X线计算机断层成像技术 CT

X线计算机断层成像技术一、 CT的诞生1914年，俄国学者K.Maenep氏，依照运动产生模糊的理论，首先提出体层摄影的理论，即用一种特殊装置，使想观察的人体某层组织影像较清楚地显示，而该层组织以外的则模糊不清，以获取较大的空间分辨力。

1930年意大利的Vallebona氏开始将体层摄影的有关理论和它的使用方法应用于临床并取得了很好的临床效果。

随着机械工业的发展，1947年Vallebona率先获取了以人体为模型的横断面影像，这种技术后来又发展成回转人体横断面体层技术。

1961年美国神经内科医生Ooldendor提出了电子计算机X线体层技术的理论，1968年英国工程师Hounsfild氏与神经放射学家Ambrose氏共同协作设计，于1972由英国EMI公司成功制造了用于头部扫描的电子计算机x线体层装置并在英国放射学会学术会议上公诸于世，称EMI扫描仪。

这种影像学检查技术与传统X线摄影相比，图像无重叠、密度分辨力高、解剖关系清楚，病变检出率和诊断的准确率均较高而又安全、迅速、简便、无创性，是医学影像学的一项重大革新，促进了医学影像诊断学的发展。

1974年在蒙特利尔(Montreal)召开的第一次国际专题讨论会上正式将这种检查方法称作电子计算机体层摄影(computer tomography,简称CT)。

二、CT的发展CT的应用还不到30年，但发展迅速。

从只能扫描头部的第一二代平移／旋转扫描方式的CT机，至1974年旋转扫描方式的体部CT机；以及1989年在旋转扫描的基础上采用了滑环技术的螺旋CT;后来的电子束CT或称超速CT相继问世。

CT机性能在不断提高，检查领域不断拓宽. CT发展前景广阔，并将沿着影像医学所追求的目标——提高显示病变的敏感性、特异性和推确性，微创或无创，操作简便和降低检查费用等方面不断改进、完善和发展。

第二节CT的组成与功能CT由扫描部分、计算机部分、操作台、显示与记录系统等组成。

一、扫描系统扫描系统包括：扫描机架、扫描床、扫描控制电路等。

（一） 扫描机架图6-1是扫描机架外形图，图6-2是扫描机架内部结构。

X线系统、图像采集、X线过滤器、系统准直器均装在机架内。

机架可根据检查需要进行±200或±l 30。

的倾斜。

不同机型，该角度可不同。

² X系统包括X线管、水冷系统、高压发生系统。

1） X线管：是产生X线的器件，由阴、阳极和真空玻璃管(或金属管)组成。

与普通的X线管一样，分固定阳极和旋转阳极两种。

安装固定阳极管，其长轴与探测器平行，安装旋转阳极管其长轴与探测器垂直。

n 固定阳极管主要用于一二代CT机，扫描时间长、产热多，采用油冷或水冷强制冷却。

n 第三第四代CT机多采用旋转阳极管，因扫描时间短，要求管电流较大，一般为100mA-600mA，采用油冷方式。

旋转阳极管焦点小，要求热容量大，可达3-6M个热单位，这种X线管一般寿命很长，可达2万次扫描以上。

2） 冷却系统：一般扫描架内有两个冷却电路：即X线管冷却电路和电子线路的冷却电路。

无论旋转阳极管还是固定阳极管，在扫描过程中均会产生大量的热。

一方面会影响电子的发射，更为严重的是靶面龟裂，影响到X线质量，所以冷却是必须的。

X线管用绝缘油与空气进行热交换，扫描机架静止部分则用风冷或水冷进行热交换。

扫描机架与外界是隔绝的，所以只有热交换器控制温度。

球管和机架内都有热传感器把信号传给主计算机，当温度过高时，则会产生中断信号，机器停止工作，直到温度降到正常范围才可以重新工作。

另外，主计算机根据扫描参数的设定预算热量值，当预算值超过正常范围时，计算机会在屏幕上给出提示，操作者可通过修改扫描方案，如缩短扫描范围，降低毫安、干伏，螺旋CT则还可用增大螺距的方法等，直到计算机认可。

扫描机架内部温度的升高会影响到电子电路的热稳定性，因此也必须控制温度，一般在18—27度为宜。

3） 高压系统：包括高压发生器和稳压装置。

高压发生器产生X线的形式主要为连续X线发生器和脉冲X线发生器，CT机对高压的稳定性要求很高，电压波动会影响X线能量，而X线能量与物质的衰减系数μ(或称吸收值)密切相关，CT图像是计算机求解吸收值而重建出来的，显然电压的波动会影响到图像质量。

一般说来，CT值的精度要求在0.5％以下。

这就要求高压发生器的高压稳定度必须在干分之一以下，纹波因素为万分之五。

因此，任何高压系统必须采用高精度的反馈稳压措施。

现在新机型多采用高频逆变高压技术，这种方法，电压一致性好，稳定，纹波干扰小，图像分辨力更高。

（二） 数据采集系统数据采集系统(data acquisition system，DAS)包括探测器、缓冲器、积分器和A／D转换器等组成。

由探测器检测到的模拟信号，在计算机控制下，经缓冲、积分放大后进行模数 (A／D)转换，变为原始的数字信号。

DAS采集数据的时间和控制信导由扫描控制系统SCU产生，并且通过接口提供到DAS。

数据窗开关(DWS)在三种扫描方式(即TOM、TOP、Offset)中任何一种方式下打开数据窗，采集完数据后再关闭数据窗。

数据窗工作时间即数据采集时间。

1、探测器(detector)，是一种能量转换装置。

一般CT常用的探测器为两种基本类型，一种是收集电离电荷的探测器，有气体和固体探测器两种。

气体探测器主要有电离室，正比计数器、盖革计数器等。

固体探测器主要是半导体探测，另一种是闪烁晶体探测器。

无论哪种探测器必须具备以下条件：² 电源：电源适应性强，不同电压均能正常使用，有良好均匀性。

² 社会范围：动态范围宽。

强弱信号都能检测．灵敏度高。

² 余辉时间：余辉时间短，竭止性能好。

² 稳定性：成分稳定，受理化因素影响小、寿命长。

² 体积：体积小、空间配置容易。

气体探测器技术应用的是气体电离室，它是在一个公共压力下的探测器管套内，排列着数百个至数千个单独通道所组成的，每一个通道为一个最小单元。

电离室的两个电子阴极被连到高压电源，另一个阳极连接到电流／电压转换电路(图6—3)。

当x线进入探测器，极板间氙气被电离，形成带电离子，在电场作用下，带电离子沿着场线形移动形成电流。

该电流在外电路电阻中就会产生一个电压信号，输送到检测电路。

目前，CT机上所用的气体探侧器多采用化学性能稳定的惰性气体氙气(Xenon，符号Xe)或氪气(Krypton，符号K r)等。

气体探测器稳定性好，几何利用率高，但光子转换率低，因此通常使用高压气体(10—15个大气压)，提高气体分子密度，增加电离几率，增强灵敏度。

对气体探测器的要求是：探测器密封性能好、有足够的机械强度、极板精度高、各通道气体压力相等、容积相等。

闪烁晶体探测器是利用某些晶体受射线照射后发光的特性制成的，组成部分是闪烁晶体，光导及光电倍增管等，结构简图如图6-5。

当X线照射晶体后，原子接受X线光量子的能量，产生激发或电离，处于激发状态的原子返回到基态时，释放能量，这种能量以荧光光子的形态出现(荧光现象)。

这种荧光经光导传给光电倍增管的光电阴极上，其上的光电敏感物质发出光电子，光电子经聚焦投射到光电倍增管的联极，经联极的光电倍增作用，光电子数大增，然后打在阳极上，并在输出电阻上形成一个电压脉冲(该脉冲幅度与被探测器单元探测到的放射强度成正比)，再经前置放大后，反馈到检测电路。

常用的闪烁晶体有碘化钠(NaI)、碘化铂(CsI)、锗酸铋(BG0)等。

BG0具有残光少，转换效率高，易加工不易潮解，不易老化，性能稳定等优点，因而被很多种CT机所采用。

2、 A/D转换器，从探测器所获得的信号是一个脉动的模拟信号，经缓冲处理后送至对数——双坡积分板，进行积分放大，然后经A／D转换器转变为数字信号后才能被计算机识别处理，因此，A/D转换器在DAS系统中起着重要作用，常用的A/D转换器有两种，逐次逼近式和双积分式。

（三）滤过器具有一定能量的电子接近靶原子核附近时，在核电场力作用下会改变运动的速度和方向，电子会因能量的减小而离开碰撞点，在此过程中，该电子能量的损失变为连续的放射。

由于每个电子的能量并不一定相等，碰撞方式也不相同，(有的是发生一次碰撞，有的多次碰撞。

)因此转变为光子的能量也不相等，所以X线是不同波长形成连续光谱。

而CT扫描必须要求X线束为能量均匀的硬射线，所以从球管发出X线必须进行过滤。

滤过器的功能：第一，吸收软射线；第二，使射线束变为能量分布均匀的硬射线。

（四）准直器在X线管保护套里有阳极靶面，X线束仅从窗口射出，CT扫描仅需要非常小的扇形放射源，它必须能够调节Z轴方向厚度，以得到不同的扫描层厚，并抑制散射线，减少患者辐射，提高图像质量。

如图6-9，CT机一般有两套准直器，一套在X线球管侧称前准盲器，控制放射源；另一套在探测器一侧，称后准直器。

在扫描控制电路(SCU)控制下，根据主计算机指令，前准直器在Z轴方向可有1、2、5、8mm的层面宽度和10mm的标准宽度，其他层面厚度为3、6、7、9mm，也应能够被选择。

前准直器在X轴方向的长度(d)决定射线束的扇形角度(α)，如图6-10。

不同代的CT机及不同机型的α或d会有差异。

后准直器主要起到减少散射线，减少读数误差，与前准直器配合，完成切层厚度的作用。

SCU控制准直器的要求是：前、后准直器在Z轴方向绝对平行；扇形束必须覆盖探测器排列在X方向的满范围；放射源焦点到每一个探测器距离相等。

因为在三代CT以后，焦点尺寸很小，经滤过器和前被直器的调整，X线束具有很好方向性。

探测器窗口很小，中心射线以外的散射线很难到达探头，并且，因扫描速度加快，前后准直器的协调也难以同步，影响到接收质量，所以不加后准直器。

二、检查床检查床，它可由扫描机架和操作台上相应按钮作上下升降和进退等动作，部分CT扫描可沿人体横轴力方向左右摆动，以便在扫描过程中将要扫描的器官置于同一层面内扫描。

在扫描过程中则由主计算机和SCU控制。

检查床在扫描过程中要求有很高的精度，绝对误差不允许超过0. 5mm。

特别是对1mm的薄层扫描，检查床进给精度要求更高。

另外，检查床的进退还应有准确的重复性，如扫描过程中有时要对兴趣区反复扫描，每次扫描，检查床必须能准确地到达同一层面。

这就要求检查床不仅要有一定机械精度，控制信号也必须准确无误。

在连续旋转式CT机(或螺旋CT机)中，床面还必须在扫描控制系统的控制下作恒速运动，其速度的准确性和稳定性直接影响图像质量。

三、扫描控制系统扫描控制系统(scan control unit，简称SCU)设置在扫描机架内。

扫描控制系统自身的中央处理器(CPU)，连接在数据总线和控制总线上，接受来自主计算机的各种操作指令和向主计算机输送数据。

I/O接口一般采用串行方式，通过接口，使主计算机与各功能组之间进行信息分配，实现双向通讯。