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1、第十二章 CT设备,第一节 概述 一、发展简史,1895年,德国物理学家伦琴(W.C.Rontgen);发现X射线,为射线CT奠定了基础。 1917年,奥地利数学家雷登(Radon):从数学上证明,利用物体在各个方面的投影数据,可以重建出物体的二维断面或三维图像。 1945年,计算机的发明:为投影重建理论提供了物质基础. 1963年,美国物理学家科马克(Cormack)发表了一篇研究报告,详细描述了用X射线投影数据重建图像数学方法。 1971年,英国工程师亨斯费尔德(Hounsfield):在EMI公司研制成功世界上的第一台头颅CT。 1974年,美国工程师莱德利(Ledley):研制成功世界
2、上的第一台全身CT。,1971年,英国工程师亨斯费尔德(Hounsfield):,Hounsfield,Cormack,CT机的分代: 第一代CT机:X线为单束,探测器数有单个或几个,运动方式平移加旋转,扫描时间长数分钟,头部. 第二代CT机:X线为多束,探测器数有数个或几十个,运动方式平移加旋转,扫描时间数十秒,全身. 第三代CT机:X线为扇形,探测器数有几百个扇形排列,运动方式旋转+旋转,扫描时间长数秒钟. 第四代CT机:X线为扇形,探测器数有数百到几千个呈圆周状排列,提高了图像质量.运动方式为旋转. 第五代CT机:电子束CT超高速型CT机(UFCT).扫描无机械旋转维护费用高.,（一）第
3、一代CT（平移+旋转扫描方式）,第一代CT由X线管和1-2个探测器（detector）组成。 X线束穿过和探测器同步直线平移运动。 获得透射数据后，X线管和探测器环绕中心旋转1，做上次相反的直线扫描运动。 获得数据后，再旋转1，重复上述过程直到180，采集到数据组成的平行投影值，即完成了数据的采集过程。,第一代CT（平移+旋转扫描方式）,（二）第二代CT（平移+旋转扫描方式）,第二代CT X线束改为扇形线束，由一只X线管和330个晶体探测器组成。 由呈扇形排列的多个探测器，每次平移后的旋转角由1提高到扇面角度，扫描时间减至18s。为了提高图像质量采用240、360平移加旋转扫描，比第一代CT各
4、项指标有提高，已具备了做全身CT检查的条件。 第二代CT主要缺点是：在扫描过程时间长，由于病人的生理运动，易产生伪影。,第二代CT（平移+旋转扫描方式）,（三）第三代CT（旋转-旋转扫描方式）,第三代CT的扇形角较宽（3045），探测器增加到3001000个逐个依次无空隙排列。 扫描时，X线管和探测器无直线平移运动，仅做围绕病人进行连续旋转运动即可。扫描时间可更短。 优点：结构较简单，使用操作方便，可获得较理想的CT图像。 缺点：需对相邻探测器的灵敏度差异进行校正，相邻探测器的性能差异将产生同心环形伪影。,第三代CT（旋转-旋转扫描方式）,（四）第四代CT（旋转-静止扫描方式）,第四代CT具有
5、更多（6004800个，分布在360的圆周上）探测器。扫描时X线管做围绕病人一周的旋转运动，而探测器则固定不动。 扇形线束角度也较大，扫描速度可达15s。 其工作原理和第三代CT没有本质的区别，仅是第三代CT的一个变形。,第四代CT（旋转-静止扫描方式）,（五）第五代CT（静止-静止扫描方式）,第五代CT由一个电子束X线管、由864个固体探测器构成216的阵列固定环内和一个数据采样、图像处理、数据显示的计算机系统组成。 每个固体探测器作为一个数据采集单元。它由一个X线可见光转换晶体、一个光电转换硅二极管和一个前置放大器构成。 第五代CT适用于心脏，查易动病人检查，是一种新型的CT。其缺点是造价
6、昂贵。,电子束CT,第五代CT（静止-静止扫描方式）,电子束CT,双源CT,各代CT比较,二、现状与发展趋势,滑环技术（slipring） 螺旋扫描技术（helical scan） 多层面螺旋扫描技术：2层CT、4层CT、8层、16层、32层、64层CT 容积扫描（volume Scan） 平板探测器CT机：锥形CT扫描机（cone beam CT）。 排(层)的发展: 单排CT 双排CT64排CT平板（锥形）CT,锥形CT机面临的难点是：,克服锥形线束伪影（cone beam artifact）； 改进图像重建算法； 提高大量数据的处理速度； 提高平板探测器的性能； 克服机械结构限制。,容积
7、扫描,锥形CTTHREE-DIMENSIONAL,第二节 CT工作原理,X线CT扫描机能对人体进行横断体层成像，将各种组织对X线的吸收系数以数字（CT值）表示出来。 X线CT扫描机与常规X线体层摄影的原理和成像方法也完全不同，它没有纵向体层摄影时上下层模糊影像对目标体层的影响，被检查层各点CT值经数学方法重建出来的图像。,投影像,X线投影,一、线衰减系数,将X线束穿过人体一横断层面则对面的探测器可获得该层面的信息。借助于各组织对X线具有不同衰减系数的特征来实现还原为该层面的图像。X线在人体被衰减的程度，按组织对X线的衰减系数和组织厚度D以指数函数关系发生变化其式为: 或 式中：I0入射X线强度
8、；I为穿过病人衰减后的强度；D为组织厚度，为线性衰减系数。,沿X线束穿过的人体各组织密度一般是非均一的。认为是由大量各不相同的密度单元体所组成。单元体厚度为D，单元体被分割得越细小，其体内密度越接近一致.,二、工作原理,需要从一个横断面的许多视角射入X线，以便测得大量“衰减系数之和”，即所谓数据采集过程，随后建立n元一次方程组求解，即可得到各单元体的衰减系数。若一幅图像有nm个像素，则需解nm个n元一次方程，方能求出一个层面各单元体的衰减系数。 数据采集的基本组成部分是X线管、滤过器、准直器和探测器，,将计算出各单元体衰减系数的过程称为图像重建。一幅图像至少由几十万至上百万个单元体（像素）组成
9、。,不同组织的衰减系数之和可能相等的示意图,CT信号检测原理,投影图像重建,各组织的CT值,数据采集的组成:是X线管、滤过器、准直器和探测器。为了从不同视角获取数据，需要一个扫描机架。X线管、探测器环绕患者作360旋转，以获取大量原始数据。,Housfield unit (HU) :,WW decides what we see Kv ;mA;保用次数 热容量: 0.5MHU 0.75MHU 1.5MHU 2MHU 3MHU 5MHU 5.5MHU 6MHU ,X线管组件接线图,二、探测器,探测器是一种将射线能量转换电信号的装置。,（一）探测器性能,1效率 是指它从线束吸收能量的百分数。几何效
10、率;吸收效率;总检测效率 。 2稳定性 是指从一瞬间到另一瞬间探测器的一致性和还原性，探测器需经常进行校准以保证其稳定性。 3响应性 是指探测器接收、记录和抛弃一个信号所需的时间。 4准确性 人体软组织及病理变化所致衰减系数小的变化。,（二）探测器类型,固体探测器： 是一种收集荧光的探测器，称闪烁探测器。 气体探测器： 是收集气体电离电荷的探测器。,1固体(闪烁)探测器,闪烁探测器是利用射线能使某些物质闪烁发光的特性来探测射线的装置。,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,部分闪烁晶体性能表,2气体探测器,气体探测器是利用气体（一般采用化学性能稳定的惰性气体）电离的原理，入射的X线使气体产生电离，通过测量电流的大小来测得入射X线的强度。,探测器,固体探测器 Picker公司分布式处理方式; 西门子公流水线处理方式。,（一）流水线处理方式,流水线处理方式（pipeline processing） 采用了生产上的流水线概念，把每条指令分为若干个顺序的操作，每个操作分别由不同的处理器实施。这样可以同时执行若干条指令，对每个处理器来说，每条指令中的同类操作像流水线一样被连续加工处理。这样可以提高计算机工作速度和提高各个处理器的使用效率。
13、,流水线处理方式,（二）并行处理方式,并行处理方式（parallel processing） 是由三台多任务计算机通过系统总线耦合成一系统，分别形成扫描处理器、显示处理器和文件处理器。扫描处理器中采用二台阵列处理器和一台反投影处理器，使其重建速率为每秒6400万次浮点运算。显示处理器中采用一台独立的阵列处理器用于整形、放大、窗位控制和图像分析。,并行处理方式,（三）分布式处理方式,分布式处理方式（distributed processing） 由若干台独立的处理器构成，各台处理器可分别处理同一程序的各个子程序，也可按功能分别处理一道程序的各个阶段。每台处理器都有自己的局部存储器，能独立承担分配
14、给它的任务。在统一操作系统控制下工作，相互间可以通信。系统具有动态分配任务的能力，能自动进行任务调度和资源分配 。 其优点是： 可靠性高；一台处理器失效，对系统影响不大； 灵活性高，由于系统模块化，便于扩充、替换和更换部件； 经济性好，可以用价格便宜的微处理器。,并行处理方式,四、软件 （一）基本功能软件,1人机对话方式 2条件联系方式 3返回处理方式,（二）专用功能软件,1动态扫描（dynamic scan）软件 2快速连续扫描（fast continue scan）软件 3定位扫描（scanogram or scout）软件 4目标扫描（object scan）软件 5平滑过滤（smoot
15、hingcuppingfiltering）软件 6三维图像重建（three dimension imaging reconstruction）。 7高分辨力CT（high resolution CT）软件 8定量骨密度测定软件 9氙气增强CT扫描软件,第六节 图像显示、记录和存储系统,计算机和图像重建系统提供的数字图像: 可以显示在监视器上供医生观看; 可以直接存储在磁性载体上供以后需要时调用;也可以永久性地记录在胶片上。 CT上配置了图像显示、 记录和存储系统。,图像的存储,显示和记录,磁盘(硬盘) 光盘 磁带或软磁盘 显示器 照相机,一、图像显示系统,CT机用的常是高分辨率黑白电视监视器,
16、1024*1024矩阵,16灰阶.,二、图像存储系统（储存介质）,三、图像记录系统,（一）阴极射线管型多幅相机 （二）激光型多幅照相机,照相机,种类 干式打印机 多幅照相机 激光打印机,（一）阴极射线管型多幅相机,X,Y,（二）激光型多幅照相机,激光图像形成原理图,激光相机图像的形成,从激光管放出的激光，调制器AOM(acoustic optical modulater)调制，随着图像数据变化。 通过AOM的激光束器调整成适合扫描的光束。 靠多面转镜的旋转，激光形成水平的扫描。 圆柱透镜校正,多棱镜反射不同角度变成水平强度均匀的扫描。 经过f透镜的光，再经反射镜反射扫描滚筒上的胶片使胶片感光。
17、,激光相机扫描部分,激光部分,激光与CRT相机优点,激光束有很好的聚焦性、方向性，反应极其迅速，以毫微米级计算，这样的激光束直接投照到胶片上防止了伪影，如轮廓线、光栅线、失真等。 系统采用计算机控制，输入存储器的图像在打印之前可以清除，重新排列，然后打印。硬盘，可连续打印，可以存储打印同时进行，以至供多机共同使用。 CRT型多幅相机是一次性选择图像，按键后即曝光，无法更改，每次只能完成一次拷贝。,第七节 螺旋CT简介一、特点,常规CT扫描四个步骤 ： 第一步：X线管和探测器围绕病人旋转； 第二步：旋转中的X线管产生X线，探测器采集透射值（原始数据）。X线管电源的电缆必须允许X线管旋转360以上
18、； 第三步：X线管停止， X线管和探测器回到原始位置； 第四步：病床进行平移，使另一层组织位于CT的扫描层面。,常规CT扫描缺点： 需要较长的扫描时间。 成像中会产生遗漏人体某些组织的情况。病人呼吸使前后两次扫描中不相同的，相邻两扫描之间的组织造成遗漏； 不能准确地重建三维图像和多方位图像； 应用提高对比度技术时，只扫描了有限的几个层面。,螺旋扫描容积式数据采集要求：,滑环技术使X线管能连续沿着一个方向转动； 扫描床能做同步匀速直线运动； 使用大功率、高热容量和散热率的X线管； 具有螺旋加权算法软件； 用计算速度快、存储容量大的计算机系统。,螺旋CT扫描原理图,二、螺旋扫描装置（一）滑环技术,
19、常规CT的X线管系统的供电和信号（数据）传递均由电缆完成。扫描时X线管在机架内只能做往复旋转运动，且电缆易缠绕，扫描速度难以提高。 滑环技术用一个滑环和电刷代替电缆，滑环在转动时一直与电刷保持良好的接触，经电刷和滑环完成向X线管供电和信号的传递 。,滑环技术示意图,滑环上电压技术,1高压滑环技术 机架外的高压发生器产生X线管所需的高电压，通过电缆和电刷传输到高压滑环上，而后经高压滑环输入X线管。 2低压滑环技术 外部将数百伏的低压经导线和电刷传输到低压滑环上，由低压滑环输送给高频高压发生器，高频高压发生器产生的高电压通过很短的一段高压电缆，给X线管 。,高压滑环技术原理图,低压滑环技术原理图,
20、电刷(Brush),低压滑环,高低压滑环优点缺点,高压滑环技术的优点是高压发生器放在机架外部，可以不受体积重量的限制，发生器功率容量做得大，又不增加旋转机架的重量，使扫描速度更快。而且也不需要担心滑环与电刷接触处因电流过大而引起的温度升高问题。其缺点是高压滑环易引起机架旋转部件与静止部件、接触臂、电刷之间的高压放电，由此还会引发高压噪声，影响数据采集。 低压滑环技术的优点是对绝缘要求不高，安全、稳定、可靠。其缺点是高频高压发生器体积和重量受到限制，制造大功率的高频高压发生器有相当的技术难度，且增加了旋转部分的重量，扫描速度较高压滑环低。,（二）螺旋扫描技术,1扫描速度非常快 通常1s内可以旋转
21、360，从而有效地缩短扫描时间，使病人更容易接受和忍受CT检查中的屏气要求。多数病人可以在一次屏气中完成扫描，避免了呼吸运动引起的扫描遗漏，减少了病人移动产生的伪影。 2连续扫描和连续采集数据可以获得容积数据 通过回顾性重建能够得到任意位置的层像和高质量的三维重建图像，提高了病灶检出率。 3快速无层间隔扫描可以充分发挥对比剂的对比度增强作用 几乎可使全部扫描都在增强高峰期完成，不但能获得最佳增强效果，还可减少对比剂用量,三、多层面螺旋CT技术,多层面螺旋扫描技术是指采用宽探测器技术，即探测器的列数增加，扫描时不用常规的层面或螺旋CT扫描准直宽的扇形线束，而采用可调节宽度的锥形线束。根据所采集的
22、厚度来选择锥形线束的宽度，后者则可激发不同数目的探测器，从而实现一次采集可同时获得多层图像的技术。,多层螺旋连续式扫描,（一）多层面螺旋CT的探测器阵列,探测器在Z轴方向的数目从传统的一排增加至几排甚至几十排（多排探测器CT机-multirow detector CT）。其排列方式基本上有两种类型。对称形探测器;非对称性探测器,（二）多层螺旋CT的重建方法,1优化采样扫描（optimized sampling scan） 它是通过调整采样位置，获得补偿信息，从而达到缩短采样间隔，使多层螺旋CT在相同扫描范围内，获得多于单层螺旋CT扫描信息。,2滤过内插法（filter interpolatio
23、n） 采用Z轴方向滤过重建，取代常规的螺旋内插法。 主要分为两步： 应用邻近资料进行线性内插法，进行重新采样； 对重新采样资料进行滤过重建。CT机可根据探测器列数，准直宽改变图像层厚，从而达到多层扫描。,0,Z direction,(degree),360,180,Table Position to be reconstructed,Single-slice CT 360 deg Interpolation,Direct data,3扇形重建到锥形重建的转变 单层螺旋CT扫描的X线在扫描架内呈扇形线束，而多层螺旋CT扫描除在扫描架内呈扇形外，以锥形形式向外辐射，从而产生锥形线束多样性效应。探测
24、器列数增多，则相应的锥形线束多样性（cone-beam divergent effect）增加，获得信息增加。,（三）多层螺旋CT新概念,1探测器准直宽（detector collimation）和X线束准直宽(X-ray beam collimation) 单层螺旋CT（single slice helical CT）的层厚由X线束准直宽决定，且其影响Z轴扫描速度和空间分辨率。 2螺旋因子的优化（optimized pitch factor） 多层螺旋CT的螺旋因子与单层螺旋CT的螺旋因子有所不同，pitch factor为螺距除探测器准直宽，也即1/N X线束准直宽，公式为pitch factor = S/d，其中S为螺距，d为探测器准直宽。,（四）多层螺旋CT的优点及展望,多层螺旋CT机优点： 缩短了扫描时间，延长扫描覆盖长度； Z轴方向分辨率的提高； 任意组合层面的厚度； 减少病人的照射量； 延长了X线管的寿命，节约了运行费用； CT血管造影可节省造影剂用量。,多层螺旋CT的展望,多层螺旋CT机随着探测器数量和材料的改进，计算机技术提高. 容积数据采集将会有更大进步数据量大、速度快、分辨率高。,个人观点供参考，欢迎讨论,