第四章计算机体层成像设备

1第四章计算机体层成像设备第一节概述一、ＣＴ的发展历史计算机体层成像（ＣＴ）,是一种对穿透射线(X线)所经过的物质断面进行扫描，通过计算机技术显示该层面结构的装置。它的问世，是医学诊断史上的重大革命。１８９５年，伦琴发现Ｘ线，为ＣＴ的诞生打下了基础。１９１７年，奥地利数学家Ｒａｄｏｎ提出了图像重建理论的数学方法；他指出对二维或三维的物体可以从各个不同的方向上投影，然后用数学方法计算出一张重建的图像。１９６７～１９７０年，ＥＭＩ实验中心的Ｈｏｕｎｓｆｉｅｌｄ博士提出了体层成像的方法，此方法仅需要从单一平面获取投影的读数。尽管许多人提出了ＣＴ的思想概念，但是由Ｈｏｕｎｓｆｉｅｌｄ首先把这个思想发展为CT扫描机。ＣＴ的发明被认为是“自从伦琴1895年发现Ｘ线以来，在放射医学、医学物理和相关学科领域里，没有能与之相比拟的发明”。１９７２年Ｈｏｕｎｓｆｉｅｌｄ和Ａｒｎｒｏｓｅ在英国放射学家年会上发表正式论文，宣告ＥＭＩ扫描机的诞生；同年１１月，在北美放射学会年会上向全世界宣布。１９７４年，美国医学中心工程师Ledley设计了全身ＣＴ扫描机。此后ＣＴ设备与技术的发展非常迅猛，短短的２０年间，已先后发展了从头颅ＣＴ到螺旋ＣＴ和超高速ＣＴ等。（一）单束扫描单束扫描又称第一代ＣＴ，其扫描方式如图个６３所示。扫描装置由一个Ｘ射线管和一个晶体检测器组成，Ｘ射线被准直象一枝铅笔芯粗细的射线束。Ｘ射线管与晶体检测器对所要检查的断面作同步直线扫描运动，然后整个扫描装置转动一个角度，再作直线扫描运动，直到取得1800以内的各个平行投影测量值为止。这种结构的缺点是射线利用效率低，扫描速度慢，一个断面要5～６min，仅能用于头颅。若采用两个检测器，同时记录二个断层面的数据（即双断层法），虽可缩短1/2的有效扫描时间，但速度仍较慢。（二）窄角扇束扫描窄角扇束扫描又称第二代CT，其扫描方式如图５－６４所示。扫描装置由一个Ｘ射线管和３～３０个左右的检测器组成，Ｘ射线不再是平行射线束，而是一个50～100左右的扇形射线束，扫描装置直线扫描和扇束转动交替进行，与单束扫2描动作相同。这种方法作全身扫描，可缩短到20s左右，甚至到10ｓ。其缺点是中心射线和扇形束边缘射线束测得的增量不等，必须校正，否则会出现伪象。（三）广角扇束扫描广角扇束扫描又称第三代ＣＴ，其扫描方式如图５－６５所示。Ｘ射线保持张角为300~450左右的扇形射束，包括整个物体截面，检测器增加到250~350个，一个挨着一个无空隙的排列着。测量系统不需要再作直线扫描运动而只要Ｘ射线管和检测器系统共同围绕物体进行连续旋转扫描运动。在旋转扫描过程中，可辐射出极短时间的Ｘ射线脉冲，因此全身扫描时间可缩短到10~5s，甚至更短。一般全身型ＣＴ都用这种扫描形式，是目前最流行的一种扫描方式。其缺点是要对相邻的检测器灵敏度的差异进行校正，否则会出现环形赝象。(四)反扇束扫描反扇束扫描又称第四代ＣＴ，其扫描方式如图５一朋所示个．它是在第三代ＣＴ的基础上发展起来的，与第三代的差别仅在于检测器系统是由更多的检测器（约420~1500个）布满整个3600，形成一个环形阵列圈。在扫描时检测器系统静止不动，Ｘ射线管在检测器阵列圈内旋转扫描，因此速度更快，约2s，且不易产生环形赝象。是目前较新的一种扫描方式。（五）动态空间扫描动态空间扫描又称第五代ＣＴ，其扫描方式如图５卡７所示。扫描装置由２８个Ｘ射线管排成半圆形和与之相对应的２８个影象增强器组成，扫描装置完全排除了机械运动，静止不动。在影象增强器前面有荧光屏，影象增强器的后面有图象视频摄象机，由于它是一种生电子空间扫描系统，又称为动态空间重现机（ＤＳＲ）。它既能对静止的组织或慢动作组织作高密度分辨率的检查，又能充分利用无机械运动有较好的时间分辨率的特点，对心脏和肺的动态功能进行研究。（六）电子束扫描（超高速扫描）电子束扫描（或称超高速扫描）又称第六代ＣＴ，其扫描方式如图５６８所示。它与第五代ＣＴ的原理完全不同，是采用电子束扫描的方法使X射线从许多方向照射。在一个巨大钟形Ｘ射线管内，由右端的电子枪发射电子束，经过两次磁偏转，撞击左端的靶上，发出微小焦点的Ｘ射线。电子束以高速进行3600旋转扫描，从圆形靶的不同位置发射Ｘ射线。思者连同诊视床可伸入钟内，由钟形Ｘ射线管周缘发出的扇形Ｘ射线束，通过适当的准3直器照射人体后，用安装在圆周体上的Ｘ射线检测器进行测定，它的特点是不把Ｘ射线源和检测器放在同一个平面内，扫描时间更短。二、发展趋势（一）硬件的发展趋势1．提高扫描速度从前面各代CT的介绍可知，设备参数变化最大的是扫描速度。提高扫描速度有着重要意义。从图像方面看：可以减少运动伪影，提高图像质量；从医院的角度来考虑：速度的提高意味着设备效率的提高，这样也可以提高医院的经济效益。传统CT的X线管通过高压电缆和高压发生器相连，扫描时做圆周往复运动，这种运动方式很难使扫描速度大幅度地提高。近年来各CT生产厂家利用滑环技术和螺旋扫描技术，使X线管通过电刷和滑环接触与高压发生器相连，从而可做连续旋转；同时，床面匀速直线运动，就可形成螺旋扫描轨迹，这样就可大大提高扫描速度。螺旋扫描，特别是多层螺旋扫描，具有速度快、运动伪影少、减少对比剂用量以及无重叠或漏层、三维重建效果好等特点。为实现高速扫描，对X线管的容量和对探测器的灵敏度要求均有大幅度提高。超高速CT则完全抛弃了机械运动，采用电子束偏转方式，使扫描速度有了质的提高。2．提高图像质量影响CT图像质量的因素有：①X线源性质和探测器的性能。它们直接影响原始数据的质量。②数据数目和扫描速度。所得的数据越多，重建的图像分辨力越高，但必须保证扫描速度快，否则，扫描过程中被检部位移动将产生伪影。③图像重建所用的算法。它对CT成像速度和质量有影响。通常情况下，简单算法的成像速度快，但图像质量较差，反之亦然。因此，CT的算法选择，各生产厂家有其综合的考虑。④数据表达与显示方法。随着CT硬件技术和软件技术的改进，设备的图像质量已有了明显提高。目前多数CT的低对比度分辨力（密度分辨力）已高于0．35％门mm八高4达1024X1024的图像重建矩阵提高了高对比度分辨力（空间分辨力人高对比度分辨力可高于20LP八m。此外，激光相机的应用明显改进了硬拷贝质量；用电动高压注射器注射对比剂做增强扫描，提高了增强效果和减少了对比剂用量。尽管如此，提高图像质量仍然是CT发展的永恒主题和长期趋势。3．简化操作目前，大多数CT由键盘或鼠标输人方式改为部分触摸屏幕式，用以实现人机对话。下拉式菜单的操作方式与传统键盘相比方便了许多，提示清楚、操作简单、图标显示一目了然。工作站的配置，加强了功能，可以做多方面的图像后处理，并可与MRI等其它影像设备联机，有利于诊断。4．提高工作效率现今CT采用的计算机多为速度较快的微型计算机，字长大多为32位，运算速度大大提高。图像重建时间大多在10s以内，即使是普及型也大多在15s以内。很多机型采用了多台微型计算机并行工作，实现了扫描、重建、处理、存盘、照相同时进行，使检查时间进一步缩短，病人流通量大幅度提高。作档案保存的12”刻录光盘存储量达5.5GB，可存放512X512图像近2万幅；这种光盘数据检索速度极快，保存性能好，保存时问至少在10年以上，大大优于常用的磁带或软盘，所占的存放空间也大大缩小。5．缩小体积采用高频X线发生器，可将其安装在扫描机架上；用微型计算机替代小型计算机，无需单独的计算机房，可将其安装在控制台内；同时还出现了移动式CT。6．降低剂量CT检查时，病人接受的X线剂量较高，在不降低CT图像质量的同时，如何使X线剂量尽可能小，是人们始终关注和不懈努力的一个重要的研究课题。（二）设备功能的发展趋势l．血管成像CTA是血管造影技术与CT快速扫描相结合的一种技术，它是以SCT扫描为基础，静脉快速注射对比剂，应用计算机三维重建来显示血管结构的成像技术。CTA能在血管内对比剂高峰期获得大型薄层扫描图像，并采用特殊重建方法，显示血管的解剖细节。它是一种无创伤性的临床评价血管疾病的方法。目前SCT，特别是MSCT的CTA用于颅脑，可较好地评价颅内动脉瘤，估计颅内血管与肿瘤的关系；用于腹部可进行腹腔动脉、肾动脉狭个的检查；用于冠脉则可较好地诊断冠心病。2．三维图像重建采用薄层连续或重叠扫描并借助计算机处理可获得二维立体图像。这比二维图像具有更高的诊断价值，对复杂解剖部位如头颅、脊柱、骨盆及膝关节等的病好祝仪精确定位，有利于手术和放疗计划的进行。C3CT的三维图像重建更加方便快捷，臣IW人们也提高了Z轴分辨力。3．CT引导下的介人治疗由于CT成像快、图像清晰，可即时清楚地显示病灶与周围组织结构的关系，因此可在CT引导下进行介人诊断与治疗。例如在CT引导下的胸部共利活检，对确定病灶性质具有重要意义。4．仿真内镜CT仿真内镜成像是利用计算机软件功能将SCT容积扫5描获得的图像数批进行后处理，重建空腔内表面的立体图像，再用电影功能依次回放，从而获得仿真内镜效果。SCT内镜成像能获得喉、气管、支气管、结肠、鼻腔甚至主动脉腔内膜的仿真内镜图像，能显示腔内病灶的形态，还能从梗阻远端观察情况，因此CT仿真内镜提供了一种无创伤件的诊断方法，可作为纤维内镜的补充诊断手段。5．放疗计划CT的另一个重要用途是放射治疗。通过CT可对肿瘤原发位置准确定位，探索局部转移和淋巴瘤，确认肿瘤对放疗的敏感性，监视放疗的效果等。操作人员…川间形输入装置在（””f图像卜圈定轮廓，或以CT值为基础设定密度，以标准方法做射线未定什，川计算机计算深部治疗剂量，或单独计算等剂量曲线，还可实施横断面外的计算，使等别达山1线’；）现在冠状面和矢状由上，从而实现等剂量曲线的三维显示。用于治疗的C丁图像对空间分辨力和密度分辨力的要求比用于诊断的高。这是问人诊断件往只需确定肿瘤的有无，而治疗却要十分精确地知道肿瘤的位置、密度及其实际尺寸。肿瘤的密度通常与周围组织非常接近，这就要求CT的密度分辨力高，以便清晰地显示肿瘤边缘。CT、X线机、MKI设备的成像比较如表5E所示。二、ＣＴ扫描机的工作原理ＣＴ扫描机是一种完全新型的图象诊断设备。CＴ装置最基本的工作原理是一个射线源和一个检测器围绕着病人的头颅或躯干上的一薄层直线平移加旋转，利用通过人体的狭束Ｘ线，经过多个角度的探测，把信息数字化，用数学模型由计算机处理重建一幅横向断层的图象。这是一幅由各象素的吸收系数排列成的图象，所以完全可以排除上下重叠影象的影响，使图象的细微结构显示清楚。ＣＴ扫描所得横断面图象的示意图如图９—５—ｌ所示。三、ＣＴ机工作顺序Ｘ线束从各个方向向人体头部某一选定断层层面进行扫描，探测器测定透过的Ｘ线强度，可在探测器上获得电信号，将此信号放大以后，积分采样。由模数转换器（Ａ／D）进行高速转换，把模拟信号数字化。数字信号经接口输送到计算机6处理，求出该层层面组织的各单位容积内的平均吸收系数，存于存储器矩阵或磁盘中。为了将图象清晰地显示出来，采用窗口技术（对比度增强器）和数模转换器（Ｄ／Ａ），将数字信号转换成模拟信号，由显示器显示，亦可采用多幅照相机存档。ＣＴ机工作顺序流程图见图９—４—２所示。第二节ＣＴ扫描成像系统我们从图像的形成过程来分析CT扫描成像系统的基本结构，其结构如图４６所示：①数据采集阶段：X线管、探测器、准直器、滤过器、对数放大器、模数转换器（Ａ/D）、接口电路等；②图像重建阶段：计算机、磁盘机D/A转换器等；③图像显示阶段：图像显示器、多幅照相机、接口电路等。加上中央系统控制器和检查床，便构成一个完整的CT系统。7一X线管ＣＴ机上用的Ｘ线管与一般Ｘ线管结构基本相同，也分有固定阳极管和旋转阳极管两种。也有不同的地方，普通Ｘ线机的Ｘ线管是纵向线焦点，ＣＴ机型X线管是横向线焦点。１．固定阳极Ｘ线管是常用Ｘ线管中最简单的一种，主要特点是真空度高、电子由热阴极发射Ｘ线的量与质可任意调节，其结构由阳极、阴极和玻璃壳三部分组成。阳极由阳极头、阳极帽、玻璃圈和阳极柄构成。（阳极头：阳极头由靶面和阳极体组成。靶面承受电子轰击，辐射Ｘ线