图像重建处理，有一台35千兆位的硬盘机，另外还有磁带机，多幅相机等。扫描时间1.28秒，图像重建时间20秒。1. X线产生系统 X线产生系统主要包括X线管、高压发生器、X线控制器等，其作用就是提供一个稳定的，可以控制的X线光束。X线管是CT机的X线光源，提供CT机所需用的X线能，X线管一般有二种，即，固定阳极X线管和旋转阳极X线管，前一种X线管的热容量低，灯丝的焦点也大，产生的光束半影大。9800机使用的是后一种，同时为了增加管子的热容量，在旋转阳极的金属表面，用化学蒸发工艺涂上一薄层的石墨层，再加快阳极的旋转速度，使X线管的热容量达到3000K热量单位，瞬时的输出功率在24KW，这X
9、线管的焦点是0.90.7mm，当然，焦点越小，光束越细，图像的质量也越好。CT使用的X线高压发生器要求必须保持输出功率的恒定，因为输出功率的变化即为有效X线能量的变化，从而引起线性衰减系数的变化，9800机有三相脉冲直流125KW的输出功率。X线控制器与计算机联机，并受控于计算机，对曝光停启，kv和mA值的预置设定都是由控制器按计算机指令随时确定，加上严格的连锁保护系统。X线管产生的光束是圆锥形的，CT机要求的是线形的或者是扇形的，这就需要用束光器来完成这一目标。CT机的束光器是一种机械结构复杂的部件，按所在部位不同又可以分成X线束光器和检测器束光器，二者必须配合精密，才不会影响扫描数据的采集
10、，9800机的X线束光器将X线光束以46的扇形射出，并设有四个不同的光圈值，即1.5、3、5和10mm的孔径，通过选用不同的光圈值，可以决定扫描图像的层厚。检测器的束光器是位于检测器的前方，起着消除散射线对检测器干扰的作用，这种束光器有固定的光圈值，9800机是1mm。尽管高压发生器已提供了稳定的输出功率，但X线管产生的X线实际上是一组宽谱的X线，当这种X线穿过人体后，随受检部位的厚度和组织性质的不同，辐射能谱会发生变化，当对于某一均质物体来说，X线穿越的距离越长软射线吸收得越多，而硬射线则吸收较少，而造成一种假象，好象物体的衰减系数会随着射线穿越的距离的增加而减小，其组成不再成均匀的了，从而
11、造成图像上的密度失真。这种现象称为硬化效应，它对测量的精度影响很大，克服这一效应的方法有，X线管窗口处用铝或钢制的滤片来限制X线光谱的范围，使X线变硬，但即使是高度过滤的X线仍然不是单色射线，仍免不了有硬化效应的存在，因此在重建图像以前，还必须进行数学修正。另外，滤片也能吸收伤害人体的软射线，减少病人的受照剂量，9800机滤片选择由软件系统自动调节的。2.数据采集系统 此系统包括检测器和与之相辅的扫描机架及扫描床。 位于X线管相对面的是由几百个排列成向心弧状的单排检测器单元阵列，是采集X线衰减信号的重要部件。CT机主要使用的有二种形式的检测器，即晶体闪烁检测器和气体电离检测器。所用晶体材料（表
12、1）有碘化钠（NaI），碘化铯（CsI），氟化钙（CaF2）和锗酸铋BGO等。这些晶体在X线光子的照射下，会产生与X线量成比例的可见光线，当晶体与光电倍增管相偶合后，可见的闪烁光线打在光电管的光电阴极上，释放出电子，这些电子经光电倍增管电极的依次加压，产生出更多的电子，约经106左右的放大后，输出检测信号。 各CT检测器的优缺点：检测器优点缺点碘化钠晶体NaI和光电倍增管高检测效率余辉氟化钙无余辉检测效率低于NaIBGO无余辉、高检测效率光输出量低氙气比NaI更简单、紧凑，无余辉X光吸收效率低、稳定性响应时间差 表1 CT检测器的优缺点一般用惰性气体氙（Xe）气作为电离材料，这是由于X线能电离
13、氙原子，在氙检测器上，施加一合适的高电场和合适的气体压力，使其工作在电离饱和阶段，这时氙气检测器内所有的自由电子都能采集，图中带正电的是钨板，当一束X线束进入高压氙气腔后，氙气发生电离，正离子移向负极，而负离子靠拢正板，产生信号电流，这信号直接反映出检测器对X线的吸收量。9800机选用的是氙气体检测器，另外检测器按所起的作用又分为参考检测器和工作检测器，工作检测器位于病人的下方，检测受到衰减的X线量，参考检测器直接置于X线中，用于监视未受衰减的X线量，746只检测器中12只是参考检测器，平均分布在检测单元阵列的两边，46扇形光束中，每一度包含了6个工作检测器，各检测器间的中心中心距为1.2mm
14、。扫描机架内，主要装有扫描传动机构、旋转框架、X线管、束光器、检测器以及控制和指示电路等。它们全部在计算机的协调下进行工作，受控于计算机指令的扫描床在扫描过程中自动定位，9800机在计算机软件的控制下分别可做360、420和226的旋转扫描，并重建出不同要求的图像。3. 数据处理系统 数据处理系统包括主计算机和外围设备，它包括操作台、硬盘机、磁带机、软盘机多幅相机和图像处理机。CT顾名思意是应用电子计算机这个多功能的快速计算工具建立人体断层图像的，因此，计算机在CT机中占有相当重要的地位，只有在计算机充分发展的基础上，CT机才能显示其优越。电子计算机在CT机中的主要功能有三：根据扫描系统所获得
15、的原始数据，按照重建图像的数学方程编制的软件程序，计算出图像矩阵中的每一参数；将存储器中的图像矩阵编入电视扫描程序中，然后显示CT图像在电视屏幕上；控制扫描系统的工作以及控制机器中的其他动作。CT机的主计算机通常是管理用的小型机或微型机，但它必须有足够的内存容量以便于大量数据的吞吐。其主要任务是对整个CT机各部分功能件的动作作总调度和对数据流作缓冲，9800机的主机是一台16位的小型机，通过用操作台上的键盘，可进行人机对话，输入操作指令，经过启动各种程序软件，完成CT扫描的各项动作显示图像以及整机管理等等。CT的图像原始数据、操作和管理软件都是以数字的形式储存在计算机的外围设备里，通常硬盘中存
16、放的是CT的操作软件，常用的管理软件，以及待使用的图像数据，尽管它的存取速度快，但由于硬盘的储存容量有限，大量的信息还是记录在磁带上或者放在软盘中保留的。CT都有图像处理专用机，其任务是将所获得的扫描数据经数学修正后重建成CT图像。做成专用机的原因是为了加快重建速度。多幅相机是将CT图像记录在胶片上永久保存的机器。主计算机对CT各子系统的控制,管理和通讯通常是通过各级微处理机和专用机完成的。这是一个分级的多处理机系统。CT的计算机软件是CT图像的处理、显示、辅助医疗诊断、辅助故障诊断、机器各系统之间的管理等功能的核心所在，没有它CT不能工作。软件的类型有很多，如CT的系统程序，是CT成像的管理
17、程序，完成图像处理系统的管理调度，并控制CT的成像过程。系统诊断程序检查整个计算机图像处理系统的正确性,并检查系统的故障以保证系统的可靠和维修方便。各主要的功能部件还有自己的专用程序,如图像处理机执行的图像重建程序等等。9800机有二个层次的软件系统称为R级和M级， R级执行的是整个CT机的管理控制程序，包括启动程序，通过启动储存器内的各种软件，完成各自特定功能，关闭程序的作用是终止计算机对各种程序的执行，并启动机内的自动检测程序，监视程序也就是M级，它是执行病人的扫描，重建图像的显示以及与扫描、显示、记录图像和一些相关的管理服务程序。 4、图像显示系统 象素、矩阵、体积元:图像中象素是最小的
18、基本单位，象素越多，图像便越清晰，矩阵是由象素以横向和纵向的排列所构成的点阵。矩阵大，图像也大，体积元是指有体积的象素，体积元与图像的清晰度也成正比。CT图像的最小基本单位是体积元，体积元的高度也就是图像的厚度，CT图像的体积元代表了特定的CT值。窗口技术:CT的图像是由CT值重建组成的图像，在图像矩阵中，每一个象素代表着一个灰度值，如果将所有的包含全部CT值范围的一幅重建图像单纯地转换成灰度信号显示在屏幕上，那它的密度分辨率是很差的，因为人眼在荧屏上的灰度分辨率一般只有1030个灰度级，而CT图像其中包含有2000个左右的灰度值，为了充分利用这些信息，分辨各微小的灰度差，CT机使用了窗口技术
19、，通过窗口技术，把微小的CT值差别用明显的灰度差予以显示，也就是把对比度放大了，使感兴趣部分的CT值得到增强，不感兴趣的CT值得到压缩。这种兴趣区CT值调节的范围，就是窗宽，一般窗宽可以分级或连续地调节到满刻度，而兴趣区范围的平均中心就是窗位即：窗位值=1/2窗宽值，9800机窗宽范围从24000，窗位范围是+3071到-1024。CT图像的加工:CT机有图像显示加工的专用软件，通过用这些软件能帮助医生对病情的诊断。9800机有许多这方面的功能。如图像的放大，使某一兴趣区放大若干倍供观察，图像的镜相反转，使观察起来更为方便，窗位检测，选出一段特定的很小的CT值范围，在图像中勾划出来以区别周围的
20、不同组织。图像比较，同时在荧光屏上显示多幅图像，距离测量，计算图像中某一部分的大小，CT值测量，计算某一兴趣区的CT值，图像的文字注释等等。四、 CT的发展历程CT是从X线机发展而来的，它显著地改善了X线检查的分辨能力，其分辨率和定性诊断准确率大大高于一般X线机，从而开阔了X线检查的适应范围，大幅度地提高了x线诊断的准确率。CT是用X线束对人体的某一部分按一定厚度的层面进行扫描，当X线射向人体组织时，部分射线被组织吸收，部分射线穿过人体被检测器官接收，产生信号。因为人体各种组织的疏密程度不同，X线的穿透能力不同，所以检测器接收到的射线就有了差异。将所接收的这种有差异的射线信号，转变为数字信息后
21、由计算机进行处理，输出到显示的荧光屏上显示出图像，这种图像被称为横断面图像。CT的特点是操作简便，对病人来说无痛苦，其密度、分辨率高，可以观察到人体内非常小的病变，直接显示X线平片无法显示的器官和病变，它在发现病变、确定病变的相对空间位置、大小、数目方面非常敏感而可靠，具有特殊的价值，但是在疾病病理性质的诊断上则存在一定的限制。CT与传统X线摄影不同，在CT中使用的X线探测系统比摄影胶片敏感，是利用计算机处理探测器所得到的资料。CT的特点在于它能区别差异极小的X 线吸收值。与传统X线摄影比较，CT能区分的密度范围多达2000级以上，而传统X线片大约只能区分20级密度。这种密度分辨率，不仅能区分
22、脂肪与其他软组织，也能分辨软组织的密度等级。这种革命性技术显著地改变了许多疾病的诊断方式。CT机按其适用范围分为头颅CT机和全身CT机。CT机的发展常用代（generation）来表示。1.第一代CT机采取旋转平移方式（rotate/translate mode）进行扫描和收集信息（图5）。首先X线管和相对应的探测器作第一次同步平行移动。然后，环绕患者旋转1度并准备第二次扫描。周而复始，直到在180度范围内完成全部数据采集。由于采用笔形X线束和只有12个探测器，所采集的数据少，因而每扫一层所需时间长，图像质量差。 图5 第一代笔形束扫描机2.第二代CT机是在第一代CT的基础上发展而来（图6）。
23、X线束改为扇形，探测器增多至30个，扩大了扫描范围，增多了采集的数据。因此，旋转角度由1o增至23o，缩短了扫描时间，图像质量有所提高，但仍不能完全避免患者生理运动所引起的伪影（Artifact）。图6 第二代小扇束CT扫描机3.第三代CT机的主要特点是控测器激增至300800个（图7），并与相对的X线管只作旋转运动（rotate/rotate mode）。因此，能收集较多的数据，扫描时间在5s以内，使伪影大为减少，图像质量明显提高。 图7 第三代大扇束CT扫描机4.第四代CT机的特点是控测器进一步增加（图8），高达10002400个并环状排列而固定不动，只有X线管围绕患者旋转，即旋转固定式otate/stationary mode）。它和第三代机的扫描切层都薄，扫描速度都快，图像质量都高。 图8 第四代CT扫描方式5.第五代CT特点是扫描时间缩短到50ms（图9），因而解决了心脏扫描。其中主要结构是一个电子枪，所产生的电子束（Electron beam）射向一个环形钨靶，环形排列的探测器收集信息。图9 第五代CT扫描方式从CT机的发展过程就可以看出，在科学进步的今天，有很多的难题都在我们孜孜不倦的努力中得到了成功，社会科学技术的进步，是许许多多科学家辛勤劳动的结果。