医学影像设备学-CT

医学影像设备学CT机的解剖与生理•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CTX线束改为扇形线束，由一只X线管和3~30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（30°~45°），探测器增加到300~1000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具有更多（600~4800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1~5s。•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比较第一代第二代第三代第四代第五代扫描方式笔束扫描扇束扫描运动方式平移/旋转方式连续扫描方式固定扫描时间3min10s~2min2.8s~10s1s~10s更快主要用途头颅扫描全身扫描，观察除心脏外的脏器可用于血管造影和心脏造影二、现状与发展趋势•滑环技术（slipring）•螺旋扫描技术（helicalscan）•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（volumeScan）•平板探测器CT机：锥形CT扫描机（conebeamCT）。•排(层)的发展:•单排CT→双排CT→64排CT→平板（锥形）CT锥形CT机面临的难点是：•①克服锥形线束伪影（conebeamartifact）；•②改进图像重建算法；•③提高大量数据的处理速度；•④提高平板探测器的性能；•⑤克服机械结构限制。容积扫描锥形CTTHREE-DIMENSIONALCT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24一、线衰减系数µ•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µ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；I为穿过病人衰减后的强度；D为组织厚度，µ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ΔD，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n×m个像素，则需解n×m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。•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值组织CT值组织CT值骨60~1800肝脏16~80血30~80乳房-120~-50蛋白质20~40脂肪-220~-200灰质30~40肺-950~-180空气-1000水0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。1000_waterwaternumberCTHousfieldunit(HU):-1000AirCTnumber0500Water脂肪软组织造影剂骨WindowWidthWindowLevel0255WWdecideswhatwesee&WLdecidestheprecisionCTnumber-1000０500ThelowertheWL,thelightertheimageThenarrowertheWW,thehigherthecontrast各组织的CT值CT-3D基本构成1.数据采集系统：包含X线高压发生器、X线管、准直器、滤过器、探测器、扫描架、扫描床、前置放大器及接口电路等。2.计算机及图像重建系统3.图像显示、记录和存储系统：包含显示器、照相机、光驱等。CT的基本构成方框图X线管准直器探测器X线高压发生器中央控制器及图像重建系统A/D图像显示记录存储显示器相机光盘存储工作站洗片机扫描架前置放大器CT扫描机的整套设备CT机的基本结构gantrytableOCinsideOCPDU机架床高压发生器控制台计算机从外表来看...控制台计算机床机架高压发生器X线-CT的组成CT机架从内部看...球管探测器DAS*球管探测器DAS*DataAcquisitionSystem(数据获取系统)X线-CT的组成一数据采集系统数据采集系统的作用是将X线管辐射的X线经滤过后再经准直器准直成扇形束，穿过受检体，探测器测得透射X线束的强度，产生电信号，先前置放大并变换成电压信号，后把模拟电压信号经A/D转换器换成数字信号送给计算机处理。数据采集系统的构成包括X线高压发生器、X线管、滤过器、准直器、探测器、扫描架、扫描床和前置放大器及接口电路等。数据采集系统•（一）X线管•Ｘ线管是产生Ｘ射线的器件，一般由阴极、阳极和真空玻璃管（或金属管）组成。•由于螺旋CT扫描需要长时间连续曝光，对球管的散热率要求很高，采用大热容量球管，能延长连续曝光时间，为解决这个问题，各厂家都在不断地对球管进行改进。24数据采集系统•X线管•与X线机的X线球管相比1.额定功率、热容量要大得多2.冷却装置采用高速旋转阳极(转速10000rpm以上)，以及油循环技术3.目前CT中使用X线管的最大功率为100kW，最高热容量可达7.5MHu。4.栅控式X线管使扫描时X线管间断的发射X射线，称为脉冲工作方式。栅控式栅控阳极X线管(即在X线管靠近灯丝附近做一个专门的控制栅极)5.管电压和管电流必须有足够的稳定度。CT扫描机中一般采用闭环反馈方法稳定X线管的电压和电流，使其误差控制在0.01％～0.05％范围内。X-RayTubeI.球管的发展–固定阳极（stationaryanode）X线管（I、II代CT、牙科CT等）–旋转阳极(rotatinganode)X线管（全身CT）II.X-Raytubecomponentsandfunctions球管构成及功能•球管组成•Envelope外壳•Cathode阴极•Anode阳极•ProtectivehousingX射线管防护罩Envelope球管外壳•Function：maintainvacuum真空状态~保证电子在真空管内的自由加速•Demand：withstandtremendousheat(耐受高温),MinimizeXrayabsorption(降低X线吸收)•MadeofPyrexglass（耐热玻璃）ormetalFrame–Pyrexglass：较好的隔热、绝缘性能–Metal：绝缘性能提高、冷却好、耐用（适于CT）Tubewindow：Asegmentofglassthatisthinnerthantherestoftheglassenvelope.Contributestoinherentfiltration：0.5mmAlequivalency.Cathode阴极•Twoprimaryparts:–Filament灯丝–Focusingcup聚焦杯•TheFilamentfunction灯丝功能–Whencurrent(mA)isappliedtothecoilofwire,electronareejected.发射电子•TheFilamentmaterials灯丝材料–usuallymadeoftungsten钨材料•higherthermionicemission高的热电子发射率•highmeltingpoint高熔点–AppendThorium（钍）~增加电子发射率和延长灯丝寿命Focusingcup聚焦杯•Containsanegativecharge.负极–Designedtorepel(排斥)electronsandcondenseelectronbeamtosmallareaononfocaltrack.聚焦到达阳极的电子；TheAnodeAssembly阳极组件•Function：电子在阳极受阻，韧致辐射产生X线•Type–Stationaryanode固定阳极–Rotatinganode旋转阳极StationaryAnodeX-rayTube固定阳极X线管•Usedfordentalx-rays,someportableimaging牙科X射线、部分便携式成像设备•Usedwhenhightubecurrentandpowerarenotrequiredbecausetheyarenotcapableofproducinghigh-intensityx-raybeamsinashorttime不需在短时间内产生高强度X射线，因此用于球管电流和功率要求不高时RotatingAnodeX-rayTube旋转阳极X线管•Tungsten-rheniumalloy(铼钨合金)：弹性、寿命•Molybdenum（钼）：高热容量•Graphite（石墨）：更高热容量Theadvantageoftherotatinganode旋转阳极的优点•HighPower功率大•TheeffectivesizeofFocusdecrease有效焦点变小旋转阳极CT射线管采用油-风冷却方式.阳极靶面的热能→周围的油→高压油泵→散热器→冷却风扇→到空气中.大功率、高热容量和散热率的X线管GE的球管TOSHIBA的球管X-ray