医学影像系统原理3 CT

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CT工作流程
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CT图像投影重建
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CT扫描技术

阐述了CT的基本概念、常见术语和扫描 方式。

基本概念和常见术语是CT扫描技术的基 础，理解CT基本概念和常见术语是掌握 CT扫描方式的前提和保证。
CT扫描方式是CT扫描技术的具体应用， 它分为普通扫描、增强扫描、造影扫描 和特殊扫描。
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CT的意义


CT机的诞生是X线影像技术发展史上的一个里程碑 。它很好地解决了X线摄影的影像重叠问题，获得 了真正的人体横断面图像，而且图像密度分辨率高 ，尤其对软组织器官，能清楚显示其解剖结构。CT 机的应用开辟了医学影像诊断领域的新时代，以致 Hounsfield同Cormack一起，获得了1979年的诺贝 尔医学奖。 CT一经问世，便进入了迅速发展的快车道。围绕缩 短扫描时间、提高图像质量两个焦点问题，相关技 术不断更新和改进，CT的临床应用不断扩大，使用 价值也越来越大。

基本概念和术语

密度分辨率(Contrast Resolution)
指在低对比度情况下，图像对两种组织之间最小 密度差别的分辨能力，常以百分数表示。例如：0.2% ，5mm，0.45Gy，表示物体的直径为5mm ，病人的接 受剂量为0.45Gy 时，CT的密度分辨率为0.2%，即表 示相邻两种组织密度值差大于或等于0.2时，CT即可 分辨，小于此值则无法分辨。CT图像密度值用不同级 的灰阶表示。灰阶等级由2N决定，N是二进制的位数 ，被称为比特，比特值大，表示信息量大，量化的精 度高，反之则低。影响密度分辨率的主要因素有层厚 、X线剂量和噪声等。
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CT成像原理
电子束CT扫描时首先启动扫描序列，计算机发 出指令使电子枪发射电子束，并使之加速，产 生高能量电子脉冲。 电子束由聚焦线圈和偏转线圈控制通过真空偏 移管，聚焦线圈使电子束聚集。 偏转线圈的磁场变化使得聚焦电子束旋转轰击 扫描机架下方的四个靶环中的一个，并产生旋 转的X线，实现CT扫描。
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CT的产生

CT的基础思路基于1917年波希米亚数学家J.H .Radon用数学原理证实了可通过物体的投影集合来 重建图像。1963年美国物理学家A.M.Cormack探索 出了用X线投影数据重建图像的数学方法。他们共 同奠定了产生CT的数学基础。 1971年10月，英国工程师G.N.Hounsfield设计并 扫描出第一幅具有诊断价值的头部CT图像，从而宣 告世界第一台CT扫描机的研制成功。该机因由英国 EMI公司生产，又称EMI扫描机。
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CT扫描系统

扫描系统主要由扫描机架、检查床、X线管球、 高压发生器、探测器阵列、准直器及滤过器等 组成。
（一）扫描机架(gantry) 扫描机架是X线球管、准直器、数据采集系统、机 械传动装置，以及控制电路的载体，是CT数据采集的 关键部分。机架扫描孔径决定成像的扫描几何，常规 多为70cm。机架机械精度一定要精确，以保证采样处 理所需要的精度，并且稳定性能要好，以克服高速旋 转所致离心力的影响。另外，为满足成角度扫描的需 要，扫描机架可倾斜 20º或 30º。机架内，通过滑环 9 给管球供电，通过光电转换实现数据传输。
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CT的发展阶段

下面将CT的发展过程大致分为以下几个阶段。
第一阶段：从CT的产生开始，到二十世纪70 年代中期扇形束扫描技术的应用，实现了CT从单纯 头颅扫描到全身扫描的跨越。
第二阶段：上世纪80年代中期“滑环技术” 的应用，实现了单层CT的快速扫描即螺旋CT。
第三阶段：多排探测器的应用实现了快速容 积扫描即多层扫描，即多排CT。
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准直器与滤过器
（五）准直器 CT常规配有二个准直器，一个设置在管球的X射线 出口处，称为前准直。作用是对X线束的宽度进行调节 ，并决定被检体的切层厚度，即层厚；降低被检患者的 辐射剂量；限制焦点几何投影所致的半影，提高CT图像 质量。另一个设置在探测器前，称为后准直。作用是减 少散射线的干扰。 （六）滤过器 从管球发射出的X线束能量并非均匀一致，包括低能射 线（软射线）和高能射线（硬射线）。低能X线直接影 响CT图像质量。滤过器一般由低原子序数的物质组成。 它既能吸收低能X线，使X线束变成能量均匀的硬射线束 ，又能减少散射线，降低辐射剂量，提高图像的质量。 12
X射线球管

（四）X线球管
X线球管的结构与普通X线机球管基本相同，分固 定阳极球管和旋转阳极球管。早期CT机都配备固定 阳极球管，但不能满足高毫安和连续扫描的需求， 目前已被旋转阳极球管所取代。旋转阳极X线球管的 功率较大，管电流可以达到100-600mA。管电流大， 短时间内就可以提供足够的X线剂量，满足CT快速、 连续扫描的需求。管球的热容量也要大，目前最大 达7.5MHU，散热率较高。管球的焦点通常为0.51.2mm。管球散热通常采用油冷和风冷方式。


（七）探测器
探测器是接收透射X线光子，并将其转换成相同强 度比例的电信号的装置，是采集数据的主要部件。探测 器必须具备如下性能：①良好的X线接收和转换能力， 检测效率高。②对于能量范围在40-100kev之间的不同 强度的X线都能均匀接收，线性好。③稳定性好，受理 化因素影响小，使用寿命长。④余辉短，恢复能力强。 ⑤体积小，空间配置容易，几何效率高。 探测器的种类很多。常用的有闪烁晶体探测器，如 碘化铯、钨酸钙及陶瓷材料和氙气电离室探测器两种。 目前普遍采用固态稀土陶瓷探测器。它集合了上述两种 探测器的优点。一方面对X线的吸收率高达99%以上，检 测效率极高；另一方面余辉少，稳定性高，适用于快速 连续的螺旋扫描。 13

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CT成像原理
电子束扫描速度和整个扫描序列中扫描的 靶环数，以及被扫次数都由计算机控制。 准直器则控制X线束的形状，使X线呈扇形 在直径47.4cm扫描区域内穿过病人。 在扫描机架上方平行排列着两组固定探测 器，接收扫描体衰减后的X线信号，经光 电转换，由数据采集系统进行预处理后经 光缆送至扫描存储器，再传输到快速重建 系统进行层面图像重建。
应用软件
Leabharlann Baidu

应用软件包括基本功能软件和特殊功能软件。基本功 能软件包括扫描、照相、图像储存和清盘（从硬盘中 清除图像）等软件。作用是完成图像处理和机器故障 分析等。CT基本功能是在同一个管理程序控制下，几 个彼此独立的基本功能软件，相互协调，共同执行的 结果。 特殊功能软件种类繁多，并且在不断的开发和改进。 常用的软件有：动态扫描、快速连续扫描、定位扫描 、目标扫描、图像过滤、高分辨率扫描、图像三维重 建、图像多平面重组、虚拟内窥镜、自动mA 扫描、 CT心脏成像、智能血管分析软件等等。
模数转换器

（八）模数转换器
探测器将X线信号转变为电信号，二者 在强度上成正比，可将电信号作为X线信号 的模拟物理量。计算机只能对数字信号进行 运算，而不能直接对电信号等模拟量进行处 理。将电信号等模拟量转换成计算机可以处 理的数字信号的装置就是模数转换器。模数 转换器是CT数据采集系统中的关键部分。
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CT的基本构造


CT成像过程是通过控制台指令，使高压发生器工作而 产生高压，高压使X线球管发射X线；X线束被准直后 对被检体某一层面进行透射，经探测器测得透过层面 X线量衰减值，经计算机处理获得一组完整数据投影 ，再将其转换成数字信号，传输到主计算机；由主计 算机计算出该层面组织各单位容积的吸收系数，并排 列成数字矩阵，而后转换成模拟信号；最后，在显示 器上以不同灰阶形式显示该层面的断面图像。这一过 程需要构成CT的各个系统来共同完成。 CT基本构造主要包括扫描系统，计算机系统，其他附 属设备和应用软件。
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部分容积效应(Partial Volume Phenomena)
又称体积平均值效应。即在同体像素中，存在有不同衰 减系数的物质时，对这些衰减系数的平均值。也就是在 同一扫描层面内，含有两种或两种以上的不同密度的组 织时，其所测得的CT值是它们的平均值，因而不能真实 地反映其中任何一种组织的CT值。当病变组织小于层厚 时，所测得的CT值不能反映该病变组织的CT值。如果病 变组织的密度高于周围其它组织，所测得病变组织的CT 值低于其本身真实的CT；反之，如果病变组织的密度低 于周围其它组织，所测得病变组织的CT值高于其本身真 实的CT。因此，在临床扫描工作中，对小病变的扫描， 力求使用薄层扫描或部分重叠扫描，以减轻部分容积效 应的干扰。 25
检查床与X线高压发生器
（二）检查床 检查床是病人的承载体，作用是将患者送进扫描机 架内，并将被检部位准确地定位到扫描的位置上。因此 ，检查床定位和移动速度的精度必须很高，其绝对误差 不能超过 0.2mm。床面能降低到最低位置，方便患者上 下床。为配合定位，CT常配有投光器，托架、腰垫以及 绑带等附设装备。 （三）X线高压发生器 高压值的变化直接影响X线能量变化，X线能量又直 接影响人体各组织的吸收系数。决定扫描持续时间长短 是管球的热容量及发生器的容量，高压发生器的稳定性 要好，功率要高。一般为30-60KW，并附加稳压装置。 10
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计算机系统


计算机系统是CT运行的控制中枢，主要由主控计算机 和阵列处理计算机两部分组成。 主控计算机是中央处理系统。一方面对数据采集系统 、阵列处理计算机、磁盘等装置，以及机架和高压系 统的微处理器间的输入和输出进行连接和处理；另一 方面，通过中央处理器和存储器执行以下功能：① 监控扫描，并将扫描数据（投影值）送入存储器。② CT值的校正和输入数据的扩充，即进行插值处理。③ 控制信息的传递和数据管理；④ 图像程序控制。⑤ 字符显示的处理。⑥ 机器故障分析等。 阵列处理机由主控计算机控制接收从数据采集系统和 磁盘获得的数据，进行运算后，再返回主控计算机进 行终端显示，它与主控计算机并行工作。 15
医学影像系统原理: 普通CT成像技术
丁明跃
华中科技大学生物医学工程系 “图像信息处理与智能控制”教育部重点实验室 2015-7-1
目录
一、CT的产生与发展
二、CT的基本构造
三、CT工作流程
四、CT扫描技术
五、电子束CT
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什么是CT?

CT（Computed Tomography）又称为计算 机X线体层摄影。是计算机控制、X线成像 、电子机械技术和数学科学相结合的产物 。CT检查简便、安全、无创伤，能获得质 量好、诊断价值高的图像。随相关技术的 快速发展，CT机的性能越来越好，功能也 越来越多，临床应用范围也越来越广，已 成为临床成熟、必不可少的检查手段。
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空间分辨率(Spatial Resolution)
指在高对比度的情况下，密度分辨率大于 10%时，图像对组织结构空间大小的鉴别能力 。常以每厘米内的线对数（Lp/cm）表示。其 换算关系为：5÷Lp/cm=可辨最小物体直径（ mm）。线对数越多，空间分辨率越高。影响空 间分辨率的主要因素有像素、探测器孔径、相 邻探测器间距、图像重建的卷积滤波函数、数 据取样、矩阵、X线管焦点尺寸和机器精度等 。其中像素是最主要的因素，扫描图像矩阵中 像素越多，空间分辨率就越高。
周围间隙现象(Around Clearance Phenomenon)

在同一扫描层面上，与该层面垂直的两种相 邻且密度不同的组织，其边缘部分所测得的 CT值也不能真实地反映其本身组织的CT值。 扫描线束在两种组织交界处相互重叠，边缘 分辨不清。密度高的，其边缘CT值比本身组 织的CT值小。反之，密度低的，其边缘CT值 比本身组织的CT值大。
其他设备
1.磁盘机和相关存储媒介 磁盘机是计算机运行的重要部件。它既 是用来存储支持计算机运行的操作系统软件和CT工作软件，也可 以对采集的原始数据和重建后的图像进行储存，同时还起着从磁 带或光盘中存取图像的中介作用。 存储病人的图像、计算机原始数据以及相关病人资料的媒介很 多，如各种磁带、光盘、磁光盘和软盘等。随着计算机技术的快 速发展，这些媒介的存贮容量越来越大，存取速度也越来越快。 2.操作台 通过操作台控制CT机的工作，包括输入扫描参数、监控 扫描情况、调节图像灰度、打印图像、储存图像和机器故障分析 等。操作台一般由视频显示系统、电视组件系统和软盘系统三部 分构成。 3.其它附属设备 CT机通常配备一些附属设备，以协助完成检查工 作。例如，激光打印机、洗片机、高压注射器等。 16